无人机数据链电磁干扰机理和防护研究

赵丹 刘万村 雍丽英

（哈尔滨职业技术学院 黑龙江省哈尔滨市 150000）

无人机本身具有低损耗、零伤亡、机动性比较高、可重复使用等特征，在侦察监视、通信中继、火力智慧、电子对抗等领域有广泛的应用。基于此，研究及分析无人机数据链电磁干扰机理，有利于提高无人机工作控制有效性。同时数据链系统组成中包括混频器和放大器等，因其工作特征很容易受外界环境中的电磁信号影响，影响数据链数据传输质量。为此，本文分析无人机数据链电磁干扰机理，并对其进行有效防护，可提高无人机数据链的电磁抗干扰水平[1]。

1 无人机数据链电磁干扰机理分析

在对信号调制进行处理与分析中，可划分为调频、调幅、调相三种基本形式，BPSK 是无人机主通道信号调制方式，在二进制数字调制过程中，正弦载波的相位会随着二进制基带信号变化进行分析，调制信号相角为0°、180°的状态下，可表示为基带信号中二进制数字1 与0。在发送码元1 时，发送概率为p，BPSK 调制中，由于本地载波与基带信号送到乘法器中上变频后，可得到时域信号[2]。二进制在绝对移相键控是通过载波不同相位，表达相应二进制数字信号的调制方式。BPSK 解调中，可通过相干解调的方式进行处理，在调制过程中，可通过同频同相的载波信号进行传输与控制，接收的相干载波发生在180°倒相，解调获得游泳信号与地面控制站发送的基带信号之间是相反的状态。如果机载天线接收信号的细致闹币相对比较偏小，部分信号会被干扰信号压制并取代，解调输出错误码元，误码率超过规定的限制，通信会终端，这说明出现了上行通道失锁的情况[2]。

2 无人机数据链电磁敏感度注入效应试验

2.1 无人机数据链受扰判断依据

无人机数据链工作程序如下：无人机地面控制站利用电磁信号向无人机机载信号端发送控制指令，同时其他频率电磁信号接收无人机传输的运行参数数据和工作数据，实现对无人机的远程控制和双方通信，保证无人机工作质量。而在无人机与地面控制站双方通信过程中，数据链是实现数据信息传输的关键工具，无论是无人机亦或是地面控制站都需要设置数据链装置。但由于电磁信号特征，随着无人机工作距离的增加，数据链数据传输质量也受到较大影响，电磁信号传输很容易受到外界新高干扰，影响双方通信质量。在这一视角下，对机载数据链设备进行分析，机载数据链设备的工作原理如图1 所示。

图1：机载数据链设备的工作原理

机载数据链在实际搭建的过程中，可通过信号传输的方式，对机载数据信息进行采集与整合处理。由于信号本身的差异性，在对信号传输过程进行优化中，可通过双工器对不同机载数据信号进行信号处理，在滤波处理的基础上，可结合无人机运行状态，对数据控制过程、干扰因素等方面进行综合分析，在实现数据信号处理与优化的基础上，会因为电磁干扰的情况出现，导致工作信号的处理问题增加，影响数据链的传输控制水平。数据链中的数据信号传输中，可通过解调数据码、调制控制等方式，对电磁干扰的控制指令、数据接收等方面进行调整与优化，从而达到数据链运行控制的目的。通过中频输出信号的传输控制，可对电路增益过程进行优化，并对AGC 输出值的转换过程、信号误码问题等方面进行综合控制。为保证数据信息的可靠性、有效性，在对信号变化过程、抗干扰能力等方面进行综合控制的过程中，可通过电磁敏感度的有效控制，对无人机数据链的数据传输过程、信号滤波处理等方面进行优化，从而实现中频输出信号的有效控制效果提升。

2.2 数据链飞行距离动态模拟

无人机飞行距离变化对无人机数据链的传输、抗干扰性能等方面会产生直接的影响，所以，在对无人机数据链的电磁干扰进行研究中，可通过工作信号强度控制，对信息处理过程进行检验。如果工作信号强度的差值比较大，则需要对中频工作信号强度以及失锁效应进行调整与优化，在对输出信号值进行调整与控制的基础上，分析无人机数据链的动态变化机制，并达到电磁干扰控制的目的。因此，需要通过实验和数据分析进一步明确无人机飞行距离与数据链数据传输工作信号强度彼此间的关系，从而有针对性的加强抗干扰信号设置，保证无人机数据链工作质量。假设飞行距离为d 一直工作信号频率为f，在对自由空间损耗进行研究中，可利用天线传播理论，对工作信号强度与自由空间损耗之间的关系进行分析，其关系曲线如图2 所示。

图2：不同飞行距离下的无人机数据链上行工作信号强度变化曲线

由图2 可明显发现，随着无人机飞行距离逐渐增加，数据链工作信号强度变化显著。因此，为保证无人机在远距离工作条件下的信号强度，一方面可以利用机载的连接实现数据量数据的实时传输和动态控制，另一方面利用衰减器对工作信号强度进行调整与优化。

2.3 注入信号功率限值的确定

利用机载端天线辐照进行电磁干扰试验与分析，确定200V/m场强敏感度阈值以及干扰功率上限。试验期间需将喇叭天线的主瓣方向对准天线，同时调节信号源输出信号的功率、功率放大器，获取不同干扰功率下的试验数据，当场强达到200V/m 的状态下，即可通过频谱仪观测双工器后端的信号频率。而且由于双工器内部的带通滤波器运行特性，不同干扰频率下，200V/m 场强对应接收信号的功率数据也存在较大差异。而且一般情况下，当带通滤波器一次运行时，依据额定数据可知，滤波器通带的下线频率和上线频率的损耗为1.5dB，而此时，阻带插入损耗为70dB。阻带内的干扰信号明显降低，其主要原因在于通带内的干扰信号无法传输到数据链接收机输入端，进而导致接收机能量减少。

3 干扰注入效应试验

干扰注入效应试验是保证无人机数据链数据传送控制的关键环节，通过实验可以清晰得知电磁干扰信号频率与电磁敏感度阈值以及数据链数据传输质量彼此间的关系。进而在无人机数据链数据传输期间，通过对电磁敏感度阈值的有效控制可以保证无人机数据链传输工作的有效性。与此同时，在无人机工作期间更应重视工作信号处理和数据分析工作，以保证得到真实、准确的数据信息。期间应通过机载端传输的工作信号强度数据合理控制电磁敏感度的阈值，调整干扰信号强度，确保无人机始终能够得到清晰、准确的数据，保证数据传输质量。另外，在对通信传输过程优化调整过程中，如若步长为10MHz，则控制干扰功率在波动变化的过程中，数据链为200V/m 辐照场强以下，会出现失锁的情况。在对无人机的飞行距离进行分析中，按照100km、50km、25km 三种状态下，工作信号强度分贝为-99、-93、-87dBm，假设机载天线接收的工作信号为V，与此同时，接收到的干扰信号为V1，那么，在对工作信号与干扰信号的角速率进行分析中，可通过工作信号、干扰信号的相位，对工作信号、干扰信号的叠加进行处理，并通过带通滤波器，对干扰信号频率以及滤波处理中，可通过通频带或者过渡带，对电路传输过程进行优化，满足数据传输与控制需求。

从组合频率干扰机理的角度进行分析，在对接收机信号处理流程进行分析中，则需要对机载天线接收的工作信号进行分析，在对工作信号、干扰信号的角速率进行分析中，接收机输入信号可出现叠加的情况。基于此，设置低噪放大器，并以介质滤波器为带通滤波器，在对通信信号进行传输与控制的过程中，可通过放大、滤波处理，实现信号传输与控制。无人机数据链对外界电磁干扰的主要敏感频段变化下，敏感度阈值相对比较低，但是，其他频段的外界电磁干扰场强相对较高的状态下，数据链失锁现象会增加，这是由于外界电磁干扰场强会出现低噪声放大器在静态工作下，可从线性区移动到饱和区，电流放大系数会相对降低，输出下降，从而出现数据链失锁的情况。

4 无人机数据链电磁干扰的防护策略

4.1 射频前端电路设计

结合上述分析不难发现，干扰信号是影响无人机工作的关键。而由于射频电路的运行状态，同频干扰的消除难度比较大，而且，失锁阈值相对比较低，所以，在对数据链电磁干扰进行防护的过程中，可通过射频前端电路优化设计，达到消除干扰的目的。当干扰信号频率处于双工器通带内，在利用干扰信号传输状态进行信息处理的过程中，可通过噪声放大器对干扰信号的波动频率进行监测，通过噪声处理与干扰信号识别，可实现信号传输控制效果提升。

4.2 智能化自适应控制方法

传统对带内干扰控制方案是采取接地、限幅等电磁兼容设计实现的，但结合上一章节分析不难发现，在不同无人机工作距离下，其数据链工作信号强度明显变化，直接影响控制效果。为此，本文提出采用自适应控制与瓦解电磁干扰监测相结合的的智能控制办法，一方面利用电磁干扰监测样机实现对工作环境电磁信号的实时监控，结合无人机工作环境下的电磁干扰信号信息设置敏感度阈值，据此构建数据库。另一方面当检测到敏感度阈值与工作环境电磁干扰信号强度差值为6dB 时，可启动自适应控制机制。电磁干扰监测样机在实际应用中，可选择频谱，并对机载数据信息金星村护理，在对换频指令以及切换频道等方面进行控制中，可建立通信连接渠道，满足通信传输控制需求。在对机载数据信息进行处理的基础上，可对电磁干扰过程进行控制，在实现机载端与地面端同步进行切换的前提下，可在频谱条件下，对通信状态以及饱和干扰状态等方面进行进行处理，在对数据链带内频率进行优化的基础上，满足无人机数据链的传输控制需求。

5 结论

通过开展电磁敏感度效应试验，对无人机数据链的电磁干扰防护展开研究，确定不同飞行距离下的敏感度阈值曲线，并通过对曲线变化进行分析，讨论无人机数据链失锁的作用机理，并根据不同的敏感频段进行针对性的防护。无人机数据链在200V/m 状态下，无人机数据链出现失锁的概率比较大，但是，随着工作信号强度的不断增加，过渡带的频点不会出现数据失锁的情况。从组合频率干扰的角度进行分析，可以通过优化射频电路设计的方式，提高无人机数据链的抗干扰能力。