干擾源識別與定位方法綜述

汪關(guān)信，梁浩聰，紀(jì)紅霞，熊世忠

95894部隊

本文介紹影響無人機(jī)飛行的多種干擾源，闡述干擾源識別與定位方法，為無人機(jī)安全飛行提供參考。

隨著現(xiàn)代無線通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，不同無線電系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁干擾越發(fā)復(fù)雜，容易導(dǎo)致執(zhí)行飛行任務(wù)的無人機(jī)發(fā)生控制信號失蹤、衛(wèi)星通信失鎖、信息失密等安全隱患。因此，干擾源識別與定位對無人機(jī)飛行安全具有重要的意義。

干擾源類型

地面干擾源

1.地面控制站設(shè)備產(chǎn)生的雜波干擾

由于地面控制站設(shè)備多樣，工作載波可能存在雜波或者諧波。同時，調(diào)制器或者上變頻器輸出的電平過高，導(dǎo)致頻譜擴(kuò)散。上變頻器、功放工作點(diǎn)設(shè)置不合理容易造成載波噪聲。地面控制站設(shè)備在工作過程中容易產(chǎn)生上述電磁干擾源，給無人機(jī)的安全飛行造成安全隱患。

2.空間與地面之間的電磁干擾

空間與地面之間存在電視信號、調(diào)頻廣播、工業(yè)電噪聲等產(chǎn)生的電磁干擾。這些電磁干擾信號串入視距數(shù)據(jù)鏈和衛(wèi)通信號接收站，通過上行鏈路對無人機(jī)造成發(fā)射干擾，或者串入下行鏈路造成接收干擾。同時，地面控制站設(shè)備接地不良、接地電阻過大，電纜屏蔽性能差等因素都會引起電磁干擾。

3.裝備產(chǎn)生的自干擾

首先，使用活塞式發(fā)動機(jī)的無人機(jī)，其動力系統(tǒng)由點(diǎn)火設(shè)備（磁電機(jī)）、高壓線、火花塞等組成。電磁干擾主要由次級高壓點(diǎn)火電路產(chǎn)生，而活塞發(fā)動機(jī)火花塞產(chǎn)生的電磁干擾通常干擾無人機(jī)遙控系統(tǒng)；其次，無人機(jī)系統(tǒng)機(jī)體內(nèi)部的有限空間安裝了多種電子設(shè)備，這些設(shè)備由全機(jī)電纜相互聯(lián)結(jié)，全機(jī)電纜容易造成信號串?dāng)_等干擾現(xiàn)象；此外，機(jī)體中的電池、繼電器等設(shè)備也會對無人機(jī)產(chǎn)生干擾。

空間干擾源

1.鄰星干擾

隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的高速發(fā)展，同步軌道衛(wèi)星越來越多，衛(wèi)星之間的距離越來越短。因此，鄰星干擾會逐步增多，尤其是通信衛(wèi)星被其他衛(wèi)星干擾，易造成無人機(jī)與地面控制站之間的通信中斷。

圖1 “全球鷹”無人機(jī)地面控制站位于美國比爾空軍基地，該地面控制站中的各種設(shè)備接收、發(fā)射的電磁波紛繁復(fù)雜。

圖2 誘騙信號生成設(shè)備發(fā)射導(dǎo)航誘騙信號，無人機(jī)地面控制站接收機(jī)接收導(dǎo)航誘騙信號后，造成無人機(jī)失控。

圖3 美軍“大黃蜂”無人機(jī)系統(tǒng)持續(xù)發(fā)射高功率電磁波，導(dǎo)致敵方無人機(jī)通信節(jié)點(diǎn)不能正常接收射頻信號，敵方通信中斷。

2.相鄰信道干擾

當(dāng)載波頻率分配與相鄰信號的頻帶出現(xiàn)重疊，數(shù)據(jù)鏈沒有足夠的保護(hù)帶寬時，或者當(dāng)載波頻譜特性不符合要求，噪底過高或出現(xiàn)副瓣時，相鄰信道會產(chǎn)生干擾。

自然環(huán)境產(chǎn)生的干擾

電磁波在傳輸過程中受降雨、日凌、電離層閃爍等自然現(xiàn)象影響，會對無人機(jī)衛(wèi)星通信系統(tǒng)造成干擾，影響無人機(jī)飛行安全。

除自然干擾外，某些因素造成的無線電射頻參數(shù)異常也會干擾無人機(jī)正常工作。無線電射頻參數(shù)分析和追蹤能識別并定位干擾源。

干擾源識別

如何判定無人機(jī)干擾源的類型？關(guān)鍵在于計算無線電監(jiān)測設(shè)備所探測到的干擾信號場強(qiáng)，分析頻譜圖、語音特征等要素。被掃描測試的頻段有多個長信號，我們利用頻譜圖分析、語音監(jiān)聽以及計算等方法，可識別出多個長信號中的干擾信號。

頻譜圖分析法

在充分了解系統(tǒng)的頻率頻寬以及期望監(jiān)測的頻帶范圍后，我們可以設(shè)定足夠?qū)挼念l率范圍，將受影響的接收器信號及鄰近干擾信號的發(fā)射頻率均包含在所設(shè)定的頻率范圍內(nèi)，用排除法找出干擾頻率。同頻干擾圖譜（見圖4）可以實時反映不同的信號。當(dāng)無人機(jī)被干擾時，無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈監(jiān)測人員在第一時間調(diào)出預(yù)存頻譜圖，并與有干擾信號的頻譜圖進(jìn)行對比分析。如果有干擾信號的頻譜圖出現(xiàn)新的信號，這個新信號的發(fā)射頻率可能就是干擾頻率，這時無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈監(jiān)測人員應(yīng)鎖定這個疑似干擾頻率，然后根據(jù)頻譜圖清晰顯示的干擾頻率、電平等參數(shù)，進(jìn)一步對占用頻率進(jìn)行監(jiān)聽、測試，中波/短波（AM/FM）解調(diào)監(jiān)聽等操作，最后確定干擾源類型。

圖4 同頻干擾圖譜。

語音監(jiān)聽法

當(dāng)日常無線電監(jiān)測設(shè)備發(fā)現(xiàn)不明信號時，無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈監(jiān)測人員首先應(yīng)對不明信號進(jìn)行監(jiān)聽，并初步判斷干擾源是語音還是數(shù)據(jù)，同時進(jìn)行相應(yīng)的解調(diào)分析。通過監(jiān)聽干擾源模擬信號的內(nèi)容，無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈監(jiān)測人員可以提取有價值的信息，確定設(shè)備使用者，從而找到干擾源。

計算法

當(dāng)無法判定異常電磁波是否為干擾信號時，但是已知若干個有用信號發(fā)射頻率的前提下，我們可以利用發(fā)射互調(diào)公式、接收互調(diào)公式、鏡像干擾公式和接收寄生干擾公式對異常電磁波進(jìn)行分析計算，算出多個疑似干擾頻率，供同步跟蹤查找。我們逐個將疑似干擾頻率與無人機(jī)接收、發(fā)射頻率進(jìn)行比較，若相互比較的頻率相同或接近，則該疑似頻率即為上述公式計算得到的干擾頻率，根據(jù)干擾頻率，可以判斷干擾源的類型。

設(shè)備監(jiān)測法

無線電監(jiān)測設(shè)備可以測試雜散發(fā)射限值。雜散發(fā)射限值測試能夠發(fā)現(xiàn)由設(shè)備自身性能差而造成的自干擾。無線電發(fā)射設(shè)備產(chǎn)生的雜散發(fā)射是一種重要的通信干擾源，雜散發(fā)射值超過限定值，設(shè)備就會產(chǎn)生自干擾。自干擾在無線電干擾中占有相當(dāng)大的比例。天線、饋線、高頻濾波器接觸不良,不同金屬相互接觸,元器件老化、氧化等因素會造成自干擾，這些自干擾信號發(fā)射并相互調(diào)制很容易引發(fā)干擾，頻譜分析儀可以分析和識別這類干擾。

頻率占用判定法

由表1可知，多數(shù)無線電用戶開展的業(yè)務(wù)對頻帶所占用的頻率有嚴(yán)格要求。因此，通過分析干擾信號的頻率，我們能大致分辨出干擾源。

表1 部分無線電發(fā)射頻率。

干擾源定位

無人機(jī)干擾源定位主要采用最大場強(qiáng)逼近定位法、交叉測向定位法、語音判別法、側(cè)向機(jī)音點(diǎn)定位法等方法。

最大場強(qiáng)逼近定位法

最大場強(qiáng)逼近定位法利用便攜式干擾測向機(jī)完成場強(qiáng)測量。在復(fù)雜電磁環(huán)境中，無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈監(jiān)測人員移動便攜式干擾測向機(jī)的位置，進(jìn)而改變天線的指示方向，同時該側(cè)向機(jī)的位置改變可使場強(qiáng)數(shù)值從大變小。

交叉測向定位法

根據(jù)幾個相互獨(dú)立的測向設(shè)備所測量的多個結(jié)果，無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈監(jiān)測人員利用交叉?zhèn)认蚨ㄎ辉?，得出幾條指向可疑干擾源的示向線，通過示向線前方交叉定位，計算并顯示概率三角區(qū)域。目前，固定和移動監(jiān)測系統(tǒng)均具有發(fā)現(xiàn)信號源發(fā)射方向的能力，可以確定信號源的大致方位，并完成頻率表制作、頻段掃描測量、信道占用度與頻譜占用度統(tǒng)計等日常監(jiān)測。多數(shù)系統(tǒng)支持電子地圖，可完成非法電臺識別、報警、記錄；通過打點(diǎn)測試與連續(xù)“路測”，電子地圖可顯示目標(biāo)信號的來波示向線。在系統(tǒng)測向過程中，幾個相互獨(dú)立的測向設(shè)備監(jiān)測多條示向線，測試結(jié)果直接標(biāo)注在電子地圖的相應(yīng)位置。

測向機(jī)音點(diǎn)定位法

當(dāng)測向機(jī)接近干擾源時，信號逐漸增強(qiáng)，耳機(jī)內(nèi)的聲音逐漸變大。當(dāng)測向機(jī)音量低時，人耳對音量變化的分辨能力比測向機(jī)音量高時的分辨能力強(qiáng)，所以測向機(jī)需要隨時降低音量。電位器可控制測向機(jī)中頻放大器的功率放大量，進(jìn)而控制音量平滑、連續(xù)地變化。根據(jù)側(cè)向機(jī)的音量變化，無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈監(jiān)測人員正確辨別目標(biāo)信號源的方向。當(dāng)側(cè)向機(jī)距離干擾源很近時，側(cè)向機(jī)監(jiān)測到的信號強(qiáng)度猛增，造成測向機(jī)指向不清；當(dāng)側(cè)向機(jī)距干擾源數(shù)米內(nèi)，測向機(jī)失去方向性，無法分辨雙向低音點(diǎn)，此時測向機(jī)遭到大信號阻塞干擾，出現(xiàn)嘯叫告警聲。當(dāng)測向機(jī)距離干擾源約3m之內(nèi)，隨著測向機(jī)和干擾源之間的距離減小，測向機(jī)音量增大，無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈監(jiān)測人員進(jìn)而確定信號源位置。

圖5 頻譜分析儀查找干擾源。

圖6 便攜式干擾測向儀可實現(xiàn)空中非法信號和干擾信號的查詢與定位。

不同極化方式定位法

為獲得良好的測向機(jī)接收效果，接收機(jī)天線極化方式應(yīng)與干擾信號相匹配。首先，無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈監(jiān)測人員分析接收機(jī)天線各個方向的場強(qiáng)大小，推導(dǎo)出干擾信號的極化特性。若極化方式（只適用于水平和垂直極化）改變，干擾信號場強(qiáng)將發(fā)生明顯變化。根據(jù)電磁波反射后極化方式改變的原理，無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈監(jiān)測人員可判定反射信號，在此基礎(chǔ)上，采用最大場強(qiáng)逼近定位操作，進(jìn)一步定位干擾源。

總結(jié)

雖然各類無線電監(jiān)測設(shè)備為無線電干擾排查提供了手段，但干擾源識別與定位是一個復(fù)雜過程。無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈監(jiān)測人員不僅要掌握無人機(jī)地面控制站各發(fā)射接收單元的規(guī)范布置、操作流程，更要掌握常見設(shè)備所發(fā)射電磁波的頻譜，采用相關(guān)方法識別與定位干擾源。