無人機信息鏈路電磁干擾效應規(guī)律研究

張冬曉， 陳亞洲， 程二威， 杜寶舟

(陸軍工程大學石家莊校區(qū) 電磁環(huán)境效應重點實驗室，河北，石家莊 050003)

近幾次局部戰(zhàn)爭以及反恐行動中，無人機出色完成了偵察監(jiān)視、通信中繼、火力制導和精確打擊等任務，并逐漸發(fā)展成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭奪取制空權的利器，其任務范圍不斷拓展，并有可能取代有人機，成為未來空戰(zhàn)的主力裝備[1-2]. 隨著用頻裝備大量投入戰(zhàn)場，空間電磁環(huán)境日益復雜，現(xiàn)代定向能武器在電子戰(zhàn)中的大規(guī)模應用使得電磁環(huán)境變得更加惡劣[3]. 無人機系統(tǒng)電子集成度高，對外界電磁干擾比較敏感，此外系統(tǒng)高度依賴數(shù)據(jù)鏈實現(xiàn)地空信息交互，容易遭到外界電磁環(huán)境干擾而發(fā)生意外事件，國際上曾多次發(fā)生無人機受外界電磁干擾失控墜毀以及被俘獲的案例[4]. 因此，無人機電磁安全性成為制約其發(fā)揮作戰(zhàn)效能的重要因素，有必要開展無人機信息鏈路電磁環(huán)境效應研究.

國內外開展武器裝備電磁環(huán)境效應研究由來已久，但無人機裝備由于其性能的爆炸式增長以及工作方式的特殊性，導致其電磁效應研究相對滯后，國外此方面研究鮮有公開報道，國內當前還沒有建立針對無人機電磁效應研究方面的標準和規(guī)范，南京航空航天大學、西北工業(yè)大學、解放軍信息工程大學、北京航空航天大學和西北核技術研究所等單位研究重點主要集中于系統(tǒng)內部設備的電磁發(fā)射、設備間的電磁兼容性以及系統(tǒng)電磁輻射發(fā)射和敏感度試驗方法設計[5-11]. 然而無人機裝備的實際應用場景要求其具有較高的抗外界電磁干擾能力，傳統(tǒng)武器裝備的通過性電磁兼容測試無法考量無人機對于外界電磁干擾的抵御能力，沒有針對無人機信息鏈路的電磁效應試驗方法和相關研究，不利于掌握無人機裝備的電磁安全性應用.

本文通過分析電磁干擾對無人機的作用路徑，針對信息鏈路薄弱環(huán)節(jié)建立了理想電磁干擾模型，設計并開展了無人機上行數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)連續(xù)波電磁注入效應試驗，得到了電磁干擾對數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的作用規(guī)律，為開展無人機裝備電磁干擾預測奠定了基礎.

1 無人機電磁干擾作用分析

1.1 無人機電磁干擾耦合路徑分析

無人機是一種大型電子設備集成系統(tǒng)，機身結構特征明顯、內部空間緊湊、用頻設備密集，外界電磁干擾通過“前門”和“后門”耦合方式到達敏感設備以及部件端口，影響設備正常工作，如圖1所示.

圖1 無人機電磁干擾耦合路徑Fig.1 UAV electromagnetic interference coupling path

無人機機身、機翼和尾翼通常為復合材質，類似于多個不規(guī)則屏蔽腔體鉸鏈貫通，屏蔽效能較金屬差；腔體表面分布孔縫、口蓋等電氣不連續(xù)部位，容易造成電磁泄露；此外，多部天線置于無人機機頭、機尾和機腹等部位，形成主要的“前門”耦合路徑. 電磁干擾源通過以上3種途徑進入無人機腔室，以線纜傳導以及空間輻射方式存在，且相互動態(tài)變化，即線纜向外發(fā)射電磁波，同樣艙內輻射干擾也會耦合到線纜上. 其中，“前門”耦合是無人機引入外界電磁干擾的主要路徑，傳導干擾信號對信息鏈路構成了嚴重的威脅，容易導致上行數(shù)據(jù)鏈中斷.

1.2 信息鏈路電磁干擾建模

以連續(xù)波信號對無人機實施電磁干擾為例，建立無人機電磁干擾理想模型，如圖2所示.

圖2 無人機信息鏈路電磁干擾理想模型Fig.2 Ideal model of electromagnetic interference for UAV

為評價無人機信息鏈路接收到的干擾信號與工作信號強度的相對大小，將干擾信號功率與工作信號功率的比值定義為壓制系數(shù)，用K表示為

(1)

式中：Pt、Pit分別為地面控制站和干擾系統(tǒng)的發(fā)射功率；Gt、Git分別為地面控制站和干擾系統(tǒng)發(fā)射天線在無人機方向上的增益；Gr、G′r分別為接收天線在工作信號方向和干擾信號方向上的增益；R1、R2分別為地面控制站和干擾系統(tǒng)到無人機之間的距離；λ、λi分別為工作信號波長和干擾信號波長；γr、γir分別為地面控制站發(fā)射天線和干擾系統(tǒng)發(fā)射天線對機載接收天線的極化系數(shù).

λ=c/f，λi=c/fi，f、fi分別為上行數(shù)據(jù)鏈工作頻率和干擾信號頻率. 其中，工作頻率為固定值，雖然連續(xù)波干擾具有隨機性，但某一頻點電磁干擾的頻率也固定不變.

假設在連續(xù)波某頻點干擾情況下，機載數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)能夠分辨的最大壓制系數(shù)為Ks，若K≤Ks表示干擾信號功率在無人機接收系統(tǒng)的容忍范圍內，不會引發(fā)上行數(shù)據(jù)鏈中斷；若K>Ks表示工作信號完全被干擾信號壓制或者淹沒，無人機容易失去控制. 無論地面控制站或者敵方干擾系統(tǒng)與無人機之間的距離、方位角如何變化，只要壓制系數(shù)在Ks范圍內，外界電磁干擾都不會引發(fā)無人機上行數(shù)據(jù)鏈中斷.

上述無人機信息鏈路電磁干擾理想模型是建立在天線為干擾耦合路徑的基礎上，此外其他“后門”耦合方式會加重干擾效果，要想確定最大壓制系數(shù)Ks、判斷機載數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)對外界電磁干擾的適應性，必須針對機載數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)開展電磁注入效應研究，找出數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的敏感頻率范圍和閾值規(guī)律.

2 信息鏈路電磁效應動態(tài)試驗方法

2.1 試驗原理

以某型無人機數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)為研究對象，提出一種能夠模擬無人機動態(tài)飛行狀態(tài)的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)電磁傳導注入效應試驗方法，系統(tǒng)配置如圖3所示.

圖3 系統(tǒng)連接示意圖Fig.3 Diagram of system connection

圖3中，試驗原理圖包括機載和地面控制站數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)、傳導信號模擬單元以及干擾源耦合模塊.

① 機載和地面控制站數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng). 單端數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)主要由天線、射頻前端和收發(fā)組合(接收機、發(fā)射機和終端機的簡稱)組成，由電源模塊供電，完成上行控制指令發(fā)送和下行遙測信息傳輸.

② 傳導信號模擬單元. 利用傳輸線連接機載天線端口和地面天線端口，內部串接信號調節(jié)器，在實驗室條件下模擬無人機正常飛行工作模式，既能減輕飛行試驗代價，又能降低安全隱患. 在機載和地面數(shù)據(jù)鏈正常工作的前提下，調節(jié)衰減量找出無人機上行數(shù)據(jù)鏈和下行數(shù)據(jù)鏈穩(wěn)定的臨界通信狀態(tài)，考量無人機最大作戰(zhàn)半徑條件下的抗電磁干擾水平.

③ 干擾源耦合模塊. 干擾信號通過耦合模塊注入傳導電路，模擬電磁干擾信號耦合進入機載數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng). 為了避免對裝備造成損壞，經專家咨詢確定最大干擾電平為0 dB. 以掃頻的方式找出上行數(shù)據(jù)鏈敏感頻率范圍，針對敏感頻點調節(jié)干擾信號電平，找到上行數(shù)據(jù)鏈失鎖閾值.

考慮到有線連接會由于射頻轉接頭接觸不良以及線纜的輻射發(fā)射而出現(xiàn)機載數(shù)據(jù)鏈和地面站數(shù)據(jù)鏈近距離無線傳輸?shù)默F(xiàn)象，將機載數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)置于屏蔽室內以隔離輻射分量，地面站數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)和注入模塊置于屏蔽室外，線纜連接端口采用屏蔽布包裹以減小輻射發(fā)射.

2.2 電磁效應評價方法

判別無人機數(shù)據(jù)鏈路狀態(tài)的指標可以分為定性描述和定量描述. 定性描述是指，數(shù)據(jù)鏈中斷設定為“失鎖”，作為判定數(shù)據(jù)鏈受電磁干擾導致工作異常的依據(jù)；相反地，“鎖定”表示數(shù)據(jù)鏈滿足最低工作性能指標，鏈路工作正常. 定量描述包括信道AGC電壓和誤碼率，信道AGC電壓為中頻放大單元內部自動增益控制電路的電調衰減電壓，電壓值反映了接收信號的強度，即工作信號越大，AGC電壓越高；誤碼率表示為接收端錯誤碼元數(shù)與傳輸碼元總數(shù)的比值，若地面控制站一次發(fā)送106個字符串，單次測試誤碼數(shù)為m，誤碼率RBE=m10-6，利用AGC電壓和誤碼率可以定量地分析電磁干擾對無人機數(shù)據(jù)鏈的影響程度.

利用誤碼檢測手段量化數(shù)據(jù)鏈受擾程度存在兩個制約因素，一是由于誤碼率是基于一段時間內傳輸錯誤碼元數(shù)量的統(tǒng)計，在開展脈沖效應試驗過程中，由于單次脈沖具有隨機性、持續(xù)時間短、重復頻率低等特點，不滿足測試條件；二是誤碼測試過程中需要中止系統(tǒng)正常工作、改變基帶信號樣式，所以檢測方法實用性低，不適合應用誤碼檢測手段. 一般而言，誤碼率超過規(guī)定限值后數(shù)據(jù)鏈發(fā)生“失鎖”現(xiàn)象，表現(xiàn)為通信中斷，在數(shù)據(jù)鏈尚能鎖定的情況下，地面控制站可視化界面可以觀察包括“鎖定”在內的飛機其他工作參數(shù)，AGC電壓隨著接收信號強度發(fā)生改變. 誤碼檢測和AGC電壓觀測都是以數(shù)據(jù)鏈正常工作為前提，一旦數(shù)據(jù)鏈失鎖，無法開展數(shù)據(jù)鏈電磁干擾效應定量分析.

3 信息鏈路電磁干擾效應

以某型無人機裝備數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)為研究對象，按照上述試驗方法開展上行數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)連續(xù)波電磁注入效應研究. 已知無人機上行數(shù)據(jù)鏈和下行數(shù)據(jù)鏈都工作在1頻道，工作頻率分別用fu和fd表示，除此之外，信息鏈路還配置了其他備用頻道. 調節(jié)衰減器至鏈路臨界失鎖狀態(tài)，即接收機靈敏度為S，在此基礎上減小5 dB衰減值，保證鏈路處于相對穩(wěn)定的工作狀態(tài)，此時大致模擬無人機最大作戰(zhàn)半徑條件下信息鏈路的工作狀態(tài). 在此條件下開展連續(xù)波電磁注入效應試驗，得到敏感頻率范圍和失鎖閾值. 表1列出了典型敏感頻點及其失鎖閾值，圖4為敏感頻點f2～f5及其鄰近頻帶范圍和失鎖閾值之間的關系.

表1 上行數(shù)據(jù)鏈典型敏感頻點及閾值

Tab.1 Typical sensitive drequencies and thresholds of upward datalink

頻率數(shù)值關系電平值/dBf1f1≈fu-66.0f22f2≈fu-42.0f33f3≈fu-27.3f44f4≈fu-16.0f55f5≈fu-10.5

圖4 典型敏感頻點及鄰近頻帶失鎖閾值Fig.4 Lost-link thresholds of typical sensitive frequency points and adjacent frequency band

由表1可知，發(fā)生失鎖效應的典型敏感頻點之間存在一定的倍數(shù)關系，與上行數(shù)據(jù)鏈工作頻率有關，敏感頻點離上行數(shù)據(jù)鏈工作頻點越遠，對應的失鎖閾值越大. 圖4中，在當前工作信號強度和0 dBm干擾信號強度約束下，以典型敏感頻點f5、f4、f3、f2為代表的失鎖頻帶寬度分別為3.0，4.0，5.7和10.0 MHz，典型敏感頻點離工作頻點越遠，與其相關的敏感頻帶越小，但對應的失鎖閾值分布大致符合“U”形，即典型敏感頻點失鎖閾值最小，鄰近干擾信號頻點與典型敏感頻點相差越大，其失鎖閾值也越大.

圖5中，同頻干擾信號f1及其鄰近頻率同樣滿足上述規(guī)律，此時敏感頻帶大致為100 MHz，由于上行數(shù)據(jù)鏈1頻道后設置多個備用頻道，右偏干擾信號部分頻率落在濾波器頻帶內，能夠順利通過濾波器并進入混頻單元，因此，典型敏感頻點f1右側鄰近頻段較大. 頻率偏差較遠的干擾信號對應的失鎖閾值幾乎維持在同一量級，但存在明顯的波動現(xiàn)象，說明此時非線性電路處于飽和狀態(tài)，工作信號不能滿足后續(xù)解調，出現(xiàn)上行數(shù)據(jù)鏈失鎖現(xiàn)象.

圖5 同頻干擾敏感頻帶及失鎖閾值Fig.5 Sensitive frequency band of co-frequency interference and its lost-link thresholds

4 信息鏈路電磁干擾作用規(guī)律

4.1 電磁干擾作用規(guī)律及機理分析

在典型敏感頻點及其鄰近頻帶干擾信號作用下，上行信息鏈路的臨界失鎖AGC電壓如圖6所示. 圖中波形曲線大致符合“尖峰”形狀，典型敏感頻點f5、f4、f3、f2的臨界失鎖AGC電壓最大，約為30 V，干擾信號頻率偏離典型敏感頻點越遠，其對應的臨界失鎖AGC電壓越小，且最小電壓值為14 V；同樣地，f1所在的敏感頻帶也滿足上述規(guī)律.

由于AGC電壓是自動增益控制電路內部電調衰減器衰減量對應的電壓幅值，控制中頻輸出信號穩(wěn)定在解擴解調單元接受的標稱值容許范圍內. 例如，無人機近場飛行時，接收到的工作信號強度很大，通過增加電調衰減器衰減值，即增加AGC電壓的方式減小工作信號增益；若無人機在最大飛行半徑條件下執(zhí)行任務，接收到的工作信號極其微弱，通過減小AGC電壓的方式來提高增益，保持中頻輸出信號為穩(wěn)恒值. 以典型敏感頻點f1和(f1-5) MHz為例，在相同干擾頻率和信號強度條件下，上行數(shù)據(jù)鏈1頻道處于臨界失鎖狀態(tài)，更換頻道后AGC電壓如表2所示.

圖6 典型敏感頻點鄰近頻帶失鎖AGC電壓Fig.6 Lost-link AGC voltage of typical sensitive frequencies and adjacent frequency band

表2 不同頻道AGC電壓比較Tab.2 Comparison of AGC voltage for different channels

由表2可知，更換頻道后AGC電壓增大，因為逐次更換頻道后，工作信號頻率逐漸變大，頻點f1干擾信號偏離工作頻點也越遠，所以干擾效果變差. 上述典型敏感頻點處，無人機上行數(shù)據(jù)鏈失鎖時，AGC電壓較高，說明到達接收機的工作信號強度大，但試驗過程中工作信號卻始終保持恒定值，因此存在兩種可能性：① 干擾信號頻率嚴重偏離工作信號且功率過大引起阻塞干擾，導致接收機遷進入飽和狀態(tài)，但此時典型敏感頻點處均嚴重偏離工作信號，不應該僅在此類敏感頻點處出現(xiàn)一致性變化趨勢；② 接收機仍正常工作，接收到的工作信號強度一致，但在典型敏感頻點處接收到了額外的同頻帶信號. 為了驗證上述猜想，有必要分析接收機前端器件—雙工器的頻響特性.

接收機是雙向通信的“交換機”，包含天線公共端口、接收端口和發(fā)射端口，接收信號的前向傳輸特性如圖7所示.

由圖7可知，雙工器對接收信號起到濾波衰減作用，且在工作頻段內只有1.4 dB的衰減，頻偏越大，雙工器對信號的衰減能力越強. 受頻譜儀分辨率限制，最高可測得電平值為-80 dB，偏離工作信號140 MHz時，干擾信號衰減量約為80 dB. 由于工作信號頻率為吉赫茲以上，相對工作頻點頻偏500 MHz情況下，雙工器對干擾信號的衰減值將遠大于100 dB，因此上述典型敏感頻點f5、f4、f3、f2及其所在頻帶信號都會被濾除，否定了猜想一，那么干擾信號只能以諧波方式在雙工器的濾波頻帶內順利通過，諧波來源可能與器件的非線性有關，最終引起同頻干擾或者鄰近干擾，造成上行數(shù)據(jù)鏈中斷.

圖7 機載雙工器接收信號插入損耗Fig.7 Insertion loss of received signal for airborne duplexer

4.2 電磁干擾致誤碼規(guī)律分析

以誤碼率作為量化電磁干擾對無人機上行數(shù)據(jù)鏈影響程度的指標，根據(jù)上述誤碼測試原理開展試驗. 以典型敏感頻點f3為例，每次測試總碼數(shù)為106，誤碼數(shù)隨干擾信號強度的變化關系如表3所示.

表3 頻點f3處誤碼率隨信號強度變化關系Tab.3 Relationship between BER and signal intensity at f3

通過誤碼測試，得出的結論如下.

① 誤碼率一般在干擾信號接近失鎖閾值過程中才能測到，且誤碼率隨著信號強度的增加而變大，最大可測得誤碼率出現(xiàn)在典型敏感頻點上，約為10-3量級；

② 偏離典型敏感頻點越遠，最大可測得誤碼率越小，即只能在失鎖頻帶更小范圍內測得誤碼率，典型敏感頻點偏離工作信號頻率越遠，能測得誤碼率的頻帶越窄，頻點f1處帶寬約為6 MHz，頻點f2處約為3 MHz，而頻點f3則降至0.6 MHz；

③ 誤碼率變化幅度劇烈，與AGC電壓存在一定內在聯(lián)系，干擾信號電平以0.1 dB步進增大過程中，若AGC電壓無變化，測得的誤碼率量級大致相同，若AGC電壓增大1 V，此時誤碼率將發(fā)生大幅增加現(xiàn)象.

由于系統(tǒng)設定誤碼率不大于10-5為鏈路鎖定的標稱值，即當誤碼數(shù)大于10就會發(fā)生數(shù)據(jù)鏈失鎖現(xiàn)象. 實際測試過程中，典型敏感頻點處誤碼數(shù)遠大于10，而頻偏越大，最高可測得的誤碼數(shù)越小，(f3-0.3)處最大誤碼數(shù)為100，(f3-0.4)處檢測不到誤碼數(shù)變化過程，直接由鎖定變?yōu)槭фi狀態(tài). 上節(jié)驗證了敏感頻點對上行數(shù)據(jù)鏈的作用方式是同頻干擾或者鄰近干擾，說明實際設計時上行數(shù)據(jù)鏈對同頻干擾信號的誤碼容忍度遠大于頻偏干擾信號.

5 結束語

無人機電磁安全性成為制約其作戰(zhàn)效能發(fā)揮的關鍵因素，本文通過分析無人機電磁干擾耦合路徑，建立了信息鏈路理想電磁干擾模型，并開展了相關試驗研究，得到的結論如下.

① 數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)是影響無人機正常工作的關鍵部件和薄弱環(huán)節(jié)，在實驗室條件下以地面動態(tài)調節(jié)方式模擬無人機遠距離飛行狀態(tài)，設計并開展了上行數(shù)據(jù)鏈連續(xù)波電磁干擾注入效應試驗，提出最大參考壓制系數(shù)作為判別數(shù)據(jù)鏈異常的指標.

② 單頻點連續(xù)波容易對無人機上行數(shù)據(jù)鏈造成干擾，包括典型敏感頻點以及相應的鄰近頻帶，敏感頻點距離工作頻點越遠，其失鎖閾值越大，敏感頻帶內失鎖閾值形成以典型敏感頻點為谷值的“U”型分布，驗證了無人機飛行距離與上行數(shù)據(jù)鏈失鎖閾值之間的關系，便于計算最大參考壓制系數(shù).

③ 信道AGC電壓、誤碼率與數(shù)據(jù)鏈失鎖存在內在聯(lián)系，各典型敏感頻帶臨界失鎖AGC電壓規(guī)律大致相同，電壓峰值出現(xiàn)在典型敏感頻點處，頻偏越大，失鎖AGC電壓越小. 通過雙工器頻響特性測試驗證了同頻和鄰近干擾，得出數(shù)據(jù)鏈對同頻干擾誤碼率的容忍度大于鄰近干擾，最大可測得誤碼率出現(xiàn)在典型敏感頻點處，且一般出現(xiàn)在鏈路不穩(wěn)定狀態(tài)，臨近失鎖.

本文提出的信息鏈路傳導信號模擬方法和動態(tài)測試原理可以用于靶場無人機信息鏈路抗干擾測試，相關試驗結果和統(tǒng)計規(guī)律能夠為下一步開展無人機及信息鏈路電磁干擾預測提供經驗.