悬浮式弹载通信干扰模型构建方法研究

2020-09-23张杰

火力与指挥控制 2020年8期

关键词：超短波干扰机悬浮式

张杰

（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）

0 引言

弹载式通信干扰机是指依托弹药作为搭载发射平台，由发射装置发射到目标区域，对敌通信设备进行干扰的通信干扰装备［1-3］。其中悬浮式弹载通信干扰机的简要工作流程如图1 所示。

图1 悬浮式弹载通信干扰机简要工作过程

悬浮式弹载通信干扰机能够在空中对目标进行边降落边干扰，与扎地式干扰相比，不受具体的地形和地物限制，能够以较小的干扰发射功率获得较大的干扰范围和较好的干扰效果［1］。

本文借助OPNET 平台，研究悬浮式弹载通信干扰系统仿真模型构建的方法和步骤，为更深入地了解和掌握悬浮式弹载通信干扰机的干扰性能奠定基础。

1 悬浮式弹载通信干扰机的干扰对象

跳频电台由于其优越的性能，使其成为“电子战”战场上经常使用的一种通信装备，也日益成为通信电子战场上的主要作战对象［4-5］。弹载通信干扰机主要以干扰敌跳频电台为主。外军部分典型短波（超短波）跳频电台的性能指标如表1 所示［6-7］。

为了有效针对外军短波（超短波）频段的跳频电台进行干扰，结合表1，本文讨论的悬浮式弹载通信干扰机的工作频段为1.5 MHz～120 MHz［6，8］。

表1 外军典型跳频通信装备及其主要指标

2 悬浮式弹载通信干扰系统仿真模型构建的边界条件设定

2.1 被干扰跳频电台的特点

2.1.1 被干扰跳频电台使用的天线类别

由于天线发射效率受天线尺寸与信号波长的1/2 间关系的影响，超短波波段相对短波波段来说，波长较短，因此，天线尺寸较短，通常选择鞭状天线。相对而言，短波天线的尺寸需要很长才能有效发射短波信号。本文讨论的被干扰跳频电台均是战术意义上的跳频电台，而且在个人便携式通信过程中，一般会选择使用鞭状天线。综上，被干扰跳频电台无论是超短波频段还是短波频段，都采用鞭状天线［9］。

2.1.2 被干扰跳频电台的信号传播方式

短波的主要传播方式包括天波传输和地波传输两种，由于天波传输过程中需要考虑不同层高大气层的性质特点以及具体地理位置的气象条件等因素，导致短波的天波传播模型不易刻画［6］，时变性很强［4］，所以本文讨论的短波传输方式不考虑天波传播，而是地波传播。而地波传播方式主要包括地面绕射波传播、地面直射波传播和地面反射波传播，但是从战术跳频电台的角度考虑，只考虑地面绕射波传播和地面直射波传播方式，并且与地面直射波传播相比，地面绕射波传播完全可以忽略不计。因此，本文讨论的敌跳频电台采取地波传输中的直射波传播方式［4，10］。

2.2 被干扰跳频电台的跳速和频率间隔

超短波跳频电台采用常规中速（100 Hop/s～500 Hop/s）数字跳频技术体制，而常规用途超短波跳频电台的跳频速率一般取（500 Hop/s～1 000 Hop/s）为宜［6］；实用短波跳频电台的主要性能为：跳速在几跳每秒至100 Hop/s 之间，大部分在50 Hop/s 以下，很少有在1 000 Hop/s 以上［6］。因此，超短波跳频电台和短波跳频电台的跳速分别为500 Hop/s 和100 Hop/s。

根据跳频电台通用规范［11-12］，战术超短波跳频电台的信道间隔是25 kHz，并且至少能存储两个跳频频率集，每个跳频频率集的频率数不少于32 个；战术短波跳频电台的信道间隔是100 Hz，每张频率表的跳频频率数为8、16、32、64（个），能储存3 张跳频频率表。

2.3 被干扰跳频电台的调制解调方式

不同调制解调方式的跳频电台由于干扰导致其接收端的信号误码率也不相同，因此，必须首选明确跳频电台具体的调制解调方式。一般情况下，跳频通信系统的调制解调方式必须满足以下两点：

1）调制方式具有恒包络特性。因为恒包络调制具有很好的抗幅度衰落特性，有利于降低对功率放大器的线性要求，减少非线性失真和限幅失真［6］，而无线通信在移动信道中又存在着严重的幅度衰落。

2）因为跳频载波是不断跳变的，因此，很难保证跳频通信系统收发两端的载波相位的一致性，即相干性不能保证。这时，跳频通信系统必须支持非相干解调方式。但是，随着技术的进步，如果能够保持收发两端载波相位的相干性，总体来讲，相干解调方式还是要优于非相干解调方式的［13］。也就是说，跳频通信系统的调制解调方式必须既支持非相干解调，又支持相干解调。

跳频通信中常用的调制方式有2FSK、2PSK、2DPSK、MSK 和GMSK［14］。其中，FSK 和PSK 调制均属于相位不连续的恒包络调制技术，而MSK 和GMSK 均属于相位连续的恒包络调制技术［15］。其中，MSK 是2FSK 信号的改进型，又称为CP2FSK［15］，MSK 信号的解调方式包括相干解调和非相干解调两种［16］，而且MSK 系统在满足最佳接收条件下的误码率与QPSK 是相同的［15］；GMSK 调制方式是MSK 信号的改进型，是在MSK 调制器之前加入一个高斯低通滤波器，GMSK 信号的解调也与FSK 相似，可以采用相干解调，也可以采用非相干解调［16-17］，当其他条件相同，GMSK 误码率性能要比MSK 差，即GMSK 信号频谱的改善是以损失误码率性能为代价的［15，18］。

根据GJB 2928-1997 战术超短波跳频电台通用规范和GJB 2929-1997 战术短波跳频电台通用规范中规定的跳频电台使用的工作种类［11-12］，综上所述，跳频通信的常用调制解调方式为2FSK、2DPSK。

2.4 悬浮式弹载通信干扰机的干扰种类

明确悬浮式弹载通信干扰机的干扰种类，既要明确具体的干扰方式，又要明确具体的干扰样式［19］。其中，干扰方式包括欺骗式干扰［20］、压制式干扰（包括阻塞式干扰和扫频式干扰）、跟踪式干扰、瞄准式干扰等；干扰样式分为噪声调频干扰、高斯白噪声干扰、正弦扫频波干扰等。

目前，普遍认为对跳频通信实施有效干扰的方式有：阻塞式干扰、扫频式干扰、跟踪式干扰［21-22］和瞄准式干扰。本文讨论的弹载通信干扰机的干扰种类为压制式扫频干扰。如图2 所示。

图2 悬浮式弹载通信干扰机组成框图

弹载通信干扰机主要由锯齿波信号发生器、压控振荡器、功率放大器和鞭形天线匹配器等组成。

基本工作原理：锯齿波信号发生器加载到压控振荡器上，通过锯齿波信号发生器的电压变化，使得压控振荡器产生一定带宽的干扰信号，经功率放大器放大再由天线匹配器进行末端匹配输出，然后对敌方通信实施有效的干扰。

3 OPNET 软件环境下弹载通信干扰系统模型的建立

3.1 OPNET 软件介绍

OPNET 网络仿真平台［23-24］为用户提供了较为完整的建模、开发和应用环境，其基本模型库丰富齐全。研究者可以依照基本模型库，根据实际定制所需要的仿真开发模型。与此同时，OPNET 具有强大的仿真结果收集和分析功能，能根据研究需要显示相应的统计数据或变化曲线，使结果更加直观。综合以上因素，本文选取OPNET 仿真平台对悬浮式弹载通信干扰系统进行模型构建。

3.2 OPNET 平台下悬浮式弹载通信干扰系统的模型构建

如图3 所示，在OPNET 环境下搭建了弹载通信干扰模型，其中，节点0 和1 代表超短波跳频电台的发送端和接收端，节点2 和3 代表短波跳频电台的发送端和接收端。

图3 基于OPNET 的弹载通信干扰系统模型

3.2.1 节点模型

3.2.1.1 电台节点

该节点模型主要由信源、信宿、接入层、发射端、接收端和天线等模型组成，如图4 所示。

图4 电台节点模型

信源模型：用于产生指定报文格式的业务数据，并按一定规律进行发送；

信宿模型：用于对接收到的业务数据进行统计；

接入层模型：基于TDMA 机制进行数据传输，采用USAP 统一时隙分配协议进行时隙资源的分配，具备同步功能和跳频功能；

发射机模型：用于对报文数据在无线信道上进行发射；

接收机模型：用于接收无线信道上的报文数据；天线模型：对收发数据信号增加天线增益。

该节点可收集的统计结果主要包括：信道接入时延、接入层端到端时延、接入层收发吞吐量、接入层投递率、时隙利用率、时隙冲突率、业务报文的端到端时延、业务报文收发吞吐量、误码率、丢包率、信噪比、同步入网时间等，如图5 所示。

图5 电台节点可收集仿真结果

3.2.1.2 干扰机节点

干扰机节点模型主要由干扰源、短波发射端、短波天线、超短波发射端和超短波天线等模型构成，如图6 所示。

图6 干扰机节点模型

其中，干扰源模型：生成短波和超短波波段的干扰信号；

短波发射端模型：根据一定的规律，将短波波段的干扰信号发射出去；

超短波发射端模型：根据一定的规律，将超短波波段的干扰信号发射出去；

天线模型：用于对不同频段的干扰信号添加天线增益。

该节点可收集的统计结果主要包括：干扰机电池容量、干扰机生存时长、干扰信号的发送吞吐量等，如图7 所示。

图7 干扰机节点可收集仿真结果

3.2.2 进程模型

3.2.2.1 干扰源

该进程模型包括4 种状态，分别为初始状态、空闲状态、干扰机工作状态、干扰机停止状态，如图8 所示。其中，初始状态负责读取干扰机模型属性参数，并初始化相关变量；空闲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，类似于事件操作的起始点；干扰机工作状态为干扰机开始产生干扰信号并进行干扰时（按照一定规律发送干扰信号）的工作状态；干扰机停止状态为干扰机停止干扰工作时的状态。

图8 干扰源进程模型

3.2.2.2 电台业务源

该进程模型的有限状态机包括init 状态、generate 状态和stop 状态，如图9 所示。其中，init 状态负责对该进程的相关状态变量进行初始化，读取外部配置属性参数，并进行相关统计结果的注册；generate 状态在一定的触发条件下不断生成对应的数据报文；stop 状态在需要结束时停止业务数据报文的创建。

图9 电台业务源进程模型

3.2.2.3 信宿

该进程模型的有限状态机包括init 状态和discard 状态。其中，init 状态用于注册相关统计量信息；discard 状态对接收到的业务数据报文进行统计和销毁，如图10 所示。

图10 信宿进程模型

3.2.2.4 TDMA MAC 进程模型

该进程模型的有限状态机包括init 状态、idle状态、higher 上层业务流处理状态、lower 下层业务流处理状态、时隙调度状态schedule 和跳频状态freq_hop，如图11 所示。其中，init 状态通过usap_tdma_sv_init（）函数读取外部配置的属性参数，对相关变量进行初始化，并进行统计结果的注册。通过usap_tdma_get_local_address（）函数获取节点自身的地址信息，通过fhss_mgr_frequencies_generate（）函数生成对应的跳频图案；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，类似于事件操作的起始点；higher 状态对从高层到达的业务报文进行缓存处理，等待在对应的时隙进行发送；lower 状态对从底层到达的报文进行相应的处理。例如，通过recv_NMOP_handle（）函数处理接收到的广播报文，更新本地的同步响应队列信息和邻居队列信息，以备后续发送同步响应报文和时隙分配更新；通过recv_tod_rep_handle（）函数处理接收到的同步响应报文，更新同步队列信息和同步ToD 报文的投递率，从而确定是否触发干扰机停止工作；通过recv_data_handle（）函数对接收到的业务数据报文进行统计；schedule 状态是节点对每个时隙调度的响应状态，在该状态里，首先通过delete_neighbor_in formation（）函数删除过时的邻居节点信息。在属于本节点时帧的第一个时隙里通过 generate_NMOP_pro（）函数生成广播报文，向其他节点广播自身的时隙占用情况和自己邻居节点的时隙占用情况。此外，schedule 状态在属于本节点的时隙里发送业务数据报文或同步响应报文。freq_hop 状态负责在每个跳频周期内根据生成的跳频图案改变节点收发信机的工作频带。

图11 TDMA MAC 进程模型

3.2.3 主要配置参数

1）干扰机

①干扰机的下降速度；

②干扰机开始下降时的高度；

③扫频干扰信号的周期；

④干扰短波跳频电台的频带宽度；

⑤干扰短波跳频电台的发射功率；

⑥干扰超短波跳频电台的频带宽度；

⑦干扰超短波跳频电台的发射功率。

具体配置如图12 所示。

图12 干扰机参数配置

2）跳频电台

①模型的应用层属性配置，主要包括：

a）电台间报文发送的通信目的节点；

b）电台间报文的发送间隔时间，可选择服从不同的概率分布；

c）电台报文的比特大小，可选择服从不同的概率分布；

②电台发送端属性配置，主要包括：

a）发送端的工作带宽；

b）发送端的数据发送速率；

c）电台发送端的起始频率，即跳频起始频率；

d）调制方式；

e）发送功率；

③电台接收端属性配置，主要包括：

a）接收端的工作带宽；

b）接收端的数据发送速率；

c）电台接收端的起始频率，即跳频起始频率；

d）调制方式；

e）接收端灵敏度；

④电台的接入层属性配置，主要包括：

a）电台的频率表表号；

b）跳频间隔；

c）跳频频率数；

d）跳频速率；

e）密钥。同一频段内的跳频电台只有所选的频率表一致，且该频率表内的频率数量和密钥均一致时才能通信。具体配置如图13 所示。

图13 电台参数配置

4 结果分析

4.1 场景配置

如图3 所示，弹载通信干扰机从3 km 高度以6 m/s 的速度匀速降落，超短波电台0 和超短波电台1 相距3 km，发射功率为5 W；短波电台2 和短波电台3 相距5 km，发射功率为10 W。干扰机与短波电台的接收端3 和超短波电台的接收端1 均保持相同的距离，仿真中将跳频电台天线设置成自由传输方式（电台信号传播的路径损耗与地表面参数无关，不需要考虑具体工作环境［20］）。干扰机针对这两组通信电台同时实施扫频干扰。