無人機角跟蹤系統抗干擾性能分析

盛懷潔，廖明飛

(合肥電子工程學院，安徽合肥230037)

0 引言

無人機角跟蹤系統是無人機視距測控鏈路正常工作的關鍵系統，也是無人機測控系統抗干擾的薄弱環節。目前，往往將遙測遙控的抗干擾性能［1－5］等價為無人機測控系統的抗干擾性能，而忽略角跟蹤這一關鍵環節。如何構建無人機角跟蹤系統抗干擾性能指標，準確地衡量角跟蹤系統的抗干擾性，是無人機系統電子防護急需研究和解決的問題之一。

通過分析無人機角跟蹤系統的體制和干擾響應，構建了系統抗干擾性能指標，提出了系統抗干擾性能分析方法，在無人機角跟蹤系統抗干擾性能分析方面做出了有益探索。

1 無人機角跟蹤系統體制與干擾響應分析

根據角跟蹤系統在角誤差形成與提取方式上的不同，目前常用無人機角跟蹤體制為相位干涉儀和單脈沖 2 種［6，7］。

相位干涉儀體制［7］自跟蹤接收系統的工作過程是:利用分開一定距離的成對天線，接收飛行器的下行信號，通過處理提取2路信號的高頻相位差，得到與目標偏離天線等信號軸的量值和方向有關的誤差電壓，再經轉換后控制伺服，驅動天線始終自動對準目標。

單脈沖體制［7］自跟蹤接收系統的工作過程是:利用波束部分重疊的成對波束或空間分立的兩平行波束接收飛行器下行信號，通過提取和比較兩波束形成的信號振幅關系或相位關系，得到與目標偏離天線等信號軸的量值和方向有關的誤差電壓，以此電壓適當變換得到伺服系統的控制電壓，控制伺服使天線自動對準目標。與相位干涉儀角跟蹤系統相比，單通道的單脈沖系統在系統結構組成上相對簡單，這也是單通道的單脈沖系統在當前無人機角跟蹤系統中得到大量運用的重要原因。

無人機角跟蹤系統的相位干涉儀體制和單脈沖體制均屬于“同時波瓣”原理測角跟蹤的范疇，2種體制的跟蹤測角均是幾乎同時接收兩信號，通過比較而得出角誤差，理論上獲得角誤差信息的時間可以很短。“同時波瓣”原理決定:干擾進入系統后，可以和跟蹤信號一樣，經天線接收后形成與干擾源方向有關的偏角信息，而角跟蹤系統不具有識別此偏角信息的能力。因此，分析干擾對無人機角跟蹤系統的影響時，不能僅僅將干擾的效果視為對跟蹤誤差提取過程信噪比的降低［8，9］。定性分析可知，利用了“同時波瓣”原理的無人機角跟蹤系統，對干擾的響應可分為2種:

①干擾與跟蹤信號同時進入角跟蹤系統，在系統提取角誤差前，干擾信號相對于天線指向的偏角信息沒有畸變，經過跟蹤接收機提取的誤差電壓同時包含跟蹤信號和干擾信號的偏角信息，誤差電壓所對應的偏角為兩者偏角信息與各自功率的加權合成，干擾使系統對合成信號方向形成穩定跟蹤，干擾效果是使角跟蹤系統的跟蹤指向背離，此時的干擾可定義為對無人機角跟蹤系統的誘偏干擾;

②干擾與跟蹤信號同時進入系統，在系統提取角誤差前，干擾信號相對于天線指向的偏角信息發生畸變，經過跟蹤接收機提取的誤差電壓在均值上僅與跟蹤信號偏角信息有關，方差與干信比有關，此時的輸出誤差電壓控制伺服系統，將引起天線跟蹤角度的抖動，干擾對無人機角跟蹤系統的干擾效果是使角跟蹤系統的跟蹤精度下降，此時的干擾可定義為對無人機角跟蹤系統的抖動干擾。

據上所述，認為干擾信號在角跟蹤系統處理過程中能否保持其偏角信息是干擾響應類型的判定條件。當干擾信號經過角跟蹤系統的處理保持了其偏角信息時，為誘偏干擾;反之，為抖動干擾。系統抗干擾性能指標的構建可以以干擾響應的分類為依據，建立適應性指標，以達到準確分析、全面衡量系統抗干擾性能的目的。

2 無人機角跟蹤系統抗干擾性能構建

從對無人機角跟蹤系統干擾響應的分析可知，誘偏干擾和抖動干擾這2種干擾響應在形成機理上存在差異，難以用1個或多個通用指標衡量其抗干擾性能。針對不同干擾響應，分別建立了內部噪聲信噪比處理增益GN、誘偏干擾功率壓制系數Ka、抖動干擾功率壓制系數Kj和抖動干擾信噪比處理增益KG4個抗干擾性能指標，用于衡量無人機角跟蹤系統固有抗干擾特性［10］以及系統在2種干擾響應類型下的抗干擾性能［11］。

2.1 內部噪聲信噪比處理增益GN

如果將無人機角跟蹤系統的內部噪聲等效為其一中頻輸入端的一個噪聲項，則系統鑒相器輸入端的信噪比將與系統一中頻輸入端信噪比、系統結構組成和信號處理方法相關。兩信噪比的比值可以一定程度地描述系統固有的抗干擾性能。

內部噪聲信噪比處理增益GN的定義為:將無人機角跟蹤系統的內部噪聲等效到其一中頻的輸入端時，系統誤差電壓鑒相輸入信噪比SNRo與一中頻信噪比SNRi1的比值。其表達式為:

式中，SNRi1為角跟蹤系統一中頻信噪比;SNRo為系統誤差電壓鑒相器輸入信噪比。

內部噪聲信噪比處理增益GN的計算方法為:將系統的內部噪聲等效至系統的一中頻，作為總噪聲項輸入系統，推導建立等效到一中頻的內部噪聲與跟蹤信號同時經過系統處理時，誤差電壓鑒相輸入信噪比SNRo與一中頻信噪比SNRi1和系統濾波帶寬等參數的關系模型，直接將兩信噪比相除即為系統的內部噪聲信噪比處理增益GN。

內部噪聲信噪比處理增益GN可以衡量不同角跟蹤系統的潛在抗干擾性能。GN值越大，說明系統內部結構和信號處理技術對跟蹤信號的篩選能力越好，對噪聲的抑制性能越強，當外部干擾效果為形成大功率內部噪聲時，系統更不易被該類型的干擾信號干擾，即要形成同樣干擾效果，該類型干擾信號對此系統付出的干擾功率比對其他系統要大，此系統的抗干擾性能更好。

2.2 誘偏干擾功率壓制系數Ka

當干擾信號經過角跟蹤系統處理后，仍然保持其相對跟蹤天線指向的偏角信息，跟蹤接收機輸出的誤差電壓所對應的偏角方向為干擾信號與跟蹤信號兩者功率、偏角加權合成的等效合成信號的偏角方向，此時所形成的干擾稱為誘偏干擾。誘偏干擾形成時角跟蹤系統將視干擾信號為另一個跟蹤信號。

誘偏干擾功率壓制系數［12］Ka的定義為:使跟蹤天線指向與目標方向產生給定的偏差ε0時，角跟蹤系統輸入干擾功率Pj與信號功率Ps的比值。其表達式為:

式中，θs為干擾進入系統時跟蹤天線指向與目標方向夾角;θj為干擾進入系統時跟蹤天線指向與干擾方向夾角;θ0為指定的干擾進入方向與跟蹤天線指向的夾角;θs'為角跟蹤系統穩定時跟蹤天線與目標方向夾角;ε0為給定的跟蹤天線指向與目標方向夾角。

式(2)的初始條件為:跟蹤天線指向與目標方向夾角θs=0，且與干擾源方向夾角為θj=θ0。

誘偏干擾功率壓制系數Ka的計算方法為:建立干擾信號與跟蹤信號同時進入無人機角跟蹤系統時，系統輸出誤差電壓 UΔ與系統輸入干信比Pj/Ps、跟蹤天線指向與干擾信號方向的夾角以及跟蹤天線指向與跟蹤信號方向的夾角的多維關系模型。令最終誤差電壓UΔ=0，得到天線最終指向與干信比Pj/Ps的二維關系，取跟蹤天線最終指向與目標的偏角的絕對值等于給定的跟蹤天線指向與目標方向夾角ε0，此時的系統輸入干信比Pj/Ps即為系統對該干擾的誘偏干擾功率壓制系數Ka。

誘偏干擾功率壓制系數Ka可以衡量某一角跟蹤系統對不同誘偏干擾源的抗干擾性能，Ka值越大，說明對該系統產生同樣誘偏干擾效果所需的干擾功率越大，系統對該干擾的抗干擾能力越強;反之，系統對該干擾的抗干擾能力越弱。

同樣，誘偏干擾功率壓制系數Ka還可以衡量不同角跟蹤系統的抗干擾性能。干擾信號相同的條件下，Ka值越大，說明跟蹤信號功率相同時對該系統產生同樣誘偏干擾效果所需的干擾功率越大，該系統的抗干擾能力越強;反之，該系統的抗干擾能力越弱。

2.3 抖動干擾功率壓制系數Kj

當干擾信號經過角跟蹤系統處理，其相對跟蹤天線指向的偏角信息發生畸變，跟蹤接收機輸出的誤差電壓在一定范圍波動，輸出誤差電壓的均值對應跟蹤信號相對跟蹤天線指向，方差對應與系統輸入干信比和干擾偏角有關，此時所形成的干擾稱為抖動干擾。抖動干擾形成時角跟蹤系統將視干擾信號為內部噪聲。

抖動干擾功率壓制系數［12］Kj的定義為:使角跟蹤系統達到給定跟蹤精度ξ0時，系統輸入干擾功率Pj與信號功率Ps的比值。其表達式為:

式中，θs為干擾進入系統時跟蹤天線指向與目標方向夾角;θj為干擾進入系統時跟蹤天線指向與干擾方向夾角;θ0為指定的干擾進入方向與跟蹤天線指向夾角;σ為受干擾后角跟蹤系統的跟蹤精度;ξ0為給定的角跟蹤系統跟蹤精度。

式(3)的初始條件為:跟蹤天線指向與目標方向夾角θs=0，且與干擾源方向夾角為θj=θ0。

抖動干擾功率壓制系數Kj的計算方法為:建立干擾信號與跟蹤信號同時進入無人機角跟蹤系統時，系統最終跟蹤精度σ與系統輸入干信比Pj/Ps、系統的濾波特性和伺服系統參數等的關系模型。取跟蹤精度σ達到給定值ξ0，此時的系統輸入干信比Pj/Ps即為系統對該干擾的壓制系數Kj。

抖動干擾功率壓制系數Kj可以衡量某一角跟蹤系統對不同抖動干擾源的抗干擾性能，Kj值越大，說明對該系統產生同樣抖動干擾效果所需的干擾功率越大，系統對該干擾的抗干擾能力越強;反之，系統對該干擾的抗干擾能力越弱。

同樣，抖動干擾功率壓制系數Kj還可以衡量不同角跟蹤系統的抗干擾性能。干擾信號相同的條件下，Kj值越大，說明跟蹤信號功率相同時對該系統產生同樣抖動干擾效果所需的干擾功率越大，該系統的抗干擾能力越強;反之，該系統的抗干擾能力越弱。

2.4 抖動干擾信噪比處理增益KG

此指標為抖動干擾功率壓制系數Kj的簡化。在伺服系統參數固定的條件下，當角跟蹤系統誤差電壓鑒相器的輸入信噪比小于內部噪聲所對應的信噪比時，跟蹤精度與誤差電壓鑒相器輸入信噪比成正比關系。所以，只要推導系統輸入信噪比(信干比)與誤差電壓鑒相器的鑒相輸入信噪比的關系，即可描述此種抖動干擾效果的系統抗干擾性能。

抖動干擾信噪比處理增益KG的定義為:無人機角跟蹤系統誤差電壓鑒相輸入信噪比SNRo與系統輸入信噪比SNRi的比值:

式中，θs為干擾進入系統時跟蹤天線指向與目標方向夾角;θj為干擾進入系統時跟蹤天線指向與干擾方向夾角;θ0為指定的干擾進入方向與跟蹤天線指向夾角;SNRi為角跟蹤系統輸入信噪比(信干比);SNRo為系統誤差電壓鑒相器輸入信噪比。

式(4)的初始條件為:跟蹤天線指向與目標方向夾角θs=0，且與干擾源方向夾角為θj=θ0。

抖動干擾信噪比處理增益KG的計算方法為:建立干擾信號與跟蹤信號同時進入系統時的誤差電壓鑒相輸入信噪比SNRo與系統輸入信噪比SNRi和系統濾波帶寬等參數的關系模型，直接將兩信噪比相除即為系統對該干擾的抖動干擾信噪比處理增益KG。

抖動干擾信噪比處理增益KG可以衡量某一角跟蹤系統對不同抖動干擾源的抗干擾性能，KG值越大，說明對該系統產生同樣抖動干擾效果所需的干擾功率越大，系統對該干擾的抗干擾能力越強;反之，系統對該干擾的抗干擾能力越弱。

同樣，抖動干擾信噪比處理增益KG還可以衡量不同角跟蹤系統的抗干擾性能。在干擾信號相同的條件下，KG值越大，說明跟蹤信號功率相同時對該系統產生同樣抖動干擾效果所需的干擾功率越大，該系統的抗干擾能力越強;反之，該系統的抗干擾能力越弱。因為此指標的建立沒有將伺服系統包括其中，則此衡量的前提條件為各角跟蹤系統的伺服系統性能相同。

上述指標的建立，為無人機角跟蹤系統抗干擾性能的衡量提供了量化標準。

3 無人機角跟蹤系統抗干擾性能分析方法

分析無人機角跟蹤系統的抗干擾性能，首先構建角跟蹤系統模型。不同體制下不同跟蹤信號所對應的角跟蹤系統模型包括:相位干涉儀窄帶信號角跟蹤系統模型、相位干涉儀寬帶信號角跟蹤系統模型以及單脈沖窄帶信號角跟蹤系統模型、單脈沖寬帶信號角跟蹤系統模型和單脈沖擴頻信號角跟蹤系統模型。對每一個系統，遵行下面的分析流程，如圖1所示。

圖1 無人機角跟蹤系統抗干擾性能分析流程

天線抗干擾特性。主要分析跟蹤天線的空域特性和頻率特性，說明裝配該天線的無人機角跟蹤系統在天線接收部分對干擾所具備的抗干擾性能。用天線的方向圖函數F(θ)定量表示系統天線的抗干擾性能。天線抗干擾特性的分析，也是分析各類干擾進入角跟蹤系統時系統抗干擾性能的重要組成部分。

潛在抗干擾性能。系統對內部噪聲的處理增益，體現系統潛在的抗干擾性能。系統對內部噪聲的處理增益越高，則系統的跟蹤接收靈敏度越高，系統潛在的抗干擾性能也越強。無人機角跟蹤系統的內部噪聲信噪比處理增益GN，是獨立于各類干擾形式的重要的抗干擾性能組成部分。將內部噪聲信噪比處理增益的指標值定義為系統的抗內部噪聲性能。當干擾對無人機角跟蹤系統的干擾效果為抖動干擾時，系統對干擾的抗干擾性能分析可以直接利用系統對內部噪聲信噪比處理增益的結論。

對各類干擾信號的抗干擾性能。選擇噪聲調頻干擾和噪聲調幅干擾為典型的干擾樣式，針對各個角跟蹤系統，理論推導系統對干擾信號和跟蹤信號的處理過程，確定具體干擾對系統的干擾效果——誘偏干擾和抖動干擾。然后根據分析得出的2類干擾效果，分別選取對應的抗干擾性能指標。對于誘偏干擾，選取式(2)所確定的誘偏干擾功率壓制系數Ka;對于抖動干擾，選取式(3)所確定的抖動干擾功率壓制系數Kj。當系統的伺服參數系統條件下或者當衡量同一角跟蹤系統的抗干擾性能時，也可直接選取式(4)所確定的抖動干擾信噪比處理增益KG。通過指標的計算，最終定量分析無人機角跟蹤系統的抗干擾性能，并將系統對噪聲調頻干擾和噪聲調幅干擾的抗干擾性能拓展為系統抗寬帶干擾和抗窄帶干擾的性能。

通過以上步驟，得到系統的天線抗干擾特性、抗內部噪聲性能、抗寬帶干擾性能和抗窄帶干擾性能，就可以比較完整地描述無人機角跟蹤系統所具有的抗干擾性能。

4 結束語

在分析無人機角跟蹤系統的體制以及系統對干擾的干擾響應基礎上，構建了用于定量衡量無人機角跟蹤系統固有抗干擾性能、特定干擾樣式下抗干擾性能的4項抗干擾性能指標:內部噪聲信噪比處理增益、誘偏干擾功率壓制系數、抖動干擾功率壓制系數和抖動干擾信噪比處理增益，并提出了一種分析無人機角跟蹤系統抗干擾性能的方法，對無人機測控系統抗干擾性能的分析具有一定的價值。將指標進行綜合分析以研究系統整體抗干擾性能則是繼續討論和研究的問題。

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