对无人机下行遥测链路干扰效能评估及仿真

谢宇迪，盛怀洁

（解放军电子工程学院，安徽合肥 230037）

对无人机下行遥测链路干扰效能评估及仿真

谢宇迪，盛怀洁

（解放军电子工程学院，安徽合肥 230037）

根据无人机下行遥测链路的抗干扰技术，详细分析了无人机下行遥测链路的工作原理，提出了三种干扰方式。研究了宽带噪声干扰、单音干扰和脉冲干扰对无人机下行遥测链路干扰效能，给出了误码率计算模型。最后对三种干扰方式的干扰效能进行了仿真和比较，仿真结果显示在不同干信比的情况下，不同干扰方式的干扰效能也不相同。

无人机；遥测链路；干扰；效能评估

无人机测控系统分为测控数据链和指挥控制站，无人机数据链是指挥控制站完成对无人机的遥控、遥测、跟踪定位及信息传输的“保障链”，也是无人机的“生命链”［1］。无人机测控系统中，视距链路是比超视距链路优先级更高的链路，当无人机与地面站的距离在视距范围以内时，上行和下行链路都将切入到视距链路上，因此干扰无人机视距数据链是制约无人机作战效能的有效实用手段。在多数情况下，干扰无人机下行遥测链路比干扰上行遥控链路的危害更大［2］，会导致指挥控制站丢失实时数据，延误战机并影响作战效能。

目前对无人机数据链的干扰方法和策略开展了广泛研究，文献［1］指出对无人机数据链的干扰主要从无人机地面站、数据链和空中或卫星中继三个方面进行阐述。文献［3］通过分析通用数据链技术特点，分析了脉冲干扰对其前向链路的干扰效能和宽带噪声干扰对其返向链路的干扰效能。但上述文献都没有就现有的干扰方式对下行链路的干扰效能进行定量比较，区分其优劣。本文针对无人机下行遥测链路常用的抗干扰技术，研究了宽带噪声干扰、单音干扰和脉冲干扰对下行遥测链路的干扰效能并比较了三种干扰方式的优劣。

1 无人机下行遥控链路干扰方式分析

1.1 无人机下行遥控链路的工作原理

无人机下行遥测链路通常拥有两种模式：一种是窄带模式，只用于传输飞行状态数据，另一种是宽带模式，用于飞行状态数据和任务数据的复合传输，由于对高速数据传输采用扩频技术困难较大以及指挥控制优先级问题，任何模式的遥测链路一般都不采用扩频技术［4］。无人机飞行状态数据和任务数据，通过机载终端处理机进行编码加密、载波调制、上变频后，生成射频信号，再经功率放大器后通过机载天线辐射至地面站；地面站将接收到的遥测信号经下变频后，再经解调、解密译码后恢复出飞行状态信息和任务信息。在无人机下行遥测链路中，加密是为了防止链路中的数据被敌方截获，而具有抗干扰性能的技术包括编码和载波调制。

编码技术是一种对抗信道噪声的有效方法，无人机下行遥测信号解调后将进行译码，若解调后的误码率较小，经译码后输出的误码率比没有编码的误码率更低，这就体现出了编码增益；若解调后的误码率超过临界误码率，译码后误码率反而比有编码的误码率更大，出现“错误扩散”。

在载波调制上，无人机下行遥测链路常采用偏移正交相移键控（OQPSK）调制方式。OQPSK是由QPSK发展而来，OQPSK是在QPSK基础上将同相和正交两路信号在时间上错开半个符号周期Ts／2，消除了经过原点的转换，从而消除了失真。OQPSK调制信号的表示式为［5］

其中，In和Qn分别是正交调制I路和Q路的数据序列，g（t）为单个矩形脉冲，ωc为载波相位。

1.2 干扰方式分析

对于无人机下行遥测链路来讲，其抗干扰技术是采用编码技术和OQPSK调制，如果译码前的误码率达到约10-1数量级，就足以消除编码增益，即遥测信号解调后的误码率达到10-1数量级，编码将起不到抗干扰的作用。因此，干扰无人机下行遥测链路，核心是要干扰OQPSK调制的遥测信号，使解调后的误码率尽可能大。

本文对无人机下行遥测链路的干扰采用宽带噪声干扰、单音干扰和脉冲干扰三种干扰方式。宽带噪声干扰是指干扰噪声的带宽近似与目标信号相同，也视作拦阻式干扰，可以提高地面站遥测接收机的背景（热）噪声电平，从而恶化其接收环境，影响遥测链路系统的正常工作。单音干扰是干扰信号在一个频率上发射，当干扰机总功率一定时，单音干扰的音调所获得的功率更集中，将对接收机解调过程造成干扰。脉冲干扰是在一段时间内发射宽带噪声功率而在其余时间内处于关机状态的干扰方式。若脉冲干扰信号和宽带噪声干扰信号具有相同的平均功率，而脉冲干扰信号工作时间短促，因此可以获得很大的峰值功率，使接收机解调后发生突发性错误。根据上述分析，本文将重点研究宽带噪声干扰、单音干扰和脉冲干扰对无人机下行遥测链路的干扰效能。

2 无人机下行遥测链路干扰效能建模

2.1 下行遥测链路中OQPSK信号在加性高斯白噪声下的误码率模型

地面站遥测接收机所接收的信号为r（t），发射信号为s（t），则r（t）＝s（t）+n（t），其中n（t）为高斯白噪声为白噪声的功率谱密度，n（t）的概率密度函数为

在OQPSK星座图中，对于第一象限的符号s0，如图1所示，发射为s0时，接收信号r（t）的条件概率密度函数为

图1 OQPSK星座误判图

其中，ES是符号能量，由于I信道噪声和Q信道噪声是相互独立的，可以认为r（t）实部和虚部是相互独立的，则发射s0而被正确解码的概率为：

所以可以得到s0被正确解码的概率为

假设发射s0、s1、s2、s3是等概率的，那么i＝0，1，2，3，因此，一个符号被正确解码的概率为

那么误符号率（这里等于误码率）为

2.2 宽带噪声干扰下的干扰效能模型

宽带噪声干扰对OQPSK调制的遥测接收系统性能影响与只有加性高斯白噪声时的性能一样，因此，误码率为

其中，NT＝N0+J0，N0是热噪声的谱密度，J0是干扰噪声的谱密度。将式（12）变换为功率比的形式，得到

其中，WF＝1／TS，PN＝WFN0是噪声功率，R是OQPSK信号的功率，J是干扰噪声的功率，进而有

其中，SNR为信噪比，JSR为干信比。

2.3 单音干扰下的干扰效能模型

单音干扰的平均功率为J时，在第k个时间间隔中，干扰单音表示为［6］

其中，Ts是符号周期，θ是干扰单音与载波信号的相位偏移。OQPSK信号在单音干扰下I信道和Q信道的误码概率分别为：

将式（14）和（15）转化为功率比的形式：

干扰单音与载波信号相位不相干时，θ在（0，2π）上均匀分布，那么OQPSK信号在单音干扰下的误码率表示为

2.4 脉冲干扰下的干扰效能模型

脉冲干扰在发射干扰信号的时间内对OQPSK调制的遥测接收系统性能产生影响，假设发射干扰信号的时间段为γ，则关机时间段为1-γ，那么噪声和干扰所引起的平均误码率为

其中，Pe1是干扰机关机时的误码率，Pe2是干扰机工作时的误码率，N1是无干扰时的噪声谱密度，N2是存在干扰时的噪声谱密度。一般，干扰机工作时，干扰信号功率远大于OQPSK系统产生的噪声功率，因此可以忽略系统噪声，那么平均误码率为

3 无人机下行遥测链路干扰效能仿真

对无人机下行遥测链路干扰效能仿真可以采取两种方法：一是根据建立的不同干扰方式下的理论误码率模型进行仿真，二是通过搭建无人机下行遥测链路的Simulink动态仿真平台进行仿真分析并加以校正理论模型的误差。本文仅采取第一种方法进行仿真分析，研究宽带噪声干扰、单音干扰和脉冲干扰对OQPSK调制的遥测接收系统的干扰性能，并在同一前提下比较三种干扰方式的优劣，给出误码率与干信比之间的关系。

3.1 宽带噪声干扰下的误码率仿真分析

当OQPSK调制的遥测接收系统信噪比SNR＝20dB、SNR＝15dB、SNR＝10dB、SNR＝5dB时，宽带噪声干扰的干信比与系统误码率关系如图2所示。可以发现误码率随着干信比的增加而增大，而干信比超过5dB后，无论系统信噪比多大，误码率都趋于相同；当干信比超过了0dB后，无论系统信噪比多大，都能使误码率Pe≈0.1甚至更高。根据文献［7］，对于数字通信系统，当Pe≥0.2时，系统将受到强烈干扰，这里认为是能够延误战机和影响作战效果的有效干扰。因此，在宽带噪声干扰下，系统信噪比SNR＝20dB时，需要干信比JSR≥-2dB才能使干扰有效。

图2 宽带噪声干扰下干信比与误码率的关系

3.2 单音干扰下的误码率仿真分析

为便于研究，设定干扰单音与OQPSK信号相位不相干，则θ在（0，2π）上均匀分布，公式（18）是单音噪声干扰下的误码率计算模型。当系统信噪比SNR＝20dB、SNR＝15dB、SNR＝10dB、SNR＝5dB时，干信比与误码率之间的关系图如图3所示。可以看出，OQPSK信号在单音干扰下，误码率随干信比提高而增大，当干信比较大时，信噪比对于误码率影响很小，误码率也趋于一致。当系统信噪比SNR＝20dB，需要干信比JSR≥-3.7dB，能使干扰有效，因此，与宽带噪声干扰要达到相同的干扰效果，单音干扰所需的干扰功率低1.7dB。

图3 单音干扰下干信比与误码率关系

3.3 脉冲干扰下的误码率仿真分析

由于脉冲干扰误码率计算模型中的γ值不确定，所以首先讨论γ取值对于误码率的影响，当系统信噪比SNR＝20dB，干信比分别是JSR＝-15dB、JSR＝-10dB、JSR＝-5dB、JSR＝0dB、JSR＝5dB、JSR＝10dB时，γ与误码率之间关系如图4所示。可以发现，在干信比较小时，存在一个使Pe最大的γ值，表示为γ∗，而γ∗随干信比的增大而增大，当γ∗＝1，γ∗的值不再随干信比增加而变化，此时干扰机开机时间为1，关机时间为0，脉冲干扰的误码率为

这时可将脉冲干扰视作为宽带噪声干扰，与宽带噪声干扰具有相同的干扰性能。

图4 脉冲干扰下变量γ与误码率的关系

当系统信噪比SNR＝20dB、SNR＝10dB、SNR＝0dB，γ始终取使误码率达到最大的γ∗，即脉冲干扰处于最佳干扰状态时，干信比对误码率的影响如图5所示。可以发现，脉冲干扰下，误码率随干信比提高而增大，而干信比达到5dB以后，信噪比对误码率的影响很小。当系统信噪比SNR＝20dB，γ取γ∗时，需要干信比JSR≥-2dB，才能使Pe≥0.2，而此时γ∗≈1，脉冲干扰可视为宽带噪声干扰。

图5 脉冲干扰下干信比与误码率的关系

3.4 三种干扰方式比较仿真分析

对上述三种干扰方式进行比较，需要规定一个固定的前提条件，才能客观科学，假设系统信噪比SNR＝20dB，干扰单音与OQPSK信号相位偏移在（0，2π）上均匀分布且脉冲干扰始终处于最佳脉冲宽度，三种干扰方式下干信比对误码率的影响如图6所示。当误码率Pe＝3×10-2时，脉冲干扰比宽带噪声干扰具有5dB以上的优势，比单音干扰具有7dB以上的优势，因此，在干信比较低的情况下，即干扰机平均功率较低时，脉冲干扰是干扰无人机下行遥测链路最佳的选择；当干信比超过-2dB以后，单音干扰的优势开始显现出来，同样达到误码率Pe＝0.2，单音干扰需要的干信比较脉冲干扰和宽带噪声干扰少1.7dB，单音干扰是干扰的最佳选择；而当干信比增加到一定程度以后，三种干扰方式的干扰效果将趋于一致。

图6 三种干扰方式下干信比与误码率的关系

4 结束语

随着无人机的迅猛发展，对抗无人机的手段也逐渐引人关注，干扰无人机下行遥测链路无疑是实用有效的。本文根据无人机下行遥测链路所采用的抗干扰技术，分析得出干扰重点是对抗OQPSK调制的遥测接收系统，提出了脉冲干扰、宽带噪声干扰和单音干扰三种干扰方式，并给出了干扰效能模型。深入研究了三种干扰方式下，系统信噪比和干信比等因素对干扰性能的影响。仿真结果说明，在低干信比情况下，脉冲干扰相比而言具有一定的优势，但随着干信比的提高，单音干扰的优势突显出来，而干信比提高到一定程度后，三种干扰方式的干扰效果趋于一致。本文并未搭建无人机下行遥测链路动态仿真平台以及实际实验对理论推导模型加以校正，在今后的研究中会予以完善。

［1］ 陆文博，刘春生，黄中瑞.对无人机测控系统干扰方法的研究［J］.舰船电子对抗，2013，36（2）：31⁃34.

［2］ Paul G.Fahlstrom，Thomas J.Gleason.无人机系统导论［M］.吴汉平等译.北京：电子工业出版社，2003.

［3］ 朱林，方盛良，杨正.对通用数据链干扰效能评估及仿真［J］.火力与指挥控制，2014，39（9）：72⁃75.

［4］ 骆光明，杨斌，邱致和.数据链——信息系统连接武器系统的捷径［M］.北京：国防工业出版社，2010.

［5］ 江洁，张凤源，陈劼，等.卫星数据加扰方式对OQPSK调制信号的影响分析［J］.上海航天，2015，32（4）：47⁃53.

［6］ Poisel R A.Modern Communications Jamming Principles and Techniques［M］.New York：Artech House，lnc，2011.

［7］ 邵国培.电子对抗作战效能分析原理［M］.北京：军事科学出版社，2013.

Evaluation and Simulation for Efficiency of UAV Downlink in Presence of Jamming

XIE Yu⁃di，SHENG Huai⁃jie
（Electronic Engineering Institute of PLA，Hefei 230037，China）

According to anti⁃jamming techniques of UAV downlink，working principle of UAV downlink system is analyzed and three types of jamming are given.The jamming effectiveness of BBN jamming，single⁃tone jamming and pulse jamming to downlink system are analyzed，and the computational model of BER is given.The jamming effectiveness of three jamming methods are simulated and compared，and the simulation results show that the anti⁃jamming effectiveness of different jamming methods is different by different jamming⁃signal ratio.

UAV；downlink；interfere；effectiveness evaluation

TN97；E917

A

10.3969／j.issn.1673⁃3819.2016.06.015

1673⁃3819（2016）06⁃0077⁃05

2016⁃07⁃18

2016⁃08⁃13

谢宇迪（1991⁃），男，四川人，硕士研究生，研究方向为无人机数据链。

盛怀洁（1961⁃），女，教授。