無人機(jī)遙控鏈路跟蹤式干擾開機(jī)策略研究

劉瑞麒，　姚志成，　楊　劍，　龔博文，　胡　猛

(火箭軍工程大學(xué)，西安　710025)

0　引言

近年來，非法無人機(jī)的泛濫對各類重要場所的安保提出了新的挑戰(zhàn)，各國針對非法無人機(jī)的管控展開了相關(guān)研究，提出以干擾無人機(jī)遙控鏈路為主要方式的電磁對抗手段并進(jìn)行了研發(fā)。其中，美國Battelle公司研發(fā)的Drone Defender電子干擾槍、英國Blighter公司研制的反無人機(jī)防御系統(tǒng)(AUDS)、國內(nèi)矩陣電子技術(shù)公司推出的ADS2000反無人機(jī)干擾槍等都采用對

無人機(jī)遙控?cái)?shù)據(jù)鏈路進(jìn)行全時(shí)段全頻段壓制干擾方式，其雖然能夠?qū)崿F(xiàn)干擾效果，但是大功率寬帶阻塞干擾及全時(shí)段開機(jī)所帶來的功率浪費(fèi)及對周圍環(huán)境的影響，成為制約無人機(jī)干擾設(shè)備效能提升的突出問題[1-4]。

無人機(jī)遙控?cái)?shù)據(jù)鏈路一般采用跳頻通信方式，跟蹤式干擾是針對此類信號(hào)干擾效率較高的方式[5]，能夠減少干擾功率浪費(fèi)[6]。當(dāng)偵測設(shè)備探測并分選出目標(biāo)無人機(jī)的跳頻信號(hào)并掌握無人機(jī)及遙控發(fā)射機(jī)的位置時(shí)，干擾設(shè)備能夠?qū)ζ鋵?shí)施跟蹤式干擾。同時(shí)，由于干擾范圍有限，若能結(jié)合干擾范圍對干擾機(jī)開機(jī)策略進(jìn)行設(shè)計(jì)，就能夠進(jìn)一步節(jié)省功率并降低干擾信號(hào)對環(huán)境的影響[7]。

針對跟蹤干擾有效范圍確定問題，文獻(xiàn)[8-9]對干擾橢圓方程進(jìn)行了推導(dǎo)，并討論了干擾橢圓在不同條件下的應(yīng)用問題，解決了在信號(hào)源與接收機(jī)位置固定情況下干擾機(jī)的合理位置布置問題，但當(dāng)接收機(jī)位置發(fā)生變化時(shí)，干擾橢圓也隨之變化，因而此方法不能求取在無人機(jī)位置變化情況下的干擾范圍；文獻(xiàn)[10-11]針對海上跳頻通信抗干擾問題，推導(dǎo)出了抗干擾雙曲線方程，解決了干擾機(jī)、信源、接收機(jī)在同一個(gè)平面且位置相對固定情況下干擾無效區(qū)域的求解問題，但未解決在三維空間中，目標(biāo)接收機(jī)位置不斷變化時(shí)有效干擾區(qū)域確定問題。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)有效干擾還需要接收機(jī)處干信比大于干擾閾值[12]，由于干擾信號(hào)與遙控信號(hào)功率有限，在傳播過程中的損耗會(huì)使?jié)M足干信比條件的范圍發(fā)生變化[13]，因而還需要對有限功率下干擾范圍進(jìn)行分析，最終根據(jù)干擾范圍確定出開機(jī)策略。

基于此，本文針對不同偵測信息下無人機(jī)遙控鏈路跟蹤式干擾開機(jī)策略制定問題，分別從跟蹤式干擾需滿足的時(shí)域條件及功率條件出發(fā)，對干擾雙曲面及有限功率干擾范圍不等式進(jìn)行推導(dǎo)以確定干擾范圍，進(jìn)而對干擾開機(jī)策略進(jìn)行分析，最后結(jié)合仿真實(shí)驗(yàn)對開機(jī)策略進(jìn)行了分析驗(yàn)證。

1　遙控鏈路干擾機(jī)理

無人機(jī)的遙控系統(tǒng)由遙控器與接收機(jī)組成(見圖1)，遙控器中射頻芯片在主控芯片控制下生成跳頻遙控信號(hào)，接收機(jī)接收跳頻遙控信號(hào)由射頻接收芯片解調(diào)后得到數(shù)據(jù)碼，經(jīng)由主控芯片識(shí)別后向無人機(jī)發(fā)送遙控指令[14]。

圖1　遙控接收機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Structure of remote-controlled receiver

跟蹤式干擾是一種干擾信號(hào)頻率跟隨跳頻信號(hào)跳變的干擾方式[15]，由于其能跟蹤跳頻信號(hào)的頻點(diǎn)進(jìn)行干擾，因而能實(shí)現(xiàn)利用瞬時(shí)頻譜較窄的信號(hào)達(dá)到干擾目的[16]，其原理如圖2所示。

當(dāng)干擾信號(hào)跟蹤上跳頻信號(hào)時(shí)，干擾信號(hào)就會(huì)同跳頻信號(hào)一起進(jìn)入接收機(jī)射頻芯片，當(dāng)干擾信號(hào)功率遠(yuǎn)大于接收機(jī)靈敏度時(shí)，會(huì)使接收機(jī)前端工作于非線性區(qū)域，導(dǎo)致接收到的有用信號(hào)增益降低，形成阻塞干擾；當(dāng)干擾信號(hào)功率較小時(shí)，窄帶干擾信號(hào)與被干擾信

號(hào)疊加后被送入解調(diào)器中，使解調(diào)器難以解出正確信號(hào)并產(chǎn)生誤碼[17]。

圖2　跟蹤干擾示意圖Fig.2　Schematic diagram of follower jamming

2　無人機(jī)跟蹤干擾有效范圍的確定

有效的干擾范圍由滿足跟蹤干擾時(shí)域條件及功率條件下的范圍共同確定。如圖 2所示，跟蹤式干擾的實(shí)施在時(shí)域上需要干擾信號(hào)在到達(dá)目標(biāo)時(shí)能覆蓋目標(biāo)信號(hào)。同時(shí)，由于信號(hào)傳播過程中的損耗會(huì)使?jié)M足干擾有效干信比條件的范圍發(fā)生變化，需結(jié)合信號(hào)在自由空間的傳輸損耗來確定功率覆蓋范圍。

2.1　干擾雙曲面公式推導(dǎo)及有效范圍討論

假設(shè)已知信源位置固定且其與干擾源距離為d，干擾源采取固定方式布置，無人機(jī)在遙控范圍內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)。以干擾源為原點(diǎn)，建立如圖3所示的空間直角坐標(biāo)系，并結(jié)合實(shí)際情況取x,y,z,d∈R且z,d≥0(由于信源固定，且坐標(biāo)系建立任意，因而可以取d>0)。

圖3　坐標(biāo)系示意圖Fig.3　Schematic diagram of coordinate system

當(dāng)已知無人機(jī)及信源位置時(shí)，實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)式干擾在時(shí)域上需要滿足條件[18]

(1)

式中：d是信源同干擾機(jī)間的距離；dj是干擾源同目標(biāo)間的距離；c為光速；ds是信源同目標(biāo)間的距離；TD表示引導(dǎo)式干擾信號(hào)產(chǎn)生的延遲時(shí)間；TH表示遙控信號(hào)的跳頻周期；η表示干擾信號(hào)的延遲系數(shù)，其取值在0～1之間。由式(1)有

(2)

即

(3)

令D=ηTH-TD，并移項(xiàng)可得

(4)

下面分情況進(jìn)行討論。

1) 當(dāng)D≤0，即ηTH≤TD時(shí)，由式(1)有

(5)

可知干擾條件恒不成立，即當(dāng)ηTH≤TD時(shí)無法實(shí)現(xiàn)跟蹤式干擾，即采取跟蹤式干擾，干擾信號(hào)在時(shí)域上始終滯后于目標(biāo)信號(hào)。

2) 當(dāng)0

(6)

表示一個(gè)以干擾源和信源為焦點(diǎn)，焦距為2L，實(shí)軸長為D-d的雙曲線繞x軸旋轉(zhuǎn)一周后形成的旋轉(zhuǎn)雙葉雙曲面內(nèi)側(cè)區(qū)域。

同時(shí)，由式(4)有

(7)

其等價(jià)于

(8)

由上式恒成立可得x≤D-D2/(2d)，即有效干擾區(qū)域?yàn)槠矫鎥-D+D2/(2d)=0的左側(cè)，又D/2

3) 當(dāng)D=d，即d=c(ηTH-TD)時(shí)，由式(4)恒成立可推出

(9)

即有效干擾區(qū)域?yàn)槠矫鎥-(ηTH-TD)/2=0后側(cè)。

4) 當(dāng)0

同時(shí)式(4)等價(jià)于

(10)

由此可推知，當(dāng)x≤(D-d)2/(2d)+d/2時(shí)，不等式恒成立，且有d/2<[(D-d)2/(2d)+d/2]

5) 當(dāng)0<2dd，由之前推導(dǎo)可知平面x-(D-d)2/(2d)-d/2=0左側(cè)為有效干擾區(qū)域，如圖4c所示。

圖4　不同條件下干擾有效范圍Fig.4　Effective jamming range at different Ds

2.2　有限功率下干擾范圍公式推導(dǎo)及討論

根據(jù)無線電信號(hào)在自由空間中傳播損耗公式[19]，可計(jì)算出信號(hào)在空間中的傳播損耗Lp,即

Lp=32.45+20lgf+20lgd-Gr

(11)

式中：f為信號(hào)頻率；d為信號(hào)傳輸距離；Gr為接收天線增益。

由式(11)可得，接收機(jī)接收到的干擾信號(hào)功率為

(12)

接收到的遙控信號(hào)功率為

(13)

接收到的干擾信號(hào)功率必須大于接收機(jī)靈敏度，因而有

(14)

(15)

即干擾功率最大覆蓋范圍不超過半徑為10(Pj+Gj-P0-32.45-20lg f ) /10的半球面。

同時(shí)，接收端干信比應(yīng)不小于使其產(chǎn)生誤碼的最小干信比RJ，S 0，即

(16)

聯(lián)立式(11)～式(16)可得

(17)

(18)

令10(RJ，S 0+Ps-Pj-Gj t)/10=φ并化簡，有

0<(1-φ)(x2+y2+z2)+d2-2dx。

(19)

現(xiàn)針對不同φ值下，對滿足干擾功率條件的范圍進(jìn)行討論。

1) 當(dāng)φ=1即RJ，S 0=Pj-Ps時(shí)，式(19)化簡為 0

2) 當(dāng)φ≠1時(shí)，式(19)可化簡為

(20)

① 當(dāng)0<φ<1，即RJ，S 0-Pj-Gjt+Ps<0時(shí)，干擾功率覆蓋此球面圍成區(qū)域的外部如圖5所示，且球面半徑與φ單調(diào)性相同。

圖5　0<φ<1時(shí)干擾功率覆蓋范圍Fig.5　Jamming power coverage when 0<φ<1

② 當(dāng)1<φ即0

3　基于有效干擾范圍的開機(jī)策略制定

綜上所述，在對無人機(jī)實(shí)施跟蹤式干擾時(shí)，當(dāng)干擾方精確偵測出信源相對干擾源的位置C(d,0,0)、無人機(jī)相對干擾源的位置M(x,y,z)、遙控信號(hào)的跳頻周期TH、引導(dǎo)式干擾信號(hào)產(chǎn)生的最小延遲時(shí)間TD時(shí)，能夠確定滿足時(shí)域條件的干擾范圍，從而制定干擾開機(jī)策略如下：

1) 當(dāng)ηTH≤TD時(shí)，干擾機(jī)引導(dǎo)信號(hào)生成時(shí)間大于跳頻周期，無法實(shí)現(xiàn)跟蹤式干擾，只能對無人機(jī)采取寬頻壓制式干擾；

2) 當(dāng)0

3) 當(dāng)d=c(ηTH-TD)時(shí)，無人機(jī)運(yùn)動(dòng)到平面x-(ηTH-TD)/2=0后側(cè)時(shí)開啟干擾源，能對其實(shí)施跟蹤干擾；

4) 當(dāng)d

5) 當(dāng)0<2d

在進(jìn)一步獲知遙控信號(hào)發(fā)射功率Ps、干擾信號(hào)功率Pj+Gjt、接收機(jī)靈敏度P0及最低干信比RJ，S 0后，可進(jìn)一步確定干擾有效范圍，干擾開機(jī)策略在滿足時(shí)域條件的基礎(chǔ)上做以下調(diào)整：

1) 當(dāng)RJ，S 0=Pj+Gjt-Ps時(shí)，無人機(jī)在前文確定范圍中運(yùn)動(dòng)到平面x=2/d的右側(cè)區(qū)域時(shí)開啟干擾源，能夠?qū)ζ鋵?shí)施有效干擾；

4　仿真實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證無人機(jī)跟蹤式干擾有效范圍與開機(jī)策略，依托實(shí)際環(huán)境參數(shù)對干擾范圍進(jìn)行仿真計(jì)算。假設(shè)干擾機(jī)與遙控發(fā)射機(jī)在同一個(gè)水平面上，對空中自由飛行無人機(jī)進(jìn)行干擾對抗，信號(hào)在空間傳播遵循自由空間損耗規(guī)律，遙控干擾頻點(diǎn)為2.4 GHz，遙控信號(hào)等效輻射功率Ps為16 dBm，跳頻周期TH為7.5 ms，接收機(jī)靈敏度P0為-105 dBm[20]，干擾信號(hào)發(fā)送功率Pj為30 dBm，天線增益Gjt為0 dBm，干擾機(jī)延遲時(shí)間TD為1 μs，延遲系數(shù)η取0.001，探測到遙控信號(hào)距離干擾機(jī)距離d為5 km，仿真得出有效干擾范圍隨干信比變化關(guān)系如圖6所示。

圖6　干擾范圍仿真Fig.6　Simulation results of jamming range

由仿真結(jié)果可知，干擾機(jī)能夠在較小功率下形成較大功率覆蓋區(qū)域，但當(dāng)遙控信號(hào)源、干擾機(jī)的位置及時(shí)間參數(shù)確定后，能夠唯一確定滿足跟蹤干擾的區(qū)域，而且在干擾功率有限時(shí)，有效干擾區(qū)域受干信比影響，范圍隨干信比增大而明顯減小。當(dāng)無人機(jī)飛臨此有效干擾區(qū)域時(shí)開啟干擾源，能夠最大限度縮短干擾源開機(jī)時(shí)間，且無人機(jī)能夠受到不小于最小干信比的干擾而取得較好干擾效果。

5　結(jié)論

干擾機(jī)、信號(hào)源、接收機(jī)三者間的相對位置、性能參數(shù)、干信比等參數(shù)決定著跟蹤式干擾的有效范圍。在偵察獲取相關(guān)參數(shù)的基礎(chǔ)上，按本文所提方法確定有效干擾范圍，進(jìn)而根據(jù)無人機(jī)與此范圍相對位置關(guān)系設(shè)計(jì)出的干擾開機(jī)策略，能夠有效縮短干擾開機(jī)時(shí)間、減少功率浪費(fèi)，對提高無人機(jī)干擾設(shè)備效能具有很好的指導(dǎo)意義。

但不同遙控鏈路的數(shù)據(jù)編碼及基帶調(diào)制方式、最低誤碼率、干擾成功概率等指標(biāo)都會(huì)對干擾的最低干信比及干擾范圍產(chǎn)生影響[21-23]，如何針對特定無人機(jī)或特定遙控鏈路，設(shè)計(jì)最優(yōu)干擾策略，有待進(jìn)一步研究。

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