多无人机系统频率干扰问题研究*

王　涛　张明义　黄克明

(陆军军官学院　合肥　230031)



多无人机系统频率干扰问题研究*

王涛张明义黄克明

(陆军军官学院合肥230031)

摘要多无人机系统在同一地域同时使用，容易产生无线电频率干扰。论文试图通过对无人机数据链系统的频谱分析，寻找一种解决频率干扰的方法以及频率优化设计的方法，合理地进行多无人机系统频率规划。

关键词多无人机； 频率干扰; 频率规划

Class NumberTN219

1引言

当多无人机系统在同一个作战区域或者相邻区域同时展开工作时，一套无人机系统的射频发射功率对另一套无人机系统的接收机来说，可以看作是干扰源，数据链系统的工作频率会产生互相干扰。无人机系统的数据链接收机接收到其他无人机系统辐射的射频功率大于其接收灵敏度时，该无人机系统的数据链通信功能便会受到频率干扰。反之，当接收机接收到其他无人机系统射频功率小于其接收灵敏度时，该系统的数据链通信功能不会受到干扰，可以正常工作。为了避免数据链系统射频干扰，多套无人机系统之间的工作频率科学合理的进行频率规划，确保各系统数据通信的安全可靠。

2无人机数据链系统频谱分析

无人机数据链系统频谱分析的一般方法是：首先确定无人机典型应用场景，其次根据典型应用场景对无人机数据链路的通信覆盖范围、无线电信号的接收强度、链路系统裕量的计算等三个方面进行频谱分析。

2.1典型应用场景

无人机视距范围内的应用场景主要可以分为以下四种：

场景一：在隔离空域的一个视距范围内有且仅有一个地面站对一架无人机的操作;

场景二：在隔离空域的同一个视距范围内存在多个地面站对多架无人机的操作;

场景三：在隔离空域的不同视距范围内多个地面站对一架无人机的接力操作;

场景四：在隔离空域的视距或超视距范围内一个地面站对多架无人机(空空接力模式)的操作。

2.2数据链路通信覆盖范围

飞行在一定高度的无人机具有一定的无线电视距覆盖范围。无人机的无线电视距通信覆盖范围与地球曲率、大气折射、地面反射、气候、地形等诸多因素有关。这既有学术理论问题，又有工程经验问题。目前国际上实用的无线电视距的计算方法有以下几种。

1) 考虑了大气折射(大气折射因子K=4/3)的视线距离公式为

(1)

式中：h1、h2为天线高度，单位m;d0为视线距离，单位km。

2) 仅考虑地球曲率(大气折射因子K=1)的视线距离公式为

(2)

3) 在考虑了大气折射(大气折射因子K=4/3)基础上再翘高0.5°仰角。

按上述三种计算方法对应不同天线高度的地-空链路无线电视距通信覆盖范围如表1所示(地面站天线高度按地平面计算)。由于实际无线电视距范围与多种因素有关，所以其数值是在一个范围内变化的。目前一般认为采用大气折射因子K=1的视线距离比较合适。

表1　地-空链路的无线电视距通信范围

2.3无线电信号接收强度(RSS)的计算：

无线电信号接收强度是指接收站设备接收到的无线信号的强度，计算公式如式(3)所示：

RSS=Pt+Gr+Gt-Lc-Lbf

(3)

其中，RSS为接收到的无线电信号强度(dB)，Pt为发射站的辐射功率(dB)，Gr为接收天线增益(dB)，Gt为发射天线增益(dB)，Lc为电缆和缆头的损耗(dB)，Lbf为自由空间损耗(dB)。

假设某无人机数据链系统发射站与接收站两站点相距15km，设备发射功率25dBm，发射天线增益为15dBi，接收天线增益为22dBi，电缆和缆头损耗4dBi。则接收站接收到的无线电信号强度为

RSS1=25+15+22-4-124=-66dB

(4)

2.4数据链系统裕量(SFM)的计算

数据链系统裕量是指接收站设备实际接收到的无线电信号与接收站设备允许的最低接收阈值(接收站设备接收灵敏度)相比多出的富裕量数值(dB)。计算公式如式(5)所示。

SFM=RSS-Rs

(5)

其中，RSS为接收站接收到的无线电信号强度(dB)，Rs为接收站设备接收灵敏度(dBi)。

在上面的例子中，如果接收站设备接收灵敏度为-75dBi，则数据链系统裕量为

SFM1=RSS1-Rs=-66-(-75)=9dB

(6)

通过上面的例子分析计算可以说明，使用发射功率为25dBm的发射站设备，接收灵敏度为-75dBi的2.4GHz的无线网桥作为接收设备，加装15dBi增益的发射天线和22dBi增益的接收天线，电缆和缆头损耗为4dBi衰减值的情况下，在传输了15km后还有9dB的链路系统裕量，无线电数据链系统可以正常工作，能够保证信号通信质量。反之，如果接收到的信号是干扰信号，则无线电信号会对系统通信质量造成干扰。

但是，无线电数据链系统以同样的配置，在传输了50km之后，接收站接收到的无线电信号强度为

RSS2=25+15+22-4-134=-76dB

(7)

无线电数据链系统裕量为

SFM2=RSS2-Rs=-76-(-75)=-1dB

(8)

无线电数据链系统接收到的无线电信号低于接收设备灵敏度，无线电数据链系统已经无法解调出有用信号，不能正常工作。反之，如果接收到的信号是干扰信号，则无线电信号不会对系统通信质量造成干扰，可以忽略不计。

3多无人机系统频率复用方式

多无人机系统在同一地域同时展开工作时，为尽量减少彼此之间的无线电干扰，工作频率可以采用分组复用方式、不分组的动态复用方式两种方法进行规划使用。

3.1频率分组复用方式

频率分组复用方式是无线电通信系统比较常用的频率复用方式，常采用3*3、4*3、5*3等频率分组方式。表2所示为3*3频率分组复用方式时的情况：工作频率范围1～9，共9个频点，分为A1、A2、A3三组，每组三个载频。

表2　频率分组复用方式

在进行多无人机系统频率配置的时候，以三架相邻的无人机为例，多无人机系统有A1、A2、A3三组分组方案可选，A1、A2、A3每个频率组包括三个载频，三架无人机分别分配三个载频中的一个，如果同一频率组的复用距离合适，可以有效地避免多架无人机之间的同邻频干扰。频率分组时载频间隔的量度值需要根据无人机之间的距离、无线电数据链系统的工作频率、发射站的辐射功率等因素，通过计算数据链系统裕量值来确定。

3.2频率动态复用方式

频率动态复用方式不同于频率分组复用的方式，它不将无人机系统的可用频点进行分组，在进行频率规划的时候将所有的可用频点列入考虑范围，只从中选择满足一定要求的频点作为某架无人机系统的工作频率。这种频率复用方法思路简单，而且频率利用率高，适合当无人机载无线电频率资源非常有限，分组复用方式无法完成的情况下进行频率分配，理论上可以达到比较好的频率规划结果。动态的频率复用方式可以根据频率规划中的最低频率间隔要求对频率进行分配，能够达到最大的频率复用系数。

当无人机装备投入使用越来越多的时候，尤其是多无人机系统在空中组网时，频率动态复用方式是一种非常实用的频率复用方式，但是动态频率复用方式对各架无人机工作频点进行选择时计算量比较大，适合用计算机进行算法实现。

4多无人机系统频率的优化

随着部队装备的无人机系统数量不断增加，如何通过频率优化的方法对多无人机系统工作频率进行合理规划，是一个有待研究的问题。现有的遗传算法、神经网络算法等频率优化的方法，都不能很好地解决如何将不同的频率复用方式与优化方法结合起来的问题，同时优化算法计算时间比较长。一种简单有效的频率优化方法是利用遗传算法的思想，同时与频率规划的实际应用相结合，速度较快、便捷实用。

4.1频率优化的理论依据

遗传算法的主要思想就是“优胜劣汰”，将父代群体中性能好的个体遗传下来，而将性能不好的个体淘汰，并重新产生新的个体进行补充，然后在子代中应用同样的原则，依次类推，直至产生比较满意的结果。将这个思想应用于多无人机系统频率优化中：对于已有的频率规划方案，将通信质量较好的无人机频率配置保留下来，而将待优化的数据链通信质量较差，受干扰较严重的无人机频率配置删除重新进行分配，获得一组新的频率配置，然后重新测试其通信质量，按照相同思想依次类推，直至获得比较满意的频率规划结果。

4.2频率优化的流程

首先，需要根据多无人机系统的实际工作情况确定待优化的无人机平台，分析实测数据发现接收质量较差、受无线电干扰严重的无人机，找到有可能由于频率规划不合理造成彼此之间相互干扰的无人机，将作为待优化的无人机。在同一地域或者相邻地域工作的多无人机系统中，很有可能只是由于其中某架无人机频率的配置不合理造成了对其他无人机的频率干扰，所以在进行频率优化的时候，应该首先对个别无人机工作频率进行优化，通过改变个别无人机的频点配置达到多机系统频率规划较好的效果。

其次，需要设定一些优化参数，如：

1) 频率的限制条件。在进行频率优化的时候，需要添加一些限制条件，包括仅选择受干扰程度较大的无人机进行频率优化，或者对某些待优化的可用频点范围进行限制。

2) 优化次数的设定。优化次数需要合理设定，如果选择过多，会造成计算时间过长，如果优化次数太少又会影响优化效果。

4.3适应度函数设计

遗传算法主要根据适应度大小来选择优化对象，因此科学地设计适应度函数非常重要。设计适应度函数的原则是：使无人机数据链系统接收到本系统发射站的信号强度尽可能大，接收其它无人机系统的无线电信号强度尽可能小。

对无人机A而言，应使其接收站接收到本数据链系统发射站的信号尽可能大，接收到区域内其它无人机数据链系统(除无人机A以外)的信号尽可能小。

无人机数据链系统射频天线有全向和定向天线两种，首先分析使用全向天线的情况。

为简化问题，采用理想模型进行研究。根据无线电信号自由空间传输损耗公式，无人机平台X发射的无线电信号到达无人机A处的信号强度为

P=10lg(1000WX)-32.5-20lg(f)-20lg(dXA)

(9)

其中，WX为无人机X的无线电信号发射功率(dB)，f为无人机的通信频率(MHz)，dXA为两架无人机间的距离(km)。

假设区域内几架无人机工作在同一频率，则计算时只需考虑:

(10)

根据上述分析，对于无人机A，设计适应度函数为

(11)

其中，WA为无人机A数据链系统的发射功率，dAA为无人机A发射站与接收站之间的距离。

对工作在同一地域的多架无人机依次进行分析，得到总适应度函数为

(12)

其中，Fi为各架无人机数据链系统的适应度函数。

当无人机数据链系统使用定向天线工作时，分析方法与使用全向天线相同。但是适应度函数中的参数WX不是无人机数据链系统的发射功率，而是无人机发射站朝某个方向辐射的功率，需要结合定向天线的增益、方向图、天线的指向与无人机发射站接收站连线的夹角进行分析。

5结语

随着无人机装备越来越多地投入现代信息化战争，多无人机系统之间的频率干扰问题日益突出。研究一种快捷实用的多无人机频率规划方法，以及多无人机频率优化的方法，对于指导部队的作战训练具有重要的实用价值。

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收稿日期：2016年1月10日,修回日期：2016年2月23日

基金项目：全军军事科研 “十二五”计划课题(编号：14QJ004-072)资助。

作者简介：王涛，男，博士研究生，讲师，研究方向：无人机技术与作战运用。张明义，男，副教授，研究方向：无人机技术与作战运用。黄克明，男，讲师，研究方向：无人机技术与应用。

中图分类号TN219

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.07.041

Frequency Interference of Multi-UAV System

WANG TaoZHANG MingyiHUANG Keming

(Army Officer Academy, Heifei230031)

AbstractIt’s easier to produce radio frequency interference when multi-UAV system is used under same time and same area. This paper analyzes the spectrum of UAV data link system attempts to find a solution of frequency interference and build a frequency optimum design method, aiming to resonably plan multi-UAV system frequency.

Key Wordsmulti-UAV, frequency interference, frequency planning