無人機(jī)視距鏈的同步牽引干擾

王寶堂，許陽明，董康華

(合肥電子工程學(xué)院，合肥　230037)

無人機(jī)視距鏈的同步牽引干擾

王寶堂，許陽明，董康華

(合肥電子工程學(xué)院，合肥230037)

摘要：為削弱無人機(jī)的作戰(zhàn)能力，干擾無人機(jī)視距測控鏈?zhǔn)且环N低耗費的有效手段；基于同步牽引干擾UAV視距鏈能夠以較小的功率實現(xiàn)干擾效能，通過截獲鏈路信號分析重構(gòu)干擾信號，完成對上行鏈路接收端的牽引，牽引干擾的核心是占用并牽引無人機(jī)測控系統(tǒng)的同步跟蹤操作;分析了對測控鏈路實施上述干擾的可行性，并仿真分析了在牽引過程中上行鏈路接收端的跟蹤誤差。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；視距；數(shù)據(jù)鏈；牽引干擾

無人機(jī)測控系統(tǒng)用于完成對飛行器的遙控、遙測、跟蹤定位及信息回傳，是無人機(jī)的生命線。對于測控系統(tǒng)的干擾[1-2]一般可以從地面站、數(shù)據(jù)鏈、中繼站3個方面著手，而干擾無人機(jī)視距數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)且环N較為實用的手段。如美軍高中空長航時無人機(jī)[3]RQ-4、捕食者等大型無人機(jī)，當(dāng)飛機(jī)與地面站的距離進(jìn)入視距范圍之后，上行的指令、下行的偵察或飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)的傳輸都會切換到視距鏈路上，且上行鏈路均采用為CDL寬帶數(shù)據(jù)鏈；如“獵人”、“先鋒”等中、近程戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)采用TCDL數(shù)據(jù)鏈，這兩種數(shù)據(jù)鏈都采用的是CDL標(biāo)準(zhǔn)，其抗干擾手段均采用了直接序列擴(kuò)頻(直擴(kuò))技術(shù)。

當(dāng)前對于無人機(jī)測控鏈的干擾研究，可分為攔阻式干擾和瞄準(zhǔn)式干擾。攔阻式[4]干擾通用性較強(qiáng)，對非合作測控信號先驗信息要求較低，但對功率的需求很高。在軍事對抗中，干擾設(shè)備的功率過高容易被敵電子對抗偵察設(shè)備發(fā)現(xiàn)，進(jìn)而招致反輻射武器的打擊，且在很多情況下大功率的干擾也難以連續(xù)不斷的長時間發(fā)揮效能。瞄準(zhǔn)式干擾對功率的要求低，平臺適用范圍廣，但是對信號的先驗知識要求詳近，如窄帶干擾[5]、相關(guān)干擾[6]。對于CDL標(biāo)準(zhǔn)的無人機(jī)測控鏈路而言，文獻(xiàn)[4-5]中的干擾方式在目標(biāo)接受端都會受到直擴(kuò)接收機(jī)的噪聲抑制，大大的降低了干擾效能。而相關(guān)干擾則能夠規(guī)避直擴(kuò)接收機(jī)的干擾抑制。文獻(xiàn)[7]中研究的轉(zhuǎn)發(fā)式干擾就屬于相關(guān)干擾的范疇，但是這種干擾要求干擾信號相對于合法信號的延遲要非常小，這就大大的增強(qiáng)了對干擾設(shè)備的要求。

本文主要針對CDL標(biāo)準(zhǔn)的無人機(jī)視距測控鏈路進(jìn)行同步牽引干擾，以相關(guān)干擾的優(yōu)良特性結(jié)合文獻(xiàn)[8]中研究的CDMA信號的動態(tài)競爭機(jī)制，使干擾信號即能規(guī)避直擴(kuò)接收機(jī)的干擾抑制，又能與合法信號形成一種類似動態(tài)競爭的情況，令干擾信號能夠以較低的功率達(dá)到更好的干擾效果，且干擾信號相對于合法信號的延時無需嚴(yán)格的限制。對視距鏈同步牽引干擾的目的在于占用目標(biāo)接收機(jī)，進(jìn)而使接收機(jī)的同步跟蹤環(huán)鎖定干擾信號，由于干擾信號的偽碼相位是保持動態(tài)變化的，所以接收機(jī)將保持與較大功率的干擾信號同步，從而牽引接收機(jī)的本地偽碼相位偏離合法信號。

1牽引干擾的實現(xiàn)方案

在C1DL體制的視距鏈中，主要采用擴(kuò)頻方式來實現(xiàn)信號的安全保密。當(dāng)?shù)孛嬲鞠驘o人機(jī)發(fā)送指令時，數(shù)據(jù)鏈終端接收機(jī)對合法信號進(jìn)行捕獲跟蹤，建立起通信鏈路并保持同步，此時接收機(jī)與地面站的本地偽碼發(fā)生器的狀態(tài)一致，周期性的產(chǎn)生同速率及同相位的偽碼。對于非合作方而言，合法信號的相位瞬時狀態(tài)是無法預(yù)知的，如果靜態(tài)的干擾信號到達(dá)接收機(jī)時與合法信號的相位沒有對齊，將一直保持這個相位差。且干擾信號與合法信號相位對齊的概率是很小的，尤其是偽碼周期越大，相位對齊概率越小，靜態(tài)干擾的隨機(jī)性很強(qiáng)，可靠性較差。在接收機(jī)已經(jīng)與合法信號保持同步時，若干擾信號相對于合法信號的相位是動態(tài)變化的，在某一時刻一定會出現(xiàn)相位對齊的情況，之后干擾信號則能以稍大的功率牽引接收機(jī)的同步跟蹤操作。

無人機(jī)從起飛開始相對于地面站一直處于相對高速的運動狀態(tài)，在視距范圍內(nèi)巡航時，地面站的遙控指令通過上行鏈路傳遞給飛機(jī)，在這種動態(tài)條件下到達(dá)接收機(jī)的合法信號會產(chǎn)生明顯的多普勒頻移。同樣，干擾平臺發(fā)出的相關(guān)干擾信號，到達(dá)接收機(jī)也會產(chǎn)生多普勒頻移。多普勒頻移fd可以表示為

(1)

其中，v表示地面站與無人機(jī)的相對勻速運動速度， f表示載波頻率，c表示光速即無線電傳播速度。由于多普勒頻移在基帶擴(kuò)頻碼上的表現(xiàn)是偽碼速率Rc的改變，關(guān)系如下：

(2)

其中：Rc表示發(fā)端的偽碼速率；ΔRc表示由多普勒效應(yīng)引發(fā)的偽碼速率的變化。Rc+ΔRc就表示信號到達(dá)接收機(jī)前端的偽碼速率，接收機(jī)對本地偽碼進(jìn)行補(bǔ)償，保持跟蹤。干擾方通過相近偽碼速率的干擾信號引導(dǎo)跟蹤操作逐漸偏離合法信號。s表示一個周期偽碼調(diào)制一個比特的信息碼，合法信號s由多個sa級聯(lián)分布，其偽碼相位可以表示為

(3)

圖1　干擾信號與合法信號相位對齊

(4)

M表示相位對齊需要經(jīng)過的周期個數(shù)，即與完成相位對齊所需要的時長有關(guān)，De表示干擾信號初相相對于合法信號滯后的碼片數(shù)，即與延遲時間相關(guān)，De≤N。

當(dāng)ΔRc′一定時

(5)

De與M成正比，即相位對齊需要的時長取決于延遲時間。

同樣，當(dāng)De一定時

(6)

ΔRc′與M成反比，即偽碼速率變化值越大，相位對齊的時長越小。

對于ΔRc′的變化可以從兩個方面入手，一是通過前期的偵察設(shè)備分析出合法信號載波的中心頻率 f0，干擾信號的載頻有意識的偏離f0，同時調(diào)整基帶偽碼速率，要求符合式(2)，實現(xiàn)干擾信號與合法信號偽碼相位的相對動態(tài)變化；二是通過控制干擾平臺的移動速度使多普勒頻移發(fā)生改變，如式(1)表示平臺相對于接收機(jī)的運動速度與信號的多普勒頻移成正比，當(dāng)無人機(jī)與地面站保持徑向勻速v運動且信號同步時，控制干擾平臺與無人機(jī)的徑向運動速度vj大于v，二者引起的多普勒頻移就會有差值，映射到基帶上就表現(xiàn)為干擾信號的偽碼速率大于合法信號。

2牽引干擾的理論分析

在接收機(jī)本地的偽碼與合法信號已經(jīng)保持同步的情況下，當(dāng)干擾信號相對于合法信號動態(tài)變化到有局部相位對齊時，接收機(jī)對干擾信號的處理增益很小，跟蹤環(huán)路就會逐漸跟蹤到功率相對較大的干擾信號上。由于接收機(jī)偽碼相位逐漸偏離合法信號，所以最終合法信號將會被接收機(jī)視為“干擾”，證明如下：

設(shè)，接收端的合法信號表示如下

(7)

其中，P表示合法信號的功率，dh(t)表示信息碼，ch(t)表示偽隨機(jī)碼，f0表示載頻，φj表示載波相位，fdh表示合法信號到達(dá)接收機(jī)前端時的多普勒頻移。

(8)

其中，Pj表示干擾信號的功率，dj(t)表示信息碼，cj(t)表示偽隨機(jī)碼，f0表示載頻，φj表示載波相位，fdj表示干擾信號到達(dá)接收機(jī)前端時的多普勒頻移， fdx=fdj-fdh表示相對多普勒頻移。

在接收機(jī)與合法信號保持同步過程中，相關(guān)函數(shù)是捕獲跟蹤的標(biāo)尺，接收機(jī)本地信號與捕獲的合法信號的相關(guān)函數(shù)表示如下：

(9)

從干擾信號與合法信號相位對齊開始，到相位逐漸偏離直到相差大于兩個Tc時，干擾信號與接收機(jī)本地信號的相關(guān)函數(shù)表示如下：

(10)

假定接收機(jī)的早遲偽碼跟蹤環(huán)的延遲時間間隔為1/2Tc，當(dāng)相關(guān)干擾信號到達(dá)接收機(jī)時，它與合法信號疊加而成的信號和接收機(jī)本地信號的相關(guān)函數(shù)可以表示為

(11)

經(jīng)典的跟蹤環(huán)路判定本地偽碼是否與接收信號保持同步跟蹤的條件是，超前支路與滯后支路的相關(guān)值相等

(12)

在整個干擾信號的牽引過程中，從某一段長度為N·Tc的干擾信號相位與合法信號相對對齊開始，干擾信號從局部相位對齊到相位逐漸偏差1.5個Tc，接收機(jī)準(zhǔn)時支路輸出的偽碼保持跟蹤干擾信號的偽碼狀態(tài)，合法信號則被誤認(rèn)為“干擾”。令牽引干擾的指標(biāo)一個周期的接收機(jī)本地偽碼與接收到的信號偽碼的相似程度作為判別依據(jù)，并進(jìn)行反向歸一化得到就是本地偽碼與接收偽碼的差別。

相似度函數(shù)為

(13)

3實驗仿真與分析

通過Matlab軟件搭建了整個視距測控系統(tǒng)上行鏈路的仿真模型。具體信號參數(shù)如下，上行鏈路中合法信號的信息碼恒為“1”，偽碼速率為2.55kHz，載頻為51kHz，采樣頻率為5.1MHz。干擾信號的信息碼恒為“1”，偽碼速率為2.55kHz+0.5Hz，載頻為51kHz+10Hz，采樣頻率為5.1MHz，信號的長度都為50·N·Tc,Tc表示偽碼碼片寬度，N表示偽碼碼長。

圖2表示，只存在合法信號，且接收機(jī)的初始偽碼狀態(tài)與合法信號到達(dá)接收機(jī)時的偽碼狀態(tài)不一致時，曲線的起始段表明接收機(jī)本地偽碼與合法信號偽碼相位的差異較大歸一化數(shù)值為1，曲線下降段則表示本地偽碼不斷調(diào)整偏向合法信號，偽碼差異值逐漸減小，繼而完成接收端與合法信號的同步，進(jìn)而持續(xù)跟蹤，差異值保持為0。

圖2　本地偽碼與合法信號的差異

圖3表示，在延遲一段時間后注入干擾信號，本地偽碼與合法信號相位的差異值。曲線初始段與圖2表示的情況一致，而中間差異值為0的平穩(wěn)階段表示本地偽碼與合法信號保持跟蹤狀態(tài)，而上升段則表示在此過程中接收機(jī)本地偽碼不斷調(diào)整偏向干擾信號，干擾信號相位偏離合法信號，直至二者相位偏離大于1.5個Tc后，本地偽碼與合法信號偽碼相位的差異值接近1并一直保持。

圖3　本地偽碼與合法信號的差異

圖4表示，在延遲一段時間后注入干擾信號，干擾信號相位與合法信號對齊后，本地偽碼與干擾信號偽碼的差異曲線。初始段是接收機(jī)完成圖2所包含的工作過程，所以本地偽碼與干擾信號的差異值保持接近1，而下降段則表示在這個過程中接收機(jī)本地偽碼不斷調(diào)整偏向干擾信號，干擾信號相位偏離合法信號，直至二者相位偏離大于1.5個Tc后，本地偽碼與干擾信號的差異值為0，干擾信號完成牽引操作。

圖4　本地偽碼與干擾信號的差異

4結(jié)論

由于無人機(jī)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中地位的迅猛提升，隨之出現(xiàn)了多種對抗無人機(jī)的軟殺傷和硬殺傷手段。本文從電子對抗的角度出發(fā)，著重闡述了對無人機(jī)的視距測控鏈路進(jìn)行牽引干擾。通過研究相關(guān)干擾的干擾機(jī)理，對CDL標(biāo)準(zhǔn)的無人機(jī)視距鏈路實施牽引干擾，并且能夠通過重構(gòu)干擾信號的參數(shù)或者調(diào)整干擾平臺的運動狀態(tài)，實現(xiàn)對鏈路終端設(shè)備同步跟蹤過程的牽引。文中進(jìn)行了干擾方案的分析，并分析和仿真了整個牽引干擾過程中，接收端本地跟蹤偽碼分別與合法信號及干擾信號的差異。

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(責(zé)任編輯楊繼森)

收稿日期：2015-02-14

基金項目：國家自然科學(xué)基金(61171170)

作者簡介：王寶堂(1989—)，男，碩士研究生，主要從事信號處理、無人機(jī)測控研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.07.031

中圖分類號：TN975

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1006-0707(2015)07-0121-04

本文引用格式：王寶堂，許陽明，董康華.無人機(jī)視距鏈的同步牽引干擾[J].四川兵工學(xué)報，2015(7):121-124.

Citationformat:WANGBao-tang,XUYang-ming,DONGKang-hua.SynchronizationBootJammingforUAVLOSTT&CLink[J].JournalofSichuanOrdnance,2015(7):121-124.

SynchronizationBootJammingforUAVLOSTT&CLink

WANGBao-tang,XUYang-ming,DONGKang-hua

(HefeiElectronicEngineeringInstitute,Hefei230037,China)

Abstract:To weak the combat capability of unmanned aerial vehicle (UAV), it is a kind of low cost method effectively for disturbing line of sight (LOS) tracking telemeter and command (TT&C) link. Booting jamming can attain the fact of disturbing UAV LOS link effectively with smaller jamming power. Reconstruct jamming signal with link signal which was intercepted and completed boot receiving end in up-link. The core of boot jamming was booting the synchronization track in UAV TT&C system. The feasibility of the interference for TT&C link was analyzed and the track error of the boot process of up-link in receiving end was simulated and analyzed.

Key words:UAV; LOS; data link; boot jamming

【信息科學(xué)與控制工程】