基于信干比方程的無人機數據鏈抗干擾分析＊

管維偉 祝前旺 徐建忠

（海軍指揮學院信息戰研究系 南京 211800）

1 引言

無人機數據鏈作為無人機遙控、遙測、跟蹤定位以及情報傳輸的手段，是對無人機飛行與任務載荷實施可靠的測控以及偵察數據的準確及時的傳輸的關鍵和基礎，因此無人機對數據鏈是高度的依賴。然而無人機在戰場中面臨的電磁環境十分嚴峻，數據鏈很容易受到敵方的干擾，這不僅讓無人機無法執行任務，更會威脅無人機自身的安全。因此無人機數據鏈必須具備一定的抗干擾能力。

2 信干比方程［1］

在通信系統中，干擾有效性的評判標準是：對于模擬信號，當通信接收機的解調輸出信干比降低到規定的門限值以下時，認為干擾有效；對于數字信號，當通信接收機的解調輸出誤碼率大到規定的門限值以上時，認為干擾有效。所以通信是否有效，不僅取決于與干擾信號本身的大小，還與通信信號本身大小有關。無論解調輸出的信干比，還是解調誤碼率都與到達通信接收機的通信信號的功率與干擾信號的功率的比值有關，該比值通常簡稱“信干比”。信干比的一般方程為

式中：Pt、Pj分別為通信發射機和干擾發射機的輸出功率；Gtr、Gjr分別為通信發射天線和干擾發射天線在通信接收方向上的天線增益；Grt、Grj分別為通信接收天線在通信發射天線和干擾天線方向上的天線增益；Gs、Gj分別為通信和干擾的處理增益；dc為通信距離，dj為干擾距離。

同樣衡量無人機數據鏈通信抗干擾是否有效也可以用信干比來作為指標。由此可見無人機數據鏈的抗干擾能力主要與發射功率、天線增益、處理增益、無人機通信距離和干擾距離之間的關系有關。

3 抗干擾分析

3.1 發射功率

增大無人機數據鏈的發射功率是提高抗干擾能力最基本的途徑［2］。隨著功率的增加，信道傳輸的速率也會增加，信息損失量也會降低，致使接收機的信干比上升，當信干比上升到一個量值時，通常就認為數據鏈能正常工作。

3.2 天線增益

無人機數據鏈天線增益就是指無人機的天線在某方向產生的功率譜密度與理想源點在同一方向產生的功率譜密度的比值。天線增益的表達式是：

目前無人機通常是采用自適應天線技術來增大天線增益［3］，自適應天線系統是由多元天線陣和信息處理器組成的系統。當天線工作時，信息處理器的輸入和輸出特性按一定的算法來調整其內部參數，從而自動地修正和優化天線的方向圖、頻率響應和極化特性，并搜索和跟蹤有用信號，抑制和消去干擾信號。它能在空間、頻率和極化方面自動對干擾信號調零，對有用信號提供最大增益。

3.3 處理增益

無人機數據鏈的處理增益是指信號相對于干擾量的增強，通過將干擾能量擴散到數據鏈信號帶寬之外可以增強信號。處理增益的表達式是：

無人機通常的增加處理增益的形式是直擴通信和跳頻通信［4］。直擴通信是對原信號加偽隨機碼調制增大傳輸帶寬，使擴頻信號的功率譜密度降低了若干倍，甚至隱藏在噪聲中，以隱蔽的方式對抗干擾，同時也使干擾能量相對地分散到整個數據鏈帶寬內。跳頻通信就是使信號載頻在一個寬頻帶里快速的跳動，從而“躲避”干擾。這兩種擴頻技術各有優缺點［5］，表1為兩種擴頻體制的比較。由于兩者各自的特點不同，所以應用的鏈路也會不同。

表1 兩種擴頻體制比較

3.4 信道編碼

信道編碼是提高無人機數據鏈的抗干擾能力必不可少的一個環節［6］。由于無人機數據鏈傳輸數據的信道環境是非常復雜的，數字信號在信道傳輸時受到噪聲或者干擾的時候會引起差錯。為了減小差錯，信道編碼器對傳輸的信息碼元按一定的規則加入保護成分，接收端的信道譯碼器按照相應的逆規則進行解碼，從中發現錯誤或糾正錯誤。目前大多數無人機數據鏈采用的信道的編碼技術往往是RS碼或Turbo碼，美軍無人機的數據鏈產品CDL、TCDL、MP－CDL都使用這兩種信道碼技術［7］。與這兩種信道編碼技術相比，先進的低密度奇偶校驗碼（LDPC），將成為下一代無人機數據鏈的核心。它具有算法簡單，運算速度快，糾錯能力強的特點，其本身還起到交織器的作用。表2是三種信道編碼技術比較。另外更重要的是在相同的數據傳輸速率下，LDPC碼比其它兩種的截獲率要低很多。

表2 三種信道編碼技術的比較［8］

3.5 實際應用

無人機的數據鏈分為上行鏈路和下行鏈路［9］。上行鏈路用于地面站對無人機以及機上設備的控制，下行鏈路主要是用來傳輸無人機的狀態信息和傳感器數據的。它有兩條通道，一條是狀態通道，數據率比較低。還有一條是用于向地面傳輸傳感器數據的，數據率相對較大。上行鏈路一般采用的抗干擾的技術是直接擴頻技術，它使得無人機具有較高的處理增益，國外的水平早已經達到70dB。如果說一般能正常接收信息的最低信干比為10dB。那么干擾系統要使用干擾功率要大于信號源的106倍，才能干擾無人機的數據鏈，這在工程上實現是相當困難的。無人機的下行鏈路一般采用的抗干擾技術是跳頻和自適應調零天線技術［10］。由于下行鏈路的信息傳輸量比較大，占用的帶寬比較寬，不適宜用直接擴頻技術，就使用跳頻技術來抗干擾，增大處理增益。無人機地面站可以使用自適應調零天線，使主波束對準信號方向，零點對準干擾方向，極大地提高了天線的增益。另外無人機下行數據信息量大，所以基本都采用數字化壓縮和信道編碼技術，這就保證大量數據能夠在復雜的信道下傳輸后，最終能被解碼恢復過來。

4 干擾幾何關系

無人機數據鏈在某一特殊時刻是否能被干擾，不僅取決于數據鏈的性能，干擾系統的性能，而且還取決于當前數據鏈與干擾波束之間的幾何關系［12］。假設我們忽略數據鏈和干擾系統的性能優劣，干擾效果僅僅和干擾系統到接收機的相對距離以及數據鏈發射機到接收機的相對距離。那么就會存在一個信干比臨界值k，使得數據鏈在高于等于這個值時恰好能工作。而低于這個值的時候，數據鏈就會受到干擾。由于接收端的信號強度與數據鏈發射機到接收機的距離RS成反比，接收端的干擾信號強度與干擾系統到接收機的距離RJ成反比，可以得出信干比S／J與成反比關系。首先分析干擾系統對無人機進行干擾：為了簡化計算，建立直角坐標系。干擾系統O在（0，0）點，數據鏈發射機在B（d，0）點，無人機在A（x，y）點。可以求出：RS在一個給定的數據鏈系統和干擾系統中，信干比臨界值k是一個常數，又＝1／k，那么點的軌跡就是一個圓，根據上述表達式可得干擾有效邊界方程為

由式（4）簡化可得：

圓的內部為干擾區域，無人機在該區域內，干擾系統就能對上行鏈路進行干擾。在圓外就不會受到干擾。如果能知道對應于某個數據鏈和某一型號的干擾系統之間的信干比臨界值k。就能畫出精確的幾何圖形供制定戰術想定使用。

圖1 干擾系統對無人機上行鏈路干擾

圖2 干擾系統對無人機下行鏈路干擾

干擾系統對地面的接收機進行干擾，也就是對無人機的下行鏈路進行干擾，干擾系統到接收機的距離是固定的且等于到地面站的距離，對于固定的信干比，要求干擾距離與鏈路距離的比是固定的，這樣鏈路的距離也是固定的。如圖2所示。

數據鏈在以地面站為圓心的圓內能夠正常工作，在圓外受到干擾。圓的半徑與接收機的增益和干擾系統干擾的強度相關。

5 結語

隨著復雜電磁戰場環境下電子對抗程度的不斷增加，無人機數據鏈系統抗干擾已經成為制約其效能發揮的關鍵因素與薄弱環節。本文從信干比一般方程這個視角，分析了無人機的數據鏈的抗干擾能力的技術和途徑，并且在信干比一定的情況下分析了無人機抗干擾的有效區域，為無人機數據鏈抗干擾的作戰使用提供參考。

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