“双发射”模式下弹载通信干扰性能仿真研究

张 杰，陈 栋，田宗浩

(陆军炮兵防空兵学院高过载弹药制导控制与信息感知实验室， 合肥 230031)

在战争中，及时阻止、破坏或削弱敌方的信息传输链路，使其通信中断、指挥失灵，从而为己方实施突防和攻击提供有利支持，是提高战场制信息权、夺取战场主动、赢得战机的重要保障[1-3]。近年来，随着军事通信技术的迅速发展和软杀伤武器概念的提出，通信干扰弹更是受到西方军事强国的高度重视[4-6]。

俄罗斯研制并出售给国外的3HC30式152 mm高频/甚高频通信干扰弹，每个弹丸内装有1个无线电干扰机，每个干扰机分别工作在不同的频段内，总计覆盖1.5～120 MHz的频率范围。保加利亚生产的BPC-542高频/甚高频无线电干扰弹内装1个干扰机，每个干扰机覆盖一定的频率范围，总计频率覆盖范围为1.5～120 MHz。

目前通信干扰弹均按照一发通信干扰弹对应一套干扰机，每副干扰机对应一个频段，且含有一根天线。这种模式下，若要覆盖全频段，则需发射多发弹丸，抛射多套干扰机才能完成，容易贻误战机，实用性大打折扣，导致使用效率不高。

设想如果一个干扰机采用两根天线的方式，实现一个干扰机对两个不同频段范围的电台进行干扰，那么就可以实现一发通信干扰弹干扰全频段的可能。本文利用OPNET平台对“双发射”模式弹载通信干扰机的模型建立与性能仿真进行研究。

1 弹载通信干扰的相关理论基础

根据通信干扰理论[7-8]，被干扰接收机接收到的信号功率为：

(1)

式(1)中：PTS表示发射机输出功率；GTS表示发射天线在接收机方向的天线增益；GRS表示接收天线在发射机方向的天线增益；Ls表示通信发射机到接收机的路径损耗。

不考虑滤波损耗以及极化损耗，则干扰功率表示为：

(2)

式(2)中：PTj表示干扰机输出功率；GTj表示干扰天线在接收机方向的天线增益；GRj表示接收天线在干扰机方向的天线增益；Lj表示干扰机到接收机的路径损耗。

因此信干比为：

(3)

自由空间传播条件下，电波传播的路径损耗为：

32.45+20lgf(MHz)+20lgr(km)

(4)

式(4)中：λ表示波长；r表示通信距离；f表示频率。

根据接收机具体的调制解调方式，将信干比代入误码率计算公式，可到某种干扰条件下的接收机误码率。

2 “双发射”模式弹载通信干扰机的原理设计和功能组成

通信干扰弹主要以干扰敌跳频电台为主[9]。由于大多数军用超短波战术无线电台都工作在30～88 MHz频段[10-11]，并且外军通信干扰弹的工作频段基本上在1.5～120 MHz之间[4-5]，因此本文讨论的“双发射”模式弹载通信干扰机的工作频段为1.5～120 MHz，即被干扰的敌跳频电台的工作频段在1.5～120 MHz之间，电台采用全向鞭状天线[12]，传播方式均以地波传播中的直射波传播方式为主[11-14]。根据上述条件，图1为基于“双发射”模式的弹载通信干扰机的设计框图。

图1 “双发射”模式弹载通信干扰机组成框图

如图1所示，弹载通信干扰机采用扫频锯齿波干扰样式，干扰机主要由锯齿波产生器、锯齿波调制器、带通滤波器、宽带放大器、末级功放和天线匹配器等组成。

基本工作原理：锯齿波产生器输出一个扫描电压(电压平均值决定压控振荡器的输出拦阻中心频率；改变锯齿波电压的振幅，可以控制拦阻干扰的频带宽度；锯齿波电压的扫描速度决定了输出频谱的谱线间隔)加到锯齿波调制器上，产生射频信号使输出频率在设定的拦阻带宽内扫描，形成一个较为均匀的带宽干扰信号。经带通滤波器滤波后，通过功率放大，由两副天线辐射出去，对敌方通信实施有效的干扰。其中一副天线发射1.5～30 MHz波段的短波跳频电台干扰信号，另一副天线发射30～120 MHz的超短波跳频电台干扰信号。

3 弹载通信干扰机设计与仿真

3.1 OPNET仿真平台简介

OPNET[15-16]是目前应用最广泛的网络仿真开发和应用平台，它提供了一个比较完整的基本模型库和三层建模机制，和实际的网络、设备、协议层次完全对应，全面反映了通信网络的相关特性，同时具有丰富的统计量收集和分析功能。因此本文选择OPNET仿真软件进行弹载通信干扰机的干扰性能研究。

3.2 弹载通信干扰系统的模型构建

如图2所示，在OPNET环境下搭建了“双发射”模式弹载通信干扰系统，该系统包含一部“双发射”模式弹载通信干扰机和两组收发电台，即1.5～30 MHz短波跳频电台和30～120 MHz超短波跳频电台。

图2 “双发射”模式弹载通信干扰系统网络模型示意图

3.2.1干扰机节点模型

干扰机节点模型由干扰源模块source、短波无线发射机模块tx_1、短波天线模块antenna_1、超短波无线发射机模块tx_2和超短波天线模块antenna_2构成，如图3所示。

图3 “双发射”模式弹载通信干扰机节点模型示意图

其中，干扰源模块source用于产生扫频式干扰信号，并按一定规律同时在短波和超短波频段内进行发送；短波无线发射机模块tx_1用于在短波电台的工作频段发射干扰信号；短波天线模块antenna_1用于对短波干扰信号添加天线增益；超短波无线发射机模块tx_2用于在超短波电台的工作频段发射干扰信号；超短波天线模块antenna_2用于对超短波干扰信号添加天线增益。

3.2.2干扰源进程模型

干扰源进程模型的有限状态机包括init状态、idle状态、sweep_tx_on状态、sweep_tx_off状态，如图4所示。其中，init状态负责读取配置的干扰机模型属性参数，对相关变量进行初始化。idle状态为该进程的空闲等待状态，在不同的事件触发下跳转至相应的状态执行对应的操作。sweep_tx_on状态为干扰机在扫频干扰模式下的工作状态，生成干扰信号后同时在短波和超短波的频段范围内按锯齿波的方式发送干扰信号。sweep_tx_off状态为干扰机在扫频干扰模式下的停止工作状态。

图4 干扰源进程模型multi_mode_jam_new示意图

3.2.3数据业务报文

数据业务报文格式如图5所示，source存储源节点的地址信息，destination存储目的节点的地址信息，time_stamp存储节点发包时的时间戳信息，load字段存储节点要发送的数据业务负载。

图5 数据业务报文格式

3.2.4节点参数配置

1) 干扰机参数配置

本文讨论的干扰机为悬浮式弹载通信干扰机，其参数设置主要涉及到以下内容：

① ascent rate：节点的升降速度；

② Altitude：节点的初始离地高度；

③ Batter Capacity：节点的电池容量；

④ Cycle Time：扫频周期长度；

⑤ SW Bandwidth：针对短波电台进行干扰的频带宽度；

⑥ SW Base Frequency：针对短波电台进行干扰的基频，即起始频率；

⑦ SW Power：针对短波电台进行干扰的干扰信号发射功率；

⑧ Sweep Interval：干扰机的扫频间隔，即将干扰频带划分为多少份；

⑨ USW Bandwidth：针对超短波电台进行干扰的频带宽度；

⑩ USW Base Frequency：针对超短波电台进行干扰的基频，即起始频率；

2) 短波、超短波电台参数配置短波、超短波电台参数配置如下：

① 节点的应用业务属性配置，包括：a.Destination Node：业务报文的目的节点名称；b.Packet Format：业务报文的包格式；c.Packet Interarrival Time：业务报文间隔发送时间，可选择服从不同的分布函数；d.Packet Size：业务报文的大小，可选择服从不同的分布函数。

② 发射机Transmitter属性配置，包括：a.Tx Bandwidth：发射机工作频带宽度；b.Tx Data Rate：发射机数据发送速率；c.Tx Min Frequency：发射机的基频，即起始频率；d.Tx Modulation：发射机的调制方式；e.Tx Power：发射机的发送功率。

③ 接收机Receiver属性配置，包括：a.Rx Bandwidth：接收机工作频带宽度；b.Rx Data Rate：接收机数据发送速率；c.Rx Min Frequency：接收机起始频率；d.Rx Modulation：接收机的调制方式；e.SNR Threshold：接收机接收灵敏度。

④ 节点的MAC层属性配置，包括：a.Frequency Set Choice：节点所选的频率集编号，共3个频率集[17][18]；b.Frequency-Hopping Interval Number：跳频间隔，即将工作频带划分多少个频点；c.Frequency-Hopping Rate：跳频速率；d.Frequency-Hopping Set：跳频频率集，该属性为复合属性，可分别指定三个频率集的频点数Frequency Number和对应的密钥Key Word。同一频段内的电台在开启跳频功能后，只有所选的频率集一致，且该频率集内的频点数和密钥均一致时才能通信。

具体的节点参数设置如表1所示。

表1 节点参数配置

续表(表1)

3.3 仿真场景设计及结果分析

3.3.1syn_hop_low_ant场景及统计结果

该场景包括一个从离地3 km高处以6 m/s匀速下降的“双发射”模式干扰机、一对相距5 km的短波通信电台和一对相距3 km的超短波通信电台，干扰机与短波电台组和超短波电台组均保持相同的距离，两组采用天线低架的方式。干扰机针对这两组通信电台同时实施扫频干扰。

syn_hop_low_ant场景下，全网业务收发吞吐量如图6所示，电台模型的信干比如图7所示，电台模型的误比特率如图8所示，电台模型的丢包率如图9所示。

图6 syn_hop_low_ant场景下全网业务收发吞吐量

图7 syn_hop_low_ant场景下电台模型的信干比

图8 syn_hop_low_ant场景下电台模型的误比特率

图9 syn_hop_low_ant场景下电台模型的丢包率

由上述各项统计结果可见，由于短波和超短波电台采用天线低架的方式，信号衰减较大，超短波电台模型的SNR为-140 dB(约-170 dBm)，短波电台的SNR最高达到接近-90 dB(约-120 dBm)，均低于信号接收灵敏度的门限值，所有电台的丢包率为100%，导致电台间的广播报文无法正确接收，节点间无法完成同步，上层业务数据无法传输。

3.3.2syn_hop_high_ant场景及统计结果

该场景包括一个从离地3 km高处以6 m/s匀速下降的“双发射”干扰机、一对相距5 km的短波通信电台和一对相距3 km的超短波通信电台，干扰机与短波电台组和超短波电台组均保持相同的距离，两组通信电台采用天线高架的方式。干扰机针对这两组通信电台同时实施扫频干扰。

syn_hop_high_ant场景下，全网业务收发吞吐量如图10所示。电台模型的信干比如图11所示。电台模型的误比特率如图12所示。电台模型的丢包率如图13所示。

图10 syn_hop_high_ant场景下全网业务收发吞吐量

图11 syn_hop_high_ant场景下电台模型的信干比

图12 syn_hop_high_ant场景下电台模型的误比特率

图13 syn_hop_high_ant场景下电台模型的丢包率

由上述结果可见，短波电台和超短波电台改为采用天线高架的方式后，信号衰减程度降低，满足接收灵敏度的条件。由于开启了跳频机制，部分电台的跳频图案与干扰机周期性扫频的重合次数相对较高，使得信干比偏低，误码率和丢包率较高(如超短波电台0和短波电台2)，而部分电台的跳频图案与干扰机周期性扫频的重合次数相对较低，使得信干比较高，误码率和丢包率较低(如超短波电台1和短波电台3)。由于电台模型均存在同步头和数据包均被干扰的情况，导致一部分业务数据因未能同步无法传输，一部分业务数据被干扰机干扰而丢弃，使得全网的业务的接收吞吐量明显低于发送吞吐量。

4 结论

为了提高弹载干扰机的作战效能，本文提出了一种基于“双发射”模式的弹载通信干扰机设计方案，通过理论分析与仿真验证，证明该设计方案是可行的，在干扰弹设计中重点需要厘清弹载通信干扰样式即干扰信号参数与干扰效果之间的关系，同时兼顾被干扰电台的应用场景，比如电台天线的高架和低架之分。

将弹载通信干扰机与发射平台无缝衔接，保证干扰机能顺利、安全到达受扰方附近区域，需要从弹药结构设计、弹体工作姿态控制、弹载干扰机抗高过载设计、弹载干扰机供电电源设计等各个方面深入细致研究，将理论变成现实。