對(duì)無(wú)人機(jī)下行遙測(cè)鏈路干擾效能評(píng)估及仿真

謝宇迪，盛懷潔

（解放軍電子工程學(xué)院，安徽合肥 230037）

對(duì)無(wú)人機(jī)下行遙測(cè)鏈路干擾效能評(píng)估及仿真

謝宇迪，盛懷潔

（解放軍電子工程學(xué)院，安徽合肥 230037）

根據(jù)無(wú)人機(jī)下行遙測(cè)鏈路的抗干擾技術(shù)，詳細(xì)分析了無(wú)人機(jī)下行遙測(cè)鏈路的工作原理，提出了三種干擾方式。研究了寬帶噪聲干擾、單音干擾和脈沖干擾對(duì)無(wú)人機(jī)下行遙測(cè)鏈路干擾效能，給出了誤碼率計(jì)算模型。最后對(duì)三種干擾方式的干擾效能進(jìn)行了仿真和比較，仿真結(jié)果顯示在不同干信比的情況下，不同干擾方式的干擾效能也不相同。

無(wú)人機(jī)；遙測(cè)鏈路；干擾；效能評(píng)估

無(wú)人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)分為測(cè)控?cái)?shù)據(jù)鏈和指揮控制站，無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)侵笓]控制站完成對(duì)無(wú)人機(jī)的遙控、遙測(cè)、跟蹤定位及信息傳輸?shù)摹氨Ｕ湘湣?，也是無(wú)人機(jī)的“生命鏈”［1］。無(wú)人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中，視距鏈路是比超視距鏈路優(yōu)先級(jí)更高的鏈路，當(dāng)無(wú)人機(jī)與地面站的距離在視距范圍以內(nèi)時(shí)，上行和下行鏈路都將切入到視距鏈路上，因此干擾無(wú)人機(jī)視距數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)侵萍s無(wú)人機(jī)作戰(zhàn)效能的有效實(shí)用手段。在多數(shù)情況下，干擾無(wú)人機(jī)下行遙測(cè)鏈路比干擾上行遙控鏈路的危害更大［2］，會(huì)導(dǎo)致指揮控制站丟失實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，延誤戰(zhàn)機(jī)并影響作戰(zhàn)效能。

目前對(duì)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的干擾方法和策略開(kāi)展了廣泛研究，文獻(xiàn)［1］指出對(duì)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的干擾主要從無(wú)人機(jī)地面站、數(shù)據(jù)鏈和空中或衛(wèi)星中繼三個(gè)方面進(jìn)行闡述。文獻(xiàn)［3］通過(guò)分析通用數(shù)據(jù)鏈技術(shù)特點(diǎn)，分析了脈沖干擾對(duì)其前向鏈路的干擾效能和寬帶噪聲干擾對(duì)其返向鏈路的干擾效能。但上述文獻(xiàn)都沒(méi)有就現(xiàn)有的干擾方式對(duì)下行鏈路的干擾效能進(jìn)行定量比較，區(qū)分其優(yōu)劣。本文針對(duì)無(wú)人機(jī)下行遙測(cè)鏈路常用的抗干擾技術(shù)，研究了寬帶噪聲干擾、單音干擾和脈沖干擾對(duì)下行遙測(cè)鏈路的干擾效能并比較了三種干擾方式的優(yōu)劣。

1 無(wú)人機(jī)下行遙控鏈路干擾方式分析

1.1 無(wú)人機(jī)下行遙控鏈路的工作原理

無(wú)人機(jī)下行遙測(cè)鏈路通常擁有兩種模式：一種是窄帶模式，只用于傳輸飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)，另一種是寬帶模式，用于飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)和任務(wù)數(shù)據(jù)的復(fù)合傳輸，由于對(duì)高速數(shù)據(jù)傳輸采用擴(kuò)頻技術(shù)困難較大以及指揮控制優(yōu)先級(jí)問(wèn)題，任何模式的遙測(cè)鏈路一般都不采用擴(kuò)頻技術(shù)［4］。無(wú)人機(jī)飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)和任務(wù)數(shù)據(jù)，通過(guò)機(jī)載終端處理機(jī)進(jìn)行編碼加密、載波調(diào)制、上變頻后，生成射頻信號(hào)，再經(jīng)功率放大器后通過(guò)機(jī)載天線輻射至地面站；地面站將接收到的遙測(cè)信號(hào)經(jīng)下變頻后，再經(jīng)解調(diào)、解密譯碼后恢復(fù)出飛行狀態(tài)信息和任務(wù)信息。在無(wú)人機(jī)下行遙測(cè)鏈路中，加密是為了防止鏈路中的數(shù)據(jù)被敵方截獲，而具有抗干擾性能的技術(shù)包括編碼和載波調(diào)制。

編碼技術(shù)是一種對(duì)抗信道噪聲的有效方法，無(wú)人機(jī)下行遙測(cè)信號(hào)解調(diào)后將進(jìn)行譯碼，若解調(diào)后的誤碼率較小，經(jīng)譯碼后輸出的誤碼率比沒(méi)有編碼的誤碼率更低，這就體現(xiàn)出了編碼增益；若解調(diào)后的誤碼率超過(guò)臨界誤碼率，譯碼后誤碼率反而比有編碼的誤碼率更大，出現(xiàn)“錯(cuò)誤擴(kuò)散”。

在載波調(diào)制上，無(wú)人機(jī)下行遙測(cè)鏈路常采用偏移正交相移鍵控（OQPSK）調(diào)制方式。OQPSK是由QPSK發(fā)展而來(lái)，OQPSK是在QPSK基礎(chǔ)上將同相和正交兩路信號(hào)在時(shí)間上錯(cuò)開(kāi)半個(gè)符號(hào)周期Ts／2，消除了經(jīng)過(guò)原點(diǎn)的轉(zhuǎn)換，從而消除了失真。OQPSK調(diào)制信號(hào)的表示式為［5］

其中，In和Qn分別是正交調(diào)制I路和Q路的數(shù)據(jù)序列，g（t）為單個(gè)矩形脈沖，ωc為載波相位。

1.2 干擾方式分析

對(duì)于無(wú)人機(jī)下行遙測(cè)鏈路來(lái)講，其抗干擾技術(shù)是采用編碼技術(shù)和OQPSK調(diào)制，如果譯碼前的誤碼率達(dá)到約10-1數(shù)量級(jí)，就足以消除編碼增益，即遙測(cè)信號(hào)解調(diào)后的誤碼率達(dá)到10-1數(shù)量級(jí)，編碼將起不到抗干擾的作用。因此，干擾無(wú)人機(jī)下行遙測(cè)鏈路，核心是要干擾OQPSK調(diào)制的遙測(cè)信號(hào)，使解調(diào)后的誤碼率盡可能大。

本文對(duì)無(wú)人機(jī)下行遙測(cè)鏈路的干擾采用寬帶噪聲干擾、單音干擾和脈沖干擾三種干擾方式。寬帶噪聲干擾是指干擾噪聲的帶寬近似與目標(biāo)信號(hào)相同，也視作攔阻式干擾，可以提高地面站遙測(cè)接收機(jī)的背景（熱）噪聲電平，從而惡化其接收環(huán)境，影響遙測(cè)鏈路系統(tǒng)的正常工作。單音干擾是干擾信號(hào)在一個(gè)頻率上發(fā)射，當(dāng)干擾機(jī)總功率一定時(shí)，單音干擾的音調(diào)所獲得的功率更集中，將對(duì)接收機(jī)解調(diào)過(guò)程造成干擾。脈沖干擾是在一段時(shí)間內(nèi)發(fā)射寬帶噪聲功率而在其余時(shí)間內(nèi)處于關(guān)機(jī)狀態(tài)的干擾方式。若脈沖干擾信號(hào)和寬帶噪聲干擾信號(hào)具有相同的平均功率，而脈沖干擾信號(hào)工作時(shí)間短促，因此可以獲得很大的峰值功率，使接收機(jī)解調(diào)后發(fā)生突發(fā)性錯(cuò)誤。根據(jù)上述分析，本文將重點(diǎn)研究寬帶噪聲干擾、單音干擾和脈沖干擾對(duì)無(wú)人機(jī)下行遙測(cè)鏈路的干擾效能。

2 無(wú)人機(jī)下行遙測(cè)鏈路干擾效能建模

2.1 下行遙測(cè)鏈路中OQPSK信號(hào)在加性高斯白噪聲下的誤碼率模型

地面站遙測(cè)接收機(jī)所接收的信號(hào)為r（t），發(fā)射信號(hào)為s（t），則r（t）＝s（t）+n（t），其中n（t）為高斯白噪聲為白噪聲的功率譜密度，n（t）的概率密度函數(shù)為

在OQPSK星座圖中，對(duì)于第一象限的符號(hào)s0，如圖1所示，發(fā)射為s0時(shí)，接收信號(hào)r（t）的條件概率密度函數(shù)為

圖1 OQPSK星座誤判圖

其中，ES是符號(hào)能量，由于I信道噪聲和Q信道噪聲是相互獨(dú)立的，可以認(rèn)為r（t）實(shí)部和虛部是相互獨(dú)立的，則發(fā)射s0而被正確解碼的概率為：

所以可以得到s0被正確解碼的概率為

假設(shè)發(fā)射s0、s1、s2、s3是等概率的，那么i＝0，1，2，3，因此，一個(gè)符號(hào)被正確解碼的概率為

那么誤符號(hào)率（這里等于誤碼率）為

2.2 寬帶噪聲干擾下的干擾效能模型

寬帶噪聲干擾對(duì)OQPSK調(diào)制的遙測(cè)接收系統(tǒng)性能影響與只有加性高斯白噪聲時(shí)的性能一樣，因此，誤碼率為

其中，NT＝N0+J0，N0是熱噪聲的譜密度，J0是干擾噪聲的譜密度。將式（12）變換為功率比的形式，得到

其中，WF＝1／TS，PN＝WFN0是噪聲功率，R是OQPSK信號(hào)的功率，J是干擾噪聲的功率，進(jìn)而有

其中，SNR為信噪比，JSR為干信比。

2.3 單音干擾下的干擾效能模型

單音干擾的平均功率為J時(shí)，在第k個(gè)時(shí)間間隔中，干擾單音表示為［6］

其中，Ts是符號(hào)周期，θ是干擾單音與載波信號(hào)的相位偏移。OQPSK信號(hào)在單音干擾下I信道和Q信道的誤碼概率分別為：

將式（14）和（15）轉(zhuǎn)化為功率比的形式：

干擾單音與載波信號(hào)相位不相干時(shí)，θ在（0，2π）上均勻分布，那么OQPSK信號(hào)在單音干擾下的誤碼率表示為

2.4 脈沖干擾下的干擾效能模型

脈沖干擾在發(fā)射干擾信號(hào)的時(shí)間內(nèi)對(duì)OQPSK調(diào)制的遙測(cè)接收系統(tǒng)性能產(chǎn)生影響，假設(shè)發(fā)射干擾信號(hào)的時(shí)間段為γ，則關(guān)機(jī)時(shí)間段為1-γ，那么噪聲和干擾所引起的平均誤碼率為

其中，Pe1是干擾機(jī)關(guān)機(jī)時(shí)的誤碼率，Pe2是干擾機(jī)工作時(shí)的誤碼率，N1是無(wú)干擾時(shí)的噪聲譜密度，N2是存在干擾時(shí)的噪聲譜密度。一般，干擾機(jī)工作時(shí)，干擾信號(hào)功率遠(yuǎn)大于OQPSK系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲功率，因此可以忽略系統(tǒng)噪聲，那么平均誤碼率為

3 無(wú)人機(jī)下行遙測(cè)鏈路干擾效能仿真

對(duì)無(wú)人機(jī)下行遙測(cè)鏈路干擾效能仿真可以采取兩種方法：一是根據(jù)建立的不同干擾方式下的理論誤碼率模型進(jìn)行仿真，二是通過(guò)搭建無(wú)人機(jī)下行遙測(cè)鏈路的Simulink動(dòng)態(tài)仿真平臺(tái)進(jìn)行仿真分析并加以校正理論模型的誤差。本文僅采取第一種方法進(jìn)行仿真分析，研究寬帶噪聲干擾、單音干擾和脈沖干擾對(duì)OQPSK調(diào)制的遙測(cè)接收系統(tǒng)的干擾性能，并在同一前提下比較三種干擾方式的優(yōu)劣，給出誤碼率與干信比之間的關(guān)系。

3.1 寬帶噪聲干擾下的誤碼率仿真分析

當(dāng)OQPSK調(diào)制的遙測(cè)接收系統(tǒng)信噪比SNR＝20dB、SNR＝15dB、SNR＝10dB、SNR＝5dB時(shí)，寬帶噪聲干擾的干信比與系統(tǒng)誤碼率關(guān)系如圖2所示。可以發(fā)現(xiàn)誤碼率隨著干信比的增加而增大，而干信比超過(guò)5dB后，無(wú)論系統(tǒng)信噪比多大，誤碼率都趨于相同；當(dāng)干信比超過(guò)了0dB后，無(wú)論系統(tǒng)信噪比多大，都能使誤碼率Pe≈0.1甚至更高。根據(jù)文獻(xiàn)［7］，對(duì)于數(shù)字通信系統(tǒng)，當(dāng)Pe≥0.2時(shí)，系統(tǒng)將受到強(qiáng)烈干擾，這里認(rèn)為是能夠延誤戰(zhàn)機(jī)和影響作戰(zhàn)效果的有效干擾。因此，在寬帶噪聲干擾下，系統(tǒng)信噪比SNR＝20dB時(shí)，需要干信比JSR≥-2dB才能使干擾有效。

圖2 寬帶噪聲干擾下干信比與誤碼率的關(guān)系

3.2 單音干擾下的誤碼率仿真分析

為便于研究，設(shè)定干擾單音與OQPSK信號(hào)相位不相干，則θ在（0，2π）上均勻分布，公式（18）是單音噪聲干擾下的誤碼率計(jì)算模型。當(dāng)系統(tǒng)信噪比SNR＝20dB、SNR＝15dB、SNR＝10dB、SNR＝5dB時(shí)，干信比與誤碼率之間的關(guān)系圖如圖3所示?？梢钥闯?，OQPSK信號(hào)在單音干擾下，誤碼率隨干信比提高而增大，當(dāng)干信比較大時(shí)，信噪比對(duì)于誤碼率影響很小，誤碼率也趨于一致。當(dāng)系統(tǒng)信噪比SNR＝20dB，需要干信比JSR≥-3.7dB，能使干擾有效，因此，與寬帶噪聲干擾要達(dá)到相同的干擾效果，單音干擾所需的干擾功率低1.7dB。

圖3 單音干擾下干信比與誤碼率關(guān)系

3.3 脈沖干擾下的誤碼率仿真分析

由于脈沖干擾誤碼率計(jì)算模型中的γ值不確定，所以首先討論γ取值對(duì)于誤碼率的影響，當(dāng)系統(tǒng)信噪比SNR＝20dB，干信比分別是JSR＝-15dB、JSR＝-10dB、JSR＝-5dB、JSR＝0dB、JSR＝5dB、JSR＝10dB時(shí)，γ與誤碼率之間關(guān)系如圖4所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，在干信比較小時(shí)，存在一個(gè)使Pe最大的γ值，表示為γ?，而γ?隨干信比的增大而增大，當(dāng)γ?＝1，γ?的值不再隨干信比增加而變化，此時(shí)干擾機(jī)開(kāi)機(jī)時(shí)間為1，關(guān)機(jī)時(shí)間為0，脈沖干擾的誤碼率為

這時(shí)可將脈沖干擾視作為寬帶噪聲干擾，與寬帶噪聲干擾具有相同的干擾性能。

圖4 脈沖干擾下變量γ與誤碼率的關(guān)系

當(dāng)系統(tǒng)信噪比SNR＝20dB、SNR＝10dB、SNR＝0dB，γ始終取使誤碼率達(dá)到最大的γ?，即脈沖干擾處于最佳干擾狀態(tài)時(shí)，干信比對(duì)誤碼率的影響如圖5所示。可以發(fā)現(xiàn)，脈沖干擾下，誤碼率隨干信比提高而增大，而干信比達(dá)到5dB以后，信噪比對(duì)誤碼率的影響很小。當(dāng)系統(tǒng)信噪比SNR＝20dB，γ取γ?時(shí)，需要干信比JSR≥-2dB，才能使Pe≥0.2，而此時(shí)γ?≈1，脈沖干擾可視為寬帶噪聲干擾。

圖5 脈沖干擾下干信比與誤碼率的關(guān)系

3.4 三種干擾方式比較仿真分析

對(duì)上述三種干擾方式進(jìn)行比較，需要規(guī)定一個(gè)固定的前提條件，才能客觀科學(xué)，假設(shè)系統(tǒng)信噪比SNR＝20dB，干擾單音與OQPSK信號(hào)相位偏移在（0，2π）上均勻分布且脈沖干擾始終處于最佳脈沖寬度，三種干擾方式下干信比對(duì)誤碼率的影響如圖6所示。當(dāng)誤碼率Pe＝3×10-2時(shí)，脈沖干擾比寬帶噪聲干擾具有5dB以上的優(yōu)勢(shì)，比單音干擾具有7dB以上的優(yōu)勢(shì)，因此，在干信比較低的情況下，即干擾機(jī)平均功率較低時(shí)，脈沖干擾是干擾無(wú)人機(jī)下行遙測(cè)鏈路最佳的選擇；當(dāng)干信比超過(guò)-2dB以后，單音干擾的優(yōu)勢(shì)開(kāi)始顯現(xiàn)出來(lái)，同樣達(dá)到誤碼率Pe＝0.2，單音干擾需要的干信比較脈沖干擾和寬帶噪聲干擾少1.7dB，單音干擾是干擾的最佳選擇；而當(dāng)干信比增加到一定程度以后，三種干擾方式的干擾效果將趨于一致。

圖6 三種干擾方式下干信比與誤碼率的關(guān)系

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著無(wú)人機(jī)的迅猛發(fā)展，對(duì)抗無(wú)人機(jī)的手段也逐漸引人關(guān)注，干擾無(wú)人機(jī)下行遙測(cè)鏈路無(wú)疑是實(shí)用有效的。本文根據(jù)無(wú)人機(jī)下行遙測(cè)鏈路所采用的抗干擾技術(shù)，分析得出干擾重點(diǎn)是對(duì)抗OQPSK調(diào)制的遙測(cè)接收系統(tǒng)，提出了脈沖干擾、寬帶噪聲干擾和單音干擾三種干擾方式，并給出了干擾效能模型。深入研究了三種干擾方式下，系統(tǒng)信噪比和干信比等因素對(duì)干擾性能的影響。仿真結(jié)果說(shuō)明，在低干信比情況下，脈沖干擾相比而言具有一定的優(yōu)勢(shì)，但隨著干信比的提高，單音干擾的優(yōu)勢(shì)突顯出來(lái)，而干信比提高到一定程度后，三種干擾方式的干擾效果趨于一致。本文并未搭建無(wú)人機(jī)下行遙測(cè)鏈路動(dòng)態(tài)仿真平臺(tái)以及實(shí)際實(shí)驗(yàn)對(duì)理論推導(dǎo)模型加以校正，在今后的研究中會(huì)予以完善。

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Evaluation and Simulation for Efficiency of UAV Downlink in Presence of Jamming

XIE Yu?di，SHENG Huai?jie
（Electronic Engineering Institute of PLA，Hefei 230037，China）

According to anti?jamming techniques of UAV downlink，working principle of UAV downlink system is analyzed and three types of jamming are given.The jamming effectiveness of BBN jamming，single?tone jamming and pulse jamming to downlink system are analyzed，and the computational model of BER is given.The jamming effectiveness of three jamming methods are simulated and compared，and the simulation results show that the anti?jamming effectiveness of different jamming methods is different by different jamming?signal ratio.

UAV；downlink；interfere；effectiveness evaluation

TN97；E917

A

10.3969／j.issn.1673?3819.2016.06.015

1673?3819（2016）06?0077?05

2016?07?18

2016?08?13

謝宇迪（1991?），男，四川人，碩士研究生，研究方向?yàn)闊o(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈。

盛懷潔（1961?），女，教授。