對(duì)武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈靈巧干擾技術(shù)*

邵 堃，雷迎科

(國(guó)防科技大學(xué)電子對(duì)抗學(xué)院， 合肥 230037)

0 引言

武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈屬于專用武器數(shù)據(jù)鏈，自從20世紀(jì)80年代開始，美軍就開始研制武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈并陸續(xù)裝備相應(yīng)的武器系統(tǒng)。目前在世界各國(guó)軍隊(duì)中，美軍陸?？詹筷?duì)[1-5]已大規(guī)模、成體系裝備武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈，如AN/AXQ-14、AN/AWW-7、AN/AWW-9、AN/AWW-12、AN/AWW-13等，但涉及到對(duì)武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈對(duì)抗技術(shù)的研究國(guó)外公開文獻(xiàn)鮮有報(bào)道。

國(guó)內(nèi)鮑虎[2]等人在分析武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈的特點(diǎn)后，提出干擾數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)和彈載GPS接收機(jī)系統(tǒng)，并以艦載電子戰(zhàn)直升機(jī)作為干擾平臺(tái)對(duì)抗反艦導(dǎo)彈為例，初步探索了對(duì)武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈的對(duì)抗方法。此后王小莉[3]、金飆[5]、姚玉山[6]、呂衛(wèi)華[7]、龔燕[8]等人分別對(duì)武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈干擾技術(shù)展開了研究，相繼提出了功率合成干擾、梳狀譜干擾和音頻干擾等武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈干擾技術(shù)，然而已有的研究集中于壓制式干擾技術(shù)，還未涉及到對(duì)武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈的靈巧式干擾，由于武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈的突發(fā)性、定向性和窄波束性使得傳統(tǒng)壓制式干擾往往難以取得理想的干擾效果，而靈巧式干擾則是在對(duì)偵察處理的基礎(chǔ)上，集中功率于通信鏈路的薄弱環(huán)節(jié)，給敵方致命一擊。因此，研究對(duì)武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈的靈巧干擾具有重要的意義。文中從武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈通信體制特點(diǎn)出發(fā)，提出了基于編碼的武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈脈沖干擾技術(shù)和協(xié)議關(guān)鍵字段靈巧干擾技術(shù)。

1 典型武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈的通信體制

1.1 武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)

搭載在空地武器上的武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)主要包括彈載數(shù)據(jù)鏈終端、控制飛機(jī)上外掛數(shù)據(jù)鏈吊艙和飛機(jī)數(shù)據(jù)鏈控制面板3部分。如圖1所示，利用機(jī)載數(shù)據(jù)鏈吊艙，系統(tǒng)控制人員可以建立與武器之間的雙向鏈路，采用“人在回路”的控制方式，在武器末制導(dǎo)階段由系統(tǒng)控制人員向武器傳送控制信息；同時(shí)，可以通過彈載數(shù)據(jù)鏈終端傳回其尋的器獲得的目標(biāo)圖像信息，并在座艙顯示器上顯示。

圖1 武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)組成

1.2 武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈通信過程

數(shù)據(jù)鏈終端均包括收/發(fā)天線、雙工器、分接/復(fù)接、加密/解密、CRC編碼/解碼、糾錯(cuò)編碼/解碼、調(diào)制/解調(diào)、數(shù)字上/下變頻、ADC、模擬上/下變頻功放、濾波等單元。

圖2 典型武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈波形處理流程

2 靈巧干擾技術(shù)

2.1 基于編碼的武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈靈巧干擾技術(shù)

2.1.1 武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈編碼和糾錯(cuò)能力分析

武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈的信道編碼[9]可以減少傳輸損耗，增強(qiáng)抗干擾能力，是武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，本節(jié)根據(jù)武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈的工作特點(diǎn)，對(duì)武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈編碼糾錯(cuò)能力進(jìn)行分析。

1)基于卷積碼的武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈編碼

武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)堑湫偷碾p向鏈路，前向鏈路的典型糾錯(cuò)碼為卷積碼，對(duì)數(shù)據(jù)鏈信號(hào)進(jìn)行卷積編碼是為了糾正傳輸過程中可能出現(xiàn)的誤碼，并使系統(tǒng)獲得編碼增益。卷積碼將k個(gè)信息比特編成n個(gè)比特，編碼后的n個(gè)碼元不僅與當(dāng)前k個(gè)信息有關(guān)，還與前(N-1)段信息有關(guān)。卷積碼的糾錯(cuò)性能取決于卷積碼的自由距離，設(shè)卷積碼的自由距離為dfree，其糾錯(cuò)能力為：

t=?(dfree-1)/2」

(1)

式中：?·」表示取整。

卷積碼譯碼的糾錯(cuò)能力還與所采用的譯碼方法有關(guān)。概率解碼又稱最大似然解碼，它基于信道的統(tǒng)計(jì)特性和卷積碼的特點(diǎn)計(jì)算。當(dāng)采用概率解碼時(shí)，卷積碼能在3～5個(gè)約束長(zhǎng)度內(nèi)糾正t個(gè)差錯(cuò)。

2)基于級(jí)聯(lián)碼的武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈編碼

武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈的反向鏈路主要以視頻圖像的形式回傳目標(biāo)信息，因此反向數(shù)據(jù)鏈要達(dá)到可以傳輸較大數(shù)據(jù)量的要求，其信道必須具有較強(qiáng)的糾錯(cuò)能力。在保證可實(shí)時(shí)譯碼的條件下，武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)糾錯(cuò)能力的方法之一是采用級(jí)聯(lián)碼。級(jí)聯(lián)碼系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 典型武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈級(jí)聯(lián)碼

RS碼作為外碼與卷積內(nèi)碼能很好的匹配，因?yàn)榫矸e譯碼器輸出的突發(fā)錯(cuò)誤長(zhǎng)度通常是幾比特到幾個(gè)卷積碼約束長(zhǎng)度，這在外碼中相應(yīng)于數(shù)量較少的符號(hào)錯(cuò)誤。

2.1.2 基于編碼的武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈脈沖干擾技術(shù)

脈沖干擾是由一連串周期重復(fù)的窄脈沖組成的干擾信號(hào)，因此，具有較低的占空比，占空比決定了平均功率和峰值功率之間的關(guān)系。而干擾效果取決于峰值功率以及該信號(hào)返回接收機(jī)的頻度，所以脈沖干擾的平均功率比其他干擾技術(shù)的平均功率低，但能夠達(dá)到同樣的效果。

1)基于卷積碼的武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈脈沖干擾

卷積碼具備很好的糾隨機(jī)錯(cuò)誤的性能，但卷積碼的糾錯(cuò)范圍有限，當(dāng)采用最大似然解碼時(shí)，卷積碼只能在3～5個(gè)約束長(zhǎng)度內(nèi)糾正t個(gè)差錯(cuò)，一旦超過卷積碼的糾錯(cuò)能力后，由于卷積碼的約束關(guān)系可能帶來新的錯(cuò)誤，所以在脈沖干擾的平均功率一定的情況下，將干擾脈沖寬度W適當(dāng)減小，使干擾周期內(nèi)的誤碼集中分布，可達(dá)到較好的干擾效果。

2)基于級(jí)聯(lián)碼的武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈脈沖干擾

對(duì)級(jí)聯(lián)碼的脈沖干擾時(shí)，解碼過程如圖4所示。

圖4 級(jí)聯(lián)碼解碼及干擾示意圖

圖5 對(duì)RS碼最佳干擾脈沖分布

交織器在作用時(shí)將一個(gè)碼字內(nèi)的錯(cuò)碼分散到多個(gè)碼字中，當(dāng)交織深度為p時(shí)，卷積交織和RS碼結(jié)合起來最多能糾正(p×t)Byte的錯(cuò)誤，即(p×t×q) bit，所以在L1處干擾脈沖要滿足：

(2)

式中:α和β是兩個(gè)與卷積碼有關(guān)的參數(shù)。

2.2 協(xié)議關(guān)鍵字段靈巧干擾技術(shù)

2.2.1 針對(duì)物理幀同步的靈巧干擾技術(shù)

武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐话l(fā)性和實(shí)時(shí)性特點(diǎn)給收發(fā)端的時(shí)鐘同步問題提出了很高的要求。武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈采用的典型幀同步技術(shù)為集中插入法幀同步[10]，即發(fā)送端在每個(gè)物理幀的開始插入一段特定的序列作為訓(xùn)練序列。武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈物理幀結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈物理幀結(jié)構(gòu)

接收端通過匹配濾波捕獲的方法實(shí)現(xiàn)幀同步，原理是利用訓(xùn)練序列的自相關(guān)性強(qiáng)而互相關(guān)性差的特點(diǎn)，通過相關(guān)匹配濾波，找到信息序列的精確起始位置。

根據(jù)武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議采用的典型幀同步方式，其物理幀封裝格式明確，提出兩種靈巧干擾方法。

1)同步序列精確干擾

在一定的時(shí)間段內(nèi)，武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈的物理幀同步序列是固定不變的。因此同步序列精確干擾波形的設(shè)計(jì)要基于以下基礎(chǔ)：

①對(duì)武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈物理幀同步的精確識(shí)別；

②對(duì)信道傳輸時(shí)延的精確計(jì)算。

在干擾引導(dǎo)[11-13]的基礎(chǔ)上可以選擇前置噪聲或同步翻轉(zhuǎn)序列對(duì)同步字段實(shí)施精確干擾，且可以對(duì)下一個(gè)時(shí)隙的同步字段實(shí)施精確預(yù)測(cè)干擾，如圖7所示。

圖7 同步序列精確干擾

效果：武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈物理幀同步字段被干擾后，接收端無法檢測(cè)出正確的幀頭，無法解析之后的數(shù)據(jù)部分。

2)同步欺騙式干擾

為進(jìn)一步降低對(duì)物理幀同步的靈巧干擾難度，克服干擾信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)之間的時(shí)延，提出同步欺騙式干擾。同步欺騙式干擾波形的設(shè)計(jì)要基于以下基礎(chǔ)：

①對(duì)武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈物理幀同步的精確識(shí)別；

②對(duì)接收端同步捕獲方式的情報(bào)支撐。

同步欺騙式干擾的干擾原理是針對(duì)同步序列構(gòu)造偽相關(guān)峰，以隱蔽的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)同步的干擾，同步欺騙干擾技術(shù)如圖8所示。

圖8 同步欺騙干擾

效果：對(duì)接收機(jī)注入以武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈幀同步序列為基礎(chǔ)構(gòu)造的偽同步序列可以擾亂敵方正確接收遙測(cè)及情報(bào)信號(hào)。

2.2.2 針對(duì)圖像處理層的靈巧干擾技術(shù)

針對(duì)武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈在“人在回路”精確制導(dǎo)中的應(yīng)用，開展針對(duì)圖像層的靈巧干擾技術(shù)研究。

武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈在武器末制導(dǎo)階段開啟，通過反向鏈路回傳目標(biāo)圖像信息。圖像信息包括同步字段、圖像幀頭、圖像數(shù)據(jù)及校驗(yàn)碼字等。只有數(shù)據(jù)完成同步，且能正確尋找到圖像幀頭時(shí)，才能完成圖像數(shù)據(jù)的解析，恢復(fù)導(dǎo)彈偵察圖像信息。圖像幀頭是經(jīng)過嚴(yán)格定義的特殊字段，在鏈路信息交互過程中，圖像幀頭長(zhǎng)度和內(nèi)容固定不變、重復(fù)出現(xiàn)，因此有利于分析出圖像幀頭的特征。

因?yàn)樾畔⒆侄谓?jīng)過了編碼和加擾等處理，所以對(duì)圖像處理層的靈巧干擾要在編碼識(shí)別和分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析圖像幀格式，識(shí)別圖像幀頭，實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像幀頭的精確干擾，如圖9所示。

效果：對(duì)圖像幀頭實(shí)施干擾可以使接收方無法正確解析圖像數(shù)據(jù)，進(jìn)而使座艙顯示器上無法顯示尋的器獲得的目標(biāo)圖像信息。

圖9 對(duì)圖像幀頭靈巧干擾

3 仿真分析

為了驗(yàn)證組合武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈靈巧干擾技術(shù)的可行性，下面進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)1：基于卷積碼的武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈脈沖干擾

實(shí)驗(yàn)參數(shù)：本方案的前向武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈采用(2,1,7)卷積編碼，碼率為1/2。碼生成多項(xiàng)式為(171,133)，即G1=1111001，G2=1011011，約束長(zhǎng)度為7，解碼方式為維特比譯碼，調(diào)制方式為DPSK調(diào)制。脈沖干擾周期為4 000 bit/速率，令干擾周期內(nèi)的脈沖干擾功率相等，能使解卷積碼前的序列產(chǎn)生80 bit的錯(cuò)誤。

(2,1,7)卷積碼能在21～35 bit范圍內(nèi)糾正4 bit的錯(cuò)誤，隨著脈沖干擾在干擾周期內(nèi)的分布越來越分散，誤比特位置在干擾周期內(nèi)的分散程度也隨之增大，如圖10所示，譯碼器輸出的誤比特率先增加后減小。

圖10 基于卷積碼的武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈脈沖干擾

實(shí)驗(yàn)2：基于級(jí)聯(lián)碼的武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈脈沖干擾

實(shí)驗(yàn)參數(shù)：本方案的反向武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈采用級(jí)聯(lián)碼，其外碼采用RS(255，223)編碼，生成多項(xiàng)式表示為F(x)=x8+x4+x3+x2+1，信息位m=8，監(jiān)督碼元2t=32。交織深度為4，內(nèi)碼采用(2,1,7)卷積編碼，碼率為1/2，約束長(zhǎng)度為7，調(diào)制方式為DPSK調(diào)制。

RS(255，223)能糾正16 Byte的錯(cuò)誤，交織深度為4，卷積編碼率為1/2，如圖11可以看出當(dāng)干擾脈沖覆蓋范圍約大于1 024 bit時(shí)，誤符號(hào)率開始急劇增加。

圖11 干擾脈沖覆蓋范圍與誤符號(hào)率關(guān)系

實(shí)驗(yàn)3：同步序列精確干擾

在對(duì)武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈物理幀同步識(shí)別的基礎(chǔ)上，開展同步序列的精確干擾。對(duì)同步序列精確干擾的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確選擇干擾脈沖的發(fā)射時(shí)機(jī)。由于干擾機(jī)與載機(jī)和導(dǎo)彈三者的實(shí)際位置關(guān)系導(dǎo)致干擾信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)存在相對(duì)時(shí)延，因此根據(jù)導(dǎo)彈與載機(jī)的典型運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)相對(duì)時(shí)延進(jìn)行仿真計(jì)算。

實(shí)驗(yàn)參數(shù)：設(shè)干擾機(jī)布置在目標(biāo)周圍，數(shù)據(jù)鏈開啟時(shí)，載機(jī)飛行高度為9 km，干擾機(jī)距離空地導(dǎo)彈18 km，干擾機(jī)距離載機(jī)60 km，導(dǎo)彈速度為Ma0.9。設(shè)導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)時(shí)導(dǎo)彈的天線始終對(duì)準(zhǔn)載機(jī)方向。載機(jī)在特定位置盤旋，干擾機(jī)位置固定，電波傳播速度為光速。

如圖12所示，若我方干擾機(jī)偵收到敵方干擾信號(hào)再發(fā)射干擾脈沖則必然會(huì)產(chǎn)生相對(duì)時(shí)延，使干擾信號(hào)不能與目標(biāo)信號(hào)同時(shí)到達(dá)接收機(jī)，因此在對(duì)武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行同步精確干擾時(shí)要在已解析的目標(biāo)幀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提前于目標(biāo)信號(hào)發(fā)射干擾信號(hào)。并且在構(gòu)造干擾波形時(shí)要在同步序列長(zhǎng)度的基礎(chǔ)上適當(dāng)增加干擾脈沖的寬度，目的是在存在信道估計(jì)誤差的情況下保證對(duì)武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈同步干擾效果。

圖12 干擾信號(hào)傳輸時(shí)延隨導(dǎo)彈距目標(biāo)距離變化

實(shí)驗(yàn)參數(shù)：調(diào)制方式為DPSK調(diào)制，物理幀長(zhǎng)1 328 bit，其中同步序列長(zhǎng)256 bit。

如圖13所示同步序列精確干擾信號(hào)旨在干擾幀內(nèi)關(guān)鍵位置，因此可以減小發(fā)射信號(hào)占空比，提高干信比，最終破壞武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈的幀同步。

圖13 同步序列精確干擾仿真分析

實(shí)驗(yàn)4：同步欺騙式干擾

同步欺騙的關(guān)鍵是基于武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈幀同步字段的強(qiáng)自相關(guān)性構(gòu)造偽相關(guān)峰，使武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈不能正確同步，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為模擬前向數(shù)據(jù)鏈信號(hào)。

如圖14和圖15所示，干擾生成模塊產(chǎn)生含有幀同步關(guān)鍵字段序列的干擾信號(hào)，并注入到武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈物理幀中的信息字段，使目標(biāo)信號(hào)經(jīng)過接收端同步匹配濾波器后輸出偽相關(guān)峰，從而擾亂武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈的幀同步。

圖14 接收端匹配濾波輸出相關(guān)值

圖15 同步欺騙干擾后匹配濾波輸出相關(guān)值

實(shí)驗(yàn)5：針對(duì)圖像處理層的靈巧干擾技術(shù)

對(duì)解擾后的反向武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析，如圖16所示。

圖16中，第145～160 bit處的相關(guān)值出現(xiàn)峰值，該處為圖像幀頭部分，此時(shí)干擾機(jī)選擇最佳干擾時(shí)機(jī)，對(duì)圖像幀頭部分進(jìn)行精確干擾。

圖16 解擾后數(shù)據(jù)的相關(guān)值

如圖17所示，被靈巧干擾后的武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈信號(hào)的圖像幀頭失去強(qiáng)相關(guān)性，使接收方無法正確解析之后的圖像數(shù)據(jù)，從而破壞武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈的圖像層甚至更高層的功能。

圖17 圖像幀頭干擾后的數(shù)據(jù)相關(guān)值

4 結(jié)論

文中從武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈特點(diǎn)出發(fā)，提出了基于編碼的武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈脈沖干擾技術(shù)和協(xié)議關(guān)鍵字段靈巧干擾技術(shù)。首先分析了前向鏈路的卷積碼和反向鏈路級(jí)的聯(lián)碼的糾錯(cuò)能力，在此基礎(chǔ)上有針對(duì)性的設(shè)計(jì)了脈沖干擾波形；然后針對(duì)武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈鏈路建立的特點(diǎn)，對(duì)武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈幀同步展開分析，提出同步序列精確干擾和同步欺騙干擾兩種干擾技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈幀同步的干擾；之后根據(jù)武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈反向鏈路圖像消息格式的特點(diǎn)，提出對(duì)圖像幀頭的靈巧干擾技術(shù)。最后通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了對(duì)武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈靈巧干擾技術(shù)的有效性。