CN110752869B - 一种卫星通信中盗用信号检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卫星通信中盗用信号检测方法。该方法包括步骤有接收混合信号、同步混合信号、估计正常信号和检测盗用信号，其中混合信号中包含有正常信号和待检测的盗用信号，通过载波跟踪环路和定时跟踪环路得到同步后的混合信号，根据同步后的混合信号估计正常信号，包括估计正常信号的平均能量和归一化相位，再通过从同步后的混合信号中滤除估计的正常信号，然后再进行频谱观测来检测盗用信号。本发明的检测方法实现简单，在实际常用的卫星通信地面频谱监测设备中易实现，且有效可靠。

Description

一种卫星通信中盗用信号检测方法

技术领域

本发明涉及卫星通信领域，尤其涉及一种卫星通信中盗用信号检测方法。

背景技术

随着通信行业不断发展，电磁频谱资源紧缺的问题日益突出；在卫星通信系统中，虽然星上处理技术得到一定程度应用，但大多数仍是卫星透明转发器。因此出现了卫星转发器非法盗用信号。

盗用信号一般分为两种情况，第一种是占用卫星转发器空闲频段，可以通过常规频谱监测手段观察盗用信号的存在，并分析盗用信号特征；第二种是盗用信号隐藏在正常卫星业务信号下，容易引起正常通信信号质量下降，甚至导致无法正常通信。本发明中重点研究隐藏在正常卫星业务信号下的盗用信号检测方法。

卫星通信系统的资源盗用检测问题是卫星通信中亟待解决的难题之一。盗用信号检测技术成为近年来研究热点之一。已有技术分成以下几类：

第一类，检测设备的选择，属于硬件设备选择范畴，针对非法占用卫星透明转发器空闲频段的盗用信号，采用频谱分析仪或者专用频谱监测设备即可观察盗用信号的存在和特征，对于和正常业务信号交叠的盗用信号检测问题，该方法效果差甚至无效。

第二类，时域检测，包括线性预测滤波器技术、线性插值滤波器技术等。这些技术的检测性能受噪声影响较大，若噪声不具备平稳特征，检测性能会急剧下降。

第三类，变换域检测，包括基于快速傅里叶变换(FFT)的频谱特征检测技术、基于小波变换(WT)的时频特征检测技术、基于循环平稳特性的检测技术等。其中，基于FFT的频谱特征检测技术对于隐藏在正常业务信号下的盗用信号检测问题不理想，其他变化域的检测技术算法复杂，实现较难。

这些方法对于隐藏在正常卫星业务信号下的盗用信号检测效果差甚至无法完成检测，具备检测能力的方法又存在算法复杂难实现的问题。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种卫星通信中盗用信号检测方法，解决现有技术中的检测方法存在的检测效果差、算法复杂且难以有效实现的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是提供一种卫星通信中盗用信号检测方法，包括以下步骤：接收混合信号，地面卫星通信设备接收来自通信卫星透明转发器下发的混合信号，所述混合信号中包括正常信号和噪声，以及有待检测的盗用信号；同步混合信号，所述地面卫星通信设备从所述混合信号中同步混合信号，得到同步后的混合信号；估计正常信号，根据所述同步后的混合信号估计正常信号的能量和归一化相位，得到估计的正常信号；检测盗用信号，从所述同步后的混合信号中滤除所述的估计的正常信号得到待检测的盗用信号，通过观测待检测的盗用信号的频谱来检测所述混合信号中是否存在盗用信号。

在本发明卫星通信中盗用信号检测方法另一实施例中，所述混合信号表示为：

其中，s(nT_s)为正常信号，J(nT_s)为待检测的盗用信号，w(nT_s)是均值为0，方差为N₀的高斯白噪声，n T_s为采样间隔，N为总采样点数，n的范围为0≤n≤N，a_{k_s},a_{k_J}分别为正常信号和待检测的盗用信号发送的符号，其取值范围分别为：a_{k_s}∈{exp(j2π(l-1)/M),l＝1,2,...M},

a_{k_J}∈{exp(j2π(l-1)/M),l＝1,2,...M}；E_s,E_J分别为正常信号和待检测的盗用信号发送符号的能量；T_{b_s}，T_{b_J}分别为正常信号和待检测的盗用信号的符号周期；g_{T_s}(t),g_{T_J}(t)分别为正常信号和待检测的盗用信号的升余弦滚降滤波器的冲击响应；ε是归一化码元定时误差，取值范围为-0.5≤ε≤0.5；Δf_{c_s}，Δf_{c_J}分别为正常信号和待检测的盗用信号残余频差；

分别为正常信号和待检测的盗用信号的载波初始相位。

在本发明卫星通信中盗用信号检测方法另一实施例中，所述混合信号中，正常业务信号的能量大于待检测的盗用信号的能量，即E_s＞E_J；正常业务信号的符号速率大于待检测的盗用信号的符号速率，即T_{b_J}＞T_{b_s}。

在本发明卫星通信中盗用信号检测方法另一实施例中，所述同步后的混合信号表示为:

其中，m的范围为：

表示上取整。

在本发明卫星通信中盗用信号检测方法另一实施例中，所述估计的正常信号的平均能量的估计方法为：

在本发明卫星通信中盗用信号检测方法另一实施例中，所述估计的正常信号的归一化相位的估计方法为：

其中，

为同步后混合信号采样点的实际相位，

为归一化相位，

为初始相位，M为相位调制阶数，如BPSK，M取值为2，i的取值范围为1≤i≤M。在本发明卫星通信中盗用信号检测方法另一实施例中，所述估计的正常信号表示为：

在本发明卫星通信中盗用信号检测方法另一实施例中，从所述同步后的混合信号中滤除所述估计的正常信号得到待检测的盗用信号的计算方法为：J(m)＝y'(m)-s′(m)。

在本发明卫星通信中盗用信号检测方法另一实施例中，所述同步后的混合信号中减去所述估计的正常信号之后的数据通过频谱，当有高于底噪的频谱成分则认为有盗用信号，当无高于底噪的频谱成分则认为无盗用信号。

本发明的有益效果是：本发明公开了一种卫星通信中盗用信号检测方法。该方法包括步骤有接收混合信号、同步混合信号、估计正常信号和检测盗用信号，其中混合信号中包含有待检测的盗用信号，通过环路同步技术，包括载波跟踪环路和定时跟踪环路同步得到同步后的混合信号根据同步后的混合信号估计正常信号，包括估计正常信号的平均能量和归一化相位，再通过从同步后的混合信号中滤除估计的正常信号，然后再进行频谱观测来检测是否存在盗用信号，可以对隐藏于正常业务信号下的盗用信号实施有效检测。本发明的检测方法实现简单，在实际常用的卫星通信地面频谱监测设备中易实现，且有效可靠。

附图说明

图1是卫星通信中混有盗用信号一实施例的原理示意图；

图2是根据本发明卫星通信中盗用信号检测方法一实施例的流程图；

图3是根据本发明卫星通信中盗用信号检测方法另一实施例的正常信号的频谱图；

图4是根据本发明卫星通信中盗用信号检测方法另一实施例的待检测盗用信号的频谱图；

图5是根据本发明卫星通信中盗用信号检测方法另一实施例的待检测盗用信号的频谱图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

图1显示了卫星通信中混有盗用信号一实施例的原理示意图。在图1中，地面站向通信卫星发射正常业务信号，通过通信卫星上的卫星透明转发器进行正常业务通信，正常通信过程中出现了来自地面发射的非法盗用信号，正常业务信号和盗用信号都通过同一卫星透明转发器进行转发，地面接收站接收到混合信号，正常信号受盗用信号影响，可能会影响通信质量，与地面接收站共用射频接收前端设备的频谱监测设备搭载有盗用信号检测模块，可检测盗用信号是否存在。

图2显示了本发明卫星通信中盗用信号检测方法一实施例的流程图，在图2中，包括步骤：

步骤S101，接收混合信号，地面卫星通信设备接收来自通信卫星透明转发器下发的混合信号，所述混合信号中包括正常信号和噪声，以及有待检测的盗用信号；

步骤S102，同步混合信号，所述地面卫星通信设备从所述混合信号中得到同步后的混合信号；

步骤S103，估计正常信号，根据所述同步后的混合信号估计正常信号的平均能量和归一化相位，得到估计的正常信号；

步骤S104，检测盗用信号，从所述同步后的混合信号中滤除所述估计的正常信号得到待检测的盗用信号，通过观测待检测的盗用信号的频谱来检测识别所述混合信号中是否存在盗用信号。

优选的，在步骤S101中，所述混合信号表示为：

其中，s(nT_s)为正常信号，J(nT_s)为待检测的盗用信号，w(nT_s)是均值为0，方差为N₀的高斯白噪声，T_s为采样间隔，N为采样点数，n的范围为0≤n≤N，a_{k_s},a_{k_J}分别为正常信号和待检测的盗用信号发送的符号，其取值范围分别为：a_{k_s}∈{exp(j2π(l-1)/M),l＝1,2,...M},

a_{k_J}∈{exp(j2π(l-1)/M),l＝1,2,...M}；E_s,E_J分别为正常信号和待检测的盗用信号发送符号的能量；T_{b_s}，T_{b_J}分别为正常信号和待检测的盗用信号的符号周期；g_{T_s}(t),g_{T_J}(t)分别为正常信号和待检测的盗用信号的升余弦滚降滤波器的冲击响应；ε是归一化码元定时误差，取值范围为-0.5≤ε≤0.5；Δf_{c_s}，Δf_{c_J}分别为正常信号和待检测的盗用信号残余频差；

分别为正常信号和待检测的盗用信号的载波初始相位。

优选的，所述混合信号中，正常业务信号的能量大于待检测的盗用信号的能量，即E_s＞E_J；正常业务信号的符号速率大于待检测的盗用信号的符号速率，即T_{b_J}＞T_{b_s}。

由此可以对混合信号进行同步接收，就是能够对正常信号进行同步接收和解调。优选的，实际地面卫星设备接收到的信号中存在残余频差、定时误差和噪声等的影响，为了能从混合信号中恢复正常业务信号，采用环路同步技术恢复最佳采样点。通过载波环路消除残余频差的影响，通过定时环消除定时误差的影响。可以根据不同的业务信号调制方式选择不同的载波环路鉴相器，定时环采用经典的Gardner环。

优选的，以常用的PSK调制信号为例进行工程实现验证。表1为实际测试参数表。图3为混合信号的频谱。

表1实际测试参数表

优选的，所述同步后的混合信号表示为:

其中，这里m的范围为：

表示上取整。

优选的，所述估计正常信号的平均能量的估计方法为：

优选的，所述估计正常信号的归一化相位的估计方法为：

当

这里如BPSK，M取值为2。

优选的，所述估计的正常信号表示为：

进一步优选的，从所述同步后的混合信号中减去所述估计的正常信号得到待检测的盗用信号的计算方法为：J(m)＝y'(m)-s′(m)。实际应用中，该过程是通过两组信号序列对应点进行减法操作实现的。

然后对相减之后的数据通过频谱观测即可识别是否存在有盗用信号，通过频谱进行定性分析，有高于底噪的频谱成分则认为有盗用信号，无高于底噪的频谱成分则认为无盗用信号。如图4所示即为滤除正常业务信号后的频谱情况，该频谱平坦，主要是噪声信号频谱，因此可以检测识别为不存在盗用信号。如图5所示即为滤除正常业务信号后的另一实施例频谱情况，该频谱明显对应为一个信号频谱，因此可以检测识别为存在盗用信号。

由此可见，本发明公开了一种卫星通信中盗用信号检测方法。该方法包括步骤有接收混合信号、同步混合信号、估计正常信号和检测盗用信号，其中混合信号中包含有待检测的盗用信号，通过载波跟踪环路和定时跟踪环路得到同步后的混合信号，估计正常信号包括估计平均能量和归一化相位，从而得到估计的正常信号，再通过从同步后的混合信号中滤除估计的正常信号，然后再进行频谱观测来检测待检测的盗用信号。本发明的检测方法实现简单，在实际常用的卫星通信地面频谱监测设备中易实现，且有效可靠。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (2)

1.一种卫星通信中盗用信号检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

接收混合信号，地面卫星通信设备接收来自通信卫星透明转发器下发的混合信号，所述混合信号中包括正常信号和噪声，以及有待检测的盗用信号；所述混合信号表示为：

其中，s(nT_s)为正常信号，J(nT_s)为待检测的盗用信号，w(nT_s)是均值为0，方差为N₀的高斯白噪声，T_s为采样间隔，N为采样点数，n的范围为0≤n≤N，a_{k_s},a_{k_J}分别为正常信号和待检测的盗用信号发送的符号，其取值范围分别为：a_{k_s}∈{exp(j2π(l-1)/M),l＝1,2,...M},a_{k_J}∈{exp(j2π(l-1)/M),l＝1,2,...M}，M为相位调制阶数；E_s,E_J分别为正常信号和待检测的盗用信号发送符号的能量；T_{b_s}，T_{b_J}分别为正常信号和待检测的盗用信号的符号周期；g_{T_s}(t),g_{T_J}(t)分别为正常信号和待检测的盗用信号的升余弦滚降滤波器的冲击响应；ε是归一化码元定时误差，取值范围为-0.5≤ε≤0.5；Δf_{c_s}，Δf_{c_J}分别为正常信号和待检测的盗用信号的残余频差；

分别为正常信号和待检测的盗用信号的载波初始相位；所述混合信号中，正常信号的能量大于待检测的盗用信号的能量，即E_s＞E_J；正常信号的符号速率大于待检测的盗用信号的符号速率，即T_{b_J}＞T_{b_s}；

同步混合信号，所述地面卫星通信设备从所述混合信号中得到同步后的混合信号；所述同步后的混合信号表示为:

其中，m的范围为：

表示上取整；

估计正常信号参数，根据所述同步后的混合信号估计正常信号，包括估计正常信号的平均能量和归一化相位；

估计正常信号的平均能量的方法为：

估计正常信号的归一化相位的方法为：

当

其中，

为同步后混合信号采样点的实际相位，

为归一化相位，

为初始相位，M为相位调制阶数，i的取值范围为1≤i≤M；

所述估计的正常信号表示为：

检测盗用信号，从所述同步后的混合信号中滤除所述估计的正常信号得到待检测的盗用信号；

从所述同步后的混合信号中滤除所述估计的正常信号得到待检测的盗用信号的计算方法为：J(m)＝y'(m)-s'(m)；通过观测待检测的盗用信号的频谱来检测识别所述混合信号中是否存在盗用信号。

2.根据权利要求1所述的卫星通信中盗用信号检测方法，其特征在于，所述同步后的混合信号中减去所述估计的正常信号之后的数据通过频谱观测，当有高于底噪的频谱成分则认为有盗用信号，当无高于底噪的频谱成分则认为无盗用信号。

Images