基于信干比方程的無人機數(shù)據(jù)鏈抗干擾分析＊

管維偉 祝前旺 徐建忠

（海軍指揮學(xué)院信息戰(zhàn)研究系 南京 211800）

1 引言

無人機數(shù)據(jù)鏈作為無人機遙控、遙測、跟蹤定位以及情報傳輸?shù)氖侄危菍o人機飛行與任務(wù)載荷實施可靠的測控以及偵察數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確及時的傳輸?shù)年P(guān)鍵和基礎(chǔ)，因此無人機對數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)歉叨鹊囊蕾?。然而無人機在戰(zhàn)場中面臨的電磁環(huán)境十分嚴(yán)峻，數(shù)據(jù)鏈很容易受到敵方的干擾，這不僅讓無人機無法執(zhí)行任務(wù)，更會威脅無人機自身的安全。因此無人機數(shù)據(jù)鏈必須具備一定的抗干擾能力。

2 信干比方程［1］

在通信系統(tǒng)中，干擾有效性的評判標(biāo)準(zhǔn)是：對于模擬信號，當(dāng)通信接收機的解調(diào)輸出信干比降低到規(guī)定的門限值以下時，認(rèn)為干擾有效；對于數(shù)字信號，當(dāng)通信接收機的解調(diào)輸出誤碼率大到規(guī)定的門限值以上時，認(rèn)為干擾有效。所以通信是否有效，不僅取決于與干擾信號本身的大小，還與通信信號本身大小有關(guān)。無論解調(diào)輸出的信干比，還是解調(diào)誤碼率都與到達通信接收機的通信信號的功率與干擾信號的功率的比值有關(guān)，該比值通常簡稱“信干比”。信干比的一般方程為

式中：Pt、Pj分別為通信發(fā)射機和干擾發(fā)射機的輸出功率；Gtr、Gjr分別為通信發(fā)射天線和干擾發(fā)射天線在通信接收方向上的天線增益；Grt、Grj分別為通信接收天線在通信發(fā)射天線和干擾天線方向上的天線增益；Gs、Gj分別為通信和干擾的處理增益；dc為通信距離，dj為干擾距離。

同樣衡量無人機數(shù)據(jù)鏈通信抗干擾是否有效也可以用信干比來作為指標(biāo)。由此可見無人機數(shù)據(jù)鏈的抗干擾能力主要與發(fā)射功率、天線增益、處理增益、無人機通信距離和干擾距離之間的關(guān)系有關(guān)。

3 抗干擾分析

3.1 發(fā)射功率

增大無人機數(shù)據(jù)鏈的發(fā)射功率是提高抗干擾能力最基本的途徑［2］。隨著功率的增加，信道傳輸?shù)乃俾室矔黾?，信息損失量也會降低，致使接收機的信干比上升，當(dāng)信干比上升到一個量值時，通常就認(rèn)為數(shù)據(jù)鏈能正常工作。

3.2 天線增益

無人機數(shù)據(jù)鏈天線增益就是指無人機的天線在某方向產(chǎn)生的功率譜密度與理想源點在同一方向產(chǎn)生的功率譜密度的比值。天線增益的表達式是：

目前無人機通常是采用自適應(yīng)天線技術(shù)來增大天線增益［3］，自適應(yīng)天線系統(tǒng)是由多元天線陣和信息處理器組成的系統(tǒng)。當(dāng)天線工作時，信息處理器的輸入和輸出特性按一定的算法來調(diào)整其內(nèi)部參數(shù)，從而自動地修正和優(yōu)化天線的方向圖、頻率響應(yīng)和極化特性，并搜索和跟蹤有用信號，抑制和消去干擾信號。它能在空間、頻率和極化方面自動對干擾信號調(diào)零，對有用信號提供最大增益。

3.3 處理增益

無人機數(shù)據(jù)鏈的處理增益是指信號相對于干擾量的增強，通過將干擾能量擴散到數(shù)據(jù)鏈信號帶寬之外可以增強信號。處理增益的表達式是：

無人機通常的增加處理增益的形式是直擴通信和跳頻通信［4］。直擴通信是對原信號加偽隨機碼調(diào)制增大傳輸帶寬，使擴頻信號的功率譜密度降低了若干倍，甚至隱藏在噪聲中，以隱蔽的方式對抗干擾，同時也使干擾能量相對地分散到整個數(shù)據(jù)鏈帶寬內(nèi)。跳頻通信就是使信號載頻在一個寬頻帶里快速的跳動，從而“躲避”干擾。這兩種擴頻技術(shù)各有優(yōu)缺點［5］，表1為兩種擴頻體制的比較。由于兩者各自的特點不同，所以應(yīng)用的鏈路也會不同。

表1 兩種擴頻體制比較

3.4 信道編碼

信道編碼是提高無人機數(shù)據(jù)鏈的抗干擾能力必不可少的一個環(huán)節(jié)［6］。由于無人機數(shù)據(jù)鏈傳輸數(shù)據(jù)的信道環(huán)境是非常復(fù)雜的，數(shù)字信號在信道傳輸時受到噪聲或者干擾的時候會引起差錯。為了減小差錯，信道編碼器對傳輸?shù)男畔⒋a元按一定的規(guī)則加入保護成分，接收端的信道譯碼器按照相應(yīng)的逆規(guī)則進行解碼，從中發(fā)現(xiàn)錯誤或糾正錯誤。目前大多數(shù)無人機數(shù)據(jù)鏈采用的信道的編碼技術(shù)往往是RS碼或Turbo碼，美軍無人機的數(shù)據(jù)鏈產(chǎn)品CDL、TCDL、MP－CDL都使用這兩種信道碼技術(shù)［7］。與這兩種信道編碼技術(shù)相比，先進的低密度奇偶校驗碼（LDPC），將成為下一代無人機數(shù)據(jù)鏈的核心。它具有算法簡單，運算速度快，糾錯能力強的特點，其本身還起到交織器的作用。表2是三種信道編碼技術(shù)比較。另外更重要的是在相同的數(shù)據(jù)傳輸速率下，LDPC碼比其它兩種的截獲率要低很多。

表2 三種信道編碼技術(shù)的比較［8］

3.5 實際應(yīng)用

無人機的數(shù)據(jù)鏈分為上行鏈路和下行鏈路［9］。上行鏈路用于地面站對無人機以及機上設(shè)備的控制，下行鏈路主要是用來傳輸無人機的狀態(tài)信息和傳感器數(shù)據(jù)的。它有兩條通道，一條是狀態(tài)通道，數(shù)據(jù)率比較低。還有一條是用于向地面?zhèn)鬏攤鞲衅鲾?shù)據(jù)的，數(shù)據(jù)率相對較大。上行鏈路一般采用的抗干擾的技術(shù)是直接擴頻技術(shù)，它使得無人機具有較高的處理增益，國外的水平早已經(jīng)達到70dB。如果說一般能正常接收信息的最低信干比為10dB。那么干擾系統(tǒng)要使用干擾功率要大于信號源的106倍，才能干擾無人機的數(shù)據(jù)鏈，這在工程上實現(xiàn)是相當(dāng)困難的。無人機的下行鏈路一般采用的抗干擾技術(shù)是跳頻和自適應(yīng)調(diào)零天線技術(shù)［10］。由于下行鏈路的信息傳輸量比較大，占用的帶寬比較寬，不適宜用直接擴頻技術(shù)，就使用跳頻技術(shù)來抗干擾，增大處理增益。無人機地面站可以使用自適應(yīng)調(diào)零天線，使主波束對準(zhǔn)信號方向，零點對準(zhǔn)干擾方向，極大地提高了天線的增益。另外無人機下行數(shù)據(jù)信息量大，所以基本都采用數(shù)字化壓縮和信道編碼技術(shù)，這就保證大量數(shù)據(jù)能夠在復(fù)雜的信道下傳輸后，最終能被解碼恢復(fù)過來。

4 干擾幾何關(guān)系

無人機數(shù)據(jù)鏈在某一特殊時刻是否能被干擾，不僅取決于數(shù)據(jù)鏈的性能，干擾系統(tǒng)的性能，而且還取決于當(dāng)前數(shù)據(jù)鏈與干擾波束之間的幾何關(guān)系［12］。假設(shè)我們忽略數(shù)據(jù)鏈和干擾系統(tǒng)的性能優(yōu)劣，干擾效果僅僅和干擾系統(tǒng)到接收機的相對距離以及數(shù)據(jù)鏈發(fā)射機到接收機的相對距離。那么就會存在一個信干比臨界值k，使得數(shù)據(jù)鏈在高于等于這個值時恰好能工作。而低于這個值的時候，數(shù)據(jù)鏈就會受到干擾。由于接收端的信號強度與數(shù)據(jù)鏈發(fā)射機到接收機的距離RS成反比，接收端的干擾信號強度與干擾系統(tǒng)到接收機的距離RJ成反比，可以得出信干比S／J與成反比關(guān)系。首先分析干擾系統(tǒng)對無人機進行干擾：為了簡化計算，建立直角坐標(biāo)系。干擾系統(tǒng)O在（0，0）點，數(shù)據(jù)鏈發(fā)射機在B（d，0）點，無人機在A（x，y）點?？梢郧蟪觯篟S在一個給定的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)和干擾系統(tǒng)中，信干比臨界值k是一個常數(shù)，又＝1／k，那么點的軌跡就是一個圓，根據(jù)上述表達式可得干擾有效邊界方程為

由式（4）簡化可得：

圓的內(nèi)部為干擾區(qū)域，無人機在該區(qū)域內(nèi)，干擾系統(tǒng)就能對上行鏈路進行干擾。在圓外就不會受到干擾。如果能知道對應(yīng)于某個數(shù)據(jù)鏈和某一型號的干擾系統(tǒng)之間的信干比臨界值k。就能畫出精確的幾何圖形供制定戰(zhàn)術(shù)想定使用。

圖1 干擾系統(tǒng)對無人機上行鏈路干擾

圖2 干擾系統(tǒng)對無人機下行鏈路干擾

干擾系統(tǒng)對地面的接收機進行干擾，也就是對無人機的下行鏈路進行干擾，干擾系統(tǒng)到接收機的距離是固定的且等于到地面站的距離，對于固定的信干比，要求干擾距離與鏈路距離的比是固定的，這樣鏈路的距離也是固定的。如圖2所示。

數(shù)據(jù)鏈在以地面站為圓心的圓內(nèi)能夠正常工作，在圓外受到干擾。圓的半徑與接收機的增益和干擾系統(tǒng)干擾的強度相關(guān)。

5 結(jié)語

隨著復(fù)雜電磁戰(zhàn)場環(huán)境下電子對抗程度的不斷增加，無人機數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)抗干擾已經(jīng)成為制約其效能發(fā)揮的關(guān)鍵因素與薄弱環(huán)節(jié)。本文從信干比一般方程這個視角，分析了無人機的數(shù)據(jù)鏈的抗干擾能力的技術(shù)和途徑，并且在信干比一定的情況下分析了無人機抗干擾的有效區(qū)域，為無人機數(shù)據(jù)鏈抗干擾的作戰(zhàn)使用提供參考。

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