基于自適應跳頻的無人機抗干擾技術研究

黨 方，牛曉雷，劉江庭

(中國電子科技集團公司第二十研究所，陜西 西安 710068)

0 引 言

以科索沃戰爭為標志，戰爭方式已經徹底轉變為具備精準化、信息化和無人化等特點的現代戰爭，通過海陸空聯合精確打擊的方式實現零傷亡、低成本和高回報的戰略目的。近年來，無人機以其造價成本低廉、用途廣泛等特點，已成為典型的無人作戰設備，廣泛使用在反坦克、遠距離偵察、定點清除等作戰場景中。2020年9月，阿塞拜疆改變無人機原有的輔助和偵察定位，在納卡沖突中使用了大量無人機作為主戰飛機，不到一個月就摧毀了130多輛坦克、25個防空陣地和200多門火炮，使亞美尼亞成為世界上第一個被無人機打敗的國家。

1 無人機數據鏈

數據鏈通信是按照固定的數據格式和通信協議，具備保密、準確等特點，廣泛使用在軍事無線通信領域。隨著無人機在軍事領域中的快速發展，數據鏈也擔負著無人機平臺之間、無人機與指揮所之間的態勢共享、指揮命令等信息傳遞。在無人機數據鏈的功能性能更先進的同時，面臨的電磁環境也更加復雜，由于無人機所有的控制和攻擊都是通過數據鏈由指揮所的人員操控，一旦受到干擾會導致其不受控，極易被擊落甚至被敵方俘獲。現代戰爭對無人機數據鏈在可靠性、安全性和隱蔽性等方面提出了更高的要求[1]。

2 干擾源與對策分析

2.1 干擾源分析

戰場中存在多種干擾源，可分為自然干擾源和人為干擾源，戰場中自然干擾源對通信鏈路的影響遠不如人為干擾源，本文主要針對人為干擾源進行抗干擾研究。無人機在戰場上受到的主要人為干擾如圖1所示。

圖1 戰場干擾源分析

地面固定干擾源不可移動，但發射功率大，范圍廣，能夠起到很強的干擾作用。機載干擾源發射功率小，范圍窄，其優點是可以通過移動對特定的干擾目標進行持續干擾[2]。地面機動干擾源綜合固定干擾源和機載干擾源的優點，發射功率較大，范圍較廣，可以在地面移動；缺點是在地形復雜的環境下容易受限，且無法對高空目標進行干擾。

經分析發現，雖然干擾信號源不同，但干擾形式并不多，不同形式的干擾信號對應的干擾效果如表1所示。

表1 戰場無人機受到的主要干擾形式和干擾效果

2.2 對策分析

現有的抗干擾手段可分為兩大類——擴頻抗干擾技術和非擴頻抗干擾技術。擴頻抗干擾技術包括跳頻、擴頻、跳時、調頻以及組合形式的跳擴頻等混合技術[3]。非擴頻抗干擾技術包括糾錯編碼、功率控制技術等。

無人機在戰場中多以集群的形式出現，通信的同步時間尤為重要，跳頻技術相較于直擴技術同步時間短，同時抗干擾性能較強，更適合無人機使用。然而無人機由于體積限制，通信設備功率有限制，因此本文提出一種配合非擴頻抗干擾技術的自適應跳頻抗干擾方法，能夠根據環境對跳頻頻點、功率等進行自適應調整，滿足抗干擾需求的同時，減小功耗，提高無人機的續航時間[4]。

3 自適應跳頻技術

3.1 自適應跳頻技術原理

跳頻通信技術能夠依據事先約定的規則，在不同的通信頻點上變化，理論上跳頻速度越快，頻點選擇算法越復雜，通信鏈路的抗干擾能力越強。然而，在一定的時間內，可能由于干擾導致部分頻段不可選，此時該頻段部分調頻點為無意義頻點。若仍然采用此頻點通信，則會浪費時間資源和功耗。因此，需要通過某種規則讓通信鏈路以合適的頻點、功率和跳頻速率運行，使無人機能夠在每個時間點都以最佳的狀態進行通信，這就是自適應跳頻技術。

在原有的跳頻鏈路上增加頻譜分析功能，分析通信鏈路質量，能夠根據消息類型、信道質量、頻點受干擾情況等自適應選擇消息格式、頻點、跳速和發射功率，提高抗干擾性和隱蔽性[5]。原理如圖2所示。

圖2 無人機自適應跳頻技術原理框圖

3.2 自適應跳頻優化效果分析

通信誤碼率是衡量通信技術的重要指標，分析自適應技術在跳頻通信方式應用前后誤碼率，可以判斷其對跳頻抗干擾能力的優化程度。跳頻設置總頻點數為M個，因干擾等原因導致Mo個頻點不可用，則可用頻點的誤碼率為：

(1)

式中：Eb為頻點發射時的平均功率;No為高斯信道噪聲的功率，單位dB。

受干擾頻點的誤碼率為：

(2)

式中：Jo為跳頻信號的抗干擾能力，單位dB。

則僅使用跳頻方式的抗干擾技術誤碼率均數為：

(3)

采用自適應優化后跳頻抗干擾技術,理論誤碼率均數等于信道誤碼率，實際使用中誤碼率會有偏高。由于自適應技術并不能針對所有的干擾環境都起到非常好的優化效果，因此可以引入一個自適應因子β來表示自適應的優化能力[6]。自適應因子β的取值范圍0<β<1，則在受干擾頻點上誤碼率為：

(4)

3.3 應對寬帶阻塞式干擾仿真分析

對于跳頻通信來說，寬帶阻塞式干擾是一種廣泛存在且危害比較大的干擾形式，分析自適應跳頻通信在寬帶阻塞式干擾下的誤碼率，能夠判斷該抗干擾技術是否滿足戰場的復雜電磁環境。

寬帶阻塞式干擾和白噪聲比較相似，可將白噪聲作為干擾模型，模擬無人機所在的干擾電磁環境，在典型跳頻通信系統模型的基礎上進行簡化，保留對體制仿真有重要影響的部分，建立基于基帶仿真的物理模型，如圖3所示。

圖3 仿真物理模型

設置該模型中的參數，跳頻速度為1 000跳/s，帶寬1.5 MHz，頻率數64，信道間隔32 kHz，調制方式采用非相干多進制頻移鍵控(MFSK)，背景噪聲取經典值15.5 dB。仿真結果如圖4、圖5所示。

圖4 誤碼率-自適應因子-干信比變化圖

圖5 自適應因子對比

由圖4和圖5可以看出，采用自適應跳頻技術后，誤碼率顯著降低。在30%的頻點受到干擾、自適應因子β為0.7、外部干擾功率和信號發射功率一定的情況下，自適應優化可以使傳輸誤碼率降低50%。

4 結束語

在可以預見的未來，無人機還將更加深入地介入到地區沖突中，發揮越來越重要的作用，同時干擾技術和抗干擾技術也將繼續發展。除了無人機數據鏈自身的絕對抗干擾能力提升外，也可通過無固定中心節點集群等方式對無人機群硬抗毀方面進行研究，以在未來戰爭中更加復雜的電磁環境中增強無人機作戰群的綜合抗干擾能力。