無人機遠程通信高密度集成電磁干擾抑制技術

摘" 要： 在高密度集成電磁干擾環境中，為增強無人機遠程通信的信息可靠性與有效性，文中研究無人機遠程通信高密度集成電磁干擾抑制技術。估算無人機遠程通信網絡中高密度集成電磁干擾信號能量，并通過自適應波束形成實現電磁干擾抑制。在入射信號動態變化時，自適應調節權重系數，形成高密度集成電磁干擾信號抑制波束，并引入基于相位補償的抗擾波束指向優化控制方法，來控制頻率跳變對電磁干擾信號抗擾波束指向的負面影響，優化電磁干擾抑制效果。測試結果顯示，使用此技術后，無人機遠程通信網絡的信息傳輸誤比特率從0.1降為0.02，信息可靠性與有效性得到了提升。

關鍵詞： 無人機； 遠程通信； 高密度集成； 電磁干擾抑制； 自適應波束形成； 相位補償； 波束指向

中圖分類號： TN911.7?34" " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼： A" " " " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2024）12?0096?05

High density integrated electromagnetic interference suppression technology for unmanned aerial vehicle remote communication

CHENG Jiamin， LI Ya， ZHU Guifu

（Kunming University of Science and Technology， Kunming 650500， China）

Abstract： In a high?density integrated electromagnetic interference environment， high?density integrated electromagnetic interference suppression technology for UAV （unmanned aerial vehicle） remote communication is studied to enhance the information reliability and effectiveness of UAV remote communication. The energy of high?density integrated electromagnetic interference signals in the UAV remote communication network is estimated， and the electromagnetic interference suppression is realized by means of the adaptive beamforming. The weight coefficient is adaptively adjusted to form a high?density integrated electromagnetic interference signal suppression beam when the incident signal is dynamically changing， and the phase compensation based optimization control method for anti?interference beam pointing is introduced to control the negative impact of frequency jump on electromagnetic interference signal anti?interference beam pointing and optimize the electromagnetic interference suppression effect. The testing results show that after the use of this technology， the information transmission error rate of the UAV remote communication network can reduce from 0.1 to 0.02， and the information reliability and effectiveness of UAV remote communication can be improved.

Keywords： UAV; remote communication; high density integration; electromagnetic interference suppression; adaptive beamforming; phase compensation; beam pointing

0" 引" 言

在高密度集成電磁環境下，無人機本身的通信信號可能會受到嚴重的干擾。一旦無人機遭遇電磁干擾[1?2]，可能會造成無人機檢測不到相應的指令而停止動作，或者接收到假冒指令而執行錯誤操作，也可能會出現動作間斷，造成無人機飛行方向或目標鎖定出現失誤，進而導致無人機收集信息的失真，或收集到的數據也無法傳回控制端，最終導致無法完成提前給無人機設定的任務。因此，為了降低高密度集成電磁環境對無人機的影響，需要提高無人機的抗干擾能力[3]。

蘭玉彬等對植保無人機抗電磁干擾問題進行專題探討，對無人機的飛行環境、電磁檢測與抗干擾方面都進行了研究[4]。雖研究內容停留于文字敘述，缺乏理論技術，但可作為所提無人機遠程通信高密度集成電磁干擾抑制技術研究的參考思路。趙敏等以試驗測試的方式分析某無人機數據鏈對電磁敏感度影響，并給出了智能化消除電磁干擾的建議[5]。

基于已有研究，本文提出一種新的無人機遠程通信高密度集成電磁干擾抑制方法。此方法主要利用自適應波束形成技術，抑制無人機遠程通信時高密度集成電磁干擾。經證實，本文技術適用于復雜的電磁干擾環境。

1" 遠程通信高密度集成電磁干擾抑制設計

1.1" 電磁干擾信號能量估算

無人機執行任務時，高密度集成電磁干擾端釋放電磁干擾信號后，會導致無人機遠程通信效果受損[6?8]。設定無人機通信環境中，信道數目是[N]個，[N]數值大于1；高密度集成電磁干擾端為[I]，[I]釋放的電磁干擾信號具有隨機性；干擾頻率范圍與無人機遠程通信的頻率范圍分別是[αi]、[αu]，設定[αi=αu]；傳輸帶寬是[cu]，則無人機信道集合的數目是：

[N=αucu] （1）

將各個信道設定一個帶通濾波器，對不同頻率信號進行濾波處理[9?10]，得到電磁干擾檢測結果分別為[K1]、[K2]、[K3]，公式如下：

[K1：" " xt=0K2：" " xt=rtK3：" " xt=Nrt+it] （2）

式中：[xt]、[rt]分別代表無人機遠程通信目前信號、有效信號；[it]代表電磁干擾信號。

利用寬帶頻譜感知技術中能量檢測方法識別電磁干擾信號。設定各個信道的電磁干擾信號能量是[Ex]，如果[Ex]大于門限值[γ]，便認為目前無人機遠程通信環境中存在電磁干擾[11?13]，則處于[K3]模式；反之，處于[K1]與[K2]模式。

此時，計算無人機遠程通信時各個頻率的信號功率[qm]，得到[Ex]。

[Ex=m=1Nqm2] （3）

1.2" 基于自適應波束形成的電磁干擾抑制

由于電磁干擾信號通常具有復雜的特性和變化的動態性，準確估算其能量可能會受到信號衰減、噪聲干擾、頻率偏移等因素的影響。

上述因素導致對電磁干擾信號能量的估算存在一定的誤差。自適應波束形成方法是目前電磁干擾的常用技術之一。此技術可以在保證期望方向、通信信號被準確有效接收的基礎上，抑制干擾信號的影響；還可調節權重系數，控制波束指向衛星信號。因此，依據電磁干擾信號能量估算結果，設計圖1所示的基于自適應波束形成的電磁干擾抑制的技術模型。

如圖1所示，模型結構包括天線陣列、模擬下變頻單元、模/數轉換單元、數字下變頻單元、波束形成單元以及衛星通信接收機。

信號傳輸至每個天線陣列后，由模擬下變頻單元將其轉換成中頻信號，再由模/數轉換單元將中頻信號轉換成數字信號。

數字下變頻單元將數字信號轉換成基帶信號，由自適應波束形成技術抑制干擾信號后發送至信號接收機。

圖1中繪制的衛星信號源數量是1顆，在現實應用中，無人機遠程通信時，至少要與4顆衛星通信才可實現高效信息傳輸。所以，必須合理設定多組權重，分析多個期望方向信號的陣列響應。

自適應波束形成技術可通過多個接收天線接收信號，調節各通道加權系數后，控制通信信號發送至特定方向，實現高密度集成電磁干擾抑制。調節加權系數能夠控制信源A發送的通信信號，經加權處理后得以加強，信源B發送的高密度集成電磁干擾信號得以抑制。若存在多組加權系數，便需控制波束指向多個特定方向。

設定[t]時刻無人機遠程通信空間存在[Z]個高密度集成電磁干擾信號[iZt]，電磁干擾信號的波達方向為[μj]，其中，[j=1，2，…，Z]，[μj]非已知；期望信號為[irt]，[irt]的波達方向為[μr]，[μr]已知。若最優波束形成的加權系數是[?]，輸出的抗擾通信信號是[ot=?xt]，則陣列輸出的功率均值為：

[q?=?ExotL] （4）

式中[L]代表輸入信號的協方差。為保證從[μj]發出的期望信號被無人機準確接收，設定最優波束形成的加權系數[?]的約束條件為：

[?bμj=1] （5）

式中[bμj]代表陣列在[μj]方向的陣列響應值。

為保證輸出的通信信號受電磁干擾的影響最小化，最優波束形成的權重約束條件還有：

[min ω=q?L] （6）

求導式（6），設定偏導數是0，此時最優權重是：

[?o=-?L-1bμj] （7）

式中[?]代表比例常數。將式（7）兩側均與[bμj]相乘，則基于自適應波束形成的電磁干擾抑制結果為：

[η=minω?o] （8）

根據式（8），在無人機遠程通信環境中，當期望信號陣列響應值已知后，便能夠建立一組加權系數，實現電磁干擾信號抑制。

1.3" 基于相位補償的抗擾波束指向優化控制方法

為避免頻率跳變影響抗擾自適應波束指向方向，導致電磁干擾抑制效果失效，使用相位補償算法對其進行優化控制。

設定目前的通信頻率是[grw]，上個頻點的通信頻率是[grw-1]，自適應權重是[?w-1]，則設定無人機遠程通信頻點[w]的初始權重為：

[?e=ηgrw-grw-1?w-1Ω] （9）

式中[Ω]是權重預置。則各次頻率跳變后期望信號的入射結果是：

[φw=e?eΔΓW，X+ΔΓW，Y·aφw-1] （10）

式中：[e?]代表無人機遠程通信頻點相移的誤差函數；[ΔΓW，X]、[ΔΓW，Y]分別代表無人機遠程通信頻點[W]在橫向[X]、縱向[Y]的預置補償相移；[a]代表無人機遠程通信頻點相移的跳變次數；[φw-1]表示上個頻點頻率跳變后期望信號的入射結果。

無人機遠程通信期望信號經過電磁干擾抑制后的方向增益為：

[Fw=φwFw-1] （11）

此時預置相位處理后方向增益[Fw]和上一頻點期望信號的方向增益[Fw-1]一致，波束指向在頻率跳變時也不會出現變化，從而保證了電磁干擾抑制效果。

2" 實驗分析

2.1" 實驗設計

為測試本文技術的使用效果，構建無人機遠程通信高密度集成電磁干擾的模擬環境，詳情如圖2所示。

在無人機遠程通信高密度集成電磁干擾模擬環境中，使用電磁干擾器發射高密度集成電磁干擾信號。在衛星通信信源產生器對無人機接收器發射通信信息時，此信號會對通信信號產生負面影響。

設置無人機陣元是[N=20]的均勻線陣，期望目標信號來波方向是0°，此時出現2個高密度集成電磁干擾信號，其來波方向依次是-25°與25°。高密度集成電磁干擾下，無人機遠程通信的跳頻速度是1 500跳/s，帶寬與頻率數分別是2.0 MHz、65。

2.2" 本文技術應用效果分析

本文技術使用后，無人機遠程通信網絡的自適應波束形成抗副瓣干擾方向圖如圖3所示。

分析圖3可知，本文技術使用后，期望信號方向（目標方向）位置的陣列增益為最大值，副瓣兩個電磁干擾方向都出現零陷狀態，高密度集成電磁干擾信號方向增益處于最小值-50 dB，說明此時目標信號回波增強，電磁干擾信號得到有效抑制。表明本文技術對天線旁瓣發出的高密度集成電磁干擾具有較好的抑制作用。

設定期望信號平均角度偏差絕對值[μr]與電磁干擾信號平均角度偏差絕對值[μj]的計算方法是：

[μr=j=1N0μj0-μj0N0] （12）

[μj=j=1Njμjj-μjjNj] （13）

式中：[N0]、[Nj]分別代表期望信號與電磁干擾信號數量；[μj0]、[μj0]分別代表本文技術使用前后期望信號到達角度；[μjj]、[μjj]分別代表本文技術使用前后電磁干擾信號到達角度。

本文技術使用前后，在高密度集成電磁干擾下，無人機遠程通信時，期望信號入射角度的平均角度偏差絕對值[μr]、電磁干擾信號入射角度的平均角度偏差絕對值[μj]的測試結果如圖4、圖5所示。

分析圖4、圖5可知，本文技術使用后，高密度集成電磁干擾下無人機遠程通信時，期望信號和電磁干擾信號入射角度的平均角度偏差明顯降低，期望信號入射角度偏差最大值分別是1.6°、0.3°，電磁干擾信號入射角度偏差最大值分別是2.4°、0.2°。證明了本文技術能夠準確地在期望信號方向中自適應形成抗擾波束，在高密度集成電磁干擾信號方向中形成零陷，從而有效抑制高密度集成電磁的干擾。

測試本文技術使用前后無人機遠程通信的誤比特率變化，結果如圖6所示。

如圖6所示，使用本文技術前，無人機遠程通信時，受高密度集成電磁干擾，通信網絡的誤比特率達0.1，此時通信網絡不能滿足無人機遠程實時通信的需求。使用本文技術后，通信網絡的誤比特率最大值僅為0.02，誤比特率明顯降低，此時無人機遠程通信信息可正確傳輸。表明本文技術的使用可優化無人機遠程通信的信息傳輸性能。

3" 結" 論

本文研究了新的無人機遠程通信高密度集成電磁干擾抑制技術，主要成果如下。

1） 本文技術對天線旁瓣發出的高密度集成電磁干擾具有較好的抑制作用，可增強目標信號回波，抑制電磁干擾信號回波。

2） 本文技術使用后，在高密度集成電磁干擾下，無人機遠程通信時，期望信號、電磁干擾信號入射角度的平均角度偏差明顯降低。

3） 本文技術的使用可提高無人機遠程通信的信息傳輸性能，降低通信網絡的誤比特率。

注：本文通訊作者為朱貴富。

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