趙丹 劉萬村 雍麗英
(哈爾濱職業(yè)技術(shù)學(xué)院 黑龍江省哈爾濱市 150000)
無人機(jī)本身具有低損耗、零傷亡、機(jī)動(dòng)性比較高、可重復(fù)使用等特征,在偵察監(jiān)視、通信中繼、火力智慧、電子對(duì)抗等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。基于此,研究及分析無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈電磁干擾機(jī)理,有利于提高無人機(jī)工作控制有效性。同時(shí)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)組成中包括混頻器和放大器等,因其工作特征很容易受外界環(huán)境中的電磁信號(hào)影響,影響數(shù)據(jù)鏈數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。為此,本文分析無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈電磁干擾機(jī)理,并對(duì)其進(jìn)行有效防護(hù),可提高無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的電磁抗干擾水平[1]。
在對(duì)信號(hào)調(diào)制進(jìn)行處理與分析中,可劃分為調(diào)頻、調(diào)幅、調(diào)相三種基本形式,BPSK 是無人機(jī)主通道信號(hào)調(diào)制方式,在二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制過程中,正弦載波的相位會(huì)隨著二進(jìn)制基帶信號(hào)變化進(jìn)行分析,調(diào)制信號(hào)相角為0°、180°的狀態(tài)下,可表示為基帶信號(hào)中二進(jìn)制數(shù)字1 與0。在發(fā)送碼元1 時(shí),發(fā)送概率為p,BPSK 調(diào)制中,由于本地載波與基帶信號(hào)送到乘法器中上變頻后,可得到時(shí)域信號(hào)[2]。二進(jìn)制在絕對(duì)移相鍵控是通過載波不同相位,表達(dá)相應(yīng)二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)的調(diào)制方式。BPSK 解調(diào)中,可通過相干解調(diào)的方式進(jìn)行處理,在調(diào)制過程中,可通過同頻同相的載波信號(hào)進(jìn)行傳輸與控制,接收的相干載波發(fā)生在180°倒相,解調(diào)獲得游泳信號(hào)與地面控制站發(fā)送的基帶信號(hào)之間是相反的狀態(tài)。如果機(jī)載天線接收信號(hào)的細(xì)致鬧幣相對(duì)比較偏小,部分信號(hào)會(huì)被干擾信號(hào)壓制并取代,解調(diào)輸出錯(cuò)誤碼元,誤碼率超過規(guī)定的限制,通信會(huì)終端,這說明出現(xiàn)了上行通道失鎖的情況[2]。
無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈工作程序如下:無人機(jī)地面控制站利用電磁信號(hào)向無人機(jī)機(jī)載信號(hào)端發(fā)送控制指令,同時(shí)其他頻率電磁信號(hào)接收無人機(jī)傳輸?shù)倪\(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)和工作數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)的遠(yuǎn)程控制和雙方通信,保證無人機(jī)工作質(zhì)量。而在無人機(jī)與地面控制站雙方通信過程中,數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)菍?shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)年P(guān)鍵工具,無論是無人機(jī)亦或是地面控制站都需要設(shè)置數(shù)據(jù)鏈裝置。但由于電磁信號(hào)特征,隨著無人機(jī)工作距離的增加,數(shù)據(jù)鏈數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量也受到較大影響,電磁信號(hào)傳輸很容易受到外界新高干擾,影響雙方通信質(zhì)量。在這一視角下,對(duì)機(jī)載數(shù)據(jù)鏈設(shè)備進(jìn)行分析,機(jī)載數(shù)據(jù)鏈設(shè)備的工作原理如圖1 所示。
圖1:機(jī)載數(shù)據(jù)鏈設(shè)備的工作原理
機(jī)載數(shù)據(jù)鏈在實(shí)際搭建的過程中,可通過信號(hào)傳輸?shù)姆绞?,?duì)機(jī)載數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集與整合處理。由于信號(hào)本身的差異性,在對(duì)信號(hào)傳輸過程進(jìn)行優(yōu)化中,可通過雙工器對(duì)不同機(jī)載數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理,在濾波處理的基礎(chǔ)上,可結(jié)合無人機(jī)運(yùn)行狀態(tài),對(duì)數(shù)據(jù)控制過程、干擾因素等方面進(jìn)行綜合分析,在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號(hào)處理與優(yōu)化的基礎(chǔ)上,會(huì)因?yàn)殡姶鸥蓴_的情況出現(xiàn),導(dǎo)致工作信號(hào)的處理問題增加,影響數(shù)據(jù)鏈的傳輸控制水平。數(shù)據(jù)鏈中的數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸中,可通過解調(diào)數(shù)據(jù)碼、調(diào)制控制等方式,對(duì)電磁干擾的控制指令、數(shù)據(jù)接收等方面進(jìn)行調(diào)整與優(yōu)化,從而達(dá)到數(shù)據(jù)鏈運(yùn)行控制的目的。通過中頻輸出信號(hào)的傳輸控制,可對(duì)電路增益過程進(jìn)行優(yōu)化,并對(duì)AGC 輸出值的轉(zhuǎn)換過程、信號(hào)誤碼問題等方面進(jìn)行綜合控制。為保證數(shù)據(jù)信息的可靠性、有效性,在對(duì)信號(hào)變化過程、抗干擾能力等方面進(jìn)行綜合控制的過程中,可通過電磁敏感度的有效控制,對(duì)無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的數(shù)據(jù)傳輸過程、信號(hào)濾波處理等方面進(jìn)行優(yōu)化,從而實(shí)現(xiàn)中頻輸出信號(hào)的有效控制效果提升。
無人機(jī)飛行距離變化對(duì)無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的傳輸、抗干擾性能等方面會(huì)產(chǎn)生直接的影響,所以,在對(duì)無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的電磁干擾進(jìn)行研究中,可通過工作信號(hào)強(qiáng)度控制,對(duì)信息處理過程進(jìn)行檢驗(yàn)。如果工作信號(hào)強(qiáng)度的差值比較大,則需要對(duì)中頻工作信號(hào)強(qiáng)度以及失鎖效應(yīng)進(jìn)行調(diào)整與優(yōu)化,在對(duì)輸出信號(hào)值進(jìn)行調(diào)整與控制的基礎(chǔ)上,分析無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的動(dòng)態(tài)變化機(jī)制,并達(dá)到電磁干擾控制的目的。因此,需要通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析進(jìn)一步明確無人機(jī)飛行距離與數(shù)據(jù)鏈數(shù)據(jù)傳輸工作信號(hào)強(qiáng)度彼此間的關(guān)系,從而有針對(duì)性的加強(qiáng)抗干擾信號(hào)設(shè)置,保證無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈工作質(zhì)量。假設(shè)飛行距離為d 一直工作信號(hào)頻率為f,在對(duì)自由空間損耗進(jìn)行研究中,可利用天線傳播理論,對(duì)工作信號(hào)強(qiáng)度與自由空間損耗之間的關(guān)系進(jìn)行分析,其關(guān)系曲線如圖2 所示。
圖2:不同飛行距離下的無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈上行工作信號(hào)強(qiáng)度變化曲線
由圖2 可明顯發(fā)現(xiàn),隨著無人機(jī)飛行距離逐漸增加,數(shù)據(jù)鏈工作信號(hào)強(qiáng)度變化顯著。因此,為保證無人機(jī)在遠(yuǎn)距離工作條件下的信號(hào)強(qiáng)度,一方面可以利用機(jī)載的連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸和動(dòng)態(tài)控制,另一方面利用衰減器對(duì)工作信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)整與優(yōu)化。
利用機(jī)載端天線輻照進(jìn)行電磁干擾試驗(yàn)與分析,確定200V/m場(chǎng)強(qiáng)敏感度閾值以及干擾功率上限。試驗(yàn)期間需將喇叭天線的主瓣方向?qū)?zhǔn)天線,同時(shí)調(diào)節(jié)信號(hào)源輸出信號(hào)的功率、功率放大器,獲取不同干擾功率下的試驗(yàn)數(shù)據(jù),當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到200V/m 的狀態(tài)下,即可通過頻譜儀觀測(cè)雙工器后端的信號(hào)頻率。而且由于雙工器內(nèi)部的帶通濾波器運(yùn)行特性,不同干擾頻率下,200V/m 場(chǎng)強(qiáng)對(duì)應(yīng)接收信號(hào)的功率數(shù)據(jù)也存在較大差異。而且一般情況下,當(dāng)帶通濾波器一次運(yùn)行時(shí),依據(jù)額定數(shù)據(jù)可知,濾波器通帶的下線頻率和上線頻率的損耗為1.5dB,而此時(shí),阻帶插入損耗為70dB。阻帶內(nèi)的干擾信號(hào)明顯降低,其主要原因在于通帶內(nèi)的干擾信號(hào)無法傳輸?shù)綌?shù)據(jù)鏈接收機(jī)輸入端,進(jìn)而導(dǎo)致接收機(jī)能量減少。
干擾注入效應(yīng)試驗(yàn)是保證無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈數(shù)據(jù)傳送控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié),通過實(shí)驗(yàn)可以清晰得知電磁干擾信號(hào)頻率與電磁敏感度閾值以及數(shù)據(jù)鏈數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量彼此間的關(guān)系。進(jìn)而在無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈數(shù)據(jù)傳輸期間,通過對(duì)電磁敏感度閾值的有效控制可以保證無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈傳輸工作的有效性。與此同時(shí),在無人機(jī)工作期間更應(yīng)重視工作信號(hào)處理和數(shù)據(jù)分析工作,以保證得到真實(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息。期間應(yīng)通過機(jī)載端傳輸?shù)墓ぷ餍盘?hào)強(qiáng)度數(shù)據(jù)合理控制電磁敏感度的閾值,調(diào)整干擾信號(hào)強(qiáng)度,確保無人機(jī)始終能夠得到清晰、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù),保證數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。另外,在對(duì)通信傳輸過程優(yōu)化調(diào)整過程中,如若步長為10MHz,則控制干擾功率在波動(dòng)變化的過程中,數(shù)據(jù)鏈為200V/m 輻照?qǐng)鰪?qiáng)以下,會(huì)出現(xiàn)失鎖的情況。在對(duì)無人機(jī)的飛行距離進(jìn)行分析中,按照100km、50km、25km 三種狀態(tài)下,工作信號(hào)強(qiáng)度分貝為-99、-93、-87dBm,假設(shè)機(jī)載天線接收的工作信號(hào)為V,與此同時(shí),接收到的干擾信號(hào)為V1,那么,在對(duì)工作信號(hào)與干擾信號(hào)的角速率進(jìn)行分析中,可通過工作信號(hào)、干擾信號(hào)的相位,對(duì)工作信號(hào)、干擾信號(hào)的疊加進(jìn)行處理,并通過帶通濾波器,對(duì)干擾信號(hào)頻率以及濾波處理中,可通過通頻帶或者過渡帶,對(duì)電路傳輸過程進(jìn)行優(yōu)化,滿足數(shù)據(jù)傳輸與控制需求。
從組合頻率干擾機(jī)理的角度進(jìn)行分析,在對(duì)接收機(jī)信號(hào)處理流程進(jìn)行分析中,則需要對(duì)機(jī)載天線接收的工作信號(hào)進(jìn)行分析,在對(duì)工作信號(hào)、干擾信號(hào)的角速率進(jìn)行分析中,接收機(jī)輸入信號(hào)可出現(xiàn)疊加的情況?;诖耍O(shè)置低噪放大器,并以介質(zhì)濾波器為帶通濾波器,在對(duì)通信信號(hào)進(jìn)行傳輸與控制的過程中,可通過放大、濾波處理,實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸與控制。無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈對(duì)外界電磁干擾的主要敏感頻段變化下,敏感度閾值相對(duì)比較低,但是,其他頻段的外界電磁干擾場(chǎng)強(qiáng)相對(duì)較高的狀態(tài)下,數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)фi現(xiàn)象會(huì)增加,這是由于外界電磁干擾場(chǎng)強(qiáng)會(huì)出現(xiàn)低噪聲放大器在靜態(tài)工作下,可從線性區(qū)移動(dòng)到飽和區(qū),電流放大系數(shù)會(huì)相對(duì)降低,輸出下降,從而出現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)фi的情況。
結(jié)合上述分析不難發(fā)現(xiàn),干擾信號(hào)是影響無人機(jī)工作的關(guān)鍵。而由于射頻電路的運(yùn)行狀態(tài),同頻干擾的消除難度比較大,而且,失鎖閾值相對(duì)比較低,所以,在對(duì)數(shù)據(jù)鏈電磁干擾進(jìn)行防護(hù)的過程中,可通過射頻前端電路優(yōu)化設(shè)計(jì),達(dá)到消除干擾的目的。當(dāng)干擾信號(hào)頻率處于雙工器通帶內(nèi),在利用干擾信號(hào)傳輸狀態(tài)進(jìn)行信息處理的過程中,可通過噪聲放大器對(duì)干擾信號(hào)的波動(dòng)頻率進(jìn)行監(jiān)測(cè),通過噪聲處理與干擾信號(hào)識(shí)別,可實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸控制效果提升。
傳統(tǒng)對(duì)帶內(nèi)干擾控制方案是采取接地、限幅等電磁兼容設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的,但結(jié)合上一章節(jié)分析不難發(fā)現(xiàn),在不同無人機(jī)工作距離下,其數(shù)據(jù)鏈工作信號(hào)強(qiáng)度明顯變化,直接影響控制效果。為此,本文提出采用自適應(yīng)控制與瓦解電磁干擾監(jiān)測(cè)相結(jié)合的的智能控制辦法,一方面利用電磁干擾監(jiān)測(cè)樣機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)工作環(huán)境電磁信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)控,結(jié)合無人機(jī)工作環(huán)境下的電磁干擾信號(hào)信息設(shè)置敏感度閾值,據(jù)此構(gòu)建數(shù)據(jù)庫。另一方面當(dāng)檢測(cè)到敏感度閾值與工作環(huán)境電磁干擾信號(hào)強(qiáng)度差值為6dB 時(shí),可啟動(dòng)自適應(yīng)控制機(jī)制。電磁干擾監(jiān)測(cè)樣機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中,可選擇頻譜,并對(duì)機(jī)載數(shù)據(jù)信息金星村護(hù)理,在對(duì)換頻指令以及切換頻道等方面進(jìn)行控制中,可建立通信連接渠道,滿足通信傳輸控制需求。在對(duì)機(jī)載數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理的基礎(chǔ)上,可對(duì)電磁干擾過程進(jìn)行控制,在實(shí)現(xiàn)機(jī)載端與地面端同步進(jìn)行切換的前提下,可在頻譜條件下,對(duì)通信狀態(tài)以及飽和干擾狀態(tài)等方面進(jìn)行進(jìn)行處理,在對(duì)數(shù)據(jù)鏈帶內(nèi)頻率進(jìn)行優(yōu)化的基礎(chǔ)上,滿足無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的傳輸控制需求。
通過開展電磁敏感度效應(yīng)試驗(yàn),對(duì)無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的電磁干擾防護(hù)展開研究,確定不同飛行距離下的敏感度閾值曲線,并通過對(duì)曲線變化進(jìn)行分析,討論無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)фi的作用機(jī)理,并根據(jù)不同的敏感頻段進(jìn)行針對(duì)性的防護(hù)。無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈在200V/m 狀態(tài)下,無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈出現(xiàn)失鎖的概率比較大,但是,隨著工作信號(hào)強(qiáng)度的不斷增加,過渡帶的頻點(diǎn)不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)失鎖的情況。從組合頻率干擾的角度進(jìn)行分析,可以通過優(yōu)化射頻電路設(shè)計(jì)的方式,提高無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的抗干擾能力。