飞行器目标监控系统抗干扰技术研究

郭 彤

(国防科技大学信息系统工程实验室,长沙410073)

1 引 言

无人机、导弹等飞行器飞行过程中,为保证其安全飞行,飞行器需与后方指挥控制中心之间保持建立数据通信链路,用于传输飞行器的飞行位置、速度以及飞行姿态等遥测数据,或传输指挥控制中心送给飞行器的遥控指令数据,改变其飞行航迹和飞行姿态,这种实现飞行器与指挥控制中心之间前返向信息传输的无线电通信系统称为飞行器目标监控系统,它为飞行器可靠安全飞行提供重要的技术保障。

随着电子信息技术的发展,无线电通信系统使用频谱资源将越来越紧张,飞行器目标监控系统工作的电磁环境日益复杂,同时还会受到各种有意干扰和无意干扰,其飞行器目标监控系统的生存能力受到了较大挑战。对于抗干扰能力较弱的目标监控系统,在干扰的工作环境中,将无法发挥对飞行器目标的监控作用,严重影响到飞行器的安全飞行。

研究飞行器目标监控系统抗干扰技术,增加飞行器目标监控系统的抗干扰能力,将大大提高飞行器目标监控系统的环境适应性。

2 工作原理

飞行器目标监控系统是飞行器指挥控制中心利用飞行器与指挥控制中心之间构建的信息通信链路,实现对飞行器的实时监视和控制的无线电通信系统。系统主要由指挥控制中心、飞行器以及两者之间的通信链路组成,指挥控制中心利用信息在通信链路中的双向传输,实现对飞行器目标的监视和控制功能。

目标监视是飞行器目标将飞行器平台的位置信息、姿态信息、飞行器载传感器设备工作状态以及传感器获取的信息数据等回传到指挥控制中心,由指挥控制中心进行实时解调与译码,实现飞行器飞行状态的监视过程;目标控制是指挥控制中心通过信息传输通信链路将控制命令实时送到飞行器平台,由飞行器载电子设备接收、解调,并译码出控制指令,控制飞行器飞行状态的过程。飞行器目标监控系统中,指挥控制中心和飞行器同时扮演着信源和信宿角色,目标监视时,飞行器作为信源,而指挥控制中心作为信宿;反之,目标控制时,飞行器为信宿,指挥控制中心为信源。

飞行器目标监控系统采用电磁波信号作为信息媒介,将信息调制到信号载波上进行无线传输。常用的信号体制是调相信号,信号的基本表达形式为

式中,A是电磁波信号峰值幅度,P(t)是伪随机码,d(t)是信息数据,f0是电磁波信号的工作频率,θ0是电磁波信号的初始相位。

从方程(1)可知,信息数据d(t)包含了飞行器目标监控系统传输的位置信息、姿态信息、飞行器载传感器设备工作状态、传感器获取的信息以及飞行器控制信息等数据。指挥控制中心或飞行器接收到携带信息的信号后,进行数据解调处理,提取出对方传输信息数据d(t),实现目标监视或目标控制功能。对传输信息进行伪随机码P(t)调制,扩展了信息传输带宽,增强了信号传输的抗干扰能力,降低了信息被截获概率,提高了信息传输的保密性和安全性。

飞行器目标监控系统的工作原理框图如图1所示。

图1 飞行器目标监控系统工作原理框图Fig.1 The working schematic of aircraft surveillance and monitoring system

由图1可知,飞行器目标监控系统主要包括指挥控制中心和飞行器平台,指挥控制中心由指挥决策终端、信息处理设备、数据显示设备、发射设备和接收设备组成,飞行器平台由飞行器载终端、传感器以及执行机构组成。指挥控制中心与飞行器之间可通过多条信息传输链路,如可选择天基、空基、陆基以及海基链路进行相互通信,每条信息传输链路均可实现目标的监视与控制功能。

3 抗干扰技术分析

飞行器目标监控系统保障飞行器的安全飞行,主要通过指挥控制中心和飞行器平台对传输信号的可靠接收,并正确解调出传输信息数据,实时监视和控制飞行器的飞行航迹。为适应今后复杂电磁环境条件,飞行器目标监控系统需具备对各种有意和无意干扰的强抗干扰能力[1-2]。

通常,无线电通信系统主要采用时域、空域以及频域抗干扰处理方法提高系统的抗干扰能力。时域抗干扰方法是系统工作时间避开干扰信号释放时间,如跳时通信系统等;空域抗干扰方法是通过提高通信系统的空域隔离度,增强抗干扰能力,典型方法是使通信系统天线波束避开干扰信号波束,使干扰信号只能从通信系统天线波束副瓣进入,如天线变极化通信系统、窄波束通信系统等[3];频域抗干扰方法是系统工作频率避开干扰信号频率,或扩展通信系统工作带宽,降低干扰信号的功率谱密度,如跳频通信系统、扩频通信系统、自适应干扰置零通信系统等[4-5]。实际通信系统采用何种抗干扰方法,主要根据系统的工作体制、工作环境条件以及抗干扰方式等因素进行选择。

飞行器目标监控系统是指挥控制中心对飞行器进行实时监控,飞行器目标监控系统抗干扰水平体现为监控链路通信信号的抗干扰容限、指挥控制中心和飞行器载终端抗干扰信号接收能力。考虑到系统信息实时传输和通信天线波束覆盖特性,飞行器目标监控系统采用频域抗干扰方法较适宜,频域抗干扰方法中,比较简单的是采用直接序列扩频通信技术,通过增大通信系统的工作带宽,从而增加干扰信号实施大功率、大宽带覆盖的难度,扩频信号的抗干扰容限与扩频伪码速度、信息速率有关,其关系式表示为

式中,J是抗干扰容限,Rc是伪码速率,Rb是信息速率,10lg(Rc/Rb)是扩频信号处理增益,Ls是系统损耗,(S/N)out是解扩器输出的最小信噪比。

由方程(2)知,利用高伪码速率调制低信息速率信号时,可获得较大的抗干扰容限。然而,随着伪码速率的提高,扩频通信系统捕获伪码的技术难度增加。针对采用扩频技术体制的飞行器目标监控系统,为提高飞行器目标监控系统的抗干扰能力,可采用基于伪码组合的扩频通信技术。伪码组合就是采用多组速率较低的短伪码,组合成高速率伪码信号,用高速率伪码调制信息数据,能大大扩展传输信号带宽,在接收机中采用低速率伪码依次进行解扩。采用n组伪码速率均为Rc,伪码长度为N,则通过伪码组合后,伪码周期保持不变为N/Rc,而组合伪码的码速率为nRc,组合伪码长度为nN。

采用 n组低速伪码信号组合的扩频通信系统的抗干扰容限可表示为

式中,Jn是n组伪码组合信号的抗干扰容限,Rci(i=1,2,…,n)是第i个伪码速率。

若高速率伪码信号由 n组相同速率伪码信号组合而成,则该扩频通信系统的抗干扰容限为

由方程(4)可知,与传统单伪码调制方式的扩频通信系统相比较,采用两组伪码组合的扩频通信系统其抗干扰能力可提高3 dB,采用n组伪码组合的扩频通信系统其抗干扰能力可提高10lgn dB。

飞行器目标监控系统采用伪码组合技术,不仅可提高监控系统的抗干扰能力,同时采用多组低速率伪码组合,信号扩频调制与解扩处理方法简单,技术风险较小。

4 仿真实验

若扩频通信系统接收机的解扩器输出信噪比为8 dB,系统损耗为1 dB,则不同伪码组合扩频通信系统的抗干扰容限如表1所示。

表1 不同伪码组合扩频通信系统抗干扰容限Table 1 The anti-jamming performance of multi-coupled pseudo-random code system

对于伪码扩频体制的飞行器目标监控系统,其抗干扰能力主要与系统传输的信息速率和采用的伪码速率有关。采用相同速率伪码调制不同速率信息,信息速率较低的系统,其抗干扰能力强;采用不同速率伪码调制同速率信息,伪码速率高的系统,其抗干扰能力强。因此,高抗干扰能力的飞行器目标监控系统应选择用高速率伪码调制低速率信息。

针对传输不同速率信息,选择伪码速率为10.23Mchip/s的不同组合数量调制的飞行器目标监控系统,其抗干扰能力仿真结果如图2所示。

图2 伪码组合的飞行器目标监控系统抗干扰能力Fig.2 The anti-jamming performance of coupled pseudo-random code system

从图中可知,采用速率10.23 Mchip/s伪码信号调制不同速率的信息,信息速率越低,系统获得的抗干扰容限越大,且调制同样信息速率,伪码组合数量越多,系统抗干扰容限越大。

5 结束语

飞行器目标监控系统是指挥控制中心对飞行器进行实时监控的通信系统,是飞行器安全飞行的技术保障。在日益复杂的电磁工作环境条件下,飞行器目标监控系统采用伪码组合的扩频技术体制,系统的抗干扰能力可得到较大提高。

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