OPNET软件平台下悬浮式弹载通信干扰机的仿真实现

2021-01-15张杰

计算机应用与软件 2021年1期

关键词：超短波干扰信号短波

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安徽合肥 230031)

0 引言

有源干扰弹是用常规火炮、火箭炮发射，以弹药作为运载工具，将干扰机快速运载到敌目标区域，完成通信干扰任务的特种炮弹。其中悬浮式干扰弹的简要工作流程图如图1所示[1]。

图1 悬浮式干扰弹简要工作过程

本文通过OPNET软件平台[2-3]，研究悬浮式弹载通信干扰机的模型设计与实现问题，为后续悬浮式弹载通信干扰机的干扰性能仿真和样机研制、生产奠定基础。

1 弹载通信干扰的基本理论

通信发射机、接收机、干扰机位置关系示意图如图2所示。

图2 通信发射机、接收机、干扰机位置关系示意图

通常用干扰平均功率与信号平均功率之比来衡量干扰对信号的压制，称之为信干比[4]，即：

(1)

假设不存在滤波损耗和极化损耗，这里Psi和Pji分别是通信接收机输入的信号功率和干扰功率，其计算公式分别为[5]：

Psi=PtGtqrt·φt(Rt)

(2)

Pji=PjGjqrj(θ)·γjφj(Rj)Brj

(3)

式中:Pt和Gt表示通信发射机发射功率和增益;qrt表示通信接收机天线在通信发射机方向上的增益;Rt表示通信收发距离;φt(Rt)表示通信线路传播衰耗，其与Rt和电波传播条件有关;Pj、Gj分别表示干扰机输出功率和发射增益;qrj(θ)表示通信接收机天线在干扰机方向上的增益,一般由于接收机把天线主瓣对准通信发射机，故在干扰机方向上的天线增益与接收机对通信发射机和干扰机的张角θ有关;γj表示干扰的极化损失，圆极化时取γj=0.5;Rj表示干扰机到通信接收机的距离;φj(Rj)表示干扰线路传播衰耗，它与Rj和电波传播条件有关;Brj表示由干扰信号和通信接收机的频率对准程度决定的干扰功率进入通信接收机的百分比，与干扰信号的频率特性、通信接收机的频率特性等有关。

当通信信号与干扰信号都按自由空间波传播时，则：

(4)

(5)

(6)

式中：λ为信号波长。

根据接收机具体的调制解调方式，将式 (6)代入误码率计算公式，则得到某种干扰条件下的接收机误码率。

2 弹载通信干扰机的工作频段

弹载通信干扰机以干扰敌跳频电台为主[6-8]。其低VHF频段，即30～88 MHz，是地面移动军事部队通信使用最频繁的频段，而且大多数战术无线电台都工作在该频段，如美军SINCGARS-V、MP-83VHF/FM、CARACAL(PRM4740A)等超短波跳频电台[9-11]。因此本文将讨论的弹载通信干扰机的工作频段设定为3～120 MHz。

3 弹载通信干扰机的干扰种类

悬浮式弹载通信干扰机采用压制式扫频干扰[12-13]。弹载通信干扰机主要由噪声源、锯齿波产生器、压控振荡器和宽带功率放大器等组成，如图3所示。

图3 压制式扫频弹载通信干扰机原理框图

其基本工作原理：锯齿波产生器输出一个扫描电压加到压控振荡器上，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。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。

噪声源由一个m序列发生器构成，产生一个白噪声信号。添加噪声源的目的是填补锯齿波输出频谱的谱线间隔，两路干扰信号在压控振荡器中合成后，形成一个组合式的具有连续频谱的干扰信号。经宽带功率放大器放大后，使干扰信号具有一定的功率后，由天线辐射出去，对敌方通信实施有效的干扰。

4 仿真实现

4.1 OPNET平台简介

OPNET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[14-15]，其主要特点如下：

(1) 提供三层建模机制。如图4所示，节点层由各类协议栈模块组合构成，各模块间根据通信报文的处理流程形成上下层的逻辑关系，并逐层衔接起来；而网络层则是由各通信节点构成的网络拓扑及通信环境，如图5所示。三层模型和实际的通信协议算法、通信设备及网络环境相对应，能够反映出某网络的相关特性。

图4 最底层进程模型

图5 最上层网络模型

(2) 模型库完备齐全，例如路由器、交换机、服务器、各种通信节点设备等。

(3) 基于离散事件驱动的仿真模拟机制大大提高了仿真效率。

(4) 采用基于包的分析方法和基于统计的数学建模方法的混合建模机制，确保仿真结果的精度和粒度得到有效保证。

(5) 可以对数据流量包的到达时间分布、报文长度分布，节点设备类型和链路类型等进行详细设置，用户可根据实际情况自行设计仿真场景，如图6所示。

图6 定制不同仿真场景

(6) 具有丰富的仿真结果收集和分析功能，包括常用的各个网络层次的统计结果，同时能够将结果以图、表、报告等形式展现出来，如图7和图8所示。

图7 结果的不同处理方式

图8 结果的不同显示方式

4.2 弹载通信干扰机模型设计

在OPNET平台下设计的悬浮式弹载通信干扰机模型如图9所示。

图9 OPNET平台下的悬浮式弹载通信干扰机模型

图9中的白色箭头代表为干扰机模型添加的向量轨迹模型，在其中设定了干扰机的运动方向、升降速度等参数。该干扰机工作模式为升空干扰，即边降落边干扰。根据干扰机按特定规律生成干扰信号以及发送干扰信号的工作机制，结合节点模型-进程模型的分层建模机制，将干扰机模型划分为两个子模型进行设计建模，分别是干扰机节点模型和干扰机进程模型。

1) 干扰机节点模型。如图10所示，该模型将3～120 MHz波段分成两部分，即3～30 MHz短波波段和30～120 MHz超短波波段，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。

图10 干扰机节点模型

干扰源模块source：用于产生干扰信号，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。

2) 干扰机进程模型。双击干扰源模块source，即可进入进程模型界面，如图11所示。

图11 干扰机进程模型

该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状态等。其中：init状态负责读取配置的干扰机模型属性参数，包括干扰的频段范围、干扰模式、干扰时间及功率大小等，并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，当触发生成干扰信号的条件满足时，即在该状态下生成干扰信号后，同时在短波和超短波的频段范围内按锯齿波扫频的方式向无线发信机模块发送干扰信号；sweep_tx_off状态为干扰机在扫频干扰模式下的休眠状态，即当达到一定的干扰效果后干扰机则暂停干扰。图12和图13分别显示了支撑扫频式弹载通信干扰机分两个波段进行干扰的部分内核代码。

图12 超短波波段扫频干扰

图13 短波波段扫频干扰

其中，部分代码的含义如下：

battery_capacity-=sw_tx_power* (dwell_time / 3600.0)/voltage;

//计算干扰机当前的剩余电量

op_stat_write(battery_lhdl, battery_capacity);

//写入剩余电量的统计结果

op_stat_write(survival_lhdl, op_sim_time());

//在电量为零的情况下写入干扰机的生存时长统计结果

op_pk_destroy(cp_pkptr);

//销毁备份的准备发送的短波干扰信号报文

freq_tx=usw_freq_base+freq_slot*usw_freq_interval;

//计算当前超短波所要跳变到的发射频点

op_ima_obj_attr_set(usw_txch_objid, ″min frequency″, freq_tx);

//根据计算结果设置当前超短波发射机的工作频点

op_pk_send(cp_pkptr, 1);

//将超短波干扰信号报文发送至发射机

写入超短波干扰信号的全局发送吞吐量统计结果如下：

op_stat_write(traffic_bit_sec_ghdl, pk_size);

op_stat_write(traffic_bit_sec_ghdl, 0.0);

op_stat_write(traffic_pkt_sec_ghdl, 1.0);

op_stat_write(traffic_pkt_sec_ghdl, 0.0);

写入超短波干扰信号的本地发送吞吐量统计结果如下：

op_stat_write(traffic_bit_sec_lhdl, pk_size);

op_stat_write(traffic_bit_sec_lhdl, 0.0);

op_stat_write(traffic_pkt_sec_lhdl, 1.0);

op_stat_write(traffic_pkt_sec_lhdl, 0.0);

扫频式弹载通信干扰机在短波和超短波波段的扫频图案如图14-图15所示。

图14 扫频干扰机短波频段的扫频图案

图15 扫频干扰机超短波频段的扫频图案

添加了噪声源信号后，最终的干扰信号功率谱如图16所示。

图16 基于扫频锯齿波和噪声源的组合式弹载通信干扰信号频谱图

4.3 干扰机参数设置

配置干扰机节点的相关属性，如图17所示。

图17 干扰机参数设置

主要涉及以下内容：

(1) ascent rate：节点的升降速度(单位:m/s)。

(2) Altitude：节点的初始离地高度(单位:km)。

(3) Batter Capacity：节点的电池容量(单位:Ah)。由于设定跳频电台的电池容量为10 Ah[16-17]，为确保干扰机在电台因电量耗尽而停止工作前能一直工作，因此扫频式干扰机的电量也设定为10 Ah。干扰机发送的干扰信号越密集、干扰功率越大，则电量消耗越快，当电池电量耗尽后则停止工作。

(4) Cycle Time：扫频周期长度(单位:s)。

(5) Jammer Mode：干扰模式，即扫频干扰。

(6) Start Time：干扰机开始工作的仿真时间(单位:s)。

(7) Stop Time：干扰机结束工作的仿真时间(单位:s)，具体结束时间还要结合干扰机电量是否耗尽，或仿真场景的运行时间是否到时来确定，哪个条件先满足即结束干扰。

(8) SW Bandwidth：针对短波电台进行干扰的频带宽度(单位:kHz)。

(9) SW Base Frequency：针对短波电台进行干扰的基频，即起始频率(单位:MHz)；

(10) SW Distance Threshold：针对短波电台进行干扰的信号最远辐射区域(单位:m)，具体辐射场强的大小时由干扰节点的发射功率来决定。

(11) SW Power：针对短波电台进行干扰的干扰信号发射功率(单位:w)。

(12) Sweep Interval：干扰机的扫频间隔，即将干扰频带划分为多少份。

(13) Transmission Rate：干扰机信号的发射速率(单位:bit/s)。

(14) USW Bandwidth：针对超短波电台进行干扰的频带宽度(单位:kHz)。

(15) USW Base Frequency：针对超短波电台进行干扰的基频，即起始频率(单位:MHz)。