摘要：卫星通信在现代通信中扮演着重要角色，具有覆盖范围广、信道条件好、对通信距离不敏感等优点。由于信号的极化特性具有不受器件非线性影响、独立于空时频域等特点，在卫星通信中被广泛关注。但是，由于卫星的位置相对暴露且卫星通信具有广域性和广播特性，信息在传播过程中存在易被干扰和窃听的安全性问题。针对此问题，介绍卫星通信中传统的安全传输技术，并从信号的极化特性出发，阐述最新的研究成果，指出了未来的研究方向。
0 引 言
卫星通信作为现代通信的重要组成部分，具有覆盖范围广、信道条件好、对通信距离不敏感等优点，在军事和商业中承担着重要任务。
由于卫星功能的不断扩展和数量的不断增多，各国都在紧锣密鼓地抢占卫星频率资源。目前，卫星频率由吉赫兹向太赫兹探索发展，一定程度上缓解了卫星频谱资源紧张的问题，但高频率会带来信号衰减严重、对卫星硬件制造工艺要求较高等新问题[1]。于是，极化频率复用技术应运而生，并在卫星广播服务中得到了广泛应用[2]。极化调制（Polarization Modulation，PM）技术具有对载波相位不敏感、不受器件非线性影响等特点[3]，应用于卫星通信具有明显优势。因此，利用信号的极化特性可以为解决现有的卫星通信问题提供新的思路和途径。由于卫星的位置相对暴露，且卫星波束覆盖范围广，独具广播特性，因此信息在传播过程中容易出现被干扰和窃听的问题。随着数据处理能力的增强，以高复杂度为保证的传统加密技术安全隐患日益增大，卫星通信中信息安全传输问题形势严峻。
极化作为电磁波的固有性质，是电磁波除了幅度、频率、相位外的另一维度资源。极化调制利用一对正交的极化状态来承载信息，打开了调制技术的又一扇大门。极化技术的应用在缓解频谱资源紧张、应对器件非线性等问题的同时，也能为抗干扰、防窃听等安全传输问题提供新的思路。
1 传统的卫星通信安全传输技术
近年来，信息安全传输问题被广泛关注。Shannon[4]首先建立了物理层安全的基本理论，之后Wyne介绍了著名的窃听信道模型，并进一步定义了信道保密能力。文献[5]提出了一种被广泛用于无线传播环境建模的高斯退化窃听信道。在卫星通信中，抗干扰和防窃听技术是研究信息安全传输的两个方面。
卫星通信中存在的干扰包括日凌、电离层闪烁、临星干扰和临道干扰等无意干扰和干扰者故意而为的有意干扰。一般而言，卫星通信中的抗干扰技术主要有跳频技术[6]和多波束天线技术[7]。两种技术分别是基于频域和空域的，分别具有所需频段较宽和性能受限于干扰源位置的缺点[8]。极化滤波则可用于解决时间、频率和空间域难以处理的干扰抑制问题。传统的极化抗干扰主要基于干扰信号极化参数识别技术和极化滤波器。文献[9]利用斜投影算子极化滤波器进行极化抗干扰。在此基础上，文献[10]提出改进型斜投影算子的极化抗干扰算法。文献[11]提出了基于正交投影三维极化滤波方法，解决了目标和干扰信号极化点在Poincare球面上的距离过近而无法有效滤波的问题。极化参数识别的精确度对极化滤波器的滤波效果有很大影响。近年来，与其他技术相结合的极化抗干扰的成果逐渐增多。文献[12]提出了一种联合极化空间抗干扰方法，与传统的LCMV准则不同，文中提出了一个由期望信号和干扰的转向矢量组成的约束矩阵来滤除干扰信号。
针对卫星通信系统中存在窃听者的信息防泄漏问题，目前主要通过高级加密标准[13]等加密手段在上层实现。然而，随着包括云计算在内的数据处理能力的增强，以高计算复杂度为保证的加密技术的可靠性越来越低，恶意节点成功破解加密、访问敏感卫星数据的风险也越来越大[14]。不同于上层加密技术，物理层安全技术不依赖于窃听者的计算能力，在更底层实现信息的安全传输[15]。由于信号极化特性在卫星中应用的优势，卫星通信中极化信号安全传输的成果也越来越多。文献[16]比较了MIMO网络在双极化信道模型下实现最大分集的三种不同的传输方案，而之前的工作几乎都没有考虑利用极化敏感阵列来增强安全通信。在此背景下，文献[17]研究了基于极化敏感阵列的无线网络安全传输策略，特别是针对点到点单输入多输出（Single-Input Multi-Output，SIMO）网络，首先设计了安全波束形成，目的是在保密速率要求下最大限度地减少总发射功率，然后提出了提高单输入多输出网络保密能力的保密速率最大化方案。在极化调制的基础上，文献[18]创造性地设计了一个快速双极化跳变（Fast Dual Polarization Hopping，FDPH）系统，以提高固定卫星通信的物理层安全性。然而，此方案对于相移键控（Phase Shift Keying，PSK）的调制方式的防窃听性能欠佳。
2 基于信号极化特性的卫星通信安全传输技术
卫星通信中，基于信号极化特性的抗干扰和防窃听能力的不断提升对信息安全传输至关重要。本文着重介绍卫星通信中极化信号安全传输的相关技术，包括基于卡尔曼滤波的极化抗干扰技术、基于改进型快速双极化跳变的安全传输技术和基于方向极化调制的安全传输技术。
2.1 基于卡尔曼滤波的极化抗干扰技术
利用卡尔曼滤波技术进行极化参数识别，结合斜投算子实现干扰信号滤除。系统首先利用极化模型解释干扰极化状态估计的方法，其次建立卡尔曼递推方程（二者可以应用于极化滤波器的设计），然后结合斜投影滤波算子的原理及其运算性质实现抗干扰。
极化抗干扰系统总体的设计方案如图1所示。合法用户中配备正交双极化天线来接收极化信号EV 和EH ，EV 和EH 分别经过I/Q 支路分解后形成四路信号QV 、IV 、QH 和IV 。这四路信号利用卡尔曼滤波算法实现干扰信号的极化参数识别，识别结果与斜投影滤波算子运算，利用斜投影算子的性质，可以在滤除干扰信号的同时，完整地保留目标信号。
仿真中，干扰信号的极化参数设置
，
。此外，干噪比设置为25 dB。将初始参数设置完成后，利用上述理论进行仿真实验，得到如图2、图3所示的极化参数仿真曲线。其中，横坐标表示递归计算的迭代次数，最大值设置为200。
仿真结果表明，卡尔曼滤波的跟踪曲线在第15步左右开始收敛，并逐渐趋于稳定。因此，调整LMS算法的步长，使其跟踪曲线在第15步时接近稳定状态，选择均方误差和算法运算时间作为衡量跟踪性能的标准。通过仿真计算，利用卡尔曼滤波得到的 和 的稳态均方误差分别为0.53和0.17，而利用LMS算法得到的结果分别是0.81和0.66。计算结果表明，当收敛速度相等时，本章算法的跟踪性能优于LMS算法。仿真计算中，该运算的平均消耗时间为0.003 s，而LMS算法运算的平均消耗时间为0.03 s。显然，与LMS算法相比，本算法完成极化状态跟踪的消耗时间缩短了一个数量级。
通过以上分析，可以总结如下：在卫星通信中，利用卡尔曼滤波动态跟踪识别干扰信号极化参数，结合斜投影滤波算子最终实现抗干扰是可行的；与传统的LMS算法相比，该算法具有更好的鲁棒性和收敛性，且算法耗时短，更适合应用于卫星通信的抗干扰系统。
2.2 改进型快速双极化跳变技术
传统的快速双极化跳变系统对PSK的调制方式无法有效防窃听，而新的快速双极化跳变算法可以解决此问题。该算法采用一对新的快速跳变的极化状态来承载幅相调制信号，首先建立基于卫星信道的系统模型，介绍信号极化状态盲识别方案，其次设计新的双极化状态信号，最后设计信号的收发信机，并利用伪随机序列生成跳变图样。
信号极化盲识别的具体方案，如图4所示。首先，接收端利用双极化天线接收极化信号，通过载波下变频和信号采样得到正交双极化信号EV 和EH 。对于窃听用户Eve，对EV 和EH 分别进行I/Q 分解可以得到四路信号。利用卡尔曼滤波对这四路信号处理，可以得到其极化状态
和
。利用极化匹配可以得到基于幅相调制的信号。因为此方案极化状态是为了增强信息传输的安全性并不携带信息，所以得到幅相调制信号后仍需要对幅相信号进行幅相解调，最终获取调制信息。
传统的跳极化对于PSK的调制方式，信息只承载到
上。因为相位中不含 ，所以窃听用户仍然能够正确解调信号，无法实现有效防窃听。新的双极化状态进行信号叠加，与传统极化状态相比，相当于各个相位均增加
，所以新的发送信号可以表示为：
对此发送信号进行极化参数识别，可以得到如下结果：
进行极化匹配后，可以得到消除极化调制后的信号表达式为：
可知，极化匹配后的信号幅度和相位均和
有关，即无论信息是否只承载到相位上，窃听用户Eve都不能正确解调信号，确保了信息的安全传输。
在初值情况下，16QAM和QPSK的误码率性能仿真结果如图5和图6所示。可以看出，本算法对合法用户正确接收信息没有影响。仿真结果表明，与传统算法相比，本算法可以将窃听者的误码率严重恶化，大大提升防窃听性能，以达到安全传输的目的。
2.3 方向极化调制技术
方向极化调制是将方向调制和极化调制结合，使极化调制代替方向调制中传统的调制方式。方向极化调制发射机的设计是在极化调制发射机的基础上进行的改进，秉承了使硬件改动最小和成本最低的原则，原理如图7所示。数据信号通过功分和相移单元实现极化状态的映射，利用载波上变频为射频信号，再经过幅相校准。此部分为传统的极化调制模块，极化信号的垂直和水平分量分别用方向调制发射机来发送信号，人工噪声添加在理想方向信道的零空间上，由此构成方向极化调制发射机。显然，方向极化调制发射机是将传统的极化调制发射机和方向调制结合，利用方向调制发射机的天线阵代替传统极化调制发射机的单一天线，同时通过在期望方向信道的零空间上添加人工噪声，使期望方向上合法接收机接收到的信号为不含人工噪声的未畸变的极化信号，而非期望方向上的窃听接收机接收到的信号为具有人工噪声的畸变了的极化信号。
如图8所示，垂直和水平接收天线分别接收信号后经过下变频、信号采样和幅相校准，再由EvR 和EhR 二者的振幅和相位差表示出Stokes矢量G1 、G2 、G3 ，映射到Poincare球面上后，再利用最大似然准则实现信息的解调。
图9为传统的方向调制下，期待方向为60°时，在0°～180°各方位角上的误码率；图10表示在方向极化调制下，期望方向为60°时，在0°～180°各方位角上的误码率。可以得出，与传统的方向调制相比，采用方向极化调制时，非期望方向上误码率上升得更快，且整体误码率更高。
3 结 语
本文主要介绍了卫星通信中极化信号安全传输的相关技术，包括基于卡尔曼滤波的极化抗干扰技术、基于改进型快速双极化跳变的安全传输技术和基于方向极化调制的安全传输技术。但是，基于极化的调制和解调在实际通信过程中由于存在交叉极化鉴别度、极化模式色散和极化相关损耗等去极化效应，会使通信双方的质量大打折扣。针对此种情况，一般利用信道预补偿技术尽量消除去极化效应。因此，需进一步研究性能更好的信道预补偿技术。
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作者简介：
齐 帅，中国人民解放军陆军工程大学通信工程学院，硕士，主要研究方向为卫星通信、通信抗干扰；
潘克刚，中国人民解放军陆军工程大学通信工程学院，博士，教授，主要研究方向为通信信号处理；
谭宗胤，中国人民解放军陆军工程大学通信工程学院，硕士，主要研究方向为微波毫米波技术；
李晓光，中国人民解放军陆军工程大学通信工程学院，硕士，助理研究员，主要研究方向为通信信号处理。
（本文选自《通信技术》2019年第二期）
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