復(fù)雜電磁環(huán)境下無人機(jī)抗干擾技術(shù)研究

席有猷 張雨 王苗

文章闡述了復(fù)雜電磁環(huán)境下，無人機(jī)作戰(zhàn)面臨的新挑戰(zhàn)。針對敵方干擾對無人機(jī)系統(tǒng)的影響，從通信鏈路、工程設(shè)計(jì)、戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用等三個(gè)方面研究了無人機(jī)抗干擾技術(shù)和方法。

無人機(jī)是典型的無人化裝備。作為新型裝備之一，無人機(jī)擁有諸多優(yōu)點(diǎn)：一是無人機(jī)能長時(shí)間工作，尤其可以執(zhí)行一些枯燥無味、有放射性侵害和其它危險(xiǎn)任務(wù)；二是無人機(jī)不需要設(shè)計(jì)駕駛員座艙，飛機(jī)采用非常規(guī)氣動布局，隱身效果好，作戰(zhàn)性能高；三是無人機(jī)環(huán)境適應(yīng)性高，可以在各種惡劣條件下工作。另外，無人機(jī)還具有機(jī)動靈活、制造成本低、作戰(zhàn)損失小等優(yōu)點(diǎn)。白海灣戰(zhàn)爭以來，無人機(jī)已成為各國競相發(fā)展的空中新寵?，F(xiàn)代化戰(zhàn)場中，大量電子設(shè)備廣泛應(yīng)用，導(dǎo)致電磁環(huán)境異常復(fù)雜。除了敵我共存的自然因素和人為無意干擾外，敵方針對性電磁干擾已經(jīng)成為無人機(jī)作戰(zhàn)的最大障礙。

復(fù)雜電磁環(huán)境下無人機(jī)作戰(zhàn)新挑戰(zhàn)

與有人機(jī)相比，無人機(jī)沒有飛行員本地操作，所有作戰(zhàn)行動均需要通過導(dǎo)航系統(tǒng)和遙測遙控系統(tǒng)遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)。而無人機(jī)通信鏈路都是由各個(gè)電子設(shè)備組成，將不可避免的產(chǎn)生大量電磁輻射，從而被敵方發(fā)現(xiàn)甚至控制。伴隨電子對抗技術(shù)的不斷進(jìn)步，無人機(jī)系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)也越來越多。

通信鏈路受擾，測控手段失效

復(fù)雜電磁環(huán)境下，測控鏈路背景噪聲大，信噪比降低，加之?dāng)撤接幸怆姶鸥蓴_，傳輸信道數(shù)據(jù)誤碼率增高，影響測控距離，導(dǎo)致無人機(jī)可控范圍和作戰(zhàn)半徑下降，甚至導(dǎo)致通信中斷，無人機(jī)與控制站失去聯(lián)系。2012年，伊朗宣布捕獲美軍RQ-170“哨兵”無人機(jī)及“掃描鷹”無人機(jī)，就是通過入侵其控制鏈路實(shí)現(xiàn)的。鏈路受挫，情報(bào)信息失真

在復(fù)雜電磁環(huán)境下，無人機(jī)通信鏈路建立容易受到干擾，無人機(jī)可能會檢測不到上行指令而拒絕執(zhí)行任務(wù)，或接收錯(cuò)誤指令而執(zhí)行錯(cuò)誤任務(wù)，也有可能在目標(biāo)判斷中出現(xiàn)虛警或漏報(bào)，致使下行情報(bào)信息失真，無法完成既定任務(wù)。導(dǎo)航受限，參照坐標(biāo)失準(zhǔn)

無人機(jī)的起降、巡航和遂行任務(wù)都離不開導(dǎo)航系統(tǒng)提供精確的坐標(biāo)。復(fù)雜電磁環(huán)境中尤其是戰(zhàn)時(shí)，衛(wèi)星、陸基導(dǎo)航系統(tǒng)等有可能被干擾，而僅依靠慣性導(dǎo)航等自主導(dǎo)航方式，無法提供精確的定位數(shù)據(jù)，也不能修正巡航路線。伊拉克戰(zhàn)爭中，伊拉克采用全球定位系統(tǒng)（GPS）干擾機(jī)對付全球定位系統(tǒng)導(dǎo)航系統(tǒng)，致使多起美軍無人機(jī)迷航，飛到土耳其和伊朗境內(nèi)。

復(fù)雜電磁環(huán)境下無人機(jī)抗干擾技術(shù)

通信鏈路抗干擾技術(shù)

（1）擴(kuò)頻和信道編碼抗干擾技術(shù)

擴(kuò)頻信號的信息隱蔽性好、抗干擾能力強(qiáng)，具有低截獲、難破譯等特點(diǎn)。目前無人機(jī)測控系統(tǒng)多采用直接序列擴(kuò)頻。測控信號經(jīng)過偽隨機(jī)碼擴(kuò)頻擴(kuò)展后，以較低能量的寬帶信號在信道中傳輸，在接收端可以濾除大部分干擾，然后使用相同的偽碼解擴(kuò)，提取信噪比較高的有用信號。

在無人機(jī)測控系統(tǒng)數(shù)字化發(fā)展的過程中，為了有效的提高系統(tǒng)抗干擾性能，信源和信道編碼技術(shù)是最常用技術(shù)。信源編碼是在射頻信號帶寬和傳輸質(zhì)量一定的情況下，通過降低基帶信號速率提高抗截獲能力，信道編碼是通過糾錯(cuò)編碼技術(shù)提高通信系統(tǒng)的抗干擾性能。

（2）自適應(yīng)干擾抑制技術(shù)

自適應(yīng)干擾抑制技術(shù)通過連續(xù)地測量跟蹤信號和系統(tǒng)特性的變化，自動地改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，保護(hù)系統(tǒng)盡可能地消除干擾影響。無人機(jī)通信、測控頻段主要為L、C/X和Ku/Ka波段，該波段頻率較高、方向性強(qiáng)，采用自適應(yīng)調(diào)零天線收發(fā)信息可以從一定程度上抑制指向性瞄準(zhǔn)式干擾，無人機(jī)自適應(yīng)抗干擾系統(tǒng)原理如圖1所示。

（3）導(dǎo)航系統(tǒng)抗干擾技術(shù)

無人機(jī)接收機(jī)的靈敏度非常高，而接收天線附近工作的設(shè)備又極容易造成環(huán)境電平上升，對導(dǎo)航系統(tǒng)造成干擾。一般情況下，可通過合理布局接收天線位置、加入濾波器或衰減器等技術(shù)降低干擾。

另外，為了保證無人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)時(shí)定位精度，單獨(dú)使用任何一種導(dǎo)航系統(tǒng)，都不能確保萬無一失。從技術(shù)防御準(zhǔn)備角度，應(yīng)綜合考慮多種導(dǎo)航技術(shù)，增強(qiáng)精確導(dǎo)航能力。尤其值得關(guān)注的是，為克服全球定位系統(tǒng)等國外定位技術(shù)存在的受制于人、易受干擾等問題，要積極開發(fā)利用中國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。目前，二代北斗衛(wèi)星的性能已經(jīng)接近全球定位系統(tǒng)，一旦部署完成，將大幅提高我軍的精準(zhǔn)打擊能力，保證我軍戰(zhàn)時(shí)無人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全。

（4）控制系統(tǒng)抗干擾技術(shù)

1）數(shù)據(jù)通道抗干擾

無人機(jī)控制系統(tǒng)中，遙控輸入指令最易受到干擾，電磁干擾信號多呈毛刺狀、作用時(shí)間短，在無人機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中可以對輸入信號進(jìn)行有效電平寬度檢測來消除干擾，一般電磁干擾波的尖峰寬度為0.015ms。當(dāng)設(shè)定指令檢測脈寬為0.2時(shí)，可以有效抑制部分干擾信號。

2）系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控

控制系統(tǒng)可以采用獨(dú)立的“看門狗”程序?qū)崿F(xiàn)對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控。其基本原理如圖2所示。

3）控制系統(tǒng)自診斷與自修復(fù)

測控鏈路的干擾信號能夠破壞RAM區(qū)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)必須隨時(shí)校驗(yàn)數(shù)據(jù)正確性，由于RAM區(qū)數(shù)據(jù)量較大，逐一校驗(yàn)需要大量時(shí)間，也沒有必要，可以僅針對當(dāng)前飛行狀態(tài)和飛控系統(tǒng)輸出關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。

當(dāng)軟件檢測到故障后，系統(tǒng)可以調(diào)用一定的模式進(jìn)行故障規(guī)避。一般情況下，遇到故障后，無論故障的性質(zhì)如何，均強(qiáng)制導(dǎo)入錯(cuò)誤處理模塊，軟件重新初始化中斷和硬件工作狀態(tài)并清空任務(wù)隊(duì)列。

工程設(shè)計(jì)上的抗干擾技術(shù)

為提高無人機(jī)的隱身效果，無人機(jī)表面可以采用復(fù)合材料構(gòu)造，并涂覆雷達(dá)吸波材料。例如美軍“捕食者”無人機(jī)的機(jī)身除了主梁以外，全部采用能降低反射雷達(dá)信號波能量的石墨合成材料，并對發(fā)動機(jī)進(jìn)出氣口和衛(wèi)星通信天線做了特殊設(shè)計(jì)，其雷達(dá)信號特征只有0.1㎡，對雷達(dá)、紅外和聲傳感器都有很強(qiáng)的隱身能力。此外，在無人機(jī)表面涂能吸收紅外光的特制漆，在發(fā)動機(jī)燃料中注入防紅外輻射的化學(xué)制劑，也可有效增大雷達(dá)和目視偵察難度。美軍還研制了一種新的表面涂層材料：充電表面涂層。充電表面涂層具有可變色特性，表面顏色隨背景的變化而變化。從地面往上看，無人機(jī)呈現(xiàn)與天空一樣的藍(lán)色，從空中往下看，無人機(jī)將呈現(xiàn)出與大地一樣的顏色。根據(jù)美軍試驗(yàn)結(jié)果表明，充電表面涂層可使雷達(dá)探測距離減小40%～50%。

（2）改進(jìn)機(jī)體外形和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

無人機(jī)可盡量采用減小電磁波反射的機(jī)身構(gòu)造，采用新工藝將無人機(jī)各部件無縫連接，在機(jī)身各部分的連接處進(jìn)行光滑處理，避免形成角度增強(qiáng)反射，并在凹口處采取相應(yīng)的隱身措施。比如外機(jī)頭采用碟式圓弧平面外形，可以有效縮小雷達(dá)反射面。

戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用上的抗干擾手段

（1）多機(jī)多頻齊飛，高中低空立體布放

通常情況下，敵方干擾是配合其作戰(zhàn)意圖而實(shí)施的，其干擾有一定的規(guī)律性可循。因此，在我無人機(jī)頻率資源允許情況下，應(yīng)區(qū)分平時(shí)、戰(zhàn)時(shí)、備用，分配不同頻段的頻率，并且在受擾后能夠自動更新切換，防敵偵察受擾。此外，還可以根據(jù)我方作戰(zhàn)需要，用多架無人機(jī)編組成批次飛行，分別使用不同的頻段，從高、中、低空立體布放。這樣，在某一地域、某一時(shí)段、某一頻段，只要部分無人機(jī)能保持通信，就可以一定程度地完成相應(yīng)的任務(wù)[5]。

（2）電子對抗協(xié)同，海陸空基攻防配合

電子對抗中，無人機(jī)可以用作干擾機(jī)、電子對抗誘餌或反輻射攻擊。戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用中，無人機(jī)在空中比地面電子對抗的效果能提高70%～80%，電子對抗無人機(jī)可配合?；㈥懟涂栈娮訉故侄?，對敵實(shí)施壓制性的反干擾措施，攻防配合、形成干擾與反干擾、對抗與反對抗、壓制與反壓制的作戰(zhàn)態(tài)勢，配合我方的作戰(zhàn)行動。

（3）實(shí)時(shí)監(jiān)測電磁環(huán)境，適時(shí)待機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)

無人機(jī)一旦被干擾，導(dǎo)致測控失效時(shí)，可考慮使用長航時(shí)隱形低輻射無人機(jī)偵察，進(jìn)入敵干擾區(qū)域后遙控關(guān)閉發(fā)射機(jī)，實(shí)時(shí)監(jiān)測電磁環(huán)境。由于其只收不發(fā)，很難被地面敵方雷達(dá)跟蹤探測，通過機(jī)載處理機(jī)自動判斷電磁態(tài)勢，一旦出現(xiàn)有利于我的電磁態(tài)勢，則自動開啟遙控發(fā)射機(jī)，傳回相關(guān)信息，再由地面控制中心根據(jù)我方作戰(zhàn)意圖來決策無人機(jī)升空的時(shí)機(jī)、場合、數(shù)量，以及如何與其它作戰(zhàn)分隊(duì)協(xié)同作戰(zhàn)。這樣，可最低限度地減少無人機(jī)受擾的程度，最大程度地發(fā)揮無人機(jī)的效能。

結(jié)束語

未來信息化戰(zhàn)場上，電子對抗貫穿于戰(zhàn)爭始終。一方面，無人機(jī)將在未來電子對抗中發(fā)揮重要作用，其作戰(zhàn)效能將直接決定作戰(zhàn)區(qū)域的防空警戒系統(tǒng)、武器控制系統(tǒng)能夠發(fā)揮作用；另一方面，無人機(jī)對電磁環(huán)境的依賴性，又決定了它必須要想方設(shè)法克服復(fù)雜電磁環(huán)境對其作用效能的影響。因此，我們必須加速發(fā)展無人機(jī)對抗技術(shù)，研究新的抗干擾手段，提高無人機(jī)在復(fù)雜電磁環(huán)境下的生存能力。