反無人機轉發(fā)式干擾參數(shù)設計與仿真

郝明明，盛懷潔，陳明建

(國防科技大學 電子對抗學院， 合肥 230037)

隨著無人機作戰(zhàn)效能的顯著提升和戰(zhàn)場威脅度的增加，可以預見，以無人機為代表的無人作戰(zhàn)平臺必將成為各國軍隊面對的挑戰(zhàn)。目前，針對無人機的電子攻擊對象主要為導航定位系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)和任務載荷系統(tǒng)[1]。數(shù)據(jù)鏈作為無人機的指揮控制鏈、跟蹤定位鏈和信息傳輸鏈，是無人機飛行的“生命鏈”和作戰(zhàn)效能發(fā)揮的“保障鏈”，是反無人機中威脅等級最高的目標[2]。因此，對無人機數(shù)據(jù)鏈的電子攻擊是反制無人機的重中之重。

對無人機數(shù)據(jù)鏈的電子攻擊分為壓制式干擾和欺騙式干擾兩大類。隨著信息技術的發(fā)展，現(xiàn)有無人機數(shù)據(jù)鏈多采用了信道編碼、擴頻等技術來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，在這種情況下，依靠能量功率優(yōu)勢的壓制式干擾已不能取得良好的干擾效果，需要進一步研究更加威脅有效的欺騙式干擾[3-6]。對無人機數(shù)據(jù)鏈的欺騙干擾可分為鏈路協(xié)議層欺騙和鏈路物理層欺騙。鏈路協(xié)議層欺騙干擾需要對截獲的數(shù)據(jù)鏈信號進行盲解調，盲解擴，加密、編碼和遙控幀協(xié)議的盲解析，完成對信號的修改重構，技術實現(xiàn)難度較大。而鏈路物理層欺騙干擾基本不涉及協(xié)議層的盲估計問題，工程應用較易實現(xiàn)，因而引起電子對抗領域的普遍重視。

無人機上行數(shù)據(jù)鏈具有傳輸速率較低的特點，針對無人機上行數(shù)據(jù)鏈實施轉發(fā)式干擾，屬鏈路物理層欺騙干擾，截取所轉發(fā)信號包含飛行狀態(tài)控制關鍵指令，此干擾方式具有較大的威脅性和可行性。本文面向無人機上行數(shù)據(jù)鏈，以基于鏈路物理層欺騙的轉發(fā)式干擾為研究對象，在仿真分析的基礎上重點對轉發(fā)式干擾各參數(shù)進行設計和配置。

1 轉發(fā)式干擾基本構想

如圖1所示，轉發(fā)干擾設備主要由偵察接收設備、存儲轉發(fā)設備和調制發(fā)射設備3部分組成。其中偵察接收設備用于對無人機上行數(shù)據(jù)鏈信號的高靈敏度接收，采樣后輸出數(shù)據(jù)文件；存儲轉發(fā)設備對數(shù)據(jù)文件進行處理得到并存儲基帶碼流序列，在干擾參數(shù)配置完成后執(zhí)行轉發(fā)，輸出轉發(fā)干擾碼流；調制發(fā)射設備對輸入轉發(fā)干擾碼流進行調制，輸出轉發(fā)干擾射頻信號。

轉發(fā)式干擾的基本構想是：利用轉發(fā)干擾設備截獲無人機的上行鏈路信號，為使截獲信號中包含飛行姿態(tài)變換指令，這一過程爭取在雷達對無人機飛行航跡跟蹤指示下進行。偵察接收設備截獲、存儲一定時長的上行鏈路信號，經(jīng)混頻、濾波后形成采樣數(shù)據(jù)文件。存儲轉發(fā)設備中的計算機按照一定算法對輸入數(shù)據(jù)進行信號處理，得到包含遙控指令的基帶碼流序列，形成存儲文件；按照循環(huán)轉發(fā)周期參數(shù)對存儲數(shù)據(jù)文件進行簡單拼接，形成轉發(fā)干擾碼流。調制發(fā)射設備接收轉發(fā)干擾碼流，經(jīng)射頻變換后形成轉發(fā)干擾信號，大功率向無人機機載數(shù)據(jù)終端的接收設備循環(huán)轉發(fā)該信號。

該方法不需對鏈路協(xié)議層參數(shù)進行盲估計，由于沒有或極少改變原信號的結構特征，無人機機載接收設備對轉發(fā)干擾信號基本沒有識別能力。在滿足干信比要求下，無人機極有可能經(jīng)暫短失控后，鎖定轉發(fā)干擾信號，致使其反復執(zhí)行干擾信號中的遙控指令，造成其飛行狀態(tài)紊亂，最終因失控啟動應急程序甚至墜毀。

依據(jù)基本構想，研究需要首先對轉發(fā)式干擾參數(shù)進行仿真，過程主要包括兩個部分：一是從射頻端對鏈路信號的截獲存儲及處理；二是對基帶碼流序列的存儲轉發(fā)。前者涉及到射頻前端微波信號的高靈敏度截獲接收和數(shù)據(jù)處理算法等技術問題，實現(xiàn)難度較大；后者的關鍵是對基帶碼流序列的處理，它對應地面數(shù)據(jù)終端中遙控幀序列與擴頻碼序列模二加后得到的基帶激勵碼序列，包含了遙控信號鏈路層的完整特征。因此，截取存儲該數(shù)據(jù)進行轉發(fā)干擾參數(shù)設計研究，也具有很強的說服力。本文假設在已得到基帶碼流序列的基礎上，構建基帶轉發(fā)式干擾模型，并對轉發(fā)干擾進行參數(shù)設計與仿真。

2 基帶轉發(fā)式干擾模型

2.1 仿真流程

基帶轉發(fā)式干擾仿真模型主要包括3大模塊，如圖2所示。

1) 基帶碼流生成模塊：構建遙控指令，生成基帶碼流序列。通過改變誤碼率模擬射頻信號經(jīng)截獲接收和參數(shù)盲估計后得到的基帶碼流序列。

2) 存儲轉發(fā)模塊：實現(xiàn)對基帶碼流序列的截取、存儲和轉發(fā)，形成轉發(fā)干擾碼流?？紤]到射頻信號的截取時長與基帶碼流存儲長度之間為線性對應關系，在仿真實驗中，用碼流存儲長度來代替截取信號時長，探究碼流存儲長度和轉發(fā)周期對轉發(fā)式干擾的影響。

3) 機載接收模塊：接收干噪比不同的轉發(fā)干擾碼流，形成基帶接收信號，然后模擬機載計算機對解調輸入的基帶信號進行同步、解擴、解差分、解卷積和指令判決等操作。其中噪聲采用加性零均值高斯白噪聲。

2.2 信號模型

設遙控幀信號為c(t)，擴頻采用的PN碼周期信號為m(t)，則經(jīng)過擴頻調制后形成的基帶碼流信號為S(t)，它們分別滿足：

(1)

(2)

S(t)=c(t)m(t)

(3)

其中，dn為遙控幀序列，滿足{dn=±1，n=1,2,3,…}，Td為碼元寬度，其倒數(shù)1/Td為碼元速率，g1(t)為矩形窗函數(shù)；mn為PN碼序列，滿足{mn=±1，n=1,2,3,…}，Ts為碼片寬度，倒數(shù)1/Ts為碼片速率，g2(t)為矩形窗函數(shù)[7]。基帶轉發(fā)干擾信號模型如圖3所示。

基帶碼流信號S(t)經(jīng)采集、存儲后形成碼流存儲信號S1(t)，滿足

S1(t)=f(t)S(t)

(4)

f(t)=u(t-T1)-u(t-T2)

(5)

其中f(t)為基帶碼流截取函數(shù)，是一個T1～T2的矩形窗函數(shù)，u(t)為階躍函數(shù)，T1、T2分別為采集數(shù)據(jù)的起始時刻和終止時刻，碼流存儲時長為T=T2-T1>0。

經(jīng)循環(huán)轉發(fā)形成轉發(fā)干擾基帶碼流信號S2(t)：

(6)

其中P為轉發(fā)周期，當P=1時，S2(t)=S1(t)。

S2(t)加入噪聲n(t)，形成轉發(fā)干擾信號r(t)，其表達式為

r(t)=S2(t)+n(t)

(7)

2.3 存儲轉發(fā)模型

從基帶碼流序列d中截獲、存儲一段數(shù)據(jù)碼流，設其包含遙控幀碼元長度為L，作為轉發(fā)干擾的碼流存儲，如圖4所示：

圖4中dk，dk+1，dk+2為三幀連續(xù)的完整遙控幀，碼流存儲長度為L時，其中只包含dk+1一幀完整幀。由于截取起始位置的隨機性，截獲碼元起始位和遙控幀起始位并不重合，因此信號截獲在一定程度上破壞了遙控幀的完備性。

在基帶碼流轉發(fā)階段，將存儲碼流經(jīng)過適當?shù)仄唇犹幚砗?，按轉發(fā)周期數(shù)進行循環(huán)轉發(fā)形成轉發(fā)干擾碼流，如圖5所示。

rk和rk+2分別為完整遙控幀dk和dk+2中所截取的部分碼元，在拼接過程中，若rk和rk+2不能組成一個完整幀，則有可能破壞遙控幀的完備性，使得轉發(fā)干擾失??；若rk和rk+2恰好組成一個完整幀，則有可能保持遙控幀的完備性，使得轉發(fā)干擾成功。

3 仿真實驗與結果分析

在實現(xiàn)指令判決功能時，將解碼后遙控幀序列中的遙控指令提取出來，和基帶產(chǎn)生的遙控指令進行比較，若相同，則無人機對該指令進行響應；否則不響應。依據(jù)比較結果，得出最終的指令判決結果result。若result=1，則無人機響應轉發(fā)干擾指令，上行鏈路遙控信道鎖定，表明轉發(fā)干擾成功，同時碼流存儲時間、轉發(fā)周期和干噪比等參數(shù)設置合理；否則result=0，轉發(fā)干擾失敗。

定義干擾成功率η和干噪比JNR：

(8)

其中，Mc干擾成功次數(shù)，Ms干擾總次數(shù)；Pj轉發(fā)干擾信號功率，Pn信道噪聲功率。

利用截取起始位置的隨機性，進行多次Monte Carlo實驗，得出轉發(fā)干擾成功率?；鶐мD發(fā)干擾實驗中部分信號參數(shù)設置[8-9]，如表1所示。

表1 信號模型參數(shù)設置

在機載接收模塊中，對接收信號進行同步時，考慮幀同步搜索和跟蹤階段，本仿真設定，若連續(xù)3幀均找到幀同步碼，則進入幀同步鎖定階段，可以對遙控指令進行處理[10-11]。仿真設計了4個實驗來探究干噪比JNR、碼元誤碼率φ、碼流存儲長度L和轉發(fā)周期P等參數(shù)對轉發(fā)式干擾的影響。

實驗1干噪比對轉發(fā)干擾成功率的影響

碼流存儲長度L=400，轉發(fā)周期P=1，在不同干噪比JNR下分別進行實驗，得到干噪比對轉發(fā)干擾成功率的影響如圖6所示。

由圖6可知，在其余參數(shù)設置不變的情況下，轉發(fā)干擾成功率隨干噪比的增大而增大。當干噪比JNR<-17 dB時，轉發(fā)干擾失??；當干噪比JNR>-5 dB時，轉發(fā)干擾成功率達到100%。

實驗2碼元誤碼率對干擾成功率的影響

干噪比JNR=0 dB，轉發(fā)周期P=1，碼流存儲長度L=400，改變誤碼率φ，每種情況獨立進行仿真實驗，得到誤碼率對干擾成功率的變化曲線，如圖7所示。

從圖7可以看出，隨著誤碼率的增大，干擾成功率迅速下降。在該仿真條件下，誤碼率大于0.06時，干擾成功率為0；當誤碼率小于3×10-3時，干擾成功率達到90%以上。

實驗3碼流存儲長度對轉發(fā)干擾成功率的影響

干噪比JNR=0 dB，轉發(fā)周期P=1，改變碼流存儲長度L，每種長度下獨立進行多次Monte Carlo實驗，干擾成功率隨碼流存儲長度的變化曲線如圖8所示(橫坐標對應遙控幀序列中的碼元數(shù))：

從圖8可以看出，在該仿真條件下，當碼流存儲長度小于3倍遙控幀(240碼元)時，干擾成功率為0；碼流存儲長度在3幀-4幀(4幀320碼元)之間時，干擾成功率總體上隨碼流存儲長度的增大而增大；當碼流存儲長度大于5倍遙控幀(400碼元)時，可以達到100%的干擾成功率。

實驗4轉發(fā)周期對干擾成功率的影響

干噪比JNR=0 dB，轉發(fā)周期P分別設置為2，3，4，5，改變碼流存儲長度L，每種情況獨立進行仿真實驗，得到不同轉發(fā)周期下，干擾成功率隨數(shù)據(jù)長度的變化曲線，如圖9所示。

由圖9可知，碼流存儲長度L和轉發(fā)周期P共同作用對轉發(fā)干擾成功率產(chǎn)生影響，當轉發(fā)周期P=2,3,4,5時，碼流存儲長度L大于3倍遙控幀，可達100%的干擾成功率，同時在L恰好為遙控幀碼元整數(shù)倍(80、160)時，會突變達到較高的干擾成功率，這是因為當碼元長度為整數(shù)倍時，經(jīng)拼接處理后，在轉發(fā)干擾碼流能一定程度上保持遙控幀的完備性，從而獲得較高的干擾成功率。此外，結合實驗3可知，隨著P增大，達到穩(wěn)定干擾時所需最小碼流存儲長度在變小，在P=2時，即可達到最小碼流存儲長度L=256(約為3倍遙控幀)。

4 結論

本文首先對無人機數(shù)據(jù)鏈的轉發(fā)式干擾做了基本構想，以基帶碼流序列作為信號來源，構建了基帶轉發(fā)式干擾仿真模型，并給出了相應的信號模型。然后利用仿真模型進行實驗，驗證了轉發(fā)干擾的可行性，并對影響轉發(fā)干擾成功率的干噪比、誤碼率、碼流存儲長度和轉發(fā)周期等因素進行了參數(shù)設計，得出了仿真條件下的參數(shù)邊界條件。實驗結論是仿真模型在滿足一定參數(shù)設置的條件下進行實驗得出的，不同無人機系統(tǒng)的相關參數(shù)設置不同，因此，具有一定的局限性。同時，實際情況中，影響轉發(fā)干擾的因素會更加復雜多元，但仿真數(shù)據(jù)結果仍可為實際試驗中碼流存儲時間和轉發(fā)周期等參數(shù)設置提供一定參考，為后續(xù)研究打下良好基礎。