一种智能抗干扰无人机测控系统设计 *

陈会林 ,教富龙,袁泮江,洪志勇,王 羽

(1.中国西南电子技术研究所，成都610036;2.北京跟踪与通信技术研究所，北京100083;3.西安卫星测控中心天津测控站，天津301900)

0 引 言

伊朗军队干扰和击落美军先进无人机的实践表明，利用电磁干扰技术和手段，容易对无人机的工作频段形成压制性或欺骗性干扰[1]，造成通信中断、指挥瘫痪、控制失控，甚至被击落[2]。为此，世界各国均提高了对无人机系统的安全性设计。为权衡无人机数据链的安全与性能，美军利用新型、高效的调制解调技术、纠错编码技术、高速跳频和宽带扩频及相关技术，研制了具有电磁兼容性好、截获概率低、抗干扰能力强的高性能无人机数据链。从Link16开始，采用了可靠的抗干扰模式，数据链工作频段向高频段发展，跳频仍是核心技术，同时向着与扩频、跳时、高效编译码、频谱感知等技术联合智能抗干扰新趋势发展。高速跳变使得无人机数据链的发射信号难以被追踪和截获,迫使敌方干扰机必须工作在很宽的频率段上,从而显著降低了干扰的效能。同时采用时隙交织技术来应对突发干扰，使用循环频移键控(Cycle Code Shift Keying，CCSK)技术来实现直序扩频。脉冲字符的实现不仅有利于信号能量的集中,更加增强了数据链的抗干扰功能。

战术瞄准网络技术(TacticalTargetting Network Technology，TTNT)系统作为美军新一代数据链，在抗干扰、低截获能力上进一步加强。它在跳频、跳时技术的基础上增加了速率自适应、编码自适应以及功率自适应控制等技术，可以根据相互距离及接收信号的质量自适应地改变前向纠错(Forward Error Correction，FEC)和编码方式以及功率控制，在距离增大时自适应地调整传输速率。

德国莱茵金属公司(Rheinmetall GmbH) 向德国陆军交付的KZO (Kleinfluggerat Zielortung)战术侦察无人机系统[3]，地面站和无人机的极窄波束天线可自动对准，系统还采用了跳扩频技术和其他先进信号处理技术，保证了很强的抗干扰能力。欧洲宇航防务集团(European Aeronautic Defence and Space Company N.V.,EADS)防务电子部还提供雷达技术来测定无人机的精确位置，这样即使GPS信号受到干扰或无人机的导航定位装置失效，系统也不会失去无人机的位置信息。

目前，国内外无人机数据链路采用了多种抗干扰技术[4]，主要包括信道编码技术、扩频技术等，同时多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)、正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)扩/跳频综合和认知无线电(Cognitive Radio,CR)[5]等技术的出现，也为增强无人机数据链的抗干扰功能提供了有利的技术支撑。然而，为了应对通信对抗新技术和新干扰技术的发展[6]，需要提高无人机智能抗干扰能力，研制新的无人机抗干扰智能测控通信链路(UAV Intelligent TT&C Communication Link，CTTCL)，从而实现无人机系统的随机接入与越区切换、无线资源管理、感知辅助安全防护以及链路自适应等功能，提高无人机系统在未来信息化战场的适应性与作战效能。

1 系统总体设计

整个系统由协议栈中若干功能实体(Protocol Entity)分别构成物理层和数据链路层两层，共同完成智能测控通信链路的全部功能，如图1所示。CTTCL协议栈在全系统中承担了“无线接入网”的角色，有效链接指挥控制中心与任务载荷，并提供遥测、遥控、通信服务。

图1 系统组成

数据链路层又细分为逻辑链路控制层(Logical Link Control,LLC)和媒体访问层(Medium Access Control,MAC)，如图2所示。

图2 协议栈层次划分

在物理层波形、高层协议以及工作流程的设计中，充分考虑抗干扰和低截获能力的要求，满足军用测控通信链持续演进的基本需求。采用了侦通一体的干扰感知技术和感知辅助的链路级安全防护技术，有效规避干扰。下行广播(Broadcast Channel，BCH)用于寻呼地面站，是完成随机接入的关键环节。技术途径上，采用突发+扩跳频体制，突破传统连续波体制，信号波形表现为时域的一个突发，确保抗干扰低截获能力。由于无人机存在突前侦察的使命任务，前方电磁环境复杂，无人机接收存在很大的被干扰风险，因此上行链路需要采用扩频体制，同时结合型号项目要求的扩频增益，提高抗干扰容限。

敌方无源探测设备的脉冲分选功能受辐射信号在时域、空域、频域的稳定性和规律性影响，因此，在技术途径上，设计静默态提高隐蔽性，并且下行广播和上行接入信道(Random Access Channel，RACH)的交互节拍可随时调节。通过机载测控终端辐射信号的最大不确定性设计，即采用最小辐射能量自适应功率控制技术，使机载测控终端根据实际作用距离、信息速率及信道评估情况，在保证其性能指标不影响作战使用的前提下，辐射最优的射频功率，减小被敌方无源侦察装备发现或截获的距离，使敌方无法对我方信号进行稳定的截获，可以直接影响无源探测设备的分选识别功能，无法进行测向、测距、定位等。

地面/舰面站使用定向天线，广播信道传输帧内含GPS信息，可以辅助地面进行目标角度计算，进一步控制地面定向天线的指向，因此，除了近距离接入场景使用全向天线，其他上行接入及通信阶段都采用定向天线，在能、空两个维度大大降低敌方截获概率；同时由于接收信号也具有方向性，提高了接收信号的抗干扰、抗入侵、防欺骗能力。

2 抗干扰智能测控关键技术

2.1 侦通一体的干扰感知设计

干扰感知技术的目的是提供可靠通信并有效利用频谱资源。目前，涉及干扰感知技术研究的学科领域分别是电子侦察和认知无线电(Cognitive Radio,CR)。

电子侦察主要特征是宽开和扫描，主要目的是截获敌方的辐射源信号，测量信号主要特征，与数据库进行比较后进行目标识别，并结合测向/定位结果形成战术情报信息。通常来说，用于战场环境实时监测的侦察设备由于运算量大，对设备体积和功耗的要求都比较高。

认知无线电的研究主要集中在频谱感知、频谱管理、频谱共享三个方面:频谱感知技术研究的是如何知道信道被使用的情况；频谱管理的主要任务是进行频谱分析、判决、分配；频谱共享主要研究频谱分配行为、频谱接入技术。

无人机测控链路对干扰感知的需求主要包含以下方面：

(1)对工作频带范围内的无线信道进行快速感知，评价各个频点的信道质量信息(Channel Quality Indicator，CQI)，供管理模块选择本地可用信道。

(2)快速发现通信带内干扰，并提供相关参数供管理模块进行决策调整。

(3)能够检测并识别干扰类型，为上下行链路提供更多维度的安全防护可能。

(4)设备体积小，功耗少，最好能够集成在通信模块内。

为了满足以上需求，针对无人机信道的复杂电磁环境，采用侦察技术和认知无线电技术结合，实现干扰的感知和识别。

2.1.1 干扰感知

干扰感知实际上是对信号有无及信号参数的估计。考虑不同干扰目标的频域、时域特征不同，对链路的干扰效能也不同，因此有必要对干扰信号的参数进行进一步估计，提取出有用的部分进行描述，作为链路级管理的依据。干扰感知根据需要择取合适的频段扫描策略，在保证干扰感知全面性的前提下，提高其可靠性和精度。采用先进行全频扫描再进行局部扫描的模式，即在全频段扫描后选择一个主通道用于当前使用，之外始终保有两个候补信道，以便在通信质量下降时快速执行信道切换。选用候补信道的数目应该根据频谱的动态情况决定。

基于两个候补信道的局部频段扫描大致由如下几个步骤构成：

(1)系统通过扫描全频段来确定使用信道A和候补信道B和C；

(2)循环感知操作，系统每隔τ对信道A～C进行一次感知；

(3)循环感知操作中断，通过扫描全频段重新确立A～C。

信道A的感知结果为差时需要顺次切换到B、C，此时需通过扫描剩余信道来发现合适的递补信道。

信道B、C的感知结果为差时不适合作为候补信道时，通过扫描剩余频段找到合适的递补信道。

信道A连续N次感知结果显示为较差，需要顺次切换到B或C，再通过扫描剩余信道来发现合适的递补信道；信道B或C连续N次感知结果显示为较差，需要通过扫描剩余信道找到合适的递补信道带代替原有的信道B和C。

2.1.2 干扰识别

无人机链路常面临的干扰信号类型可以根据频域特性进行划分。根据干扰信号带宽与传输信号带宽的比例关系，干扰信号可分为窄带干扰和宽带干扰(Wideband Interference，WBI)两大类。窄带干扰又可分为单音干扰、多音干扰、窄带噪声干扰，它们在能量、带宽、时域幅度、频谱和时频域等方面分别体现出不同的特点，因此，利用时域、频域和时频域分析方法提取出一组无需干扰先验知识并且对信噪比、干信比及干扰信号参数均不敏感的分类特征参数。图3为含不同干扰的接收信号的归一化频谱图。

图3 含不同干扰的归一化频谱

干扰识别的意义在于对信道中的干扰分量进行基础测量，得到频域上幅频特性参数(初级结果)。进一步，对测量的结果进行认知，得到与功能相结合的二级结果，就可以对可用频段或备用频点等进行决策，有助于增加链路对复杂环境的适应能力。

2.2 链路自适应设计

链路自适应技术是自适应编码调制(Adaptive Modulationand Code，AMC)，结合感知结果、测量结果和状态信息的多源融合自适应。

链路自适应的工作全部由MAC实现。图4给出了一种可重配置抗干扰收发信机。根据干扰信号识别模块提供的空、时、频域干扰的具体大小，合理地选择空、时、频三维发射信号，以减轻干扰信号对可重配置抗干扰接收机的干扰。

图4 可重配置抗干扰收发信机

可重配置抗干扰收发信机包括以下各功能模块：

(1)信道编译码——对输入的待发射信源数据进行编码，以达到克服差错、抗干扰的目的；

(2)交织器——配合信道编码工作，使信道编码的效果最大化；

(3)调制——可以选择为扩频调制，或SC-FDE调制，或者几种调制CDMA；

(4)信道估计——校正信道的影响；

(5) 解调与干扰抑制——对进入基带的干扰进行抑制与消除；

(6) 干扰迭代抑制——对解调后的信号、译码后的信号、干扰信号识别后的信号进行迭代联合处理，最大化地抑制干扰信号对有用信号的干扰；该模块属于均衡的一部分；

(7)干扰信号识别——识别相对于自己是干扰的信号，包括空、时、频波形特征；

(8) 可重配置模拟前端——模拟前端的中心频率、载波带宽是可以调节的；

(9)模拟前端抗干扰(可选)——为了防止模拟前端被干扰阻塞，需要模拟前端具备抗干扰措施；

(10)干扰信号非实时识别——对记录的无线干扰信号进行识别，或者是对收集到的干扰信号进行整理；

(11)干扰信号先验知识数据库——将可能的无线干扰信号特征记录下来，以提高实时干扰识别时的效率。

2.3 感知辅助的链路级安全防护策略

系统通过更换上下行频点、带宽、码道、调制编码方式等手段，对测控通信链进行干扰防护。

2.3.1 基于单点决策

依据干扰能量划分为导致QoS不满足的弱干扰等级和导致链路中断的强干扰等级。

弱干扰等级中干扰造成QoS不能满足要求的定义为：存在干扰，影响当前业务传输，但其强度不足以中断遥测遥控。应对策略如图5所示。

图5 弱等级干扰的防护策略

强干扰等级分两类情况：一是UAV与地面/舰面站之间单向链路中断；二是UAV与地面/舰面站之间双向链路中断。

对于第一类情况，由于一方依然能够正确接收信息，接收中断的一方直接跳转备用频段，同时通知对端同步更改发射频率，即可恢复连接。对于第二类情况，由于双方已彻底失去原有链路，无法通过接收链路传达切换指令，因此，收发双方盲切换到备份频点，尝试恢复通信，如果失败，需重新接入。

2.3.2 基于态势广播

基于态势广播，可以增强安全防护能力，如图6所示。

图6 态势广播

无人机1覆盖区域为站点5～6，无人机2覆盖区域为站点1～4，覆盖区域内的站点集合称为簇，簇2下行使用f1通信。假设站点2具有高增益天线。如果簇1没有态势广播，站点2基于干扰感知，可能也选择了f1通信，最坏情况将导致站点5、6全部受干扰。

态势广播可以解决上述问题。由于CTTCL的可扩展性设计，只要簇2中有地面设备支持一站多机，即可接入簇1，接收CCCH信号，利用CCCH中携带的MAC信息实现干扰规避的决策。

进一步，在一机多站的情况下(地面站数量多于飞机)，多站点可接入无人机但不预约资源，利用接收CCCH中共享的信息(与当前地面站的交互信令，甚至可以包含位置、时间、飞行姿态和航迹等)，实现无人机状态的多点监控，这极有利于UAV安全性提升，降低诱骗概率。

2.4 随机接入及越区切换设计

随机接入过程有两种模式，即允许基于竞争的接入(隐含内在的冲突风险)或无竞争的接入。

在无竞争模式下，广播帧指定了目标地面/舰面站的编号，所以只会有一个地面/舰面站发起上行接入，不存在冲突风险。

在基于竞争的接入模式下，地面/舰面站随机地选择签名序列，结果是存在多个地面/舰面站同时传输相同签名的可能，这导致需要冲突消解。

竞争解决流程如下：

(1)UAV与本地各预存一个包含N组签名的序列集合，每组包含M个签名。

(2)UAV通过本地广播帧指定响应的签名组编号和响应时间。

(3)地面/舰面站根据签名组编号随机抽取上行导频信道使用的签名序列。

(4)UAV在时间窗内对签名序列进行搜索。

(5)UAV对满足信干噪比条件的签名序列通过广播帧发射随机接入响应(Random Access Response，RAR)。

(6)如果多个地面/舰面站由于选择了相同的签名序列而导致冲突，则会各自接收到RAR，为了达到冲突消解的目的，RAR需要指定随机回退时延，使得随机信道内尽量不发生冲突。

(7)UAV对随机接入信道上的响应进行解调，如果可以解调完成，则可以通过广播帧告知地面/舰面站所选择的目标地面/舰面站编号，否则继续接收随机接入信道内的响应信息。

(8)多个地面/舰面站收到含目标编号的广播帧后，目标地面/舰面站继续完成后续握手，其他地面/舰面站停止发射。

(9)需利用仿真软件对碰撞概率进行统计，设计签名容量、回退时延等参数使冲突概率最小。

为了UAV与地面/舰面站高可靠接入提供安全机制，借鉴WiFi接入安全协议，适当改造。

UAV向地面/舰面站发送认证请求，地面/舰面站回复认证响应。UAV向地面/舰面站发送关联请求，地面/舰面站回关联响应。关联成功之后，开始4次握手。握手成功后，双方得到加密密钥，用密钥对传送的数据加解密。

为了减少认证时间的问题，达到快速切换的目的，采用提前认证的机制。无人机与地面/舰面站可以利用BCH和RACH进行预沟通，在维持与原站业务传输的同时，完成密钥的交互与认证，将认证结果纳入目标库中，并设计有效期。在有效期内需要进行越区切换时，可以简化大部分握手次数，在维持原有安全性的同时减少了切换时间。

接入环节由于未知通信距离，从安全防护角度考虑，初始发射功率不宜过大,采用开环估计链路损耗、闭环调整发射功率的策略:第一步，地面站接收BCH，利用载波环路锁定模块对信噪比进行评估，同时反推链路损耗；第二步，考虑定向天线和全向天线增益差，设置UpPCH初始发射功率，并逐步增加发射功率，直到获得响应；第三步，持续调整，直至链路增益达到动态平衡。

2.5 QoS保证的无线资源调度设计

在无人机通信场景中，业务类型包括上行遥控、数传和下行遥测、图像及大容量数据业务、实时视频业务等共五种类型。所有五种业务都有自己的传输速率、误比特率和时延要求，所以有严格的优先级等级，需要根据典型通信场景和业务需求采用面向QoS保障的无线资源调度技术[7]。

在本文考虑的通信场景中，如图7下行传输中的多业务流调度所示，资源管理器有可能要为不同的地面站同时调度多个具有不同优先级和服务质量要求的业务流。这里的无人机是下行传输调度的决策者，它会根据当前的信道质量信息、队列状态信息(Queue State Information,QSI)和各业务的服务质量要求进行资源管理决策。此外，如果当前信道质量变差，例如一段时间内都只能提供低谱效的传输服务或者出现部分业务无法得到服务质量保障时，资源管理器还应考虑是否切换到信道感知模块提供的备用信道。下面采用基于效用的方法对资源管理器在特定信道进行资源分配的方法进行简要说明。

图7 下行传输中的多业务流调度

这里效用的定义可以根据不同的优化目标进行合理设计，如根据频谱效率、能量效率、延迟违反概率或业务本身价值等。为了提供区分优先级的QoS保障，下面结合异构业务的优先级，给出一种分层调度的简化设计思路。

原则上，高优先级业务有比低优先级业务优先获得无线资源的权力，所以类似于LTE系统对GBR和非GBR业务的调度[8]。可以先从最高级业务开始调度，即先为优先级最高的遥测业务以本调度周期内总效用最大化为目标，在队列中待发送数据包个数有限、最低平均传输速率和队首数据包延迟需要保障的前提下进行资源分配。通常遥测业务的速率要求较低，所以在为该类业务完成资源分配后应仍有时频资源可供其他类型业务分配。

当为图像及大容量数据业务和实时视频业务进行资源分配时，因为这两种业务都需要大量带宽资源且有严格的时延或时延抖动要求，所以不能完全按照优先级把所有剩余的资源都分配给优先级较高的图像及大容量数据业务，可采取的策略是：当资源不足时，优先保证优先级较高的图像及大容量数据业务的QoS要求；当资源充足时，在保证两种业务基本QoS要求的情况下，最大化图像及大容量数据业务的服务质量。

然后，对于剩余的资源，同样以基本QoS要求保障为约束且以最小化资源使用量为目标分配给实时视频业务。与图像及大容量数据业务不同，这里在为实时视频业务分配资源时需要额外考虑其时延抖动约束。

如果给优先级最低的实时视频业务分配完资源后仍有剩余资源，可以把剩余资源在图像及大容量数据业务和实时视频业务中做进一步分配：首先，把剩余的资源以效用最大化为目标分配给优先级较高的图像及大容量数据业务；然后，如果还有剩余未分配的时频资源，只需要把它们以效用最大化为目标分配给优先级最低的实时视频业务。

3 结 论

本文提出的基于感知辅助的智能抗干扰无人机测控技术，以干扰防护的需求为出发点，采用通信侦察技术与认知无线电频谱感知技术相结合，从多个维度评估外界复杂电磁环境，利用电侦和认知无线电的物理层干扰感知结果，实现跨层与其他参数进行融合，并在无线资源管理实体中完成调度算法，对当前使用的带宽、频率、调制编码方式等无线资源参数进行调整，能够实现无人机测控通信系统随机接入与越区切换、无线资源管理、感知辅助安全防护、链路自适应等功能，提升了无人机系统的生存性、灵活性和作战效能，以满足未来复杂作战场景的应用需求。