測(cè)控鏈路相關(guān)干擾的Simulink動(dòng)態(tài)仿真

王寶堂，許陽(yáng)明，董康華

(電子工程學(xué)院，合肥 230037)

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測(cè)控鏈路相關(guān)干擾的Simulink動(dòng)態(tài)仿真

王寶堂，許陽(yáng)明，董康華

(電子工程學(xué)院，合肥 230037)

以Matlab/Simulink為平臺(tái)，對(duì)無(wú)人機(jī)測(cè)控鏈路的相關(guān)干擾進(jìn)行建模與仿真。利用Simulink通信系統(tǒng)仿真工具箱，對(duì)鏈路的發(fā)射端、接收端、信道和第3方干擾機(jī)進(jìn)行了系統(tǒng)的搭建，模擬了測(cè)控鏈路的整個(gè)工作過(guò)程，仿真了在動(dòng)態(tài)的相關(guān)干擾情況下鏈路的性能。結(jié)果表明，接收端最終的輸出與干擾機(jī)發(fā)射的數(shù)據(jù)基本一致。在非合作條件下，干擾機(jī)在特定情況下能夠牽引測(cè)控鏈路目標(biāo)接收機(jī)的偽碼跟蹤環(huán)，阻斷測(cè)控鏈路的正常工作。

測(cè)控鏈路；相關(guān)干擾；偽碼跟蹤環(huán)

0 引 言

21世紀(jì)80年代的貝卡谷地空戰(zhàn)及90年代的海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中無(wú)人機(jī)的優(yōu)良表現(xiàn)，引發(fā)了全球發(fā)展無(wú)人機(jī)的浪潮。時(shí)至今日，無(wú)人機(jī)既可作為部隊(duì)“遠(yuǎn)視”的眼睛，又可作為導(dǎo)彈掛載、發(fā)射的平臺(tái)，還可以進(jìn)行無(wú)線電攻擊與防護(hù)等多種用途。

對(duì)無(wú)人機(jī)測(cè)控鏈路[1-2]的干擾，部分集中于衛(wèi)星中繼鏈路，由于中繼鏈路的傳輸距離遠(yuǎn)，致使測(cè)控信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的功率較低，前人的很多研究提出了大功率壓制的阻塞式干擾[3]、功率較低的靈巧式干擾[4]。對(duì)于無(wú)人機(jī)測(cè)控鏈路而言，目標(biāo)平臺(tái)距離較遠(yuǎn)，對(duì)干擾功率的要求很大，很難保證持續(xù)的干擾；而靈巧式干擾對(duì)偵察的要求較高，存在一定的困難。

對(duì)于視距鏈而言，目前有部分文獻(xiàn)闡述了測(cè)控鏈路的靜態(tài)分析[5-6]，在搭建整個(gè)鏈路的過(guò)程中并沒(méi)有涉及到同步操作，只是接收端的偽碼直接調(diào)用發(fā)端的偽碼狀態(tài)來(lái)進(jìn)行解擴(kuò)，進(jìn)而對(duì)信號(hào)傳輸過(guò)程中引入的干擾進(jìn)行分析。然而對(duì)于相關(guān)干擾[7]而言，這種分析方法就會(huì)產(chǎn)生很大的局限性，對(duì)干擾信號(hào)生成的速度要求較高，一旦不能及時(shí)生成干擾信號(hào)，則無(wú)法達(dá)到干擾的目的。部分文獻(xiàn)則是定性地闡述了動(dòng)態(tài)相關(guān)干擾這一設(shè)想[8]，并沒(méi)有進(jìn)行深入的理論分析和仿真。本文則是通過(guò)Simulink仿真工具箱對(duì)測(cè)控鏈路進(jìn)行動(dòng)態(tài)相關(guān)干擾的仿真，牽引測(cè)控系統(tǒng)的同步[9]過(guò)程表明了動(dòng)態(tài)干擾具體的可行性及操作方法。通過(guò)動(dòng)態(tài)的干擾能夠保證對(duì)目標(biāo)鏈路完成干擾，占據(jù)目標(biāo)接收機(jī)的解擴(kuò)器，使之無(wú)法完成對(duì)目標(biāo)信號(hào)的接收。

1 無(wú)人機(jī)測(cè)控鏈路

無(wú)人機(jī)并非完全無(wú)人駕駛，而是地面操作人員通過(guò)無(wú)線測(cè)控鏈路來(lái)完成對(duì)無(wú)人機(jī)的控制。根據(jù)地面站與無(wú)人機(jī)平臺(tái)之間是否無(wú)線電通視，將無(wú)人機(jī)測(cè)控通信系統(tǒng)分為視距型(LOS)和超視距型(BLOS)，如圖1所示。

圖1 無(wú)人機(jī)測(cè)控鏈路

視距型測(cè)控系統(tǒng)的主要功能是為無(wú)人機(jī)建立直接、短距離測(cè)控和通信鏈路。典型情況下，所有的無(wú)人機(jī)起降都由視距型測(cè)控系統(tǒng)控制。然而在超視距的情況下，無(wú)人機(jī)的測(cè)控通信任務(wù)就必須通過(guò)中繼的方式來(lái)完成測(cè)控操作。

LOS和BLOS的測(cè)控鏈路都包含了前向鏈路與返向鏈路。前向鏈路主要用于發(fā)送遙控指令，控制無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)、修正航線和執(zhí)行任務(wù)。返向鏈路用于及時(shí)回傳遙測(cè)信息及偵察獲得的情報(bào)數(shù)據(jù)。

由于空間電磁環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，無(wú)線電測(cè)控信號(hào)到達(dá)接收端的信噪比快速衰減，嚴(yán)重影響測(cè)控操作的正確性。所以當(dāng)前部分無(wú)人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的前向鏈路采用了直接序列擴(kuò)頻(DSSS)技術(shù)[10]，如“全球鷹”無(wú)人機(jī)的X波段視距鏈、“獵人”、“先鋒”、“影子200”等無(wú)人機(jī)的戰(zhàn)術(shù)通用數(shù)據(jù)鏈(TCDL)戰(zhàn)術(shù)鏈。DSSS技術(shù)不僅解決了遙控信號(hào)的抗干擾問(wèn)題，還減小了信號(hào)的發(fā)射功率，增強(qiáng)了抗截獲能力，使信號(hào)在傳輸過(guò)程中的安全性大大提高。DSSS技術(shù)在整個(gè)測(cè)控中的應(yīng)用過(guò)程如圖2所示。

圖2 擴(kuò)頻測(cè)控系統(tǒng)框圖

在測(cè)控系統(tǒng)的工作過(guò)程中，信號(hào)在地面站與無(wú)人機(jī)間傳輸不可避免地產(chǎn)生電磁泄漏，這就為攻擊測(cè)控鏈路提供了切入點(diǎn)。

2 干擾與仿真

2.1 動(dòng)態(tài)相關(guān)干擾

2.1.1 相關(guān)干擾

由于無(wú)人機(jī)平臺(tái)在空中航行，干擾信號(hào)的功率要求較高，在眾多的干擾方式中，相關(guān)干擾既能夠滿足較小的功率需求，又能實(shí)現(xiàn)較好的干擾效能。相關(guān)干擾采用的偽隨機(jī)序列與目標(biāo)信號(hào)具有很強(qiáng)的相關(guān)程度，其載波頻率接近信號(hào)中心頻率，偽碼速率和信號(hào)偽碼速率相近。

前向鏈路的遙控信號(hào)(目標(biāo)信號(hào))可以表示為：

(1)

式中:p(t)為偽隨機(jī)碼;d(t)為信息碼;P為信號(hào)的功率;f0為中心頻率;θ為初相。

當(dāng)遙控信號(hào)到達(dá)無(wú)人機(jī)接收端時(shí)，可以表示為：

sr(t)=s(t)+n(t)+J(t)

(2)

式中:n(t)為噪聲;J(t)為其他干擾(如瞄準(zhǔn)式干擾)。

接收機(jī)通過(guò)同步跟蹤操作使本地偽碼p′(t)與p(t)的相位保持一致，此時(shí)p(t)·p′(t)=1，再通過(guò)濾波器恢復(fù)出信息碼d(t)。但是，當(dāng)信道中出現(xiàn)有意的相關(guān)干擾信號(hào)時(shí)，在特定情況下遙控信號(hào)就會(huì)受到嚴(yán)重的影響。如轉(zhuǎn)發(fā)式干擾[11]就屬于相關(guān)干擾。轉(zhuǎn)發(fā)式干擾是將截獲到的目標(biāo)信號(hào)經(jīng)過(guò)去噪、放大等操作，再次發(fā)射出去，要求轉(zhuǎn)發(fā)延遲要小于2個(gè)PN碼片寬度，這是由偽碼的峰值特性決定的，只有這樣才可以有效增加干擾信號(hào)的功率,達(dá)到較好的干擾效果。

2.1.2 動(dòng)態(tài)相關(guān)干擾

對(duì)于上述的相關(guān)干擾而言，干擾方對(duì)截獲目標(biāo)信號(hào)處理的實(shí)時(shí)性要求非常高，實(shí)現(xiàn)相對(duì)困難，那么采用動(dòng)態(tài)的相關(guān)干擾使干擾信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)的相位對(duì)齊，則是一種有效的解決之道。由于很難實(shí)時(shí)掌握目標(biāo)信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的相位狀態(tài)，那么就可以從改變干擾信號(hào)的相位狀態(tài)入手，以偽碼周期長(zhǎng)度為準(zhǔn)，周期性地調(diào)整干擾機(jī)發(fā)射端信號(hào)的相位狀態(tài)，或者改變干擾平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)干擾信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)相位的相對(duì)變化，使相鄰周期間的信號(hào)相位步進(jìn)改變，相位步進(jìn)的范圍必須小于2個(gè)PN碼片的寬度，則干擾信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)的相位將會(huì)在某一時(shí)刻對(duì)齊。其優(yōu)勢(shì)更在于干擾信號(hào)是動(dòng)態(tài)變化的，相位對(duì)齊之后目標(biāo)接收機(jī)的本地偽碼發(fā)生器的狀態(tài)將會(huì)鎖定干擾信號(hào)，隨著干擾信號(hào)的動(dòng)態(tài)變化而變化。

2.2 Simulink仿真

本文將要仿真一個(gè)整體的測(cè)控系統(tǒng)，Simulink[12]具有靈活運(yùn)用、模塊化搭建等優(yōu)點(diǎn)，能夠更加逼真、直觀地模擬真實(shí)的系統(tǒng)設(shè)備。

2.2.1 地面指控站發(fā)射端

地面指控站發(fā)射端是指令發(fā)出的工作單元，包括信源、偽隨機(jī)序列發(fā)生器、相乘器、電平轉(zhuǎn)換器、載波發(fā)生器、濾波器，如圖3所示。發(fā)射端的信源是經(jīng)過(guò)了編碼、交織等處理過(guò)后的信息幀，信源的碼速率設(shè)為1kHz；偽隨機(jī)碼則選取了長(zhǎng)度為255的m序列，偽碼速率設(shè)為255kHz，周期為1ms；載波是510kHz的正弦波。

圖3 發(fā)射端仿真圖

2.2.2 第3方干擾機(jī)

當(dāng)?shù)孛嬷缚卣九c目標(biāo)接收機(jī)建立起通信鏈路之后，接收機(jī)跟蹤環(huán)就會(huì)保持對(duì)測(cè)控信號(hào)的跟蹤，也可以理解成一種相對(duì)靜止的狀態(tài)，而動(dòng)態(tài)的相關(guān)干擾要求干擾信號(hào)的相位狀態(tài)相對(duì)于目標(biāo)信號(hào)是動(dòng)態(tài)變化的，只有如此才會(huì)在某一時(shí)刻相位對(duì)齊。如圖4所示，干擾機(jī)發(fā)射的信號(hào)則是通過(guò)多個(gè)信號(hào)產(chǎn)生模塊疊加而形成的，每個(gè)干擾模塊內(nèi)部都有一段與目標(biāo)信號(hào)相關(guān)程度很高的信號(hào)，只是模塊間的延遲不同，這就相當(dāng)于對(duì)某一種干擾信號(hào)狀態(tài)進(jìn)行周期性的改變，使之與相對(duì)靜止的目標(biāo)信號(hào)狀態(tài)偏移。

圖4 干擾機(jī)仿真圖

2.2.3 傳輸信道

信道傳輸部分主要是模擬了復(fù)雜的電磁環(huán)境。如圖5所示，源信號(hào)子模塊就是地面指控站發(fā)射端的集成；干擾信號(hào)子模塊則是干擾機(jī)的集成；加性高斯白噪聲信道(AWGNChannal)模塊表示信號(hào)在傳輸過(guò)程中引入了高斯白噪聲；窄帶干擾模塊表示的是一個(gè)單音的正弦波(窄帶干擾)；左側(cè)的顯示窗口顯示的是目標(biāo)信號(hào)、相關(guān)干擾信號(hào)的信源信息及整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)目標(biāo)接收機(jī)輸出的結(jié)果。由于接收機(jī)本地偽碼初相的不確定性，所以同步過(guò)程會(huì)耗費(fèi)一段時(shí)間，這就是為什么會(huì)在顯示窗口前接入延遲期的原因。

2.2.4 機(jī)載接收端

當(dāng)信號(hào)到達(dá)接收端后，如圖6所示，首先通過(guò)濾波器濾掉信號(hào)帶寬之外的噪聲，濾波器模塊主要完成這一功能，要求濾波器中心頻率與帶寬的設(shè)置要和測(cè)控信號(hào)一致;偽碼同步模塊是接收端的核心，通過(guò)調(diào)整本地偽碼發(fā)生器對(duì)測(cè)控信號(hào)包含的PN碼同步，完成解擴(kuò)操作，內(nèi)部包含了捕獲和跟蹤兩大子模塊；載波解調(diào)模塊負(fù)責(zé)解調(diào)操作，包括頻率補(bǔ)償和載波跟蹤等子模塊。

圖5 信道仿真圖

圖6 接收端仿真圖

2.2.5 干擾結(jié)果

仿真過(guò)程中引入了信噪比為10dB的白噪聲和干信比為20dB的窄帶干擾，圖7(a)與(b)分別表示注入噪聲前后的信號(hào)頻譜圖。而動(dòng)態(tài)的相關(guān)干擾則是多個(gè)延時(shí)不同的靜態(tài)干擾信號(hào)的疊加，如圖8所示。當(dāng)還未注入干擾信號(hào)時(shí)，接收機(jī)輸出與目標(biāo)信源一致；干擾信號(hào)由4個(gè)部分組成，最后一部分與目標(biāo)信號(hào)的相位相差2.5個(gè)碼片，接收機(jī)的輸出與最終的干擾源一致；而中間的三部分干擾信號(hào)主要是完成對(duì)接收機(jī)偽碼跟蹤環(huán)的牽引。圖7(a)中所顯示的是，當(dāng)還未注入干擾信號(hào)時(shí)，接收機(jī)輸出與目標(biāo)信源一致；當(dāng)開(kāi)始注入的相關(guān)干擾信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)的相位相差2.5個(gè)碼片時(shí)，接收機(jī)的輸出仍與目標(biāo)信源一致。

圖7 信號(hào)頻譜圖

圖8 動(dòng)態(tài)相關(guān)干擾仿真過(guò)程

仿真結(jié)果同時(shí)表明，直擴(kuò)體制的測(cè)控鏈路對(duì)窄帶干擾而言，具有很好的抗干擾性能。但動(dòng)態(tài)的相關(guān)干擾在功率較小的情況下就能夠起到明顯的干擾效果。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文主要闡述了部分型號(hào)的無(wú)人機(jī)測(cè)控鏈路體制及鏈路的工作原理和關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，提出了針對(duì)測(cè)控鏈路的動(dòng)態(tài)相關(guān)干擾，并通過(guò)Simulink仿真工具箱進(jìn)行了仿真。模擬了測(cè)控鏈路從發(fā)到收的工作過(guò)程，細(xì)致搭建了偽碼捕獲跟蹤操作，并且以動(dòng)態(tài)的相關(guān)干擾對(duì)目標(biāo)鏈路進(jìn)行了干擾仿真，達(dá)到了預(yù)期的干擾效果，使仿真環(huán)境更加逼近真實(shí)的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，使干擾更加便捷有效，同時(shí)彌補(bǔ)了靜態(tài)相關(guān)干擾的局限性。

[1] 周定宇,黃大慶.無(wú)人機(jī)測(cè)控新體制研究[J].電訊技術(shù),2012,52(9):15-19.

[2] 陸文博，劉春生.對(duì)無(wú)人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)干擾方法的研究[J].艦船電子對(duì)抗，2013,36(2):31-34.

[3]BorioDaniele.O'DriscollCillian.JammerimpactonGalileoandGPSreceivers[A].ICL-GNSS[C].Turin,Italy:IEEE,2013:1-6.

[4]QiZeng,HushengLi.GPSspoofingattackontimesynchronizationinwirelessnetworksanddetectionschemedesign[A].MilitaryCommunicationsConference[C].Orlando,FL,USA:IEEE,2012:1-5.

[5] 萬(wàn)讓鑫,任明秋.直接序列擴(kuò)頻信號(hào)干擾技術(shù)研究[J].艦船電子工程,2011,32(3):44-46.

[6] 謝水珍.基于m序列的直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)仿真[J].通信技術(shù)，2012(12):71-73.

[7] 周國(guó)輝，謝井，李鼎.對(duì)CDMA系統(tǒng)的干擾方法分析[J].電子信息對(duì)抗技術(shù)，2013,28(2):38-41.

[8] 鄭建忠,易翔.DS-CDMA信號(hào)的動(dòng)態(tài)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制分析[J].電子信息對(duì)抗技術(shù),2012,27(4):47-51.

[9] 唐高明.擴(kuò)頻指令通信系統(tǒng)中的偽碼同步研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2012.

[10]王毓龍,周陽(yáng)生.美軍無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈發(fā)展研究[J].飛航導(dǎo)彈,2013(4):73-76.

[11]余金峰,路偉濤，王金寶.轉(zhuǎn)發(fā)干擾下擴(kuò)頻系統(tǒng)偽碼跟蹤誤差分析與仿真[A].第2屆中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會(huì)電子文集[C].上海:CSNC,2011:1-4.

[12]劉艷良，孔軍輝，劉海見(jiàn).基于Simulink的直擴(kuò)系統(tǒng)頻域窄帶干擾抑制研究[J].無(wú)線電工程，2013,43(12):1-3.

Simulink Dynamic Simulation of Correlation Jamming for TT&C Link

WANG Bao-tang,XU Yang-ming,DONG Kang-hua

(Electronic Engineering Institute,Hefei 230037，China)

Taking Matlab/Similink as a platform,this paper performs modeling and simulation to the correlation jamming of unmanned air vehicle (UAV) tracking telemetring and command (TT&C) link,uses Simulink communication system simulation toolbox to build up transmitting end,receiving end,channel and the 3rd-party jammer systematically,simulates the total operating process of TT&C link,simualtes the link performance under the circs of correlation jamming.The result shows that the ultima output of receiving end is basically consistent with the data transmitted by jammer.Under the conditions of non-cooperation,the jammer can boot pseudo-code tracking loop of target receiver in specific situation and block up the normal operation of TT&C link.

tracking telemetring and command link;correlation jamming;pseudo-code tracking loop

2014-12-29

TN975

A

CN32-1413(2015)02-0025-05

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.02.008