无人机通信链路抗干扰手段探析

２００７年第４期　桂林航天工业高等专科学校学报　（总第４８期）　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＧＵＩＬＩＮ　ＣＯＬＬＥＧＥ　ＯＦ　ＡＥＲＯＳＰＡＣＥ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　信息与电子工程　无人机通信链路抗干扰手段探析　徐靖涛　陆钰王金根　（解放军炮兵学院安徽合肥２３００３１）　摘　要论文系统阐述了在未来电磁环境下．无人机通信链路面临的各种干扰。针对干扰从遥测遥控和导航定位两方　面进行了技术层面的分析．给出了一种较新的自适应阵一扩频抗干扰系统．同时分析了利用中国自主研发的　北斗卫星系统进行导航的重要意义．文章最后给出了多种较为具体可行的抗干扰措施。　关键词无人机；抗干扰；自适应阵一扩频；北斗卫星系统　中图分类号：Ｖ２７９　’　文献标识码：Ａ　文章编号：１ｏ０９—１ｏ３３（２ｏ０７）ｏ４一ｏ０ｏ１一ｏ３　在现代战争中．各种军事技术对抗愈演愈烈．而作为电　从ＵＡＶ通信中继链路模型中我们可以看出无人机通　子对抗中重头戏的通信对抗也愈来愈广泛地应用于一些重　信链路主要包括：卫星与地面控制站、卫星与中继机、高空　要领域如；侦察和反侦察．导航（ＧＰＳ）对抗、遥控遥测对抗　中继平台与地面控制站、高空中继平台与中继机、中继机与　以及其他作战系统间的对抗。在可以预见的将来，各种类　任务机和任务机群内等几个通信链路。【　］　型的无人机会广泛运用于作战．而无人飞机的工作离不开　ＧＰＳ导航和无线遥测遥控系统，而ＧＰＳ导航和无线遥测遥　２无人机通信链路面临的干扰　控系统又离不开通信系统。所以研究无人机的通信抗干扰　由于无人机通信链路的各个环节都有大量的电子设备　手段对提高无人机的战场生存能力．有效提高战斗力具有　组成．这些设备将产生大量的电磁辐射。　举足轻重的作用。　地面站产生电磁辐射基于以下两个原因：（１）传统的　应答式测距要求地面站进行电磁辐射；（２）即便采用无源　１无人机通信链路模型　定位技术．定位时不再产生辐射．但在大多数场合．无人机　目前，国内外无人机发展的重点是中、远程任务机　在战场上执行任务过程中完全不进行地面遥控的战术机动　（ＵＡＶ），其超视距传输通常采用无人机中继和同步卫星中　是难以想象的．所以当发送遥控指令到无人机时．地面站必　继。对于中程ＵＡＶ，可采用无人机中继．即通信链路为任　定产生辐射。　务机（ＵＡＶ）一中继机一地面测控站。对于远程ＵＡＶ，可　对作战使用的无人机来说，要求它必须实时的传输侦　采用卫星、中继机、任务机分层的中继方式，即通信链路为　察图像、遥测数据及定位信息故无人机向地面站或中继机　任务机（ＵＡＶ）一中继机一卫星（或高空中继平台）一地面　的的电磁辐射也是不可避免的。鉴于此．在复杂的电子对　测控站。图１给出了一种基于分层结构的ＵＡＶ通信中继　抗环境中，无人机不可避免的面临着各种强电磁干扰，而这　链路模型。　些干扰主要包括以下两个方面：　２．１对遥测遥控信号的干扰　（１）远程超大功率多信道干扰技术。这种技术充分利　用空间功率合成技术、相控阵技术和智能天线技术，对通信　链路的关键节点（导航卫星、中继平台）进行强干扰。这种　技术不仅具备很宽的使用频段，更主要的是具备避免抵近　干扰危险性的突出优点。　（２）分布式干扰技术。分布式电子干扰是将众多的体　积小、重量轻、价格便宜的小型电子干扰机散布在阵地周　控制站　任务机　围，根据一定的控制程序，自动地对选定的军事电子设备进　行干扰。分布式干扰机散布在不同的地域、空域因而可以　图１　基于分层结构的ＵＡＶ通信中继链路模型　．作者简介：徐靖涛（１９８２～），男，汉族，解放军炮兵学院军事情报学专业研究生，主要研究方向：军事情报技术应　用．信息获取与信号处理。　１　维普资讯 http://www.cqvip.com ２００７年第４期　桂林航天工业高等专科学校学报　（总第４８期）ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＧＵＩＬＩＮ　ＣＯＬＬＥＧＥ　ＯＦ　ＡＥＲＯＳＰＡＣＥ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ徐靖涛陆钰王金根／文　形成多方向的干扰扇面，形成大区域的压制性干扰。当干　度讲，因为在大多数需要战术机动的场合，从开始遥控到完　扰方向数目大于或等于自适应调零天线阵的阵元数目时，　成机动的时间约为秒级，故遥控指令的速率约为ｌｋｂ／ｓ量　自适应调零控制失效，因此分布式干扰是一种高效率的干　级已足够使用。由于遥控指令码速率低，故机载遥控接收　扰。　２．２对ＧＰＳ导航系统的干扰　机的带宽可以做得很窄，从而具有较高的灵敏度。这样就　可采用减小地面遥控指令发射机的发射功率的措施来降低　ＧＰＳ卫星无线电导航信号，采用低信噪比的扩谱调制　电磁辐射。另外，在条件允许的情况下，还可通过降低天线　传输方式。ＧＰＳ军码信号编码周期很长，采用电子欺骗在　副瓣辐射、多站组网、诱骗站等雷达反辐射导弹技术降低地　目前情况下是比较困难的而产生功率足够大的干扰信号以　面站的截获概率。　抵消ＧＰＳ接收机的扩频增益是较易实现的。对无线电导　（２）自适应阵一扩频技术抗干扰系统。这里从技术层　航干扰，最常采用的是转发瞄准、宽带阻塞和离散拦阻式干　面给出一种采用自适应天线阵并结合扩频技术以提高无人　扰方法。对ＧＰＳ的干扰主要采用以下手段：　机通信抗干扰能力的方法。此无人机抗干扰系统主要由以　（１）信息干扰。通过发射大功率的电子、声、光等形式　下几个部分组成，如图２所示。　的杂波信号干扰导航信息的正确获取与使用：　①对ＧＰＳ的压制干扰和欺骗性干扰。这两种干扰是　对接收机威胁比较大的两种干扰方式。其中压制式干扰主　要是利用强干扰信号瞄准卫星信号载频使得卫星信号失　效，或者在载频附近以宽带均匀频谱的形式，施行干扰致使　进人接收机的混合信号达不到后续的载波跟踪环，以及码　跟踪环所要求的信号干扰噪声比（ＳＩＮＲ），从而导致接收机　无法正常工作。而欺骗式干扰则是在保证接收机工作的条　件下，让虚假的卫星信号以强于真实卫星信号的形式，优先　控制接收机的载波和码跟踪环，让接收机锁定错误的卫星　信号继而解算出虚假的导航数据。　．　图２无人机自适应阵一扩频抗干扰系统　中心处理　计算机　机数据信息　扩频　系统　自适　应阵　请求信息指令　①自适应阵处理部分。对于无人机情报传输系统，电　子干扰首先是从天线进人收信系统的，自适应阵处理系统　就是在天线内设置一道关卡，对输人的信号和干扰进行自　适应处理，抑制干扰，改善接收信号的信噪比；利用接收信　号的信息，可以估计接收信号的来向，自适应调整天线阵的　发射方向图，使之对准接收信号的主向，实现自适应天线阵　的发射。　②扩频通信部分。包括收发两部分，接收部分对自适　应阵输出的信号进行解扩、解调、解码等处理，同时提供自　适应阵所需的参考信号；发送部分对信号进行采集编码，然　后进行调制、扩频等处理，以得到所需的扩频发射信号。　③中心处理计算机部分。主要完成系统的自检、初始　化、监测、模式控制与转换等功能并处理各种情报信息，实　现信息交换和处理。　②使用组网技术进行干扰。这种方法主要是使用组　网技术搭建干扰网络对保证准确导航定位信息服务网络中　的任何环节进行有效的干扰，导致导航定位信息的畸变或　失效。　③对数据总线进行干扰。现代作战系统是通过数据　总线把导航定位系统、信息探测系统、通信系统、武器系统　和计算机网络系统连接在一起的，因此干扰数据总线也就　达到了破坏导航信息的安全性。　（２）信息源摧毁。通过摧毁导航信息源致使导航系统　瘫痪。如摧毁“罗兰一Ｃ”导航台，摧毁ＧＰＳ及ＧＬ（）ＮＡＳＳ　卫星或控制站点等。　３　无人机通信抗干扰措施　３．１遥测遥控信号的抗干扰措施　扩频通信与常规通信相比具有很强的抗窄带干扰的能　力，但它的抗干扰增益取决于频域的扩展比。一旦干扰强　无线遥测遥控信号采用的抗干扰措施主要包括跳频、　度增强到一定程度之后，扩频系统则不能满足抗干扰的要　直接序列扩频、跳时、扩跳结合等。随着信号处理技术的发　求。目前国外已采用全景接收机来检测扩频信号，用相关　展，遥控遥测信号形式己变得非常复杂，它不仅采用了各种　分析法识别直接序列扩频信号中的扩频码，并正在进一步　抗干扰措施，而且对信源编码采用各种加密方式。在这种　提高跟踪干扰速度来对付跳频通信。所以在无人机情报传　情况下，反遥控方式己很难实现。因此，对现代遥测遥控信　输系统中采用扩频技术的同时考虑一种能抑制干扰的硬设　号的对抗，大都采用干扰破坏其信息传递的方法。针对上　备，不是被动的躲避干扰，而是在强干扰的环境中求生存，　述特点，我们可以从以下几方面增强无人机通信中遥控遥　自适应天线阵就是这样的设备。　测信号的抗干扰能力：　上述系统在扩频系统的前端先进行自适应阵处理，一　（１）减小地面遥控指令发射机的发射功率。从遥控角　方面可以利用其方向滤波的特点，对频域滤波是一个补充，　２　维普资讯 http://www.cqvip.com ２００７年第４期　桂林航天工业高等专科学校学报　（总第４８期）ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＧＵＩＬＩＮ　ＣＯＬＬＥＧＥ　ＯＦ　ＡＥＲＯＳＰＡＣＥ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ徐靖涛陆钰王金根／文　另一方面它的抑制强干扰的能力将充分发挥作用。当干扰　章制度控制是最有效的干扰控制方法，它对可能成为干扰　较弱时，将主要依靠扩频增益起作用。阵处理器的输出信　源的．发射波段做出限制。要处理偶然出现的干扰源，要在　噪比总是随着干扰的增大而下降的，但理论上它有一个下　系统级别上研究抗干扰策略　对远离ＧＰＳ的相同地点的　限，只要扩频增益可以弥补这个最低的信噪比，则两者相互　发射频带源，最有效的方法是对发射源进行屏蔽与滤波。　补充，无论对于强干扰或是弱干扰，利用各自的优点，都可　（３）采用导航卫星信息冗余技术。将ＧＰＳ和ＧＬＯ—　以达到对消干扰的目的，提高无人机通信链路的生存能力。　ＮＡＳＳ两个系统组合成双星定位。４８颗卫星分布在不同　由于扩频信号具有扩频码自我捕获的功能，这就能使参考　的轨道上，保证了在地球上任何地点、任何时刻、任何地理　信号的提取有了保障。此外，自适应天线阵接人后能方便　环境下的用户都会获得几何分布更好的定位星座，从而有　地锁定和跟踪编码的所需信号，并抑制干扰。　助于定位精度的提高和连续定位的实现。同时使用两个独　（３）改进无人机操控手段，确保通信链路畅通。从无　立的定位系统，当其中的一个系统人为采取了故意降低定　人机通信系统在现代电磁环境中面临的威胁，我们主要针　位精度的干扰措施时，用户仍然能获取有效的导航定位信　对反辐射武器（以反辐射导弹为例）给出一些切实可行的操　息。　控措施：　当然，为了保证导航定位信息的安全性，还可以使用国　首先，对无人机采用发射控制技术，即使发射停止时间　际海事卫星ＬＮＭＡＲＡＴ或者其他特殊用途的导航卫星。　大于工作时间几倍，就可使反辐射导弹得不到足够的数据　（４）采用ＧＰＳ／惯导综合导航系统。ＧＰＳ／惯导综合导　难以保持实时高精度跟踪，而且从侦察角度讲，只要正确选　航系统可以把两种系统的导航信息特性互补，使综合后的　择无人机向地面站发送侦察图像及数据的时间占空比（即　导航定位信息完整性好、精度高。它可以提供适当的屏蔽　发射停止与工作时间比），摄像机视角及飞行速度，并在地　而不需要专用安全数据总线或其他保密手段，即可将ＧＰＳ　面站对侦察图像、航迹点进行存储，就可保证对目标区域的　的伪距和伪距率数据与原始的惯性测量数据直接综合。并　覆盖而不出现空隙。［。］　使其能在一个具有高强度干扰和信号对抗的环境中完成规　其次，由于反辐射导弹弹体直径一般为２０—４０ｃｍ，最　定任务。当ＧＰＳ导航信息无法使用时，惯性导航系统可以　大不超过ｌｍ，因而无法安装大口径天线，工作频段难以覆　保证导航定位信息的完整性。ＧＰＳ接收机在载体作高动　盖甚高频以下频段。因此尽可能将无人机发射侦察图像及　态运动时常常不易捕获和跟踪信号，甚至产生一整周跳变　数据的载频选在甚高频以下频段，使得反辐射导弹难以实　现象，利用组合导航较好地解决了这一问题［３］。　现精确跟踪。　（５）采用惯性／天文／ＧＰＳ综合导航系统。由于天文导　另外，可在地面站上设置遥控开关功能，当无人机在敌　航系统的发展，星体提供了不被干扰的精确导航定位基准，　方目标上空执行任务时，可选在适当时间关闭遥控发射机，　在ＧＰＳ导航信息长时间被干扰而无法使用时，综合导航定　使敌方的反辐射武器系统无法对地面站定位。并在上行遥　位系统仍能保证导航定位信息的完整性。　控指令中设置遥测开关指令，这样可在适当的时间关闭机　（６）采用惯导／ＧＮＳＳ／罗兰一Ｃ／航姿系统组合导航方　载遥测发射机（这种情况下无人机可按预先设置的航线飞　案。为保证飞行器的导航精度及可靠性，可采用惯导／　行），降低无人机的辐射以防止无人机被敌方反辐射武器系　ＧＮＳＳ／罗生一Ｃ／航姿系统组合导航　］。在组合导航系统　统跟踪。　中，自主导航系统以惯导系统为主，航姿系统作为备份系　３．２导航定位的抗干扰措施　统，由于ＧＮＳＳ的导航参数精度高于罗兰一Ｃ因此组合导　导航定位的防御是抵御敌方对导航系统的破坏，保证　航系统的外部观测量主要通过ＧＮＳＳ获得，罗兰一Ｃ作为　无人机能正确获取和使用导航信息，进行正确的导航定位。　备用设备。　本文主要从技术防御准备方面进行研究。　（７）采用中国自主研发的北斗卫星导航系统。北斗卫　（１）采用无源定位技术降低地面站的电磁辐射。为克　星是我国自行研发的卫星定位通信系统（ＣＮＳＳ），是继美国　服ＧＰＳ无源定位技术存在的受制于人、易受干扰等问题，　的ＧＰＳ、俄罗斯的ＧＬ（）ＮＡＳＳ之后，第三个趋于成熟的卫　可采用协作目标无源定位技术。采用这种方法，地面站不　星导航系统。随着北斗导航系统的不断完善，我们可能利　需任何辐射即可获得斜距、高度、和方位角，从而实现对无　用该系统改善导航定位的精度。“北斗”星座内的３颗卫星　人机（当机载摄像机镜头垂直安装时也就是对地面所摄目　也使中国具备了测量武器系统速度所有三个要素的能力，　标）的无源定位。由于这种无源定位方法完全是自主式的，　这不仅包括航迹上任何一点的速度，而且还能测量横向距　且定位时无人机上只用发射机而无接收机，故干扰对定位　离偏差，也就是说北斗系统在定位、速度控制、测量位置均　无影响。　具有重要的战略价值。随着２００８年北京奥运会采用北斗　（２）从ＲＦＬ源进行控制。这种方法采取截断干扰源　导航系统，它的实用性将得到显现。　从而达到抗干扰目的。对无线频率干扰（ＲＦＬ），严格的规　外界认为，二代北斗卫星的性能接近（下转第１４页）　３　维普资讯 http://www.cqvip.com ２００７年第４期　桂林航天工业高等专科学校学报　（总第４８期）　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＧＵＩＬＩＮ　ＣＯＬＬＥＧＥ　ＯＦ　ＡＥＲＯＳＰＡＣＥ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　潘丹青　潘矜矜／文　取Ｒ　一６０　ＫＱ，使Ｑ点较高，输入信号不变，输出波形明显　２　结束语　失真，此失真为饱和失真，其波形如图３（ｃ）所示。从图３　（ｃ）可以看出，输出信号的负半周失真，即当输入信号为下　半周时，输出信号失真。　Ｖ　在教学中引入基于ＥＷＢ的仿真分析，可以方便地把　理论教学与实践教学相结合。本文设计的基本放大电路的　仿真分析在教学中取得了较好的教学效果，通过仿真教学　不仅使学生掌握了静态工作点的意义及作用，同时也让学　生认识到基本放大电路的动态参数与静态工作点的关系，　对本节的实验也有着重要的指导作用。　　ｌ　１　，｜　，　｝　｝。＼、　｜　ｆ＼　＼　；／厂’　｜　／　｜，，ｌｒ　Ｊ　ｌ　／　｛．／　，　ｌ　¨　ｆ。（ａ）输入信写　４６８．　Ｖ　（ｂ）Ｒ６１＝１２０　Ｋ　时输出电压　参考文献　３　＼　｝．　Ｖ　ｌ、、，　ｌ　ｌ　｜　｛　ｖ　［１］　朱力恒．电子技术仿真实验教程［Ｍ］．北京：电子工业　出版社，２００４．　Ｉ　ｊ　｝　．ｊ　｜．　饱和失真　［２］　霍亮生．电子技术基础［Ｍ］．北京：清华大学出版社，　２００６．　（ｃ）Ｒｂｌ＝３６０　Ｋｎ时输出电压　截止失真　（ｄ）Ｒｂｌ：６８Ｋｎ时输出电压　［３］　聂典．Ｍｕｌｔｉｓｉｍ　９计算机仿真在电子电路设计中的应　用［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００７．　（责任编辑李卫华）　图３输出信号仿真分析图　（上接第３页）ＧＰＳ，一旦部署完成，将撼动美国独霸全球卫　的修改即可获得阻塞器效果。　星导航市场的局面，并大幅提高我军的精准打击能力，这也　②接收机前端滤波器是ＧＰＳ防护干扰的第一线，为了　术。　必将给我国武器装备在制导方面带来前所未有的重大革　降低在一些频率上的干扰，提供系统鲁棒性，采用先进技　新。　（８）采用现代化的抗干扰措施。美国空军空间和导弹　系统中心（ＳＭＣ）的ＧＰＳ联合办公室列出了近３０种有助于　４　结束语　现代战争中电子对抗与反对抗贯穿于整个作战过程，　改进ＧＰＳ性能的技术。在卫星空间方面有：①新型的时间　源。如小功率原子钟；②提高信号功率发射。机载伪卫星　而对于在未来电子战中发挥突出作用的无人机，其作战效　技术、数字波束定向天线等。［５］　能的高低决定了作战区域的防空警戒系统、武器控制系统　（９）研制具有抗干扰能力的ＧＰＳ接收机系统。为了改　能否充分发挥作用。因此无人机的抗干扰能力已经成为衡　善环境上的容差，接收机特性上应注意两点：一是脉冲阻塞　量无人机性能的一个重要指标。这就要求我们必须加速发　系统；一是频带附近干扰的前端滤波器。以下是设计上的　展无人机抗干扰技术，研究新的抗干扰手段，提高无人机在　要求：　电磁环境下的生存能力。　①未来ＧＰＳ接收机均采用数字式，只需对软件作较小　参考文献　［１］　钱立志．现代无人机技术［Ｍ］．北京：中国人民解放军出版社，２０００．　［２］　汪卫华等．无人机作战运用工程学［Ｍ］．合肥：解放军炮兵学院出版社，２００３（１）．　［３］　刘建业，袁信．惯性组合导航系统的融合技术研究［Ｊ］．南京航空航天大学学报，１９９７（８）：６７—７４．　［４］　吴美平，胡小平．惯导／ＧＮＳＳ／罗兰一Ｃ／航姿系统组合导航方案［Ｊ］．中国惯性技术学报，２０００（９）：１２—１６．　［５］　周其焕．全球卫星导航系统的近期进展［Ｊ］．中国民航学院学报，２０００（４）：５３—５９．　（责任编辑李卫华）　１４