基于無(wú)人機(jī)鏈路控制的抗干擾策略及干擾檢測(cè)作戰(zhàn)技術(shù)研究

張哲聰 唐碧蔚 楊玉龍 尚航

（中國(guó)航空無(wú)線電電子研究所 上海市 201100）

從廣義來(lái)說(shuō)，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)包括無(wú)人機(jī)平臺(tái)、空地通信鏈路[1]和地面系統(tǒng)，其中無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈[2]是無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，是無(wú)人機(jī)平臺(tái)和地面系統(tǒng)聯(lián)系的紐帶。無(wú)人機(jī)鏈路按距離分為視距和超視距（衛(wèi)通），按頻率分為低頻、中頻、高頻、甚高頻，不同頻率的鏈路按高低又可分為UHF 波段、L 波段、S 波段、C 波段、X波段、Ku 波段、Ka 波段等。

實(shí)際任務(wù)中，地面系統(tǒng)對(duì)無(wú)人機(jī)的鏈路控制或多或少受到地理位置、磁場(chǎng)環(huán)境、人為操作錯(cuò)誤、相互交叉等因素的干擾直接影響著無(wú)人機(jī)平臺(tái)的飛行品質(zhì)。因此，為了最大程度地避免無(wú)人機(jī)鏈路控制品質(zhì)下降，本文從無(wú)人機(jī)鏈路控制的角度，對(duì)數(shù)據(jù)鏈控制的干擾因素、抗干擾策略及檢測(cè)措施進(jìn)行研究，提高無(wú)人機(jī)鏈路控制的可靠性。

1 頻段選擇建議

無(wú)人機(jī)測(cè)控通信鏈路可以使用很多不同的頻率。國(guó)際上通常要求無(wú)人機(jī)測(cè)控通信鏈路使用航空保留頻譜。然而，問(wèn)題是當(dāng)前可用的航空頻譜很少，且沒(méi)有頻段是專門為無(wú)人機(jī)系統(tǒng)分配預(yù)留的。雖然軍方可以使用其自己的各種保留頻率，但是使用過(guò)于寬泛的頻譜是不明智的。因?yàn)檫^(guò)多的應(yīng)用頻率不太可能充分保證無(wú)人機(jī)系統(tǒng)安全使用；而且過(guò)多的應(yīng)用頻率導(dǎo)致數(shù)據(jù)鏈路完整性的定量評(píng)估困難。為無(wú)人機(jī)測(cè)控通信鏈路選擇合適的頻率[3]取決于多種因素。目前我國(guó)通信頻段的主要分布如表1。

對(duì)于視距和超視距而言，在天線設(shè)計(jì)中，頻率低于2GHz 意味著可不考慮定向天線，因?yàn)榈陀谶@些頻率的鏈路性能不容易受雨水和大氣的影響。

根據(jù)頻譜分布在無(wú)人機(jī)測(cè)控鏈路設(shè)計(jì)[4]中應(yīng)首先根據(jù)無(wú)人機(jī)任務(wù)的傳輸帶寬選擇相應(yīng)的適合無(wú)人機(jī)頻率鏈路，一般來(lái)說(shuō)，傳輸小數(shù)據(jù)量低速的系統(tǒng)選擇相對(duì)較低的頻率范圍，傳輸大數(shù)據(jù)高速的系統(tǒng)則選擇相對(duì)較高的頻率范圍，同時(shí)要考慮與民用及其它專用頻道錯(cuò)開，進(jìn)行鏈路頻段的篩選，避免頻段干擾。

2 鏈路干擾檢測(cè)

在無(wú)人機(jī)鏈路控制中，鏈路頻段干擾是一個(gè)非常重要的問(wèn)題，一直伴隨著無(wú)線通信的應(yīng)用發(fā)展而存在，也是許多通信專家學(xué)者致力解決的問(wèn)題。干擾檢測(cè)的主要目的是為了發(fā)現(xiàn)、識(shí)別和追蹤干擾源，進(jìn)而達(dá)到避免頻段干擾的作用。

2.1 檢測(cè)流程

頻段干擾檢測(cè)是一種通過(guò)分析無(wú)線通信中的數(shù)據(jù)發(fā)傳輸率、信噪比、誤碼率、載波監(jiān)聽時(shí)間等通信參數(shù)判斷當(dāng)前的數(shù)據(jù)鏈通信是否處于干擾的手段。干擾檢測(cè)技術(shù)[5]主要包括CSMA/CA 的無(wú)線電干擾檢測(cè)、RSS 的無(wú)線電干擾檢測(cè)、多指標(biāo)的無(wú)線電干擾檢測(cè)技術(shù)、芯片錯(cuò)誤率的無(wú)線電干擾檢測(cè)、機(jī)器學(xué)習(xí)的無(wú)線電干擾檢測(cè)等等。

圖1：鏈路干擾檢測(cè)與解除流程

圖2：抗干擾控制方法

頻段干擾檢測(cè)與解除的主要流程包括無(wú)線傳輸信號(hào)采集、信號(hào)干擾檢測(cè)、信號(hào)干擾判斷、干擾分類、干擾解除，詳細(xì)的檢測(cè)和解除流程如圖1 所示。

2.2 檢測(cè)途徑

本文主要對(duì)基于干擾檢測(cè)技術(shù)下的干擾判斷手段進(jìn)行研究，包括如下手段進(jìn)行干擾檢測(cè)。

2.2.1 頻譜監(jiān)測(cè)

頻譜監(jiān)測(cè)是一種在頻域上（頻率和幅值）對(duì)無(wú)線通信信號(hào)進(jìn)行分析檢測(cè)的手段，可對(duì)無(wú)線通信的頻率、功率、諧波、噪聲等信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)。頻譜一般包括硬件頻譜監(jiān)測(cè)和軟件頻譜數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)兩種方式。鏈路監(jiān)控員可在頻譜上直觀的觀察各頻段的干擾情況以進(jìn)行鏈路切換判斷。

2.2.2 信噪比檢測(cè)

信噪比是通信設(shè)備或電子系統(tǒng)中信號(hào)與噪聲的比例，是通信信號(hào)質(zhì)量好壞的一種指標(biāo)，一般來(lái)說(shuō)，信噪比越高說(shuō)明信號(hào)質(zhì)量越好。在無(wú)人機(jī)鏈路控制中，通過(guò)對(duì)信噪比的數(shù)值進(jìn)行監(jiān)控，如果信噪比突然下降，則判斷可能遇到其它信號(hào)干擾。

表1：國(guó)內(nèi)無(wú)線頻譜分配情況

圖3：抗干擾工作流程

2.2.3 誤碼率檢測(cè)

誤碼率是衡量數(shù)據(jù)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)傳輸精確性的指標(biāo)。在無(wú)人機(jī)鏈路控制中，當(dāng)鏈路處于穩(wěn)定控制時(shí)，一般來(lái)說(shuō)誤碼率會(huì)相對(duì)比較恒定。當(dāng)監(jiān)測(cè)到誤碼率突然增大時(shí)，此時(shí)鏈路可能遇到了遮擋或干擾。

2.2.4 通信數(shù)據(jù)包傳輸率檢測(cè)

數(shù)據(jù)包傳輸率是指對(duì)一定時(shí)間內(nèi)的信號(hào)發(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù)量與接收數(shù)據(jù)包的數(shù)量的比例，當(dāng)鏈路受到干擾時(shí)，信號(hào)發(fā)送出去的數(shù)據(jù)包在外部環(huán)境中丟失導(dǎo)致接收數(shù)據(jù)包數(shù)減少，在監(jiān)控席位一般可監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)包傳輸成功率降低時(shí)，此時(shí)鏈路可能遇到干擾。

2.2.5 信號(hào)鎖定檢測(cè)

信號(hào)鎖定包括無(wú)線信號(hào)的解調(diào)、解擴(kuò)鎖定，是無(wú)線信號(hào)傳輸達(dá)到穩(wěn)定閾值的直觀顯示。一般來(lái)說(shuō)，信號(hào)鎖定（解調(diào)、解擴(kuò)）時(shí)，地面系統(tǒng)可保持與無(wú)人機(jī)平臺(tái)的正常通信傳輸，操作員可通過(guò)觀察信號(hào)是否鎖定或者保持鎖定來(lái)判斷此時(shí)鏈路是否處于穩(wěn)定傳輸?shù)臓顟B(tài)。

2.2.6 傳輸視頻質(zhì)量檢測(cè)

當(dāng)無(wú)人機(jī)與地面系統(tǒng)存在圖像或視頻業(yè)務(wù)傳輸功能時(shí)，可通過(guò)圖像或視頻的連續(xù)顯示情況來(lái)判斷無(wú)線鏈路的傳輸性能，是鏈路性能判斷的直觀表現(xiàn)。當(dāng)操作員觀察圖像或視頻出現(xiàn)斷續(xù)、卡頓或馬賽克時(shí)，可判斷無(wú)線鏈路此時(shí)可能遇到了干擾。

3 鏈路抗干擾策略

3.1 抗干擾方法

在無(wú)人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一般數(shù)據(jù)鏈廠家對(duì)無(wú)線電通信設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)備廠商會(huì)在方案設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)通信設(shè)備的抗干擾性能考慮設(shè)計(jì)，通過(guò)增加包含帶頻率、安裝天線優(yōu)化角度、提升濾波器精度、隱身方面等手段提高設(shè)備抗干擾性能，一般在設(shè)備交付后所有參數(shù)性能基本確定，設(shè)備的鏈路抗干擾特性也基本不變。

本文從無(wú)人機(jī)鏈路控制工程應(yīng)用角度，在無(wú)線電設(shè)備穩(wěn)定工作的情況下，主要考慮在鏈路控制過(guò)程中頻段的干擾因素[6]來(lái)自能量干擾、信號(hào)干擾、信息干擾，其中能量干擾通過(guò)干擾站的相同信號(hào)的功率進(jìn)行干擾，信號(hào)干擾通過(guò)偵察識(shí)別特定的無(wú)線信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行干擾，信息干擾則是通過(guò)破解無(wú)線通信的信息內(nèi)容，偽造滿足通信干擾意圖的指令，使無(wú)線通信系統(tǒng)失效。一般通過(guò)任務(wù)前進(jìn)行頻段申報(bào)預(yù)防、增加站間距離、優(yōu)先采用定向天線、加大功率、選擇抗干擾波形、信息加密等方法進(jìn)行鏈路頻段抗干擾保護(hù)，抗干擾控制方法[7]見圖2。

3.1.1 任務(wù)頻段申報(bào)預(yù)防

無(wú)人機(jī)頻段干擾一般包括已知頻段干擾和未知頻段干擾。未知頻段干擾是指在無(wú)人機(jī)執(zhí)行任務(wù)范圍過(guò)程中有其它未知來(lái)源的設(shè)備也進(jìn)行相同或相近頻率發(fā)射干擾，這種干擾一般較難避免，常用辦法通過(guò)頻段檢測(cè)錯(cuò)開干擾頻段。已知干擾是指無(wú)人機(jī)任務(wù)過(guò)程中被已知位置設(shè)備已知頻率的發(fā)射干擾，由于無(wú)人機(jī)任務(wù)一般由軍方或者專門的機(jī)構(gòu)進(jìn)行事前申報(bào)，可對(duì)空域、任務(wù)、頻段等信息進(jìn)行統(tǒng)籌，這樣可以在已知可控范圍內(nèi)進(jìn)行頻率分配，做到鏈路干擾控制最小最優(yōu)化。

3.1.2 增加站間距離

在地面系統(tǒng)鏈路控制設(shè)計(jì)時(shí)站點(diǎn)位置布局也是重要考慮因素。由于無(wú)線鏈路設(shè)備的有效覆蓋范圍是一定的，在條件允許的情況下，通過(guò)盡可能增加對(duì)同一時(shí)間不同無(wú)人機(jī)任務(wù)之間的地面系統(tǒng)空間距離的方法，是解決無(wú)線干擾的有效途徑。

3.1.3 天線優(yōu)先選擇

在無(wú)人機(jī)系統(tǒng)中一般由多條鏈路進(jìn)行通信傳輸保障無(wú)人機(jī)信息安全。各鏈路可能由全向或者定向兩種天線進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。由于全向天線覆蓋范圍為360°全方位輻射，定向天線覆蓋范圍為小角度的波束輻射，在空間范圍一定的情況下，定向天線相比全向天線受到干擾的概率低，所以在鏈路使用中優(yōu)先考慮定向天線可相對(duì)避免天線之間的鏈路干擾。

3.1.4 增大功率

無(wú)人機(jī)在執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中，無(wú)人機(jī)通信頻率處于一定范圍內(nèi)，適當(dāng)調(diào)高發(fā)射功率可抑制其他頻率無(wú)線電的干擾，增強(qiáng)無(wú)線設(shè)備對(duì)鏈路其它干擾波形的過(guò)濾，提高無(wú)線鏈路的抗干擾通信能力。

3.1.5 抗干擾波形選擇

在無(wú)線通信中，通信信號(hào)體制一般為常規(guī)體制，信號(hào)受到干擾可能會(huì)引起載波鎖相環(huán)失鎖或錯(cuò)鎖、誤碼率升高、信噪比減小、數(shù)據(jù)包傳輸率下降等。無(wú)線通信的典型抗干擾波形體制主要包括直接序列擴(kuò)頻、跳頻等。擴(kuò)頻是將有用信號(hào)的功率譜進(jìn)行擴(kuò)展，功率譜屬于低截獲概率信號(hào)，不易被發(fā)現(xiàn)跟蹤。跳頻是其載頻有PN 碼控制隨機(jī)跳動(dòng)使地方難以對(duì)其信號(hào)進(jìn)行偵查、截獲、干擾。在鏈路使用中應(yīng)視情選擇適合抗干擾波形。

3.1.6 信息加密

信息加密是一種對(duì)無(wú)線通信中數(shù)據(jù)傳輸內(nèi)容進(jìn)行保護(hù)的抗干擾措施。信息加密主要是通過(guò)加密算法將可被直接破解的明文通信數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)成密文數(shù)據(jù)，同時(shí)為防止加密格式被敵方獲取，一般在通信數(shù)據(jù)包加入時(shí)間信號(hào)，對(duì)數(shù)據(jù)發(fā)送接收端進(jìn)行時(shí)間比對(duì)校準(zhǔn)，時(shí)間信號(hào)符合的才可進(jìn)行有效傳輸或執(zhí)行相關(guān)操作，進(jìn)一步對(duì)通信內(nèi)容進(jìn)行安全保護(hù)。在鏈路使用中使用密碼傳輸可提高鏈路中數(shù)據(jù)的抗干擾特性。

3.2 抗干擾工作流程

根據(jù)上述抗干擾控制方法本文提出了一種面向?qū)嶋H任務(wù)過(guò)程中鏈路的抗干擾工作流程，具體流程如圖3 所示。

指揮中心、機(jī)關(guān)或部隊(duì)下達(dá)作戰(zhàn)任務(wù)，根據(jù)任務(wù)要求，首先進(jìn)行鏈路抗干擾控制分析，依次判斷站間距離是否滿足抗干擾要求，頻道是否提前申報(bào)滿足抗干擾條件，是否優(yōu)先選擇易抗干擾天線，信息是否加密，是否為抗干擾波形，然后進(jìn)行鏈路通信工作參數(shù)設(shè)置。檢測(cè)到干擾后進(jìn)行干擾類型分類，再次判斷是否為抗干擾頻道，功率抗干擾能力是否滿足，天線是否受到干擾執(zhí)行對(duì)應(yīng)的抗干擾措施，最終完成整個(gè)任務(wù)階段的抗干擾控制。

3.3 檢測(cè)干擾后措施

當(dāng)操作員在鏈路操控時(shí)發(fā)現(xiàn)鏈路存在干擾或者干擾風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，可根據(jù)干擾類型采用以下三個(gè)方式進(jìn)行干擾預(yù)防解除[8]。

3.3.1 切換頻段

如果信號(hào)較弱，可根據(jù)頻譜監(jiān)測(cè)確定該頻段是否存在干擾，同時(shí)在頻譜上選擇相對(duì)信號(hào)干凈未受干擾的頻段，進(jìn)行頻段切換錯(cuò)開干擾。

3.3.2 增加功率

當(dāng)出現(xiàn)信號(hào)輕微下降但還在可接受范圍內(nèi)，可通過(guò)增加當(dāng)期無(wú)線頻段的功率進(jìn)行信號(hào)增強(qiáng)以保證通信鏈路受到干擾的影響減弱。

3.3.3 切換天線或各波段數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)

如果連續(xù)切換頻段或者功率均沒(méi)有明顯效果，則可根據(jù)情況進(jìn)行天線選擇優(yōu)先級(jí)手動(dòng)或自動(dòng)切換，適時(shí)進(jìn)行天線切換或不同波段主備切換，以達(dá)到干擾后對(duì)無(wú)人機(jī)鏈路控制的影響最低。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以無(wú)人機(jī)鏈路控制工程應(yīng)用為研究背景，以鏈路控制中常見干擾為研究對(duì)象，針對(duì)無(wú)人機(jī)鏈路控制中可能遇到的干擾問(wèn)題進(jìn)行了全面分析，依次從無(wú)人機(jī)鏈路頻率選擇、干擾檢測(cè)手段、系統(tǒng)抗干擾方法、抗干擾工作流程及干擾后解決措施等方面進(jìn)行了研究，該抗干擾策略已應(yīng)用于某型無(wú)人機(jī)試飛中，為進(jìn)一步提高無(wú)人機(jī)鏈路控制品質(zhì)提供了思路和依據(jù)，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。