基于射頻信號的轉(zhuǎn)發(fā)式干擾系統(tǒng)仿真模型

郝明明，盛懷潔，陳明建

(國防科技大學(xué)電子對抗學(xué)院，安徽 合肥 230037)

0 引言

無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)侵傅孛嬷缚卣竞蜔o人機(jī)之間的信息傳輸鏈路，用于完成地面指控站對無人機(jī)的遙控、遙測、跟蹤定位和信息傳輸[1-2]，是反無人機(jī)中威脅等級最高的目標(biāo)之一。其中，無人機(jī)上行數(shù)據(jù)鏈傳輸直接控制無人機(jī)飛行狀態(tài)的遙控指令，一旦該條鏈路受到電子干擾或欺騙，被非協(xié)作方控制，就相當(dāng)于控制了無人機(jī)的指揮控制鏈，可以直接影響無人機(jī)的飛行安全及其作戰(zhàn)效能發(fā)揮。因此，對無人機(jī)上行數(shù)據(jù)鏈干擾進(jìn)行研究便顯得至關(guān)重要。

對無人機(jī)上行數(shù)據(jù)鏈的電子干擾可分為壓制性干擾和欺騙性干擾兩大類。而為了提高抗干擾能力，現(xiàn)有無人機(jī)大多采用了擴(kuò)頻編碼等技術(shù)來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。在這種情況下，由于擴(kuò)頻碼的高度自相關(guān)性和擴(kuò)頻增益的存在，傳統(tǒng)的壓制性干擾已不能通過功率優(yōu)勢來取得良好的干擾效果，需要進(jìn)一步研究更加威脅有效的欺騙性干擾[3-6]。對無人機(jī)上行數(shù)據(jù)鏈的欺騙干擾分為鏈路協(xié)議層欺騙和鏈路物理層欺騙。其中鏈路協(xié)議層欺騙干擾需要對截獲的數(shù)據(jù)鏈信號進(jìn)行盲解調(diào)，盲解擴(kuò)，加密、編碼和遙控幀協(xié)議的盲解析，完成對信號的修改重構(gòu)，技術(shù)實現(xiàn)難度較大。而鏈路物理層欺騙干擾基本不涉及協(xié)議層的盲估計問題，工程應(yīng)用較易實現(xiàn)，因而成為研究的一大熱點。

本文從鏈路物理層欺騙性干擾的角度出發(fā)，提出了對無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的轉(zhuǎn)發(fā)式干擾基本構(gòu)想，構(gòu)建了轉(zhuǎn)發(fā)式干擾系統(tǒng)仿真模。

1 轉(zhuǎn)發(fā)式干擾基本構(gòu)想

如圖1所示，轉(zhuǎn)發(fā)式干擾的基本構(gòu)想是：首先，利用轉(zhuǎn)發(fā)干擾設(shè)備對無人機(jī)的上行數(shù)據(jù)鏈信號進(jìn)行高靈敏度的截獲接收，為使截獲信號中包含飛行姿態(tài)變換的要害指令，這一過程爭取在雷達(dá)對無人機(jī)飛行航跡跟蹤引導(dǎo)下進(jìn)行；然后，利用偵察接收設(shè)備截獲接收數(shù)據(jù)鏈信號，經(jīng)混頻、濾波和采樣后形成數(shù)據(jù)文件；在存儲轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備中，計算機(jī)按照一定算法對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行信號處理，得到包含遙控指令的基帶碼流序列和相關(guān)參數(shù)，并形成存儲文件，按照循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)周期參數(shù)對存儲數(shù)據(jù)文件進(jìn)行簡單拼接，形成轉(zhuǎn)發(fā)干擾碼流；最后，調(diào)制發(fā)射設(shè)備對轉(zhuǎn)發(fā)干擾碼流進(jìn)行射頻變換，形成轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號，大功率向無人機(jī)機(jī)載數(shù)據(jù)終端的接收設(shè)備循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)該信號。

圖1 轉(zhuǎn)發(fā)式干擾基本構(gòu)想示意圖Fig.1 Schematic diagram of the basic idea of a forward jamming

由以上分析可知：轉(zhuǎn)發(fā)式干擾的整個過程不需對鏈路協(xié)議層參數(shù)進(jìn)行盲估計，由于沒有或極少改變原信號的結(jié)構(gòu)特征，無人機(jī)機(jī)載接收設(shè)備對轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號基本沒有識別能力，在滿足適當(dāng)?shù)母尚疟纫笙拢从薪?jīng)暫短失控后鎖定轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號的可能，致使無人機(jī)反復(fù)執(zhí)行干擾信號中的遙控指令，造成其飛行狀態(tài)紊亂，最終因失控啟動應(yīng)急程序甚至墜毀。

2 轉(zhuǎn)發(fā)式干擾系統(tǒng)仿真模型

2.1 仿真模型構(gòu)建

依據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)式干擾基本構(gòu)想，建立無人機(jī)上行數(shù)據(jù)鏈轉(zhuǎn)發(fā)式干擾系統(tǒng)仿真模型[7-8]。仿真模型主要包括地面數(shù)據(jù)終端(GDT)模塊、轉(zhuǎn)發(fā)干擾模塊和機(jī)載數(shù)據(jù)終端(ADT)模塊三大部分，如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)發(fā)式干擾系統(tǒng)模型框圖Fig.2 Block diagram of the forward jammingsystem model

各模塊功能主要為：

1) 地面數(shù)據(jù)終端(GDT)模塊：包括基帶碼流生成模塊和射頻調(diào)制模塊兩部分。其中基帶碼流生成模塊主要實現(xiàn)遙控指令編幀、卷積、差分和擴(kuò)頻等功能[9]，產(chǎn)生具有遙控指令幀結(jié)構(gòu)的基帶碼流序列；射頻調(diào)制模塊完成對基帶碼流序列的BPSK調(diào)制、上變頻和功率放大，形成射頻信號。

2) 轉(zhuǎn)發(fā)干擾模塊：包括射頻接收模塊、存儲轉(zhuǎn)發(fā)模塊和射頻調(diào)制模塊三部分。其中射頻接收模塊主要實現(xiàn)對包含遙控指令的射頻前端信號的高靈敏度截獲接收，完成混頻、濾波、A/D采樣、正交下變頻等操作后，得到IQ數(shù)據(jù)；存儲轉(zhuǎn)發(fā)模塊實現(xiàn)對IQ數(shù)據(jù)的盲解調(diào)處理，得到解調(diào)相關(guān)參數(shù)和基帶碼流序列，并按轉(zhuǎn)發(fā)周期數(shù)進(jìn)行循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)，形成轉(zhuǎn)發(fā)干擾碼流；射頻調(diào)制模塊完成對轉(zhuǎn)發(fā)干擾碼流的BPSK調(diào)制、上變頻和功率放大，形成轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號。

3) 機(jī)載數(shù)據(jù)終端(ADT)模塊：包括機(jī)載接收模塊和信號處理模塊兩部分。其中機(jī)載接收模塊主要實現(xiàn)對轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號的接收、混頻、濾波、采樣等功能[10]；指令判決模塊則主要模擬機(jī)載計算機(jī)實現(xiàn)對采樣信號的解擴(kuò)解調(diào)、解差分、解卷積及遙控指令判決等功能，并依據(jù)判決結(jié)果來判斷無人機(jī)是否對轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號進(jìn)行響應(yīng)。

由于轉(zhuǎn)發(fā)式干擾屬于非協(xié)作方，對截獲的數(shù)據(jù)鏈信號完全未知，因此，要從射頻信號中獲取到可以進(jìn)行存儲轉(zhuǎn)發(fā)操作的基帶碼流序列，進(jìn)而對轉(zhuǎn)發(fā)干擾參數(shù)進(jìn)行設(shè)計，首先需要實現(xiàn)對截獲信號的載頻、碼片速率等參數(shù)的盲估計[11]。

仿真實驗參數(shù)設(shè)置[12]如表1所示。

表1 仿真實驗初始參數(shù)設(shè)置

2.2 載頻估計

圖3 平方倍頻法原理框圖
Fig.3 Square frequency principle diagram

進(jìn)入平方器的射頻信號x(t)可以表示為：

x(t)=s(t)+n(t)=Ad(t)cos(2πf0t)+n(t)

(1)

x(t) 經(jīng)過平方處理，得到y(tǒng)(t) 為：

(2)

其中，n′(t)滿足：

(3)

利用平方倍頻法對載頻參數(shù)進(jìn)行估計，其譜峰搜索如圖4所示(射頻采樣速率fs=21.945 6 MHz)。

圖4 平方處理后的信號頻譜Fig.4 Signal spectrum after square processing

(4)

不同信噪比SNR下進(jìn)行100次Monte Carlo仿真實驗，得出載頻估計偏差率隨信噪比的變化曲線，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 平方倍頻法對載頻參數(shù)的估計情況Fig.5 Estimation of carrier frequency parameters by square frequency doubling

可以看出，載頻估計偏差率隨信噪比的增大而減小，當(dāng)信噪比大于-19.5 dB 時，載頻估計偏差率為0，即平方倍頻法可以在低信噪比下準(zhǔn)確地估計出信號載頻f0。

2.3 碼片速率估計

采用延時相乘法來對數(shù)據(jù)鏈信號的碼片速率進(jìn)行估計。通過對得到的IQ數(shù)據(jù)進(jìn)行延時，然后和原始數(shù)據(jù)相乘后，會在頻域中和碼片速率成正比的位置處出現(xiàn)離散譜線，通過峰值檢測該譜線位置，即可快速估計出碼片速率。延時相乘法估計碼片速率的原理框圖如圖6所示[15-16]。

圖6 延時相乘法原理框圖Fig.6 Principle block diagram of delay phase multiplication

碼片速率為Rc，對應(yīng)的碼片寬度為Tc=1/Rc，輸入的IQ數(shù)據(jù)可表示為m(t)。延時相乘法的時延τ取值不同時，其頻譜分析中離散譜線的幅值會發(fā)生變化，進(jìn)而影響算法對碼片速率估計的準(zhǔn)確性。相關(guān)研究表明，延時τ=Tc/2時，頻譜中的譜線幅值會達(dá)到最大，此時碼片速率估計的準(zhǔn)確性最高。

利用延時相乘法對碼片速率進(jìn)行參數(shù)估計，其信號頻譜如圖7所示(轉(zhuǎn)發(fā)干擾模塊的接收端中頻fI=1.2 MHz，中頻采樣率Fs=800 kHz，延時τ=2個數(shù)據(jù)長度)。

圖7 數(shù)據(jù)延時相乘后的信號頻譜Fig.7 The signal spectrum after the delay multiplied by the data

(5)

不同信噪比下進(jìn)行100次Monte Carlo仿真實驗，得出碼片速率估計偏差率隨信噪比的變化曲線，仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 延時相乘法對碼片速率參數(shù)的估計情況Fig.8 Estimation of chip rate parameters by delay multiplication

由圖可以看出，碼片速率偏差率隨信噪比的增大而減小，在信噪比SNR≥-24 dB時，碼元速率的估計偏差率為0，即此時可以利用延時相乘法實現(xiàn)對碼元速率的準(zhǔn)確估計。

3 轉(zhuǎn)發(fā)式干擾系統(tǒng)仿真實驗

在準(zhǔn)確估計出載頻和碼片速率等參數(shù)的基礎(chǔ)上，本節(jié)主要探究數(shù)據(jù)截取時長、轉(zhuǎn)發(fā)周期和信噪比等參數(shù)對轉(zhuǎn)發(fā)式干擾系統(tǒng)的影響，實驗的基本參數(shù)設(shè)置同表1。

轉(zhuǎn)發(fā)干擾模塊中的射頻接收模塊實現(xiàn)對數(shù)據(jù)鏈信號的接收，得到IQ數(shù)據(jù)，其內(nèi)部流程如圖9所示。

圖9 射頻接收模塊流程示意圖
Fig.9 Flow chart of radio frequency receiving module

SIF(t)為混頻后得到的中頻信號，經(jīng)A/D采樣、數(shù)字正交下變頻和數(shù)字低通濾波后輸出IQ數(shù)據(jù)。對輸出的IQ數(shù)據(jù)依據(jù)每個碼元上的采樣點數(shù)求平均，然后進(jìn)行硬判決，即可得到解調(diào)序列，以此作為基帶碼流序列進(jìn)行存儲轉(zhuǎn)發(fā)，形成轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號。改變參數(shù)配置，每種情況下進(jìn)行多次Monte Carlo實驗，觀察轉(zhuǎn)發(fā)干擾成功次數(shù)占實驗總次數(shù)的比例，定義為轉(zhuǎn)發(fā)干擾成功率。當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)干擾成功率為100%時，即可認(rèn)為在該條件實現(xiàn)了穩(wěn)定干擾。

同時定義系統(tǒng)環(huán)境噪聲影響參數(shù)：信噪比SNR和干噪比JNR，滿足：

(6)

式(6)中，Sn表示環(huán)境噪聲功率，Sr為轉(zhuǎn)發(fā)干擾設(shè)備接收端的數(shù)據(jù)鏈信號功率，用SNR來衡量噪聲對干擾設(shè)備影響；Sj為機(jī)載設(shè)備接收端的干擾信號功率，用JNR來衡量噪聲對機(jī)載接收影響。

考慮到干噪比JNR主要針對轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號，對轉(zhuǎn)發(fā)干擾參數(shù)設(shè)計影響不大，這里我們不妨將其設(shè)為常數(shù)JNR=10 dB(對干擾結(jié)果不會產(chǎn)生影響)。

3.1 信噪比對轉(zhuǎn)發(fā)干擾的影響

當(dāng)碼流存儲長度L=500，轉(zhuǎn)發(fā)周期P=1時，在不同信噪比下進(jìn)行實驗，得到信噪比對轉(zhuǎn)發(fā)干擾成功率的影響如圖10所示。

圖10 信噪比對轉(zhuǎn)發(fā)式干擾系統(tǒng)的影響Fig.10 The influence of signal to noise ratio on the forward jamming system

由圖10可知，在其余參數(shù)設(shè)置不變的情況下，轉(zhuǎn)發(fā)干擾成功率隨信噪比的增大而增大。當(dāng)信噪比SNR≤-22 dB時，轉(zhuǎn)發(fā)干擾失?。恍旁氡萐NR≥-12 dB時，轉(zhuǎn)發(fā)干擾成功率可達(dá)98%；當(dāng)信噪比SNR≥2 dB時，轉(zhuǎn)發(fā)干擾成功率達(dá)到100%，可以實現(xiàn)穩(wěn)定干擾。

3.2 數(shù)據(jù)截取時長對轉(zhuǎn)發(fā)干擾的影響

數(shù)據(jù)截取時長是指轉(zhuǎn)發(fā)干擾模塊中的射頻接收模塊對數(shù)據(jù)鏈射頻信號的截取時長T，假設(shè)截取數(shù)據(jù)經(jīng)盲解調(diào)后全部形成基帶碼流序列，然后進(jìn)行存儲轉(zhuǎn)發(fā)，形成了轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號。碼元速率一般為常數(shù)，本仿真中碼元速率Rd=800 B/s，單個碼元持續(xù)時長:

(7)

數(shù)據(jù)截取時長T和碼元存儲長度L滿足：

T=L·Td

(8)

式(8)表明T和L之間為線性關(guān)系。為了便于仿真，用碼流存儲長度L代替數(shù)據(jù)截取時長T進(jìn)行實驗。

當(dāng)信噪比SNR=10 dB，干噪比JNR=10 dB，轉(zhuǎn)發(fā)周期P=1時，改變數(shù)據(jù)截取時長T，每種長度下獨立進(jìn)行100次Monte Carlo實驗，干擾成功率隨碼流存儲長度的變化曲線如圖11所示。

圖11 數(shù)據(jù)截取時長對轉(zhuǎn)發(fā)干擾的影響Fig.11 Effect of data interception on forward interference

從圖11中可以看出，在該仿真條件下，當(dāng)碼流存儲長度小于245碼元(3倍遙控幀，240碼元)時，干擾成功率為0；碼流存儲長度在245～330碼元(4幀320碼元)之間時，干擾成功率總體上隨碼流存儲長度的增大而增大；當(dāng)碼流存儲長度大于330碼元(5倍遙控幀，400碼元)時，可以達(dá)到100%的干擾成功率。

3.3 轉(zhuǎn)發(fā)周期對轉(zhuǎn)發(fā)干擾的影響

當(dāng)信噪比SNR=10 dB，干噪比JNR=10 dB，轉(zhuǎn)發(fā)周期P分別設(shè)置為2，3，4，5時，改變碼流存儲長度L，每種情況獨立進(jìn)行仿真實驗，得到不同轉(zhuǎn)發(fā)周期下，干擾成功率隨數(shù)據(jù)長度的變化曲線，如圖12所示。

由圖12可以看出，碼元存儲長度和轉(zhuǎn)發(fā)周期共同作用對轉(zhuǎn)發(fā)干擾成功率產(chǎn)生影響。當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)周期P≥2時，碼元存儲長度L≥256(約為三倍遙控幀)，即可實現(xiàn)對無人機(jī)的穩(wěn)定干擾，達(dá)到100%的干擾成功率，同時在L恰好為遙控幀碼元整數(shù)倍(80、160)時，會突變達(dá)到較高的干擾成功率。此外，結(jié)合3.2節(jié)仿真結(jié)果可知，當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)周期大于1時，達(dá)到穩(wěn)定干擾時的最小碼元存儲長度在變小，在P=2時，即可達(dá)到最小碼流存儲長度(為256碼元長度，這里取四倍遙控幀)。

圖12 轉(zhuǎn)發(fā)周期對干擾成功率的影響情況Fig.12 The effect of the forwarding cycle on the success rate of interference

3.4 實驗結(jié)論

在該仿真條件下，由3.1節(jié)、3.2節(jié)和3.3節(jié)的實驗結(jié)果可知：當(dāng)數(shù)據(jù)截取時長T為4倍遙控幀時，轉(zhuǎn)發(fā)干擾可以成功但不穩(wěn)定，T≥5倍遙控幀時，則可以達(dá)到100%的成功率；轉(zhuǎn)發(fā)周期P和數(shù)據(jù)截取時長T共同作用對轉(zhuǎn)發(fā)干擾產(chǎn)生影響，當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)周期P>1時，數(shù)據(jù)截取時長T≥4倍遙控幀即可達(dá)到100%的干擾成功率；當(dāng)信道環(huán)境的信噪比SNR≥-7 dB時，噪聲對干擾結(jié)果沒有影響?？紤]實際情況中我們很難保證精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)截取時長，為保證能實現(xiàn)穩(wěn)定的轉(zhuǎn)發(fā)干擾，這里我們以SNR≥-7 dB,P≥2,T≥5倍遙控幀，作為轉(zhuǎn)發(fā)干擾成功時信噪比、轉(zhuǎn)發(fā)周期和數(shù)據(jù)截取時長等參數(shù)所應(yīng)滿足的邊界條件。

4 結(jié)論

本文首先提出了對無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈轉(zhuǎn)發(fā)式干擾基本構(gòu)想，并以此建立了轉(zhuǎn)發(fā)式干擾系統(tǒng)仿真模型，對射頻信號的載頻、碼速率等參數(shù)進(jìn)行了盲估計。仿真實驗結(jié)果表明，可以在較低信噪比下實現(xiàn)對所需參數(shù)的有效估計，具有較好的抗噪聲性能。在實現(xiàn)對載頻和碼片速率等參數(shù)準(zhǔn)確估計的前提下，本文圍繞影響轉(zhuǎn)發(fā)式干擾系統(tǒng)的信噪比、數(shù)據(jù)截取長度和轉(zhuǎn)發(fā)周期等參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計，仿真結(jié)果驗證了對無人機(jī)上行數(shù)據(jù)鏈實施轉(zhuǎn)發(fā)式干擾的可行性，并得出了在仿真實驗條件下有效干擾時，各參數(shù)所應(yīng)滿足的邊界條件，實驗結(jié)果可為實際情況下的參數(shù)設(shè)置提供參考。