復雜電磁環(huán)境下無人機通信干擾問題的探索

摘 ?要：運用文獻資料法與邏輯分析相結(jié)合的方法，對復雜電磁環(huán)境與無人機通信干擾的問題進行剖析，以期為無人機抗干擾性能的提高提出一系列的借鑒與參考。研究發(fā)現(xiàn)，復雜電磁環(huán)境對無人機的影響與通信手段、電磁通路以及無人機導航均有著直接的關(guān)系?；诖?，研究進一步提出擴頻抗干擾的技術(shù)、自適應干擾技術(shù)以及信息源編碼技術(shù)等三個方面的應用。

關(guān)鍵詞：復雜;電磁環(huán)境;無人機;通信;干擾問題

中圖分類號：V279 ? ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）25-0075-02

Abstract： Using the method of literature and logical analysis， this paper analyzes the problem of complex electromagnetic environment and communication interference of UAV， in order to provide a series of reference for the improvement of anti-jamming performance of UAV. It is found that the influence of complex electromagnetic environment on UAV is directly related to the means of communication， electromagnetic path and UAV navigation. Based on this， this paper further puts forward the application of spread spectrum anti-jamming technology， adaptive jamming technology and information source coding technology.

Keywords： complexity; electromagnetic environment; UAV; communication; interference problem

無人機以其體積小、起降便捷、機動性能高、隱蔽性較優(yōu)，可多次重復使用，而為現(xiàn)代人所喜愛，尤其是對于在超人體生理極限的工作環(huán)境中，無人機以獨特的性能優(yōu)勢為各個領(lǐng)域所青睞，被廣泛應用于通信中繼、環(huán)境評估、情報收集等多種場合。近年來，隨著國際時局的不穩(wěn)定因素增多，無人機也被運用于武裝攻擊、戰(zhàn)場干擾等一系列場合。然而，這一切都離不開一個關(guān)鍵性的因素，即電磁環(huán)境。從技術(shù)的角度來看，無人機是離不開電磁環(huán)境而存在的。當然，也正是由于無人機對電磁環(huán)境的高度依賴，而導致了無人機有了這個致命的弱點。在現(xiàn)代信息化的場域下，面對日趨復雜的電磁環(huán)境，如何來降低各種對電磁干擾對無人機造成的影響，已成為當下無人機研究的一個重要課題?；诖耍疚囊庠趶碾姶怒h(huán)境對無人機的影響因素入手，對降低電磁環(huán)境對無人機的干擾進行一系列的探討，以期為工業(yè)生產(chǎn)、軍事準備提供一定借鑒與參考。

1 復雜電磁環(huán)境對無人機的影響

現(xiàn)代信息化的環(huán)境，造成電磁環(huán)境異常的因素較多，其中有人為的因素，也有諸多不可控的自然因素。人為的因素包括有軍用的因素，也有人為的因素。人為的因素則分為敵我雙方的電子對抗，也有敵方的故意干擾?？傮w上來講，復雜的電磁環(huán)境對無人機的影響體現(xiàn)在以下幾個方面。

1.1 通信手段因電磁環(huán)境受干擾而失效

通常情況下，無人機是受到定向的電磁信號而支控的。而若在其他信號背景的噪聲提高時，無人機本身的定位信號受到嚴重的干擾，尤其是無人機本身的定向信號相對較弱時，傳輸信道數(shù)據(jù)失誤碼頻率會增高。在這種情況下，輕的話會影響的測控的距離，從而影響了無人機可支持與操控的半徑，嚴重的信號干擾，還會使得無人機與控制站失聯(lián)，控制站對無人機失去控制，無人機變成了斷線的風箏，不受控制站的操作而墜落。

1.2 無人機因電磁鏈路受損而出現(xiàn)情報失真

復雜的電磁環(huán)境下，背景噪聲嚴重或有特異性干擾信號的話，支配與管控無人機的通信鏈路的建構(gòu)會出現(xiàn)斷開的現(xiàn)象，這樣一來，會造成無人機檢測不到相應的指令而不做動作，或者接受到不對稱的錯誤代碼而執(zhí)行錯誤的動作。也可能會出現(xiàn)動作間斷，行進方向或?qū)δ繕说逆i定出現(xiàn)嚴重的失誤，進而會導致無人機收集到的信息失真，甚至收集到的數(shù)據(jù)也無法傳回控制站，最終導致無法完成提前給無人機設(shè)定的任務，無人機也便成了無的之矢。

1.3 導航失誤致使無人機參照坐標失準

眾所周知，對于無人機來說，導航是無人機操作的命門。無論是起降、航行還是翻轉(zhuǎn)，無人機的任何動作都需要導航為其提供精準的坐標，才能達到既定的效果。復雜的電磁環(huán)境下，尤其是戰(zhàn)時，空中的信號中繼站可能無法依賴，由于衛(wèi)星、陸基導航等系統(tǒng)均可能會受到干擾，依賴陀螺儀的慣性自主導航方式，無法提供精準的定位，則將會致使無人機在放出后，無法精準地定位自身的目標，從而無法修正其行進路線，無人機便成了“無頭蒼蠅”。

2 電磁對無人機干擾的剖析

根據(jù)電磁波產(chǎn)生的機理，可以將電磁干擾因素分為兩大類，一類是自然電磁環(huán)境，另一類是人工電磁環(huán)境。自然電磁環(huán)境則涉及到自然輻射與雷電干擾。而人工電磁干擾則如輻射干擾與傳導干擾。具體剖析如下：

2.1 自然電磁干擾

在自然電磁干擾環(huán)境中，靜電、自然輻射與雷電等3種因素是對無人機影響最主要的影響因素。其中，雷電和自然輻射對無人機的影響更多。雷電是云層攜帶靜電而產(chǎn)生的放電現(xiàn)象，呈現(xiàn)為直擊雷或感應雷兩種形式。直擊雷是帶電云層與大地上某一點發(fā)生的放電的現(xiàn)象，而感應雷則是直擊雷發(fā)生后產(chǎn)生的，地面產(chǎn)生較大的局部電壓，或者出現(xiàn)強電電流脈沖現(xiàn)象，產(chǎn)生高壓電流。無人機機體本身是由大量的微電子元件所構(gòu)成的，這類微電子材料的絕緣性是相對較低的。在一定程度上，過電承受能力差，尤其是其天線系統(tǒng)更為脆弱，遇到雷電擊打便非常容易擊中，雷電的電流從天線上傳到其機身內(nèi)部，超過微電子負荷能力時，電子元件則會出現(xiàn)破壞。

除了雷電的影響外，自然輻射包括電子噪音、空間輻射、大氣電流場等因素，都會對無人機系統(tǒng)造成影響。其中，電子噪音主要是源自機體內(nèi)部，取決于機體本身對噪音的處理能力。無人機有大量的電子元件，有電源線、殼體、信號線與控制線等元件，這些設(shè)備之間形成了一個復雜的電磁系統(tǒng)。在某種程度上來講，無人機本身的電磁場的有序工作能力也是影響其免除干擾的一個重要方面。

2.2 人工電磁干擾

在無人機干擾上，人工電磁干擾則主要有干擾源與傳導干擾源兩個方面受影響。其中，具體表現(xiàn)為核爆脈沖干擾、電磁脈沖彈干擾、高功率微波干擾。核爆脈沖主是由內(nèi)核爆炸的R射線而形成的，形成的電離場。電磁脈沖彈干擾是以炸彈為載體，在既定干擾區(qū)進行的散射強的電磁脈沖。與雷電干擾相比，電磁脈沖彈的作用范圍更為廣泛、頻率相對較寬、作用時間較短等特點。電磁彈所產(chǎn)生的脈沖能夠通過設(shè)備天線與接觸點進入電子設(shè)備，使得電子設(shè)備適時間內(nèi)失效或者完全被破壞。對于無人機而言，電磁彈可以使其存儲電子元件失去記憶，導致無人機處于失靈狀態(tài)。

高功率微波的干擾是人為干擾最為強力的干擾手段。從微波的破壞效應來看，高功率微波的破壞效應要比其他方式的更為嚴重。從機理上來看，高功率微波是將高能源產(chǎn)生的微波經(jīng)過一個高增益的天線定向輻射，而后再通過將微波能量匯集在窄化的波束內(nèi)，使其以極高地強度照射目標，而實現(xiàn)其干擾。通常由主功率源、射頻產(chǎn)生器、天線波束定向器來組成。而其強大的脈沖功率，則對無人機的電子元件系統(tǒng)以及操作人員的目標定位都可能會造成較大的損傷，其機理則是使無人機或操作系統(tǒng)電路呈現(xiàn)出功能混亂、記憶信息斷裂、電子元件損傷等等問題，甚至會出現(xiàn)在短時間內(nèi)有一系列元件內(nèi)聚燒壞的現(xiàn)象產(chǎn)生。

3 復雜電磁環(huán)境下無人機抗干擾措施

面對復雜的電磁環(huán)境，無人機可以采用諸多強化性措施，來有效降低或防止電磁環(huán)境對無人機的干擾。主要包括擴頻抗干擾的技術(shù)、自適應干擾技術(shù)以及信息源編碼技術(shù)等三個方面。

3.1 采用混和方式，強化擴頻抗干擾技術(shù)

當下，擴頻抗干擾已在各類電磁環(huán)境中廣泛應用，尤其是在軍事通信中運用的更加廣泛。無人機系統(tǒng)中多采用直接序列的擴頻（DS-SS）技術(shù)。從技術(shù)層面上來說，直接序列擴頻的主要機理是將傳輸信息的頻譜用偽隨機二進制擴頻碼擴展后成為寬帶信號再進行傳輸，通過相應的設(shè)置，在接收器對擴頻信號進行還原出信息碼，增強其抗干擾的能力，使得大部分的干擾能量得到抑制。在擴頻方式上也可以有一系列的調(diào)整，可以采用直擴信號，也可以采用跳頻技術(shù)。從技術(shù)對比上來看，直擴信號則由于其功率譜度低，這種方式抗偵察效果比較好。但其缺點在于這種技術(shù)受限于遠近效應。跳頻技術(shù)則具有保密性強的優(yōu)勢，但其缺點是信號隱蔽性相對較差。因此，顯然二者均有優(yōu)勢，也有缺點。因此，在無人機通信鏈路中，通常為了發(fā)揮其抗干擾的優(yōu)勢，采用直擴與跳頻相融合的方式是極為妥當?shù)?，在一定時空范圍內(nèi)，可以有效地提高無人機的總體抗干擾的能力。

3.2 綜合多種導航方式，增強精確導航能力

只有保證無人機導航系統(tǒng)的實時定位精度，才能保證全系統(tǒng)的探測精度。單獨使用任何一種導航系統(tǒng)，都不能確保萬無一失。從技術(shù)防御準備角度，應綜合考慮多種導航技術(shù)結(jié)合，增強精確導航能力。導航系統(tǒng)可采取的抗干擾技術(shù)有：無源定位技術(shù)、無線頻率干擾（RFL）源控制技術(shù)、導航衛(wèi)星信息冗余技術(shù)、GPS/慣導綜合導航系統(tǒng)、慣性/天文/GPS綜合導航、慣導/GNSS/羅蘭-C/航姿系統(tǒng)組合導航等，無人機的導航系統(tǒng)抗干擾體制，應綜合考慮作戰(zhàn)需求、自身體積以及經(jīng)濟成本等因素，可以采取自主導航方式和被動導航方式結(jié)合，以某一種衛(wèi)星或無線導航為主導，以聯(lián)合慣導技術(shù)、地理信息自主導航技術(shù)等自主導航方式為輔。尤其值得關(guān)注的是，為克服GPS等國外定位技術(shù)存在的受制于人、易受干擾等問題，特別要積極開發(fā)利用中國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)。二代北斗衛(wèi)星的性能接近GPS，一旦部署完成，將大幅提高精準打擊能力，這樣戰(zhàn)時無人機導航系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全才能有所保障。國外成熟的無人機都采用多種導航技術(shù)，美“全球鷹”無人機飛行控制系統(tǒng)采用GPS全球定位系統(tǒng)和慣性導航系統(tǒng)，可自動完成從起飛到著陸的整個飛行過程。

參考文獻：

[1]楊建永，邸成良，龐驥庭.無人機電磁域安全策略研究[J].無線電工程，2020，50（05）：390-394.

[2]李海，謝文強，周林.無人機技術(shù)在通航事故應急救援中的應用研究[J].輕工科技，2019，35（12）：68-69+84.

[3]李艷.無人機探測技術(shù)研究[J].電子世界，2019（21）：10-12+18.

[4]張冬曉，陳亞洲，程二威，等.無人機信息鏈路電磁干擾效應規(guī)律研究[J].北京理工大學學報，2019，39（07）：756-762.

[5]張海燕，唐學明.電磁環(huán)境下無人機干擾雷達通信效用實驗研究[J].科學技術(shù)與工程，2019，19（19）：164-168.

[6]朱煜良，趙智全，姚長虹，等.無人機通信干擾電磁環(huán)境半實物仿真系統(tǒng)[J].電訊技術(shù)，2019，59（04）：476-481.