飛行器目標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)抗干擾技術(shù)研究

郭 彤

(國防科技大學(xué)信息系統(tǒng)工程實驗室,長沙410073)

1 引 言

無人機、導(dǎo)彈等飛行器飛行過程中,為保證其安全飛行,飛行器需與后方指揮控制中心之間保持建立數(shù)據(jù)通信鏈路,用于傳輸飛行器的飛行位置、速度以及飛行姿態(tài)等遙測數(shù)據(jù),或傳輸指揮控制中心送給飛行器的遙控指令數(shù)據(jù),改變其飛行航跡和飛行姿態(tài),這種實現(xiàn)飛行器與指揮控制中心之間前返向信息傳輸?shù)臒o線電通信系統(tǒng)稱為飛行器目標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng),它為飛行器可靠安全飛行提供重要的技術(shù)保障。

隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展,無線電通信系統(tǒng)使用頻譜資源將越來越緊張,飛行器目標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)工作的電磁環(huán)境日益復(fù)雜,同時還會受到各種有意干擾和無意干擾,其飛行器目標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)的生存能力受到了較大挑戰(zhàn)。對于抗干擾能力較弱的目標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng),在干擾的工作環(huán)境中,將無法發(fā)揮對飛行器目標(biāo)的監(jiān)控作用,嚴(yán)重影響到飛行器的安全飛行。

研究飛行器目標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)抗干擾技術(shù),增加飛行器目標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)的抗干擾能力,將大大提高飛行器目標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性。

2 工作原理

飛行器目標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)是飛行器指揮控制中心利用飛行器與指揮控制中心之間構(gòu)建的信息通信鏈路,實現(xiàn)對飛行器的實時監(jiān)視和控制的無線電通信系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由指揮控制中心、飛行器以及兩者之間的通信鏈路組成,指揮控制中心利用信息在通信鏈路中的雙向傳輸,實現(xiàn)對飛行器目標(biāo)的監(jiān)視和控制功能。

目標(biāo)監(jiān)視是飛行器目標(biāo)將飛行器平臺的位置信息、姿態(tài)信息、飛行器載傳感器設(shè)備工作狀態(tài)以及傳感器獲取的信息數(shù)據(jù)等回傳到指揮控制中心,由指揮控制中心進(jìn)行實時解調(diào)與譯碼,實現(xiàn)飛行器飛行狀態(tài)的監(jiān)視過程;目標(biāo)控制是指揮控制中心通過信息傳輸通信鏈路將控制命令實時送到飛行器平臺,由飛行器載電子設(shè)備接收、解調(diào),并譯碼出控制指令,控制飛行器飛行狀態(tài)的過程。飛行器目標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)中,指揮控制中心和飛行器同時扮演著信源和信宿角色,目標(biāo)監(jiān)視時,飛行器作為信源,而指揮控制中心作為信宿;反之,目標(biāo)控制時,飛行器為信宿,指揮控制中心為信源。

飛行器目標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)采用電磁波信號作為信息媒介,將信息調(diào)制到信號載波上進(jìn)行無線傳輸。常用的信號體制是調(diào)相信號,信號的基本表達(dá)形式為

式中,A是電磁波信號峰值幅度,P(t)是偽隨機碼,d(t)是信息數(shù)據(jù),f0是電磁波信號的工作頻率,θ0是電磁波信號的初始相位。

從方程(1)可知,信息數(shù)據(jù)d(t)包含了飛行器目標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)傳輸?shù)奈恢眯畔?、姿態(tài)信息、飛行器載傳感器設(shè)備工作狀態(tài)、傳感器獲取的信息以及飛行器控制信息等數(shù)據(jù)。指揮控制中心或飛行器接收到攜帶信息的信號后,進(jìn)行數(shù)據(jù)解調(diào)處理,提取出對方傳輸信息數(shù)據(jù)d(t),實現(xiàn)目標(biāo)監(jiān)視或目標(biāo)控制功能。對傳輸信息進(jìn)行偽隨機碼P(t)調(diào)制,擴展了信息傳輸帶寬,增強了信號傳輸?shù)目垢蓴_能力,降低了信息被截獲概率,提高了信息傳輸?shù)谋Ｃ苄院桶踩浴?/p>

飛行器目標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理框圖如圖1所示。

圖1 飛行器目標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)工作原理框圖Fig.1 The working schematic of aircraft surveillance and monitoring system

由圖1可知,飛行器目標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)主要包括指揮控制中心和飛行器平臺,指揮控制中心由指揮決策終端、信息處理設(shè)備、數(shù)據(jù)顯示設(shè)備、發(fā)射設(shè)備和接收設(shè)備組成,飛行器平臺由飛行器載終端、傳感器以及執(zhí)行機構(gòu)組成。指揮控制中心與飛行器之間可通過多條信息傳輸鏈路,如可選擇天基、空基、陸基以及?；溌愤M(jìn)行相互通信,每條信息傳輸鏈路均可實現(xiàn)目標(biāo)的監(jiān)視與控制功能。

3 抗干擾技術(shù)分析

飛行器目標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)保障飛行器的安全飛行,主要通過指揮控制中心和飛行器平臺對傳輸信號的可靠接收,并正確解調(diào)出傳輸信息數(shù)據(jù),實時監(jiān)視和控制飛行器的飛行航跡。為適應(yīng)今后復(fù)雜電磁環(huán)境條件,飛行器目標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)需具備對各種有意和無意干擾的強抗干擾能力[1-2]。

通常,無線電通信系統(tǒng)主要采用時域、空域以及頻域抗干擾處理方法提高系統(tǒng)的抗干擾能力。時域抗干擾方法是系統(tǒng)工作時間避開干擾信號釋放時間,如跳時通信系統(tǒng)等;空域抗干擾方法是通過提高通信系統(tǒng)的空域隔離度,增強抗干擾能力,典型方法是使通信系統(tǒng)天線波束避開干擾信號波束,使干擾信號只能從通信系統(tǒng)天線波束副瓣進(jìn)入,如天線變極化通信系統(tǒng)、窄波束通信系統(tǒng)等[3];頻域抗干擾方法是系統(tǒng)工作頻率避開干擾信號頻率,或擴展通信系統(tǒng)工作帶寬,降低干擾信號的功率譜密度,如跳頻通信系統(tǒng)、擴頻通信系統(tǒng)、自適應(yīng)干擾置零通信系統(tǒng)等[4-5]。實際通信系統(tǒng)采用何種抗干擾方法,主要根據(jù)系統(tǒng)的工作體制、工作環(huán)境條件以及抗干擾方式等因素進(jìn)行選擇。

飛行器目標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)是指揮控制中心對飛行器進(jìn)行實時監(jiān)控,飛行器目標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)抗干擾水平體現(xiàn)為監(jiān)控鏈路通信信號的抗干擾容限、指揮控制中心和飛行器載終端抗干擾信號接收能力。考慮到系統(tǒng)信息實時傳輸和通信天線波束覆蓋特性,飛行器目標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)采用頻域抗干擾方法較適宜,頻域抗干擾方法中,比較簡單的是采用直接序列擴頻通信技術(shù),通過增大通信系統(tǒng)的工作帶寬,從而增加干擾信號實施大功率、大寬帶覆蓋的難度,擴頻信號的抗干擾容限與擴頻偽碼速度、信息速率有關(guān),其關(guān)系式表示為

式中,J是抗干擾容限,Rc是偽碼速率,Rb是信息速率,10lg(Rc/Rb)是擴頻信號處理增益,Ls是系統(tǒng)損耗,(S/N)out是解擴器輸出的最小信噪比。

由方程(2)知,利用高偽碼速率調(diào)制低信息速率信號時,可獲得較大的抗干擾容限。然而,隨著偽碼速率的提高,擴頻通信系統(tǒng)捕獲偽碼的技術(shù)難度增加。針對采用擴頻技術(shù)體制的飛行器目標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng),為提高飛行器目標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)的抗干擾能力,可采用基于偽碼組合的擴頻通信技術(shù)。偽碼組合就是采用多組速率較低的短偽碼,組合成高速率偽碼信號,用高速率偽碼調(diào)制信息數(shù)據(jù),能大大擴展傳輸信號帶寬,在接收機中采用低速率偽碼依次進(jìn)行解擴。采用n組偽碼速率均為Rc,偽碼長度為N,則通過偽碼組合后,偽碼周期保持不變?yōu)镹/Rc,而組合偽碼的碼速率為nRc,組合偽碼長度為nN。

采用 n組低速偽碼信號組合的擴頻通信系統(tǒng)的抗干擾容限可表示為

式中,Jn是n組偽碼組合信號的抗干擾容限,Rci(i=1,2,…,n)是第i個偽碼速率。

若高速率偽碼信號由 n組相同速率偽碼信號組合而成,則該擴頻通信系統(tǒng)的抗干擾容限為

由方程(4)可知,與傳統(tǒng)單偽碼調(diào)制方式的擴頻通信系統(tǒng)相比較,采用兩組偽碼組合的擴頻通信系統(tǒng)其抗干擾能力可提高3 dB,采用n組偽碼組合的擴頻通信系統(tǒng)其抗干擾能力可提高10lgn dB。

飛行器目標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)采用偽碼組合技術(shù),不僅可提高監(jiān)控系統(tǒng)的抗干擾能力,同時采用多組低速率偽碼組合,信號擴頻調(diào)制與解擴處理方法簡單,技術(shù)風(fēng)險較小。

4 仿真實驗

若擴頻通信系統(tǒng)接收機的解擴器輸出信噪比為8 dB,系統(tǒng)損耗為1 dB,則不同偽碼組合擴頻通信系統(tǒng)的抗干擾容限如表1所示。

表1 不同偽碼組合擴頻通信系統(tǒng)抗干擾容限Table 1 The anti-jamming performance of multi-coupled pseudo-random code system

對于偽碼擴頻體制的飛行器目標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng),其抗干擾能力主要與系統(tǒng)傳輸?shù)男畔⑺俾屎筒捎玫膫未a速率有關(guān)。采用相同速率偽碼調(diào)制不同速率信息,信息速率較低的系統(tǒng),其抗干擾能力強;采用不同速率偽碼調(diào)制同速率信息,偽碼速率高的系統(tǒng),其抗干擾能力強。因此,高抗干擾能力的飛行器目標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)選擇用高速率偽碼調(diào)制低速率信息。

針對傳輸不同速率信息,選擇偽碼速率為10.23Mchip/s的不同組合數(shù)量調(diào)制的飛行器目標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng),其抗干擾能力仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 偽碼組合的飛行器目標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)抗干擾能力Fig.2 The anti-jamming performance of coupled pseudo-random code system

從圖中可知,采用速率10.23 Mchip/s偽碼信號調(diào)制不同速率的信息,信息速率越低,系統(tǒng)獲得的抗干擾容限越大,且調(diào)制同樣信息速率,偽碼組合數(shù)量越多,系統(tǒng)抗干擾容限越大。

5 結(jié)束語

飛行器目標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)是指揮控制中心對飛行器進(jìn)行實時監(jiān)控的通信系統(tǒng),是飛行器安全飛行的技術(shù)保障。在日益復(fù)雜的電磁工作環(huán)境條件下,飛行器目標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)采用偽碼組合的擴頻技術(shù)體制,系統(tǒng)的抗干擾能力可得到較大提高。

[1]Milstein L B.Interference rejection techniques in spread spectrum communication[J].Proceedings of IEEE,1998,76(6):657-671.

[2]Dipietro R C.An FFT based technique for suppressing narrow-band interference in PN Spread Spectrum Communication Systems[C]//Proceedings of 1989IEEE International Conference on Acoustics,Speech,and Signal Processing.Glasgow:IEEE,1989:1360-1363.

[3]唐瑜,嚴(yán)梅,李樂民.自適應(yīng)波束形成器在CD MA系統(tǒng)中抗干擾技術(shù)的研究[J].電子學(xué)報,1999(4):120-122.T ANG Yu,YAN Mei,LI Le-min.Research of Adaptive Beam-Former for Interference Suppression in CDMA System[J].Acta Electronica Sinica,1999(4):120-122.(in Chinese)

[4]田日才.擴頻通信[M].北京:清華大學(xué)出版社,2007.TIAN Ri-cai.Spread Spectrum Communication[M].Beijing:Tsinghua University Press,2007.(in Chinese)