基于自適應(yīng)跳頻的無人機抗干擾技術(shù)研究

黨 方，牛曉雷，劉江庭

(中國電子科技集團公司第二十研究所，陜西 西安 710068)

0 引 言

以科索沃戰(zhàn)爭為標志，戰(zhàn)爭方式已經(jīng)徹底轉(zhuǎn)變?yōu)榫邆渚珳驶⑿畔⒒蜔o人化等特點的現(xiàn)代戰(zhàn)爭，通過海陸空聯(lián)合精確打擊的方式實現(xiàn)零傷亡、低成本和高回報的戰(zhàn)略目的。近年來，無人機以其造價成本低廉、用途廣泛等特點，已成為典型的無人作戰(zhàn)設(shè)備，廣泛使用在反坦克、遠距離偵察、定點清除等作戰(zhàn)場景中。2020年9月，阿塞拜疆改變無人機原有的輔助和偵察定位，在納卡沖突中使用了大量無人機作為主戰(zhàn)飛機，不到一個月就摧毀了130多輛坦克、25個防空陣地和200多門火炮，使亞美尼亞成為世界上第一個被無人機打敗的國家。

1 無人機數(shù)據(jù)鏈

數(shù)據(jù)鏈通信是按照固定的數(shù)據(jù)格式和通信協(xié)議，具備保密、準確等特點，廣泛使用在軍事無線通信領(lǐng)域。隨著無人機在軍事領(lǐng)域中的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)鏈也擔(dān)負著無人機平臺之間、無人機與指揮所之間的態(tài)勢共享、指揮命令等信息傳遞。在無人機數(shù)據(jù)鏈的功能性能更先進的同時，面臨的電磁環(huán)境也更加復(fù)雜，由于無人機所有的控制和攻擊都是通過數(shù)據(jù)鏈由指揮所的人員操控，一旦受到干擾會導(dǎo)致其不受控，極易被擊落甚至被敵方俘獲?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭對無人機數(shù)據(jù)鏈在可靠性、安全性和隱蔽性等方面提出了更高的要求[1]。

2 干擾源與對策分析

2.1 干擾源分析

戰(zhàn)場中存在多種干擾源，可分為自然干擾源和人為干擾源，戰(zhàn)場中自然干擾源對通信鏈路的影響遠不如人為干擾源，本文主要針對人為干擾源進行抗干擾研究。無人機在戰(zhàn)場上受到的主要人為干擾如圖1所示。

圖1 戰(zhàn)場干擾源分析

地面固定干擾源不可移動，但發(fā)射功率大，范圍廣，能夠起到很強的干擾作用。機載干擾源發(fā)射功率小，范圍窄，其優(yōu)點是可以通過移動對特定的干擾目標進行持續(xù)干擾[2]。地面機動干擾源綜合固定干擾源和機載干擾源的優(yōu)點，發(fā)射功率較大，范圍較廣，可以在地面移動；缺點是在地形復(fù)雜的環(huán)境下容易受限，且無法對高空目標進行干擾。

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，雖然干擾信號源不同，但干擾形式并不多，不同形式的干擾信號對應(yīng)的干擾效果如表1所示。

表1 戰(zhàn)場無人機受到的主要干擾形式和干擾效果

2.2 對策分析

現(xiàn)有的抗干擾手段可分為兩大類——擴頻抗干擾技術(shù)和非擴頻抗干擾技術(shù)。擴頻抗干擾技術(shù)包括跳頻、擴頻、跳時、調(diào)頻以及組合形式的跳擴頻等混合技術(shù)[3]。非擴頻抗干擾技術(shù)包括糾錯編碼、功率控制技術(shù)等。

無人機在戰(zhàn)場中多以集群的形式出現(xiàn)，通信的同步時間尤為重要，跳頻技術(shù)相較于直擴技術(shù)同步時間短，同時抗干擾性能較強，更適合無人機使用。然而無人機由于體積限制，通信設(shè)備功率有限制，因此本文提出一種配合非擴頻抗干擾技術(shù)的自適應(yīng)跳頻抗干擾方法，能夠根據(jù)環(huán)境對跳頻頻點、功率等進行自適應(yīng)調(diào)整，滿足抗干擾需求的同時，減小功耗，提高無人機的續(xù)航時間[4]。

3 自適應(yīng)跳頻技術(shù)

3.1 自適應(yīng)跳頻技術(shù)原理

跳頻通信技術(shù)能夠依據(jù)事先約定的規(guī)則，在不同的通信頻點上變化，理論上跳頻速度越快，頻點選擇算法越復(fù)雜，通信鏈路的抗干擾能力越強。然而，在一定的時間內(nèi)，可能由于干擾導(dǎo)致部分頻段不可選，此時該頻段部分調(diào)頻點為無意義頻點。若仍然采用此頻點通信，則會浪費時間資源和功耗。因此，需要通過某種規(guī)則讓通信鏈路以合適的頻點、功率和跳頻速率運行，使無人機能夠在每個時間點都以最佳的狀態(tài)進行通信，這就是自適應(yīng)跳頻技術(shù)。

在原有的跳頻鏈路上增加頻譜分析功能，分析通信鏈路質(zhì)量，能夠根據(jù)消息類型、信道質(zhì)量、頻點受干擾情況等自適應(yīng)選擇消息格式、頻點、跳速和發(fā)射功率，提高抗干擾性和隱蔽性[5]。原理如圖2所示。

圖2 無人機自適應(yīng)跳頻技術(shù)原理框圖

3.2 自適應(yīng)跳頻優(yōu)化效果分析

通信誤碼率是衡量通信技術(shù)的重要指標，分析自適應(yīng)技術(shù)在跳頻通信方式應(yīng)用前后誤碼率，可以判斷其對跳頻抗干擾能力的優(yōu)化程度。跳頻設(shè)置總頻點數(shù)為M個，因干擾等原因?qū)е翸o個頻點不可用，則可用頻點的誤碼率為：

(1)

式中：Eb為頻點發(fā)射時的平均功率;No為高斯信道噪聲的功率，單位dB。

受干擾頻點的誤碼率為：

(2)

式中：Jo為跳頻信號的抗干擾能力，單位dB。

則僅使用跳頻方式的抗干擾技術(shù)誤碼率均數(shù)為：

(3)

采用自適應(yīng)優(yōu)化后跳頻抗干擾技術(shù),理論誤碼率均數(shù)等于信道誤碼率，實際使用中誤碼率會有偏高。由于自適應(yīng)技術(shù)并不能針對所有的干擾環(huán)境都起到非常好的優(yōu)化效果，因此可以引入一個自適應(yīng)因子β來表示自適應(yīng)的優(yōu)化能力[6]。自適應(yīng)因子β的取值范圍0<β<1，則在受干擾頻點上誤碼率為：

(4)

3.3 應(yīng)對寬帶阻塞式干擾仿真分析

對于跳頻通信來說，寬帶阻塞式干擾是一種廣泛存在且危害比較大的干擾形式，分析自適應(yīng)跳頻通信在寬帶阻塞式干擾下的誤碼率，能夠判斷該抗干擾技術(shù)是否滿足戰(zhàn)場的復(fù)雜電磁環(huán)境。

寬帶阻塞式干擾和白噪聲比較相似，可將白噪聲作為干擾模型，模擬無人機所在的干擾電磁環(huán)境，在典型跳頻通信系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上進行簡化，保留對體制仿真有重要影響的部分，建立基于基帶仿真的物理模型，如圖3所示。

圖3 仿真物理模型

設(shè)置該模型中的參數(shù)，跳頻速度為1 000跳/s，帶寬1.5 MHz，頻率數(shù)64，信道間隔32 kHz，調(diào)制方式采用非相干多進制頻移鍵控(MFSK)，背景噪聲取經(jīng)典值15.5 dB。仿真結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 誤碼率-自適應(yīng)因子-干信比變化圖

圖5 自適應(yīng)因子對比

由圖4和圖5可以看出，采用自適應(yīng)跳頻技術(shù)后，誤碼率顯著降低。在30%的頻點受到干擾、自適應(yīng)因子β為0.7、外部干擾功率和信號發(fā)射功率一定的情況下，自適應(yīng)優(yōu)化可以使傳輸誤碼率降低50%。

4 結(jié)束語

在可以預(yù)見的未來，無人機還將更加深入地介入到地區(qū)沖突中，發(fā)揮越來越重要的作用，同時干擾技術(shù)和抗干擾技術(shù)也將繼續(xù)發(fā)展。除了無人機數(shù)據(jù)鏈自身的絕對抗干擾能力提升外，也可通過無固定中心節(jié)點集群等方式對無人機群硬抗毀方面進行研究，以在未來戰(zhàn)爭中更加復(fù)雜的電磁環(huán)境中增強無人機作戰(zhàn)群的綜合抗干擾能力。