HPM對無人機數據鏈干擾效應研究

高 暢，任遠楨，張厚強，蔡 強

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

0 引言

無人機由于良好的隱身性和出色的機動性，在現代戰場上起著重要作用。它具有規避雷達探測和穩定跟蹤的能力，從而縮短了反應時間，大大降低了被防空系統攔截的可能性。因此，更合適攔截無人機的方法正在進一步研究[1]。高功率微波(High Power Microwave，HPM)指頻率在100 MHz～30 GHz范圍內，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、發射成本低和多目標攻擊等特點，較傳統空防裝備有著不可比擬的優越性，主要用作超級干擾和近程防御等應用，是保證防空能力的重要環節[3-5]。

HPM的損傷威力和目標的易損性是判斷電磁干擾是否有效的2個重要指標，對無人機的影響主要表現為干擾、降級和損壞。干擾是指電磁輻射使電子系統工作發生異常；降級是指關鍵器件性能下降或非關鍵器件損壞；損傷是指系統內部發生燒毀或致命損壞。

研究者們對高能量電磁脈沖作用于無人機進行了數值計算及測試實驗的研究，文獻[6]通過UWB電磁脈沖輻照效應實驗，分析了無人機數據鏈失鎖效應的機理及防護方法；文獻[7]利用SIMULINK構建無人機通信系統模型，對電子系統的易損性進行論證分析；文獻[8]提出了差模定向注入等效替代強電磁脈沖輻射效應的實驗方法，對比實驗驗證了實驗室環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律波形，難以準確實現用注入試驗的方法進行等效研究；文獻[9-11]在電波暗室中對無人機機載數據鏈展開L，S，C波段的HPM輻射效應實驗，但實驗室環境下多為理想情況，未考慮實際應用中復雜電磁環境等多種隨機因素。為進一步探索HPM對無人機干擾效應行為的變化規律，本文構建某型無人機數據鏈系統行為級仿真模型，研究其敏感部位的電磁干擾效應，加入能量衰落及多種損耗影響，并開展HPM對抗無人機外場試驗，分析HPM對無人機數據鏈的干擾效應機理和行為變化規律。

本文討論了HPM對無人機電磁干擾機理分析；利用SIMULINK構建HPM對無人機數據鏈行為級模型；對仿真結果的數據鏈性能進行分析；對方法有效性進行試驗驗證，并提出了本文工作對工程應用的意義；最后給出了結論與展望。

1 無人機電磁干擾機理分析

HPM輻射經大氣傳輸至目標，一般要經歷“前門”或“后門”的耦合傳輸到達目標無人機內部器件上。“前門耦合”是指HPM通過天線和傳感器等與外界連通通道進入系統的耦合過程。“后門耦合”是指輻射通過無人機上的孔縫、焊縫和電纜接頭進入系統。無人機天線作為接收和發送信息的主要載體，在對抗過程中直接暴露于強電磁干擾環境中，它是干擾信號的入口，也最易受到干擾或破壞[12-13]。前門耦合干擾效應大多發生在射頻前端電路中，HPM進入天線后轉換成瞬態電流和瞬態電壓，沿射頻電纜注入無人機內部各系統電路，這種耦合方式直接作用于較為脆弱的部分，對設備產生巨大威脅并直接影響系統的易損部件。HPM進入無人機電子系統的耦合過程如圖1所示。

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

當確定HPM源的發射功率和天線增益時，到達無人機天線端的電磁能功率可由Friis傳輸方程得到，到達接收天線輸入端的干擾功率為[14]：

(1)

式中，Pt為微波源的發射功率；Pr為耦合到目標無人機天線內的功率；Gr為目標無人機天線的增益；Gt為HPM發射天線的增益；Le為傳輸損耗；λ為波長；R為目標天線距發射點的距離。

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。本文假設電磁波在傳播過程中僅考慮自由空間損耗，可得到達無人機接收天線輸入端的實際干擾功率。HPM耦合到某型無人機天線端功率如圖2所示，k為某具體數值。

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

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

不同型號的無人機內部電子系統結構有所差異，不同的制作工藝、條件和指標均會影響無人機的抗干擾能力。通常，軍用無人機還會增加電磁防護措施，比如抗干擾模塊和屏蔽電磁波技術，因此要給出某具體型號無人機的抗干擾閾值難度很大。根據多種電磁環境下無人機受到電磁干擾的概率統計，指出數據鏈系統[16-17]和GPS導航系統[18]是抗干擾能力較弱的2個部分，下文針對某偵查型無人機的數據鏈系統進行行為仿真分析。

2 數據鏈系統行為模型設計

行為仿真是把系統功能分為子模塊，考慮各模塊間輸入與輸出的對應關系即可，不需要獲取電路具體信息。無人機中數據鏈系統、GPS和指控系統等絕大多數設計都基于典型電路，但是內部的諸多模塊指標涉及商業及軍事信息，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”數字模塊，從而構建數據鏈行為模型，有效地描述無人機數據傳輸系統運行情況和變化特征。誤碼率是數據傳輸準確性最直觀的指標，因此，該模型通過誤碼率衡量無人機受電磁干擾后的行為狀態，仿真過程如圖3所示。

圖3 數據鏈系統行為模型仿真過程Fig.3 Simulation process of data link system behavior model

無人機地面基站發射數據傳輸信號經由信道到達機載數據接收端，HPM從天線波束的主瓣或副瓣耦合至無人機數據鏈系統中，對其性能產生干擾影響。以發射頻率2 GHz、半徑0.8 m的圓口徑天線為發射裝置的HPM源為例，在波束指向不偏轉情況下，其方向圖如圖4所示。

圖4 HPM源發射天線方向圖Fig.4 HPM transmitting antenna pattern

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

(2)

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

(3)

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

二是據以定案的證據都已經經過法定程序查證屬實，這突出的是證據本身的要求。該條件關注的是證據能力問題，配套的是我國刑事訴訟法“非法證據排除”規則。

(4)

(5)

無人機在無干擾情況下，耦合到機載數據接收端的信號功率Pj為：

(6)

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

(7)

式中，數據鏈自身噪聲系數為F。由于HPM是有一定占空比的脈沖式電磁干擾信號，在不產生脈沖期間，無人機數據解調器的信噪比為：

(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電磁干擾效應下的無人機數據鏈系統平均誤碼率為：

BER=(1-ρt)BERSNR+ρtBERSJR。

(9)

以某小型無人機為例構建其受HPM電磁干擾的行為仿真模型。機載天線為等效面積0.003 m2的全向天線，系統性能參數及指標如表1所示。

基于SIMULINK軟件構建的無人機數據鏈受HPM電磁干擾的行為仿真模型如圖5所示，主要由數據信息源、數據鏈發射系統、信道、數據鏈接收系統和HPM源5個部分組成。

表1 某型無人機數據鏈參數指標表

數據源采用多媒體音頻信號。數據鏈發射、接收系統可看作互為逆過程，采用抗干擾無線數據鏈路，將編解碼、調制解調和擴頻解擴等功能以模塊化形式構成。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算模型。HPM源模塊實現了微波能量以電信號形式進入無人機數據接收系統，產生電磁干擾效應，該模塊構建了可調節工作頻率、占空比等參數的HPM信號，并增加了遠距離能量衰落及多種損耗，以更貼近實際情況。HPM源模塊所產生的時域、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實際發射源等效輻射功率調節。

圖5 HPM對無人機數據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模塊產生的時域波形圖Fig.6 Time domain waveform generated by HPM module

圖7 HPM模塊產生的頻譜圖Fig.7 Spectrum generated by HPM module

3 結果分析

HPM源產生的電磁信號是時域上的窄脈沖干擾信號，對無人機數據鏈干擾的影響作用方式主要為功率壓制和數據阻塞，其干擾效果主要表現在飛行控制系統發生故障時，這時電磁能量是數據信號出現突發性錯誤或發送虛假控制命令所導致。發生干擾效應后，系統信噪比降低，導致數據鏈無法捕獲基站信號，同時正確解碼率降低，電子系統受到沖擊產生瞬態電流，影響無人機數據鏈的正常工作。

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，誤差矢量幅度(EVM)達到50%，通常EVM的最低要求為不超過17.5%，顯然此時不可能對原始信號進行正確解調。受到HPM輻照后，放大器或混頻器出現飽和現象，數據解調輸出噪聲增大，傳輸誤碼率增高，靈敏度下降，指控傳輸信息失真，進而發生數據鏈路中斷等效應。

(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%

設定HPM工作的重復頻率為100 Hz，脈沖寬度為100 ns，工作頻率為1.9 GHz，HPM源距離目標無人機5 km，保持各參數條件不變，通過調節干擾功率參數，可得到等效發射功率對數據鏈路性能的影響，如圖9所示，p為某數值。

圖9 HPM發射功率對無人機數據鏈性能影響Fig.9 Effect of HPM transmit power on UAV data link performance

在保持HPM等效發射功率、工作頻率和脈沖寬度等條件不變的情況下，通過改變HPM的重復頻率，可得到重復頻率對數據鏈性能影響，如圖10所示，重復頻率達到1 000 Hz時，誤碼率為0.078，此時數據傳輸受到嚴重影響。由此可見，提高HPM源發射功率和重復頻率，可加大對無人機的干擾效應。

圖10 HPM重頻對無人機數據鏈性能影響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，無人機數據鏈誤碼率開始緩慢增加，到達拐點后誤碼率迅速增加。這反映了該型號無人機具有一定的抗干擾能力，但外界HPM干擾強度超過某一臨界值時，無人機的性能會發生斷崖式下降。

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 方法有效性試驗驗證

HPM往往協同多種設備聯合運用，存在復雜電磁空間環境等隨機因素。電磁能量由前門、后門同時進入無人機內部各系統，實驗室中常進行的注入等效實驗和輻射等效實驗通常是對無人機電子器件或分系統進行測試，可分析研究部分電子系統性能的變化規律，不能代替HPM實際場景下的無人機干擾效應。因此，為驗證HPM實況下的干擾效能，還需進行HPM對抗無人機的外場輻射試驗，并將試驗結果與仿真結果比對，校正完善后形成固化模型，得到符合復雜電磁環境下的最佳干擾效應方法。

將HPM對抗無人機外場試驗中的指標參數輸入至圖5的干擾效應行為仿真模型中。HPM對抗某小型無人機輻照試驗結果與行為模型仿真對照表如表2所示(E1為某具體數值)。

表2 某型無人機模型仿真與實驗結果對照表

由表2可以看出，仿真誤碼率小于0.001時，輻照試驗中無人機飛行姿態無異常；誤碼率達到0.01時，試驗中地面站可正常接收無人機飛行信息，但機載端無法執行地面站指令；當試驗中地面站無法接收飛行信息，無人機發生偏航且無法執行地面站指令時，此時HPM源各參數得到的仿真誤碼率為0.018；繼續增大HPM輻射功率至無人機墜毀，各參數得到的模型誤碼率為0.1。輻射試驗中行為仿真模型計算的誤碼率與輻照試驗中無人機受干擾影響的行為結果有一定相關性，該模型可較好地描述無人機受干擾效應的行為變化規律。

由于HPM輻射試驗本身費用很高，且無人機干擾測試需要大量效應物，減少實驗樣本可大幅提升效費比。HPM對無人機數據鏈行為級模型通過調節軟件模塊，可對HPM源的等效發射功率、發射頻率、脈沖寬度、占空比、作用距離、目標天線接收增益和抗干擾閾值等多種參數進行設置。在工程應用中可利用該模型預估指標要素，達到精準設計參數、提高決策效率的目的。該方法實施簡單、數據獲取方便，可根據仿真計算，確定能量參數、作用距離等關鍵要素，制定試驗設計方案，從而達到降低試驗樣本、減少無人機飛行航次及效應物的目的。

5 結束語

隨著無人機技術的應用普及，利用無人機對重要設施、場所實施偵查竊密、干擾襲擊的風險也與日俱增。HPM擁有傳統防空裝置不具有的優勢，是對抗來襲無人機的“殺手锏”。本文以某小型無人機為具體研究對象，對其數據鏈系統進行HPM干擾效應分析及仿真計算，論證了HPM對抗無人機的可行性和有效性。該方法具有一定的普遍性，可針對其他型號無人機改變各模塊參數進行研究，還可推廣應用于其他電子設備的電磁干擾研究。后續可將仿真模型與輻照試驗進一步校正完善，形成固化模型，為HPM對無人機干擾效能評估的現實需求提供關鍵技術支撐，同時為提高能量效益提供重要依據。