战术数据链空时联合抗干扰技术*

2023-03-02康荣雷班亚龙杨少帅

电讯技术 2023年2期

康荣雷，安毅，班亚龙，杨少帅

(中国西南电子技术研究所，成都 610036)

0 引言

有“数字化战场中枢系统”之称的数据链，是链接指挥控制中心、各级指挥所、各参战部队和武器平台的数据通道，构成空-天-地-海一体化的数字信息系统，实现战场态势共享、作战指令传递、战术信息协同等功能。美军Link4A、Link11、Link22等战术数据链都将超短波电台作为战术信息系统中极其重要的组成部分[1-3]。尤其对航空平台而言，战术数据链是实现地空组网、机间互联、协同作战的重要数据链路。

随着电磁频谱战理论的成熟与实践部署，电磁干扰装备日新月异，衍生的复杂电磁环境对战场信息系统工作效能影响与日俱增，如何提升战术数据链的抗干扰能力是当前航空电子信息系统技术发展的重中之重。目前，战术数据链为对抗电磁干扰所采用的技术手段集中在[4-6]：功率域采用自适应功率控制技术；频率域采用跳频技术；时间域采用跳时或猝发通信技术；信息域采用高效高增益编码。但是，随着电磁干扰设备辐射功率的日益提升，以及跟随式跳频干扰技术的成熟应用，上述传统抗干扰手段在电磁频谱战环境下的效能将受到极大的制约。

基于阵列天线的空域滤波算法具有较为突出的抗干扰能力，并且在卫星通信与导航领域取得了极其可观的效能[7-10]。但超短波频段的战术数据链迄今仍未采用空域抗干扰技术。由于该频段数据链采用的VHF(108～174 MHz) 与UHF(225～400 MHz) 频段电波信号，基本属于米波范围(0.75～2.78 m)，传统的半波长间距阵列天线难以部署在机载平台上，而小间距天线耦合特性极强且阵列响应随环境敏感变化，致使利用传统暗室校准参数的空域滤波抗干扰算法失效。

本文采用引导信号辅助小间距(d<0.1λ)天线阵列导向实时计算的方法，融合空域滤波算法中的功率反演(Power Inverse，PI)准则与最小均方误差(Minimum Mean Squared Error，MMSE)准则，结合时域抽头实现空时自适应处理(Space-Time Adaptive Processing，STAP)，能够实时进行通信信号的阵列响应校准，实现对多方向干扰信号进行调零抑制的同时保持对通信信号的增益控制，确保在较高干信比环境下的通信能力。

1 抗干扰系统总体设计

本文设计的增配式空时联合抗干扰系统，在原有通信电台与天线之间增加抗干扰处理模块并替换成阵列天线，实现对通信信号的抗干扰处理。

增加空时联合抗干扰系统后的超短波战术数据链构成的战术信息系统示意图如图1所示。

图1 超短波战术数据链战术信息系统示意图

空时联合抗干扰系统由空时联合抗干扰处理模块与VHF/UHF天线阵两部分组成，其详细的组成与功能框图如图2所示。

图2 空时联合抗干扰系统组成与功能框图

2 抗干扰处理算法设计

战术数据链空时联合抗干扰系统由通信发送端和接收端设备组成，由于通信系统的对称性，两端的设备构成也是一致的。

本文选择PI与MMSE准则相结合的空时联合自适应处理技术进行融合滤波计算，实现引导信号的抗干扰接收，并使用引导信号作为接收参考信号，实现对通信信号的抗干扰接收。

发射端监测数据链电台通信信号的发射状态和信号功率，产生引导信号并与通信信号的发送时隙对齐，实时动态调整引导信号的发射状态和功率，完成对战术数据链原始传输信号的寄生，同时将通信信号和引导信号传输到主用天线阵元实现合成信号的发射。

接收端完成对战术数据链接收信号和引导信号的阵列同步采样，在PI准则空时自适应抗干扰处理后，对引导信号实现捕获、解调和重构，以此实现对非标准构型阵列天线导向矢量的实时计算，再利用MMSE准则空时自适应处理实现对原始通信信号的抗干扰接收，由数字中频上变频到射频信号后并发送到战术数据链电台。

发射端与接收端对抗干扰处理的算法流程如图3和图4所示。

图3 抗干扰处理设备发端流程图

图4 抗干扰处理设备收端流程图

2.1 引导信号设计

引导信号是一种隐藏在通信信号之下的寄生性信号，通过扩频码序列实现解扩增益达到信号可解调条件。

2.1.1 对通信信号灵敏度影响分析

假设通信信号到达通信目标天线时的信号功率为Psig，而引导信号Pcor由于与通信信号带宽重合，通信信道的衰减一致，因此，到达通信目标天线时的信号功率为

(1)

数据链电台在进行信号播发时，通信信号比引导信号强NdB。

假设通信信号的接收灵敏度解调门限为DdB，则通信信号功率与噪声功率的关系为

(2)

在加入引导信号后，信号在灵敏度附近的信噪比关系变化为

(3)

对通信灵敏度的影响为

(4)

假设解调门限为信噪比3～5 dB，引导信号比通信信号衰减10～30 dB，计算结果如表1所示。

表1 引导信号对通信灵敏度影响

综上，当引导信号的功率比通信信号低20 dB左右时，解调门限的灵敏度损失小于0.18 dB，影响较小。

2.1.2 对通信信号通信距离影响分析

战术数据链无线电波的传播存在传播路径损耗，即电波的电磁能量随传播距离的增加而迅速损耗衰减。若电波到达接收天线时其信号强度已低于接收电台的灵敏度，则不能建立通信。因此，对于一套各项参数均已确定了的战术数据链通信系统，限制其通信距离的重要因素是传播路径损耗。甚高频无线电波的传播路径损耗可按式(5)计算[11]：

PL=20lgf-20lg(HT·HR)+40lg(D)+88.11。

(5)

将式(5)改写为式(6)，即可得到战术数据链的通信距离：

D=10(PL+20lg(HT·HR)-20lg f-88.11)/40。

(6)

式中：D为发射天线到接收天线的距离，单位为km；PL为传播路径损耗，单位为dBm；f为天线工作频率，单位为MHz；HT为发射天线距离地面的高度，单位为m；HR为接收天线距离地面的高度，单位为m。

相互通信的两套战术数据链通信系统之间存在系统所容许的最大的传播路径损耗。若两个系统的距离较近，实际的传播路径损耗低于系统容许的传播路径损耗，则可以建立通信联系。战术数据链通信系统所容许的传播路径损耗取决于发射电台的发射功率、接收电台的接收灵敏度、发射天线和接收天线的增益以及信号通过天线馈线时的损耗。系统容许的传播路径损耗为

PL=PT+GT+GR-CT-CR-PR-PF。

(7)

式中：PT为信号发射功率；GT为发射天线增益；GR为接收天线增益；CT为发射天线馈线损耗；CR为接收天线馈线损耗；PR为接收灵敏度；PF为衰减余量。

如果在战术数据链中附加引导信号后，根据上节的分析，引导信号会对通信信号接收灵敏度产生影响，影响值为Dert，因此在VU频段数据链中附加引导信号后的通信距离为D1，则

D1=10(PL+20lg(HT·HR)-20lg f-88.11-Dert)/40。

(8)

因此，在战术数据链中附加引导信号前后，通信距离变化量ΔD为

ΔD=D-D1=D[1-10(-Dert/40)]。

(9)

引导信号对通信距离的影响如表2所示。

表2 引导信号对通信距离的影响

因此，当引导信号比通信信号低20 dB的情况下，对通信距离的影响约为1%，影响较小。

2.1.3 信号波形设计

引导信号采用二进制相移键控(Binary Phase Shift Keying,BPSK)调制，由“通信数据+扩频码”直接调制在载波上构成，其信号表达式为

SCN1I=ACN1ICCN1I(t)DCN1I(t)cos(2πfCN1t+φCN1I)。

(10)

式中：SCN1I表示调制的CN1频段的I路信号；ACN1I表示CN1I信号振幅；CCN1I表示CN1I信号的扩频码；DCN1I表示CN1I信号的数据码；fCN1表示CN1I信号的载波频率；φCN1I表示CN1I信号的初相。

引导信号的信号振幅由功率设定，数据码均为1；载波频率由通信信号的频率设定，初相设置为0。

引导信号的扩频码序列由2 046个码片组成(互相关特性较好的伪随机序列，可参考“北斗”卫星导航系统的PN码序列结构)，以2.046 Mb/s速率进行调制，即码序列重复频率为1 kHz，根据扩频系统增益计算公式计算其扩频增益的大小为

(11)

在引导信号比通信信号低20 dB的情况下，通过扩频可获得约33 dB的增益，可满足引导信号在接收方的解调条件。

2.2 空时联合算法

传统阵列抗干扰一般选择单独空域抗干扰算法，通过对不同阵元的接收数据进行处理，得到相应的加权值从而实现对干扰信号的抑制，但空域抗干扰算法受到自由度的限制所能对抗的干扰数量有限，如果要增加抗干扰数量就需要增加阵元个数，所以空域算法的应用受到较大的限制。

空时二维抗干扰算法是在不增加阵元个数的情况下实现了抗更多干扰的目的，算法框图如图5所示。空时二维抗干扰算法的自由度为(M-1)×L，其中，M为阵元数，L为STAP的时域抽头数。当L=1时，STAP退化为纯空域处理，L>1时表示空时处理。STAP处理后可对抗(M-1)×L单音干扰，自由度大大增加，当然空时二维抗干扰算法的计算量也大于纯空域抗干扰算法。

图5 空时联合抗干扰算法框图

从每个阵元通道来看，各级时域抽头构成了FIR滤波器，可以在时域上去除干扰；从相同的时间节点看，不同的阵元构成了空域的自适应滤波，可以分辨空间干扰源，形成空域零陷抑制空域干扰。因此，空时处理具有在空时二维域剔除干扰的能力。

每个阵元通道接收到的信号xm(n)经过下变频处理后进行加权相乘，以实现数字波束合成。M个阵元加权后的输出表达式为

(12)

上式中，空时联合处理根据PI准则和MMSE准则分别计算对应的权值wPI与wMMSE。

由于通信信号在接收端的信号功率大于噪声功率，而引导信号经解扩频获得增益后可获得比通信信号高10 dB的接收功率。

2.2.1 PI准则

PI准则的优化目标是使天线阵输出的总功率最小，即在功率强的方向形成零陷波束。同时，为了避免权值收敛为全零解，取约束向量为b=[1 0 … 0]T，用数学表达式描述为

(13a)

s.t.wHb=1。

(13b)

式中：Rxx=E[x(t)xH(t)]为采样数据的协方差矩阵；约束向量b的特性为约束w1始终为1。选择[w2w3…wM]T使阵列输出功率最小，建立拉格朗日乘子的性能函数为

Lag=wHRxxw+λ(1-wHb)。

(14)

(15)

(16)

从上式可以看出，PI算法不需要任何先验信息，只需要知道输入信号的自相关矩阵Rxx即可以抑制功率较强的干扰信号，适用于强干扰条件下对引导信号的抗干扰接收处理。

2.2.2 MMSE准则

通过PI准则处理后的抗干扰信号中，对引导信号的扩频码序列进行快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)运算，当峰值出现即表明接收信号中存在引导信号，并解算得到扩频码序列的接收位置，本地复现引导信号，并将该信号作为MMSE准则的参考信号。此时使用MMSE准则重新对阵列接收信号进行加权运算，实现恢复通信信号抑制干扰信号的目的。

根据MMSE准则，权系数的计算公式为

(17)

式中：wMMSE为MMSE准则的最优权值系数；Rxx为采样数据的协方差矩阵；rxd为约束向量，其计算公式为

rxd=E[x(t)d*(t)]。

(18)

式中：x(t)为采样数据序列；d(t)为引导信号复原的参考信号序列。

3 抗干扰处理性能仿真

3.1 均匀圆阵仿真

取阵列天线的阵元数M=4的均匀圆阵，时域抽头数L=7；非扩频通信信号中心频率f=400 MHz，信号采样频率fc=62 MHz，设定为窄带信号，调制方式为二进制相移键控，符号速率为1 kb/s，信号带宽为1 kHz；噪声为加性高斯白噪声，信噪比为25 dB；另外，隐蔽引导信号为与通信信号同频的扩频信号，且引导信号比通信信号低15 dB。一个干扰信号为窄带干扰，干信比为30 dB，干扰信号入射俯仰角和方位角分别为(36°,10°)，有用信号入射俯仰角和方位角分别为(36°,50°)，采用PI准则的空时联合抗干扰技术进行干扰抑制。

从图6和图7的仿真结果可以看出，由于干扰信号和通信信号都超过噪底且功率较强，因此采用PI准则处理后，方向图增益在干扰方向形成了约-43 dB的零陷，在通信信号方向形成了约-20 dB的零陷，大大抑制了干扰方向的干扰信号；通信信号方向高于噪声电平的非扩频有用通信信号也被抑制到5 dB，信号方向隐藏在通信信号内的扩频序列引导信号被抑制到噪底以下10 dB。

图6 PI准则的空时联合抗干扰方向图增益

图7 PI准则的空时联合抗干扰方向图增益剖面图(俯仰角为36°)

PI准则处理后，获得干扰抑制后的信号，该信号通过扩频信号解扩处理后即可恢复隐藏在噪底以下的扩频引导信号。此时采用重构的引导信号作为MMSE准则中的参考信号，使用MMSE准则重新对阵列接收信号进行加权运算，即可完成MMSE准则的空时联合抗干扰。

从图8和图9的仿真结果可以看出，经过MMSE准则的空时联合抗干扰处理后，方向图增益在干扰方向形成了约-30 dB的零陷，大大抑制了干扰方向的信号；同时在通信信号方向形成了约2 dB的增益，增强了通信信号方向的信号。

图8 MMSE准则的空时联合抗干扰方向图增益

3.2 非均匀线阵仿真

取阵列天线的阵元数M=4的非均匀线阵(非0.5倍波长的阵元间距)，时域抽头数L=7；非扩频信号中心频率f=400 MHz，信号采样频率fc=62 MHz，设定为窄带信号，调制方式为BPSK，符号速率为1 kb/s，信号带宽为1 kHz；噪声为加性高斯白噪声，信噪比为25 dB；另外，隐蔽引导信号为与通信信号同频的扩频信号，且引导信号比通信信号低15 dB。一个干扰信号为窄带干扰，干信比为30 dB，干扰信号入射方位角为60°，有用信号入射方位角为10°，采用PI准则的空时联合抗干扰技术进行干扰抑制。

从图10和图11的仿真结果可以看出，非均匀线阵与均匀圆阵类似，经过PI准则处理后，方向图增益在干扰方向形成了约-33 dB的零陷，在通信信号方向形成了约-20 dB的零陷，大大抑制了干扰方向的干扰信号；通信信号方向高于噪声电平的非扩频有用通信信号也被抑制到5 dB，信号方向隐藏在通信信号内的扩频序列引导信号被抑制到噪底以下10 dB。

图10 PI准则的空时联合抗干扰方向图增益图

图11 MMSE准则的空时联合抗干扰方向图增益图

PI准则处理后，获得干扰抑制后的信号，该信号通过扩频信号解扩处理后即可恢复隐藏在噪底以下的扩频引导信号。此时采用重构的引导信号作为MMSE准则中的参考信号，使用MMSE准则重新对阵列接收信号进行加权运算，经过MMSE准则的空时联合抗干扰处理后，方向图增益在干扰方向形成了约-30 dB的零陷，大大抑制了干扰方向的信号；同时在通信信号方向形成了约3 dB的增益，增强了通信信号方向的信号。