HPM對無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈干擾效應(yīng)研究

高 暢，任遠(yuǎn)楨，張厚強(qiáng)，蔡 強(qiáng)

(1.中國人民解放軍91550部隊(duì)，遼寧 大連116023；2.北京無線電測量研究所，北京100854)

0 引言

無人機(jī)由于良好的隱身性和出色的機(jī)動性，在現(xiàn)代戰(zhàn)場上起著重要作用。它具有規(guī)避雷達(dá)探測和穩(wěn)定跟蹤的能力，從而縮短了反應(yīng)時(shí)間，大大降低了被防空系統(tǒng)攔截的可能性。因此，更合適攔截?zé)o人機(jī)的方法正在進(jìn)一步研究[1]。高功率微波(High Power Microwave，HPM)指頻率在100 MHz～30 GHz范圍內(nèi)，脈沖峰值功率在100 MW以上的高電磁能量[2]，具有光速傳播、全天候工作、命中率高、發(fā)射成本低和多目標(biāo)攻擊等特點(diǎn)，較傳統(tǒng)空防裝備有著不可比擬的優(yōu)越性，主要用作超級干擾和近程防御等應(yīng)用，是保證防空能力的重要環(huán)節(jié)[3-5]。

HPM的損傷威力和目標(biāo)的易損性是判斷電磁干擾是否有效的2個(gè)重要指標(biāo)，對無人機(jī)的影響主要表現(xiàn)為干擾、降級和損壞。干擾是指電磁輻射使電子系統(tǒng)工作發(fā)生異常；降級是指關(guān)鍵器件性能下降或非關(guān)鍵器件損壞；損傷是指系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生燒毀或致命損壞。

研究者們對高能量電磁脈沖作用于無人機(jī)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算及測試實(shí)驗(yàn)的研究，文獻(xiàn)[6]通過UWB電磁脈沖輻照效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，分析了無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)фi效應(yīng)的機(jī)理及防護(hù)方法；文獻(xiàn)[7]利用SIMULINK構(gòu)建無人機(jī)通信系統(tǒng)模型，對電子系統(tǒng)的易損性進(jìn)行論證分析；文獻(xiàn)[8]提出了差模定向注入等效替代強(qiáng)電磁脈沖輻射效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法，對比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下差模定向注入替代HPM輻射的有效性，但由于輻射波形是無規(guī)律波形，難以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)用注入試驗(yàn)的方法進(jìn)行等效研究；文獻(xiàn)[9-11]在電波暗室中對無人機(jī)機(jī)載數(shù)據(jù)鏈展開L，S，C波段的HPM輻射效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，但實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下多為理想情況，未考慮實(shí)際應(yīng)用中復(fù)雜電磁環(huán)境等多種隨機(jī)因素。為進(jìn)一步探索HPM對無人機(jī)干擾效應(yīng)行為的變化規(guī)律，本文構(gòu)建某型無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)行為級仿真模型，研究其敏感部位的電磁干擾效應(yīng)，加入能量衰落及多種損耗影響，并開展HPM對抗無人機(jī)外場試驗(yàn)，分析HPM對無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的干擾效應(yīng)機(jī)理和行為變化規(guī)律。

本文討論了HPM對無人機(jī)電磁干擾機(jī)理分析；利用SIMULINK構(gòu)建HPM對無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈行為級模型；對仿真結(jié)果的數(shù)據(jù)鏈性能進(jìn)行分析；對方法有效性進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，并提出了本文工作對工程應(yīng)用的意義；最后給出了結(jié)論與展望。

1 無人機(jī)電磁干擾機(jī)理分析

HPM輻射經(jīng)大氣傳輸至目標(biāo)，一般要經(jīng)歷“前門”或“后門”的耦合傳輸?shù)竭_(dá)目標(biāo)無人機(jī)內(nèi)部器件上?！扒伴T耦合”是指HPM通過天線和傳感器等與外界連通通道進(jìn)入系統(tǒng)的耦合過程?！昂箝T耦合”是指輻射通過無人機(jī)上的孔縫、焊縫和電纜接頭進(jìn)入系統(tǒng)。無人機(jī)天線作為接收和發(fā)送信息的主要載體，在對抗過程中直接暴露于強(qiáng)電磁干擾環(huán)境中，它是干擾信號的入口，也最易受到干擾或破壞[12-13]。前門耦合干擾效應(yīng)大多發(fā)生在射頻前端電路中，HPM進(jìn)入天線后轉(zhuǎn)換成瞬態(tài)電流和瞬態(tài)電壓，沿射頻電纜注入無人機(jī)內(nèi)部各系統(tǒng)電路，這種耦合方式直接作用于較為脆弱的部分，對設(shè)備產(chǎn)生巨大威脅并直接影響系統(tǒng)的易損部件。HPM進(jìn)入無人機(jī)電子系統(tǒng)的耦合過程如圖1所示。

圖1 HPM耦合至無人機(jī)過程Fig.1 Process of HPM coupling to UAV

當(dāng)確定HPM源的發(fā)射功率和天線增益時(shí)，到達(dá)無人機(jī)天線端的電磁能功率可由Friis傳輸方程得到，到達(dá)接收天線輸入端的干擾功率為[14]：

(1)

式中，Pt為微波源的發(fā)射功率；Pr為耦合到目標(biāo)無人機(jī)天線內(nèi)的功率；Gr為目標(biāo)無人機(jī)天線的增益；Gt為HPM發(fā)射天線的增益；Le為傳輸損耗；λ為波長；R為目標(biāo)天線距發(fā)射點(diǎn)的距離。

HPM在傳播過程中通常按照球面波的傳輸損耗。由于空氣中各種因素的影響，考慮空氣顆粒、溫度和濕度等各種因素，需要在傳播損耗中加入修正值。本文假設(shè)電磁波在傳播過程中僅考慮自由空間損耗，可得到達(dá)無人機(jī)接收天線輸入端的實(shí)際干擾功率。HPM耦合到某型無人機(jī)天線端功率如圖2所示，k為某具體數(shù)值。

圖2 HPM耦合到某型無人機(jī)天線端功率Fig.2 Power of HPM coupled to antenna end of a certain UAV

對于常用C/A碼接收機(jī)，最大輸入功率不能超過15 dBm，否則接收設(shè)備系統(tǒng)會飽和，無法提取有用信息[15]。由圖2可以看出，若HPM耦合到某型無人機(jī)的干擾信號功率達(dá)到15 dBm，則距離為1.9 km，因此對于該型無人機(jī)，可簡單估算其在1.9 km的距離內(nèi)受到HPM電磁干擾。

不同型號的無人機(jī)內(nèi)部電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有所差異，不同的制作工藝、條件和指標(biāo)均會影響無人機(jī)的抗干擾能力。通常，軍用無人機(jī)還會增加電磁防護(hù)措施，比如抗干擾模塊和屏蔽電磁波技術(shù)，因此要給出某具體型號無人機(jī)的抗干擾閾值難度很大。根據(jù)多種電磁環(huán)境下無人機(jī)受到電磁干擾的概率統(tǒng)計(jì)，指出數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)[16-17]和GPS導(dǎo)航系統(tǒng)[18]是抗干擾能力較弱的2個(gè)部分，下文針對某偵查型無人機(jī)的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)進(jìn)行行為仿真分析。

2 數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)行為模型設(shè)計(jì)

行為仿真是把系統(tǒng)功能分為子模塊，考慮各模塊間輸入與輸出的對應(yīng)關(guān)系即可，不需要獲取電路具體信息。無人機(jī)中數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)、GPS和指控系統(tǒng)等絕大多數(shù)設(shè)計(jì)都基于典型電路，但是內(nèi)部的諸多模塊指標(biāo)涉及商業(yè)及軍事信息，因此本文采用行為級電路仿真方法，將各功能模塊視為“封裝”數(shù)字模塊，從而構(gòu)建數(shù)據(jù)鏈行為模型，有效地描述無人機(jī)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)運(yùn)行情況和變化特征。誤碼率是數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確性最直觀的指標(biāo)，因此，該模型通過誤碼率衡量無人機(jī)受電磁干擾后的行為狀態(tài)，仿真過程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)行為模型仿真過程Fig.3 Simulation process of data link system behavior model

無人機(jī)地面基站發(fā)射數(shù)據(jù)傳輸信號經(jīng)由信道到達(dá)機(jī)載數(shù)據(jù)接收端，HPM從天線波束的主瓣或副瓣耦合至無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中，對其性能產(chǎn)生干擾影響。以發(fā)射頻率2 GHz、半徑0.8 m的圓口徑天線為發(fā)射裝置的HPM源為例，在波束指向不偏轉(zhuǎn)情況下，其方向圖如圖4所示。

圖4 HPM源發(fā)射天線方向圖Fig.4 HPM transmitting antenna pattern

為了盡可能地接近實(shí)際情況，在信道中引入噪聲源及傳輸損耗。式(2)標(biāo)記HPM波束進(jìn)入無人機(jī)接收天線的增益：

(2)

由于接收天線與電磁波之間的極化關(guān)系，引入了極化損耗ρ，則進(jìn)入射頻前端的電磁能量為：

(3)

對于采用自適應(yīng)抗干擾技術(shù)的無人機(jī)，還需引入外界干擾抑制系數(shù)ρj，HPM帶寬與接收天線帶寬的重合因子f(Br,Bj)：

二是據(jù)以定案的證據(jù)都已經(jīng)經(jīng)過法定程序查證屬實(shí)，這突出的是證據(jù)本身的要求。該條件關(guān)注的是證據(jù)能力問題，配套的是我國刑事訴訟法“非法證據(jù)排除”規(guī)則。

(4)

(5)

無人機(jī)在無干擾情況下，耦合到機(jī)載數(shù)據(jù)接收端的信號功率Pj為：

(6)

式中，Pe為地面基站發(fā)射功率；Ge為基站天線的增益；λj為無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈上行傳輸波長；Rj為無人機(jī)距地面基站的距離。由式(4)和式(6)可得到無人機(jī)受到電磁干擾影響的信干比：

(7)

式中，數(shù)據(jù)鏈自身噪聲系數(shù)為F。由于HPM是有一定占空比的脈沖式電磁干擾信號，在不產(chǎn)生脈沖期間，無人機(jī)數(shù)據(jù)解調(diào)器的信噪比為：

(8)

若脈沖的占空比為ρt=τ/T，T為脈沖周期，τ為脈沖寬度，則在HPM電磁干擾效應(yīng)下的無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)平均誤碼率為：

BER=(1-ρt)BERSNR+ρtBERSJR。

(9)

以某小型無人機(jī)為例構(gòu)建其受HPM電磁干擾的行為仿真模型。機(jī)載天線為等效面積0.003 m2的全向天線，系統(tǒng)性能參數(shù)及指標(biāo)如表1所示。

基于SIMULINK軟件構(gòu)建的無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)蹾PM電磁干擾的行為仿真模型如圖5所示，主要由數(shù)據(jù)信息源、數(shù)據(jù)鏈發(fā)射系統(tǒng)、信道、數(shù)據(jù)鏈接收系統(tǒng)和HPM源5個(gè)部分組成。

表1 某型無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈參數(shù)指標(biāo)表

數(shù)據(jù)源采用多媒體音頻信號。數(shù)據(jù)鏈發(fā)射、接收系統(tǒng)可看作互為逆過程，采用抗干擾無線數(shù)據(jù)鏈路，將編解碼、調(diào)制解調(diào)和擴(kuò)頻解擴(kuò)等功能以模塊化形式構(gòu)成。信道主要由路徑損耗、信道衰落和噪聲等模塊組成，由于仿真路徑較長且HPM沿多路徑傳播，引入自由空間傳輸損耗和信道衰落計(jì)算模型。HPM源模塊實(shí)現(xiàn)了微波能量以電信號形式進(jìn)入無人機(jī)數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)，產(chǎn)生電磁干擾效應(yīng)，該模塊構(gòu)建了可調(diào)節(jié)工作頻率、占空比等參數(shù)的HPM信號，并增加了遠(yuǎn)距離能量衰落及多種損耗，以更貼近實(shí)際情況。HPM源模塊所產(chǎn)生的時(shí)域、頻域波形如圖6和圖7所示，脈寬為100 ns，工作頻率為1.9 GHz的HPM脈沖，其幅度可由功率放大器根據(jù)實(shí)際發(fā)射源等效輻射功率調(diào)節(jié)。

圖5 HPM對無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈電磁干擾行為仿真模型Fig.5 Electromagnetic interference behavior simulation model of HPM to UAV data link

圖6 HPM模塊產(chǎn)生的時(shí)域波形圖Fig.6 Time domain waveform generated by HPM module

圖7 HPM模塊產(chǎn)生的頻譜圖Fig.7 Spectrum generated by HPM module

3 結(jié)果分析

HPM源產(chǎn)生的電磁信號是時(shí)域上的窄脈沖干擾信號，對無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈干擾的影響作用方式主要為功率壓制和數(shù)據(jù)阻塞，其干擾效果主要表現(xiàn)在飛行控制系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，這時(shí)電磁能量是數(shù)據(jù)信號出現(xiàn)突發(fā)性錯(cuò)誤或發(fā)送虛假控制命令所導(dǎo)致。發(fā)生干擾效應(yīng)后，系統(tǒng)信噪比降低，導(dǎo)致數(shù)據(jù)鏈無法捕獲基站信號，同時(shí)正確解碼率降低，電子系統(tǒng)受到?jīng)_擊產(chǎn)生瞬態(tài)電流，影響無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的正常工作。

原始信號和誤碼率為1%的受干擾信號波形如圖8所示。此時(shí)，誤差矢量幅度(EVM)達(dá)到50%，通常EVM的最低要求為不超過17.5%，顯然此時(shí)不可能對原始信號進(jìn)行正確解調(diào)。受到HPM輻照后，放大器或混頻器出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，數(shù)據(jù)解調(diào)輸出噪聲增大，傳輸誤碼率增高，靈敏度下降，指控傳輸信息失真，進(jìn)而發(fā)生數(shù)據(jù)鏈路中斷等效應(yīng)。

(a) 原始信號

(b) 誤碼率為1%的干擾波形圖8 原始信號和誤碼率為1%的受干擾信號波形Fig.8 Waveform of original signal and interfered signal with bit error rate of 1%

設(shè)定HPM工作的重復(fù)頻率為100 Hz，脈沖寬度為100 ns，工作頻率為1.9 GHz，HPM源距離目標(biāo)無人機(jī)5 km，保持各參數(shù)條件不變，通過調(diào)節(jié)干擾功率參數(shù)，可得到等效發(fā)射功率對數(shù)據(jù)鏈路性能的影響，如圖9所示，p為某數(shù)值。

圖9 HPM發(fā)射功率對無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈性能影響Fig.9 Effect of HPM transmit power on UAV data link performance

在保持HPM等效發(fā)射功率、工作頻率和脈沖寬度等條件不變的情況下，通過改變HPM的重復(fù)頻率，可得到重復(fù)頻率對數(shù)據(jù)鏈性能影響，如圖10所示，重復(fù)頻率達(dá)到1 000 Hz時(shí)，誤碼率為0.078，此時(shí)數(shù)據(jù)傳輸受到嚴(yán)重影響。由此可見，提高HPM源發(fā)射功率和重復(fù)頻率，可加大對無人機(jī)的干擾效應(yīng)。

圖10 HPM重頻對無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈性能影響Fig.10 Effect of HPM PRF on UAV data link performance

誤碼率隨干信比變化的趨勢如圖11所示。從圖中可以看出，隨著干信比的增加，無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈誤碼率開始緩慢增加，到達(dá)拐點(diǎn)后誤碼率迅速增加。這反映了該型號無人機(jī)具有一定的抗干擾能力，但外界HPM干擾強(qiáng)度超過某一臨界值時(shí)，無人機(jī)的性能會發(fā)生斷崖式下降。

圖11 誤碼率隨干信比變化的趨勢Fig.11 Variation of bit error rate with interference-to-signal ratio

4 方法有效性試驗(yàn)驗(yàn)證

HPM往往協(xié)同多種設(shè)備聯(lián)合運(yùn)用，存在復(fù)雜電磁空間環(huán)境等隨機(jī)因素。電磁能量由前門、后門同時(shí)進(jìn)入無人機(jī)內(nèi)部各系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)室中常進(jìn)行的注入等效實(shí)驗(yàn)和輻射等效實(shí)驗(yàn)通常是對無人機(jī)電子器件或分系統(tǒng)進(jìn)行測試，可分析研究部分電子系統(tǒng)性能的變化規(guī)律，不能代替HPM實(shí)際場景下的無人機(jī)干擾效應(yīng)。因此，為驗(yàn)證HPM實(shí)況下的干擾效能，還需進(jìn)行HPM對抗無人機(jī)的外場輻射試驗(yàn)，并將試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果比對，校正完善后形成固化模型，得到符合復(fù)雜電磁環(huán)境下的最佳干擾效應(yīng)方法。

將HPM對抗無人機(jī)外場試驗(yàn)中的指標(biāo)參數(shù)輸入至圖5的干擾效應(yīng)行為仿真模型中。HPM對抗某小型無人機(jī)輻照試驗(yàn)結(jié)果與行為模型仿真對照表如表2所示(E1為某具體數(shù)值)。

表2 某型無人機(jī)模型仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對照表

由表2可以看出，仿真誤碼率小于0.001時(shí)，輻照試驗(yàn)中無人機(jī)飛行姿態(tài)無異常；誤碼率達(dá)到0.01時(shí)，試驗(yàn)中地面站可正常接收無人機(jī)飛行信息，但機(jī)載端無法執(zhí)行地面站指令；當(dāng)試驗(yàn)中地面站無法接收飛行信息，無人機(jī)發(fā)生偏航且無法執(zhí)行地面站指令時(shí)，此時(shí)HPM源各參數(shù)得到的仿真誤碼率為0.018；繼續(xù)增大HPM輻射功率至無人機(jī)墜毀，各參數(shù)得到的模型誤碼率為0.1。輻射試驗(yàn)中行為仿真模型計(jì)算的誤碼率與輻照試驗(yàn)中無人機(jī)受干擾影響的行為結(jié)果有一定相關(guān)性，該模型可較好地描述無人機(jī)受干擾效應(yīng)的行為變化規(guī)律。

由于HPM輻射試驗(yàn)本身費(fèi)用很高，且無人機(jī)干擾測試需要大量效應(yīng)物，減少實(shí)驗(yàn)樣本可大幅提升效費(fèi)比。HPM對無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈行為級模型通過調(diào)節(jié)軟件模塊，可對HPM源的等效發(fā)射功率、發(fā)射頻率、脈沖寬度、占空比、作用距離、目標(biāo)天線接收增益和抗干擾閾值等多種參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。在工程應(yīng)用中可利用該模型預(yù)估指標(biāo)要素，達(dá)到精準(zhǔn)設(shè)計(jì)參數(shù)、提高決策效率的目的。該方法實(shí)施簡單、數(shù)據(jù)獲取方便，可根據(jù)仿真計(jì)算，確定能量參數(shù)、作用距離等關(guān)鍵要素，制定試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，從而達(dá)到降低試驗(yàn)樣本、減少無人機(jī)飛行航次及效應(yīng)物的目的。

5 結(jié)束語

隨著無人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用普及，利用無人機(jī)對重要設(shè)施、場所實(shí)施偵查竊密、干擾襲擊的風(fēng)險(xiǎn)也與日俱增。HPM擁有傳統(tǒng)防空裝置不具有的優(yōu)勢，是對抗來襲無人機(jī)的“殺手锏”。本文以某小型無人機(jī)為具體研究對象，對其數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)進(jìn)行HPM干擾效應(yīng)分析及仿真計(jì)算，論證了HPM對抗無人機(jī)的可行性和有效性。該方法具有一定的普遍性，可針對其他型號無人機(jī)改變各模塊參數(shù)進(jìn)行研究，還可推廣應(yīng)用于其他電子設(shè)備的電磁干擾研究。后續(xù)可將仿真模型與輻照試驗(yàn)進(jìn)一步校正完善，形成固化模型，為HPM對無人機(jī)干擾效能評估的現(xiàn)實(shí)需求提供關(guān)鍵技術(shù)支撐，同時(shí)為提高能量效益提供重要依據(jù)。