基于自适应跳频的无人机抗干扰技术研究

党 方，牛晓雷，刘江庭

(中国电子科技集团公司第二十研究所，陕西 西安 710068)

0 引 言

以科索沃战争为标志，战争方式已经彻底转变为具备精准化、信息化和无人化等特点的现代战争，通过海陆空联合精确打击的方式实现零伤亡、低成本和高回报的战略目的。近年来，无人机以其造价成本低廉、用途广泛等特点，已成为典型的无人作战设备，广泛使用在反坦克、远距离侦察、定点清除等作战场景中。2020年9月，阿塞拜疆改变无人机原有的辅助和侦察定位，在纳卡冲突中使用了大量无人机作为主战飞机，不到一个月就摧毁了130多辆坦克、25个防空阵地和200多门火炮，使亚美尼亚成为世界上第一个被无人机打败的国家。

1 无人机数据链

数据链通信是按照固定的数据格式和通信协议，具备保密、准确等特点，广泛使用在军事无线通信领域。随着无人机在军事领域中的快速发展，数据链也担负着无人机平台之间、无人机与指挥所之间的态势共享、指挥命令等信息传递。在无人机数据链的功能性能更先进的同时，面临的电磁环境也更加复杂，由于无人机所有的控制和攻击都是通过数据链由指挥所的人员操控，一旦受到干扰会导致其不受控，极易被击落甚至被敌方俘获。现代战争对无人机数据链在可靠性、安全性和隐蔽性等方面提出了更高的要求[1]。

2 干扰源与对策分析

2.1 干扰源分析

战场中存在多种干扰源，可分为自然干扰源和人为干扰源，战场中自然干扰源对通信链路的影响远不如人为干扰源，本文主要针对人为干扰源进行抗干扰研究。无人机在战场上受到的主要人为干扰如图1所示。

图1 战场干扰源分析

地面固定干扰源不可移动，但发射功率大，范围广，能够起到很强的干扰作用。机载干扰源发射功率小，范围窄，其优点是可以通过移动对特定的干扰目标进行持续干扰[2]。地面机动干扰源综合固定干扰源和机载干扰源的优点，发射功率较大，范围较广，可以在地面移动；缺点是在地形复杂的环境下容易受限，且无法对高空目标进行干扰。

经分析发现，虽然干扰信号源不同，但干扰形式并不多，不同形式的干扰信号对应的干扰效果如表1所示。

表1 战场无人机受到的主要干扰形式和干扰效果

2.2 对策分析

现有的抗干扰手段可分为两大类——扩频抗干扰技术和非扩频抗干扰技术。扩频抗干扰技术包括跳频、扩频、跳时、调频以及组合形式的跳扩频等混合技术[3]。非扩频抗干扰技术包括纠错编码、功率控制技术等。

无人机在战场中多以集群的形式出现，通信的同步时间尤为重要，跳频技术相较于直扩技术同步时间短，同时抗干扰性能较强，更适合无人机使用。然而无人机由于体积限制，通信设备功率有限制，因此本文提出一种配合非扩频抗干扰技术的自适应跳频抗干扰方法，能够根据环境对跳频频点、功率等进行自适应调整，满足抗干扰需求的同时，减小功耗，提高无人机的续航时间[4]。

3 自适应跳频技术

3.1 自适应跳频技术原理

跳频通信技术能够依据事先约定的规则，在不同的通信频点上变化，理论上跳频速度越快，频点选择算法越复杂，通信链路的抗干扰能力越强。然而，在一定的时间内，可能由于干扰导致部分频段不可选，此时该频段部分调频点为无意义频点。若仍然采用此频点通信，则会浪费时间资源和功耗。因此，需要通过某种规则让通信链路以合适的频点、功率和跳频速率运行，使无人机能够在每个时间点都以最佳的状态进行通信，这就是自适应跳频技术。

在原有的跳频链路上增加频谱分析功能，分析通信链路质量，能够根据消息类型、信道质量、频点受干扰情况等自适应选择消息格式、频点、跳速和发射功率，提高抗干扰性和隐蔽性[5]。原理如图2所示。

图2 无人机自适应跳频技术原理框图

3.2 自适应跳频优化效果分析

通信误码率是衡量通信技术的重要指标，分析自适应技术在跳频通信方式应用前后误码率，可以判断其对跳频抗干扰能力的优化程度。跳频设置总频点数为M个，因干扰等原因导致Mo个频点不可用，则可用频点的误码率为：

(1)

式中：Eb为频点发射时的平均功率;No为高斯信道噪声的功率，单位dB。

受干扰频点的误码率为：

(2)

式中：Jo为跳频信号的抗干扰能力，单位dB。

则仅使用跳频方式的抗干扰技术误码率均数为：

(3)

采用自适应优化后跳频抗干扰技术,理论误码率均数等于信道误码率，实际使用中误码率会有偏高。由于自适应技术并不能针对所有的干扰环境都起到非常好的优化效果，因此可以引入一个自适应因子β来表示自适应的优化能力[6]。自适应因子β的取值范围0<β<1，则在受干扰频点上误码率为：

(4)

3.3 应对宽带阻塞式干扰仿真分析

对于跳频通信来说，宽带阻塞式干扰是一种广泛存在且危害比较大的干扰形式，分析自适应跳频通信在宽带阻塞式干扰下的误码率，能够判断该抗干扰技术是否满足战场的复杂电磁环境。

宽带阻塞式干扰和白噪声比较相似，可将白噪声作为干扰模型，模拟无人机所在的干扰电磁环境，在典型跳频通信系统模型的基础上进行简化，保留对体制仿真有重要影响的部分，建立基于基带仿真的物理模型，如图3所示。

图3 仿真物理模型

设置该模型中的参数，跳频速度为1 000跳/s，带宽1.5 MHz，频率数64，信道间隔32 kHz，调制方式采用非相干多进制频移键控(MFSK)，背景噪声取经典值15.5 dB。仿真结果如图4、图5所示。

图4 误码率-自适应因子-干信比变化图

图5 自适应因子对比

由图4和图5可以看出，采用自适应跳频技术后，误码率显著降低。在30%的频点受到干扰、自适应因子β为0.7、外部干扰功率和信号发射功率一定的情况下，自适应优化可以使传输误码率降低50%。

4 结束语

在可以预见的未来，无人机还将更加深入地介入到地区冲突中，发挥越来越重要的作用，同时干扰技术和抗干扰技术也将继续发展。除了无人机数据链自身的绝对抗干扰能力提升外，也可通过无固定中心节点集群等方式对无人机群硬抗毁方面进行研究，以在未来战争中更加复杂的电磁环境中增强无人机作战群的综合抗干扰能力。