“雙發(fā)射”模式下彈載通信干擾性能仿真研究

張 杰，陳 棟，田宗浩

(陸軍炮兵防空兵學院高過載彈藥制導控制與信息感知實驗室， 合肥 230031)

在戰(zhàn)爭中，及時阻止、破壞或削弱敵方的信息傳輸鏈路，使其通信中斷、指揮失靈，從而為己方實施突防和攻擊提供有利支持，是提高戰(zhàn)場制信息權(quán)、奪取戰(zhàn)場主動、贏得戰(zhàn)機的重要保障[1-3]。近年來，隨著軍事通信技術(shù)的迅速發(fā)展和軟殺傷武器概念的提出，通信干擾彈更是受到西方軍事強國的高度重視[4-6]。

俄羅斯研制并出售給國外的3HC30式152 mm高頻/甚高頻通信干擾彈，每個彈丸內(nèi)裝有1個無線電干擾機，每個干擾機分別工作在不同的頻段內(nèi)，總計覆蓋1.5～120 MHz的頻率范圍。保加利亞生產(chǎn)的BPC-542高頻/甚高頻無線電干擾彈內(nèi)裝1個干擾機，每個干擾機覆蓋一定的頻率范圍，總計頻率覆蓋范圍為1.5～120 MHz。

目前通信干擾彈均按照一發(fā)通信干擾彈對應一套干擾機，每副干擾機對應一個頻段，且含有一根天線。這種模式下，若要覆蓋全頻段，則需發(fā)射多發(fā)彈丸，拋射多套干擾機才能完成，容易貽誤戰(zhàn)機，實用性大打折扣，導致使用效率不高。

設想如果一個干擾機采用兩根天線的方式，實現(xiàn)一個干擾機對兩個不同頻段范圍的電臺進行干擾，那么就可以實現(xiàn)一發(fā)通信干擾彈干擾全頻段的可能。本文利用OPNET平臺對“雙發(fā)射”模式彈載通信干擾機的模型建立與性能仿真進行研究。

1 彈載通信干擾的相關(guān)理論基礎

根據(jù)通信干擾理論[7-8]，被干擾接收機接收到的信號功率為：

(1)

式(1)中：PTS表示發(fā)射機輸出功率；GTS表示發(fā)射天線在接收機方向的天線增益；GRS表示接收天線在發(fā)射機方向的天線增益；Ls表示通信發(fā)射機到接收機的路徑損耗。

不考慮濾波損耗以及極化損耗，則干擾功率表示為：

(2)

式(2)中：PTj表示干擾機輸出功率；GTj表示干擾天線在接收機方向的天線增益；GRj表示接收天線在干擾機方向的天線增益；Lj表示干擾機到接收機的路徑損耗。

因此信干比為：

(3)

自由空間傳播條件下，電波傳播的路徑損耗為：

32.45+20lgf(MHz)+20lgr(km)

(4)

式(4)中：λ表示波長；r表示通信距離；f表示頻率。

根據(jù)接收機具體的調(diào)制解調(diào)方式，將信干比代入誤碼率計算公式，可到某種干擾條件下的接收機誤碼率。

2 “雙發(fā)射”模式彈載通信干擾機的原理設計和功能組成

通信干擾彈主要以干擾敵跳頻電臺為主[9]。由于大多數(shù)軍用超短波戰(zhàn)術(shù)無線電臺都工作在30～88 MHz頻段[10-11]，并且外軍通信干擾彈的工作頻段基本上在1.5～120 MHz之間[4-5]，因此本文討論的“雙發(fā)射”模式彈載通信干擾機的工作頻段為1.5～120 MHz，即被干擾的敵跳頻電臺的工作頻段在1.5～120 MHz之間，電臺采用全向鞭狀天線[12]，傳播方式均以地波傳播中的直射波傳播方式為主[11-14]。根據(jù)上述條件，圖1為基于“雙發(fā)射”模式的彈載通信干擾機的設計框圖。

圖1 “雙發(fā)射”模式彈載通信干擾機組成框圖

如圖1所示，彈載通信干擾機采用掃頻鋸齒波干擾樣式，干擾機主要由鋸齒波產(chǎn)生器、鋸齒波調(diào)制器、帶通濾波器、寬帶放大器、末級功放和天線匹配器等組成。

基本工作原理：鋸齒波產(chǎn)生器輸出一個掃描電壓(電壓平均值決定壓控振蕩器的輸出攔阻中心頻率；改變鋸齒波電壓的振幅，可以控制攔阻干擾的頻帶寬度；鋸齒波電壓的掃描速度決定了輸出頻譜的譜線間隔)加到鋸齒波調(diào)制器上，產(chǎn)生射頻信號使輸出頻率在設定的攔阻帶寬內(nèi)掃描，形成一個較為均勻的帶寬干擾信號。經(jīng)帶通濾波器濾波后，通過功率放大，由兩副天線輻射出去，對敵方通信實施有效的干擾。其中一副天線發(fā)射1.5～30 MHz波段的短波跳頻電臺干擾信號，另一副天線發(fā)射30～120 MHz的超短波跳頻電臺干擾信號。

3 彈載通信干擾機設計與仿真

3.1 OPNET仿真平臺簡介

OPNET[15-16]是目前應用最廣泛的網(wǎng)絡仿真開發(fā)和應用平臺，它提供了一個比較完整的基本模型庫和三層建模機制，和實際的網(wǎng)絡、設備、協(xié)議層次完全對應，全面反映了通信網(wǎng)絡的相關(guān)特性，同時具有豐富的統(tǒng)計量收集和分析功能。因此本文選擇OPNET仿真軟件進行彈載通信干擾機的干擾性能研究。

3.2 彈載通信干擾系統(tǒng)的模型構(gòu)建

如圖2所示，在OPNET環(huán)境下搭建了“雙發(fā)射”模式彈載通信干擾系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含一部“雙發(fā)射”模式彈載通信干擾機和兩組收發(fā)電臺，即1.5～30 MHz短波跳頻電臺和30～120 MHz超短波跳頻電臺。

圖2 “雙發(fā)射”模式彈載通信干擾系統(tǒng)網(wǎng)絡模型示意圖

3.2.1干擾機節(jié)點模型

干擾機節(jié)點模型由干擾源模塊source、短波無線發(fā)射機模塊tx_1、短波天線模塊antenna_1、超短波無線發(fā)射機模塊tx_2和超短波天線模塊antenna_2構(gòu)成，如圖3所示。

圖3 “雙發(fā)射”模式彈載通信干擾機節(jié)點模型示意圖

其中，干擾源模塊source用于產(chǎn)生掃頻式干擾信號，并按一定規(guī)律同時在短波和超短波頻段內(nèi)進行發(fā)送；短波無線發(fā)射機模塊tx_1用于在短波電臺的工作頻段發(fā)射干擾信號；短波天線模塊antenna_1用于對短波干擾信號添加天線增益；超短波無線發(fā)射機模塊tx_2用于在超短波電臺的工作頻段發(fā)射干擾信號；超短波天線模塊antenna_2用于對超短波干擾信號添加天線增益。

3.2.2干擾源進程模型

干擾源進程模型的有限狀態(tài)機包括init狀態(tài)、idle狀態(tài)、sweep_tx_on狀態(tài)、sweep_tx_off狀態(tài)，如圖4所示。其中，init狀態(tài)負責讀取配置的干擾機模型屬性參數(shù)，對相關(guān)變量進行初始化。idle狀態(tài)為該進程的空閑等待狀態(tài)，在不同的事件觸發(fā)下跳轉(zhuǎn)至相應的狀態(tài)執(zhí)行對應的操作。sweep_tx_on狀態(tài)為干擾機在掃頻干擾模式下的工作狀態(tài)，生成干擾信號后同時在短波和超短波的頻段范圍內(nèi)按鋸齒波的方式發(fā)送干擾信號。sweep_tx_off狀態(tài)為干擾機在掃頻干擾模式下的停止工作狀態(tài)。

圖4 干擾源進程模型multi_mode_jam_new示意圖

3.2.3數(shù)據(jù)業(yè)務報文

數(shù)據(jù)業(yè)務報文格式如圖5所示，source存儲源節(jié)點的地址信息，destination存儲目的節(jié)點的地址信息，time_stamp存儲節(jié)點發(fā)包時的時間戳信息，load字段存儲節(jié)點要發(fā)送的數(shù)據(jù)業(yè)務負載。

圖5 數(shù)據(jù)業(yè)務報文格式

3.2.4節(jié)點參數(shù)配置

1) 干擾機參數(shù)配置

本文討論的干擾機為懸浮式彈載通信干擾機，其參數(shù)設置主要涉及到以下內(nèi)容：

① ascent rate：節(jié)點的升降速度；

② Altitude：節(jié)點的初始離地高度；

③ Batter Capacity：節(jié)點的電池容量；

④ Cycle Time：掃頻周期長度；

⑤ SW Bandwidth：針對短波電臺進行干擾的頻帶寬度；

⑥ SW Base Frequency：針對短波電臺進行干擾的基頻，即起始頻率；

⑦ SW Power：針對短波電臺進行干擾的干擾信號發(fā)射功率；

⑧ Sweep Interval：干擾機的掃頻間隔，即將干擾頻帶劃分為多少份；

⑨ USW Bandwidth：針對超短波電臺進行干擾的頻帶寬度；

⑩ USW Base Frequency：針對超短波電臺進行干擾的基頻，即起始頻率；

2) 短波、超短波電臺參數(shù)配置短波、超短波電臺參數(shù)配置如下：

① 節(jié)點的應用業(yè)務屬性配置，包括：a.Destination Node：業(yè)務報文的目的節(jié)點名稱；b.Packet Format：業(yè)務報文的包格式；c.Packet Interarrival Time：業(yè)務報文間隔發(fā)送時間，可選擇服從不同的分布函數(shù)；d.Packet Size：業(yè)務報文的大小，可選擇服從不同的分布函數(shù)。

② 發(fā)射機Transmitter屬性配置，包括：a.Tx Bandwidth：發(fā)射機工作頻帶寬度；b.Tx Data Rate：發(fā)射機數(shù)據(jù)發(fā)送速率；c.Tx Min Frequency：發(fā)射機的基頻，即起始頻率；d.Tx Modulation：發(fā)射機的調(diào)制方式；e.Tx Power：發(fā)射機的發(fā)送功率。

③ 接收機Receiver屬性配置，包括：a.Rx Bandwidth：接收機工作頻帶寬度；b.Rx Data Rate：接收機數(shù)據(jù)發(fā)送速率；c.Rx Min Frequency：接收機起始頻率；d.Rx Modulation：接收機的調(diào)制方式；e.SNR Threshold：接收機接收靈敏度。

④ 節(jié)點的MAC層屬性配置，包括：a.Frequency Set Choice：節(jié)點所選的頻率集編號，共3個頻率集[17][18]；b.Frequency-Hopping Interval Number：跳頻間隔，即將工作頻帶劃分多少個頻點；c.Frequency-Hopping Rate：跳頻速率；d.Frequency-Hopping Set：跳頻頻率集，該屬性為復合屬性，可分別指定三個頻率集的頻點數(shù)Frequency Number和對應的密鑰Key Word。同一頻段內(nèi)的電臺在開啟跳頻功能后，只有所選的頻率集一致，且該頻率集內(nèi)的頻點數(shù)和密鑰均一致時才能通信。

具體的節(jié)點參數(shù)設置如表1所示。

表1 節(jié)點參數(shù)配置

續(xù)表(表1)

3.3 仿真場景設計及結(jié)果分析

3.3.1syn_hop_low_ant場景及統(tǒng)計結(jié)果

該場景包括一個從離地3 km高處以6 m/s勻速下降的“雙發(fā)射”模式干擾機、一對相距5 km的短波通信電臺和一對相距3 km的超短波通信電臺，干擾機與短波電臺組和超短波電臺組均保持相同的距離，兩組采用天線低架的方式。干擾機針對這兩組通信電臺同時實施掃頻干擾。

syn_hop_low_ant場景下，全網(wǎng)業(yè)務收發(fā)吞吐量如圖6所示，電臺模型的信干比如圖7所示，電臺模型的誤比特率如圖8所示，電臺模型的丟包率如圖9所示。

圖6 syn_hop_low_ant場景下全網(wǎng)業(yè)務收發(fā)吞吐量

圖7 syn_hop_low_ant場景下電臺模型的信干比

圖8 syn_hop_low_ant場景下電臺模型的誤比特率

圖9 syn_hop_low_ant場景下電臺模型的丟包率

由上述各項統(tǒng)計結(jié)果可見，由于短波和超短波電臺采用天線低架的方式，信號衰減較大，超短波電臺模型的SNR為-140 dB(約-170 dBm)，短波電臺的SNR最高達到接近-90 dB(約-120 dBm)，均低于信號接收靈敏度的門限值，所有電臺的丟包率為100%，導致電臺間的廣播報文無法正確接收，節(jié)點間無法完成同步，上層業(yè)務數(shù)據(jù)無法傳輸。

3.3.2syn_hop_high_ant場景及統(tǒng)計結(jié)果

該場景包括一個從離地3 km高處以6 m/s勻速下降的“雙發(fā)射”干擾機、一對相距5 km的短波通信電臺和一對相距3 km的超短波通信電臺，干擾機與短波電臺組和超短波電臺組均保持相同的距離，兩組通信電臺采用天線高架的方式。干擾機針對這兩組通信電臺同時實施掃頻干擾。

syn_hop_high_ant場景下，全網(wǎng)業(yè)務收發(fā)吞吐量如圖10所示。電臺模型的信干比如圖11所示。電臺模型的誤比特率如圖12所示。電臺模型的丟包率如圖13所示。

圖10 syn_hop_high_ant場景下全網(wǎng)業(yè)務收發(fā)吞吐量

圖11 syn_hop_high_ant場景下電臺模型的信干比

圖12 syn_hop_high_ant場景下電臺模型的誤比特率

圖13 syn_hop_high_ant場景下電臺模型的丟包率

由上述結(jié)果可見，短波電臺和超短波電臺改為采用天線高架的方式后，信號衰減程度降低，滿足接收靈敏度的條件。由于開啟了跳頻機制，部分電臺的跳頻圖案與干擾機周期性掃頻的重合次數(shù)相對較高，使得信干比偏低，誤碼率和丟包率較高(如超短波電臺0和短波電臺2)，而部分電臺的跳頻圖案與干擾機周期性掃頻的重合次數(shù)相對較低，使得信干比較高，誤碼率和丟包率較低(如超短波電臺1和短波電臺3)。由于電臺模型均存在同步頭和數(shù)據(jù)包均被干擾的情況，導致一部分業(yè)務數(shù)據(jù)因未能同步無法傳輸，一部分業(yè)務數(shù)據(jù)被干擾機干擾而丟棄，使得全網(wǎng)的業(yè)務的接收吞吐量明顯低于發(fā)送吞吐量。

4 結(jié)論

為了提高彈載干擾機的作戰(zhàn)效能，本文提出了一種基于“雙發(fā)射”模式的彈載通信干擾機設計方案，通過理論分析與仿真驗證，證明該設計方案是可行的，在干擾彈設計中重點需要厘清彈載通信干擾樣式即干擾信號參數(shù)與干擾效果之間的關(guān)系，同時兼顧被干擾電臺的應用場景，比如電臺天線的高架和低架之分。

將彈載通信干擾機與發(fā)射平臺無縫銜接，保證干擾機能順利、安全到達受擾方附近區(qū)域，需要從彈藥結(jié)構(gòu)設計、彈體工作姿態(tài)控制、彈載干擾機抗高過載設計、彈載干擾機供電電源設計等各個方面深入細致研究，將理論變成現(xiàn)實。