多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)頻率干擾問(wèn)題研究*

王　濤　張明義　黃克明

(陸軍軍官學(xué)院　合肥　230031)

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多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)頻率干擾問(wèn)題研究*

王濤張明義黃克明

(陸軍軍官學(xué)院合肥230031)

摘要多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)在同一地域同時(shí)使用，容易產(chǎn)生無(wú)線電頻率干擾。論文試圖通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的頻譜分析，尋找一種解決頻率干擾的方法以及頻率優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，合理地進(jìn)行多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)頻率規(guī)劃。

關(guān)鍵詞多無(wú)人機(jī)； 頻率干擾; 頻率規(guī)劃

Class NumberTN219

1引言

當(dāng)多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)在同一個(gè)作戰(zhàn)區(qū)域或者相鄰區(qū)域同時(shí)展開(kāi)工作時(shí)，一套無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的射頻發(fā)射功率對(duì)另一套無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的接收機(jī)來(lái)說(shuō)，可以看作是干擾源，數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的工作頻率會(huì)產(chǎn)生互相干擾。無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)鏈接收機(jī)接收到其他無(wú)人機(jī)系統(tǒng)輻射的射頻功率大于其接收靈敏度時(shí)，該無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)鏈通信功能便會(huì)受到頻率干擾。反之，當(dāng)接收機(jī)接收到其他無(wú)人機(jī)系統(tǒng)射頻功率小于其接收靈敏度時(shí)，該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)鏈通信功能不會(huì)受到干擾，可以正常工作。為了避免數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)射頻干擾，多套無(wú)人機(jī)系統(tǒng)之間的工作頻率科學(xué)合理的進(jìn)行頻率規(guī)劃，確保各系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的安全可靠。

2無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)頻譜分析

無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)頻譜分析的一般方法是：首先確定無(wú)人機(jī)典型應(yīng)用場(chǎng)景，其次根據(jù)典型應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈路的通信覆蓋范圍、無(wú)線電信號(hào)的接收強(qiáng)度、鏈路系統(tǒng)裕量的計(jì)算等三個(gè)方面進(jìn)行頻譜分析。

2.1典型應(yīng)用場(chǎng)景

無(wú)人機(jī)視距范圍內(nèi)的應(yīng)用場(chǎng)景主要可以分為以下四種：

場(chǎng)景一：在隔離空域的一個(gè)視距范圍內(nèi)有且僅有一個(gè)地面站對(duì)一架無(wú)人機(jī)的操作;

場(chǎng)景二：在隔離空域的同一個(gè)視距范圍內(nèi)存在多個(gè)地面站對(duì)多架無(wú)人機(jī)的操作;

場(chǎng)景三：在隔離空域的不同視距范圍內(nèi)多個(gè)地面站對(duì)一架無(wú)人機(jī)的接力操作;

場(chǎng)景四：在隔離空域的視距或超視距范圍內(nèi)一個(gè)地面站對(duì)多架無(wú)人機(jī)(空空接力模式)的操作。

2.2數(shù)據(jù)鏈路通信覆蓋范圍

飛行在一定高度的無(wú)人機(jī)具有一定的無(wú)線電視距覆蓋范圍。無(wú)人機(jī)的無(wú)線電視距通信覆蓋范圍與地球曲率、大氣折射、地面反射、氣候、地形等諸多因素有關(guān)。這既有學(xué)術(shù)理論問(wèn)題，又有工程經(jīng)驗(yàn)問(wèn)題。目前國(guó)際上實(shí)用的無(wú)線電視距的計(jì)算方法有以下幾種。

1) 考慮了大氣折射(大氣折射因子K=4/3)的視線距離公式為

(1)

式中：h1、h2為天線高度，單位m;d0為視線距離，單位km。

2) 僅考慮地球曲率(大氣折射因子K=1)的視線距離公式為

(2)

3) 在考慮了大氣折射(大氣折射因子K=4/3)基礎(chǔ)上再翹高0.5°仰角。

按上述三種計(jì)算方法對(duì)應(yīng)不同天線高度的地-空鏈路無(wú)線電視距通信覆蓋范圍如表1所示(地面站天線高度按地平面計(jì)算)。由于實(shí)際無(wú)線電視距范圍與多種因素有關(guān)，所以其數(shù)值是在一個(gè)范圍內(nèi)變化的。目前一般認(rèn)為采用大氣折射因子K=1的視線距離比較合適。

表1　地-空鏈路的無(wú)線電視距通信范圍

2.3無(wú)線電信號(hào)接收強(qiáng)度(RSS)的計(jì)算：

無(wú)線電信號(hào)接收強(qiáng)度是指接收站設(shè)備接收到的無(wú)線信號(hào)的強(qiáng)度，計(jì)算公式如式(3)所示：

RSS=Pt+Gr+Gt-Lc-Lbf

(3)

其中，RSS為接收到的無(wú)線電信號(hào)強(qiáng)度(dB)，Pt為發(fā)射站的輻射功率(dB)，Gr為接收天線增益(dB)，Gt為發(fā)射天線增益(dB)，Lc為電纜和纜頭的損耗(dB)，Lbf為自由空間損耗(dB)。

假設(shè)某無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)發(fā)射站與接收站兩站點(diǎn)相距15km，設(shè)備發(fā)射功率25dBm，發(fā)射天線增益為15dBi，接收天線增益為22dBi，電纜和纜頭損耗4dBi。則接收站接收到的無(wú)線電信號(hào)強(qiáng)度為

RSS1=25+15+22-4-124=-66dB

(4)

2.4數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)裕量(SFM)的計(jì)算

數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)裕量是指接收站設(shè)備實(shí)際接收到的無(wú)線電信號(hào)與接收站設(shè)備允許的最低接收閾值(接收站設(shè)備接收靈敏度)相比多出的富裕量數(shù)值(dB)。計(jì)算公式如式(5)所示。

SFM=RSS-Rs

(5)

其中，RSS為接收站接收到的無(wú)線電信號(hào)強(qiáng)度(dB)，Rs為接收站設(shè)備接收靈敏度(dBi)。

在上面的例子中，如果接收站設(shè)備接收靈敏度為-75dBi，則數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)裕量為

SFM1=RSS1-Rs=-66-(-75)=9dB

(6)

通過(guò)上面的例子分析計(jì)算可以說(shuō)明，使用發(fā)射功率為25dBm的發(fā)射站設(shè)備，接收靈敏度為-75dBi的2.4GHz的無(wú)線網(wǎng)橋作為接收設(shè)備，加裝15dBi增益的發(fā)射天線和22dBi增益的接收天線，電纜和纜頭損耗為4dBi衰減值的情況下，在傳輸了15km后還有9dB的鏈路系統(tǒng)裕量，無(wú)線電數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)可以正常工作，能夠保證信號(hào)通信質(zhì)量。反之，如果接收到的信號(hào)是干擾信號(hào)，則無(wú)線電信號(hào)會(huì)對(duì)系統(tǒng)通信質(zhì)量造成干擾。

但是，無(wú)線電數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)以同樣的配置，在傳輸了50km之后，接收站接收到的無(wú)線電信號(hào)強(qiáng)度為

RSS2=25+15+22-4-134=-76dB

(7)

無(wú)線電數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)裕量為

SFM2=RSS2-Rs=-76-(-75)=-1dB

(8)

無(wú)線電數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)接收到的無(wú)線電信號(hào)低于接收設(shè)備靈敏度，無(wú)線電數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)已經(jīng)無(wú)法解調(diào)出有用信號(hào)，不能正常工作。反之，如果接收到的信號(hào)是干擾信號(hào)，則無(wú)線電信號(hào)不會(huì)對(duì)系統(tǒng)通信質(zhì)量造成干擾，可以忽略不計(jì)。

3多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)頻率復(fù)用方式

多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)在同一地域同時(shí)展開(kāi)工作時(shí)，為盡量減少彼此之間的無(wú)線電干擾，工作頻率可以采用分組復(fù)用方式、不分組的動(dòng)態(tài)復(fù)用方式兩種方法進(jìn)行規(guī)劃使用。

3.1頻率分組復(fù)用方式

頻率分組復(fù)用方式是無(wú)線電通信系統(tǒng)比較常用的頻率復(fù)用方式，常采用3*3、4*3、5*3等頻率分組方式。表2所示為3*3頻率分組復(fù)用方式時(shí)的情況：工作頻率范圍1～9，共9個(gè)頻點(diǎn)，分為A1、A2、A3三組，每組三個(gè)載頻。

表2　頻率分組復(fù)用方式

在進(jìn)行多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)頻率配置的時(shí)候，以三架相鄰的無(wú)人機(jī)為例，多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)有A1、A2、A3三組分組方案可選，A1、A2、A3每個(gè)頻率組包括三個(gè)載頻，三架無(wú)人機(jī)分別分配三個(gè)載頻中的一個(gè)，如果同一頻率組的復(fù)用距離合適，可以有效地避免多架無(wú)人機(jī)之間的同鄰頻干擾。頻率分組時(shí)載頻間隔的量度值需要根據(jù)無(wú)人機(jī)之間的距離、無(wú)線電數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的工作頻率、發(fā)射站的輻射功率等因素，通過(guò)計(jì)算數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)裕量值來(lái)確定。

3.2頻率動(dòng)態(tài)復(fù)用方式

頻率動(dòng)態(tài)復(fù)用方式不同于頻率分組復(fù)用的方式，它不將無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的可用頻點(diǎn)進(jìn)行分組，在進(jìn)行頻率規(guī)劃的時(shí)候?qū)⑺械目捎妙l點(diǎn)列入考慮范圍，只從中選擇滿足一定要求的頻點(diǎn)作為某架無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的工作頻率。這種頻率復(fù)用方法思路簡(jiǎn)單，而且頻率利用率高，適合當(dāng)無(wú)人機(jī)載無(wú)線電頻率資源非常有限，分組復(fù)用方式無(wú)法完成的情況下進(jìn)行頻率分配，理論上可以達(dá)到比較好的頻率規(guī)劃結(jié)果。動(dòng)態(tài)的頻率復(fù)用方式可以根據(jù)頻率規(guī)劃中的最低頻率間隔要求對(duì)頻率進(jìn)行分配，能夠達(dá)到最大的頻率復(fù)用系數(shù)。

當(dāng)無(wú)人機(jī)裝備投入使用越來(lái)越多的時(shí)候，尤其是多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)在空中組網(wǎng)時(shí)，頻率動(dòng)態(tài)復(fù)用方式是一種非常實(shí)用的頻率復(fù)用方式，但是動(dòng)態(tài)頻率復(fù)用方式對(duì)各架無(wú)人機(jī)工作頻點(diǎn)進(jìn)行選擇時(shí)計(jì)算量比較大，適合用計(jì)算機(jī)進(jìn)行算法實(shí)現(xiàn)。

4多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)頻率的優(yōu)化

隨著部隊(duì)裝備的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)數(shù)量不斷增加，如何通過(guò)頻率優(yōu)化的方法對(duì)多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)工作頻率進(jìn)行合理規(guī)劃，是一個(gè)有待研究的問(wèn)題?，F(xiàn)有的遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等頻率優(yōu)化的方法，都不能很好地解決如何將不同的頻率復(fù)用方式與優(yōu)化方法結(jié)合起來(lái)的問(wèn)題，同時(shí)優(yōu)化算法計(jì)算時(shí)間比較長(zhǎng)。一種簡(jiǎn)單有效的頻率優(yōu)化方法是利用遺傳算法的思想，同時(shí)與頻率規(guī)劃的實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，速度較快、便捷實(shí)用。

4.1頻率優(yōu)化的理論依據(jù)

遺傳算法的主要思想就是“優(yōu)勝劣汰”，將父代群體中性能好的個(gè)體遺傳下來(lái)，而將性能不好的個(gè)體淘汰，并重新產(chǎn)生新的個(gè)體進(jìn)行補(bǔ)充，然后在子代中應(yīng)用同樣的原則，依次類(lèi)推，直至產(chǎn)生比較滿意的結(jié)果。將這個(gè)思想應(yīng)用于多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)頻率優(yōu)化中：對(duì)于已有的頻率規(guī)劃方案，將通信質(zhì)量較好的無(wú)人機(jī)頻率配置保留下來(lái)，而將待優(yōu)化的數(shù)據(jù)鏈通信質(zhì)量較差，受干擾較嚴(yán)重的無(wú)人機(jī)頻率配置刪除重新進(jìn)行分配，獲得一組新的頻率配置，然后重新測(cè)試其通信質(zhì)量，按照相同思想依次類(lèi)推，直至獲得比較滿意的頻率規(guī)劃結(jié)果。

4.2頻率優(yōu)化的流程

首先，需要根據(jù)多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的實(shí)際工作情況確定待優(yōu)化的無(wú)人機(jī)平臺(tái)，分析實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)接收質(zhì)量較差、受無(wú)線電干擾嚴(yán)重的無(wú)人機(jī)，找到有可能由于頻率規(guī)劃不合理造成彼此之間相互干擾的無(wú)人機(jī)，將作為待優(yōu)化的無(wú)人機(jī)。在同一地域或者相鄰地域工作的多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)中，很有可能只是由于其中某架無(wú)人機(jī)頻率的配置不合理造成了對(duì)其他無(wú)人機(jī)的頻率干擾，所以在進(jìn)行頻率優(yōu)化的時(shí)候，應(yīng)該首先對(duì)個(gè)別無(wú)人機(jī)工作頻率進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)改變個(gè)別無(wú)人機(jī)的頻點(diǎn)配置達(dá)到多機(jī)系統(tǒng)頻率規(guī)劃較好的效果。

其次，需要設(shè)定一些優(yōu)化參數(shù)，如：

1) 頻率的限制條件。在進(jìn)行頻率優(yōu)化的時(shí)候，需要添加一些限制條件，包括僅選擇受干擾程度較大的無(wú)人機(jī)進(jìn)行頻率優(yōu)化，或者對(duì)某些待優(yōu)化的可用頻點(diǎn)范圍進(jìn)行限制。

2) 優(yōu)化次數(shù)的設(shè)定。優(yōu)化次數(shù)需要合理設(shè)定，如果選擇過(guò)多，會(huì)造成計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，如果優(yōu)化次數(shù)太少又會(huì)影響優(yōu)化效果。

4.3適應(yīng)度函數(shù)設(shè)計(jì)

遺傳算法主要根據(jù)適應(yīng)度大小來(lái)選擇優(yōu)化對(duì)象，因此科學(xué)地設(shè)計(jì)適應(yīng)度函數(shù)非常重要。設(shè)計(jì)適應(yīng)度函數(shù)的原則是：使無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)接收到本系統(tǒng)發(fā)射站的信號(hào)強(qiáng)度盡可能大，接收其它無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的無(wú)線電信號(hào)強(qiáng)度盡可能小。

對(duì)無(wú)人機(jī)A而言，應(yīng)使其接收站接收到本數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)發(fā)射站的信號(hào)盡可能大，接收到區(qū)域內(nèi)其它無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)(除無(wú)人機(jī)A以外)的信號(hào)盡可能小。

無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)射頻天線有全向和定向天線兩種，首先分析使用全向天線的情況。

為簡(jiǎn)化問(wèn)題，采用理想模型進(jìn)行研究。根據(jù)無(wú)線電信號(hào)自由空間傳輸損耗公式，無(wú)人機(jī)平臺(tái)X發(fā)射的無(wú)線電信號(hào)到達(dá)無(wú)人機(jī)A處的信號(hào)強(qiáng)度為

P=10lg(1000WX)-32.5-20lg(f)-20lg(dXA)

(9)

其中，WX為無(wú)人機(jī)X的無(wú)線電信號(hào)發(fā)射功率(dB)，f為無(wú)人機(jī)的通信頻率(MHz)，dXA為兩架無(wú)人機(jī)間的距離(km)。

假設(shè)區(qū)域內(nèi)幾架無(wú)人機(jī)工作在同一頻率，則計(jì)算時(shí)只需考慮:

(10)

根據(jù)上述分析，對(duì)于無(wú)人機(jī)A，設(shè)計(jì)適應(yīng)度函數(shù)為

(11)

其中，WA為無(wú)人機(jī)A數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的發(fā)射功率，dAA為無(wú)人機(jī)A發(fā)射站與接收站之間的距離。

對(duì)工作在同一地域的多架無(wú)人機(jī)依次進(jìn)行分析，得到總適應(yīng)度函數(shù)為

(12)

其中，F(xiàn)i為各架無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的適應(yīng)度函數(shù)。

當(dāng)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)使用定向天線工作時(shí)，分析方法與使用全向天線相同。但是適應(yīng)度函數(shù)中的參數(shù)WX不是無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的發(fā)射功率，而是無(wú)人機(jī)發(fā)射站朝某個(gè)方向輻射的功率，需要結(jié)合定向天線的增益、方向圖、天線的指向與無(wú)人機(jī)發(fā)射站接收站連線的夾角進(jìn)行分析。

5結(jié)語(yǔ)

隨著無(wú)人機(jī)裝備越來(lái)越多地投入現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭(zhēng)，多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)之間的頻率干擾問(wèn)題日益突出。研究一種快捷實(shí)用的多無(wú)人機(jī)頻率規(guī)劃方法，以及多無(wú)人機(jī)頻率優(yōu)化的方法，對(duì)于指導(dǎo)部隊(duì)的作戰(zhàn)訓(xùn)練具有重要的實(shí)用價(jià)值。

參 考 文 獻(xiàn)

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收稿日期：2016年1月10日,修回日期：2016年2月23日

基金項(xiàng)目：全軍軍事科研 “十二五”計(jì)劃課題(編號(hào)：14QJ004-072)資助。

作者簡(jiǎn)介：王濤，男，博士研究生，講師，研究方向：無(wú)人機(jī)技術(shù)與作戰(zhàn)運(yùn)用。張明義，男，副教授，研究方向：無(wú)人機(jī)技術(shù)與作戰(zhàn)運(yùn)用。黃克明，男，講師，研究方向：無(wú)人機(jī)技術(shù)與應(yīng)用。

中圖分類(lèi)號(hào)TN219

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.07.041

Frequency Interference of Multi-UAV System

WANG TaoZHANG MingyiHUANG Keming

(Army Officer Academy, Heifei230031)

AbstractIt’s easier to produce radio frequency interference when multi-UAV system is used under same time and same area. This paper analyzes the spectrum of UAV data link system attempts to find a solution of frequency interference and build a frequency optimum design method, aiming to resonably plan multi-UAV system frequency.

Key Wordsmulti-UAV, frequency interference, frequency planning