郝明明，盛懷潔，陳明建

(國(guó)防科技大學(xué) 電子對(duì)抗學(xué)院， 合肥 230037)

隨著無(wú)人機(jī)作戰(zhàn)效能的顯著提升和戰(zhàn)場(chǎng)威脅度的增加，可以預(yù)見(jiàn)，以無(wú)人機(jī)為代表的無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)必將成為各國(guó)軍隊(duì)面對(duì)的挑戰(zhàn)。目前，針對(duì)無(wú)人機(jī)的電子攻擊對(duì)象主要為導(dǎo)航定位系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)和任務(wù)載荷系統(tǒng)[1]。數(shù)據(jù)鏈作為無(wú)人機(jī)的指揮控制鏈、跟蹤定位鏈和信息傳輸鏈，是無(wú)人機(jī)飛行的“生命鏈”和作戰(zhàn)效能發(fā)揮的“保障鏈”，是反無(wú)人機(jī)中威脅等級(jí)最高的目標(biāo)[2]。因此，對(duì)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的電子攻擊是反制無(wú)人機(jī)的重中之重。

對(duì)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的電子攻擊分為壓制式干擾和欺騙式干擾兩大類。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈多采用了信道編碼、擴(kuò)頻等技術(shù)來(lái)提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕谶@種情況下，依靠能量功率優(yōu)勢(shì)的壓制式干擾已不能取得良好的干擾效果，需要進(jìn)一步研究更加威脅有效的欺騙式干擾[3-6]。對(duì)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的欺騙干擾可分為鏈路協(xié)議層欺騙和鏈路物理層欺騙。鏈路協(xié)議層欺騙干擾需要對(duì)截獲的數(shù)據(jù)鏈信號(hào)進(jìn)行盲解調(diào)，盲解擴(kuò)，加密、編碼和遙控幀協(xié)議的盲解析，完成對(duì)信號(hào)的修改重構(gòu)，技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度較大。而鏈路物理層欺騙干擾基本不涉及協(xié)議層的盲估計(jì)問(wèn)題，工程應(yīng)用較易實(shí)現(xiàn)，因而引起電子對(duì)抗領(lǐng)域的普遍重視。

無(wú)人機(jī)上行數(shù)據(jù)鏈具有傳輸速率較低的特點(diǎn)，針對(duì)無(wú)人機(jī)上行數(shù)據(jù)鏈實(shí)施轉(zhuǎn)發(fā)式干擾，屬鏈路物理層欺騙干擾，截取所轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)包含飛行狀態(tài)控制關(guān)鍵指令，此干擾方式具有較大的威脅性和可行性。本文面向無(wú)人機(jī)上行數(shù)據(jù)鏈，以基于鏈路物理層欺騙的轉(zhuǎn)發(fā)式干擾為研究對(duì)象，在仿真分析的基礎(chǔ)上重點(diǎn)對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)式干擾各參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和配置。

1 轉(zhuǎn)發(fā)式干擾基本構(gòu)想

如圖1所示，轉(zhuǎn)發(fā)干擾設(shè)備主要由偵察接收設(shè)備、存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備和調(diào)制發(fā)射設(shè)備3部分組成。其中偵察接收設(shè)備用于對(duì)無(wú)人機(jī)上行數(shù)據(jù)鏈信號(hào)的高靈敏度接收，采樣后輸出數(shù)據(jù)文件；存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)文件進(jìn)行處理得到并存儲(chǔ)基帶碼流序列，在干擾參數(shù)配置完成后執(zhí)行轉(zhuǎn)發(fā)，輸出轉(zhuǎn)發(fā)干擾碼流；調(diào)制發(fā)射設(shè)備對(duì)輸入轉(zhuǎn)發(fā)干擾碼流進(jìn)行調(diào)制，輸出轉(zhuǎn)發(fā)干擾射頻信號(hào)。

轉(zhuǎn)發(fā)式干擾的基本構(gòu)想是：利用轉(zhuǎn)發(fā)干擾設(shè)備截獲無(wú)人機(jī)的上行鏈路信號(hào)，為使截獲信號(hào)中包含飛行姿態(tài)變換指令，這一過(guò)程爭(zhēng)取在雷達(dá)對(duì)無(wú)人機(jī)飛行航跡跟蹤指示下進(jìn)行。偵察接收設(shè)備截獲、存儲(chǔ)一定時(shí)長(zhǎng)的上行鏈路信號(hào)，經(jīng)混頻、濾波后形成采樣數(shù)據(jù)文件。存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備中的計(jì)算機(jī)按照一定算法對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)處理，得到包含遙控指令的基帶碼流序列，形成存儲(chǔ)文件；按照循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)周期參數(shù)對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)文件進(jìn)行簡(jiǎn)單拼接，形成轉(zhuǎn)發(fā)干擾碼流。調(diào)制發(fā)射設(shè)備接收轉(zhuǎn)發(fā)干擾碼流，經(jīng)射頻變換后形成轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號(hào)，大功率向無(wú)人機(jī)機(jī)載數(shù)據(jù)終端的接收設(shè)備循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)該信號(hào)。

該方法不需對(duì)鏈路協(xié)議層參數(shù)進(jìn)行盲估計(jì)，由于沒(méi)有或極少改變?cè)盘?hào)的結(jié)構(gòu)特征，無(wú)人機(jī)機(jī)載接收設(shè)備對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號(hào)基本沒(méi)有識(shí)別能力。在滿足干信比要求下，無(wú)人機(jī)極有可能經(jīng)暫短失控后，鎖定轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號(hào)，致使其反復(fù)執(zhí)行干擾信號(hào)中的遙控指令，造成其飛行狀態(tài)紊亂，最終因失控啟動(dòng)應(yīng)急程序甚至墜毀。

依據(jù)基本構(gòu)想，研究需要首先對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)式干擾參數(shù)進(jìn)行仿真，過(guò)程主要包括兩個(gè)部分：一是從射頻端對(duì)鏈路信號(hào)的截獲存儲(chǔ)及處理；二是對(duì)基帶碼流序列的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)。前者涉及到射頻前端微波信號(hào)的高靈敏度截獲接收和數(shù)據(jù)處理算法等技術(shù)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)難度較大；后者的關(guān)鍵是對(duì)基帶碼流序列的處理，它對(duì)應(yīng)地面數(shù)據(jù)終端中遙控幀序列與擴(kuò)頻碼序列模二加后得到的基帶激勵(lì)碼序列，包含了遙控信號(hào)鏈路層的完整特征。因此，截取存儲(chǔ)該數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)干擾參數(shù)設(shè)計(jì)研究，也具有很強(qiáng)的說(shuō)服力。本文假設(shè)在已得到基帶碼流序列的基礎(chǔ)上，構(gòu)建基帶轉(zhuǎn)發(fā)式干擾模型，并對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)干擾進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)與仿真。

2 基帶轉(zhuǎn)發(fā)式干擾模型

2.1 仿真流程

基帶轉(zhuǎn)發(fā)式干擾仿真模型主要包括3大模塊，如圖2所示。

1) 基帶碼流生成模塊：構(gòu)建遙控指令，生成基帶碼流序列。通過(guò)改變誤碼率模擬射頻信號(hào)經(jīng)截獲接收和參數(shù)盲估計(jì)后得到的基帶碼流序列。

2) 存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)模塊：實(shí)現(xiàn)對(duì)基帶碼流序列的截取、存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)，形成轉(zhuǎn)發(fā)干擾碼流?？紤]到射頻信號(hào)的截取時(shí)長(zhǎng)與基帶碼流存儲(chǔ)長(zhǎng)度之間為線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，在仿真實(shí)驗(yàn)中，用碼流存儲(chǔ)長(zhǎng)度來(lái)代替截取信號(hào)時(shí)長(zhǎng)，探究碼流存儲(chǔ)長(zhǎng)度和轉(zhuǎn)發(fā)周期對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)式干擾的影響。

3) 機(jī)載接收模塊：接收干噪比不同的轉(zhuǎn)發(fā)干擾碼流，形成基帶接收信號(hào)，然后模擬機(jī)載計(jì)算機(jī)對(duì)解調(diào)輸入的基帶信號(hào)進(jìn)行同步、解擴(kuò)、解差分、解卷積和指令判決等操作。其中噪聲采用加性零均值高斯白噪聲。

2.2 信號(hào)模型

設(shè)遙控幀信號(hào)為c(t)，擴(kuò)頻采用的PN碼周期信號(hào)為m(t)，則經(jīng)過(guò)擴(kuò)頻調(diào)制后形成的基帶碼流信號(hào)為S(t)，它們分別滿足：

(1)

(2)

S(t)=c(t)m(t)

(3)

其中，dn為遙控幀序列，滿足{dn=±1，n=1,2,3,…}，Td為碼元寬度，其倒數(shù)1/Td為碼元速率，g1(t)為矩形窗函數(shù)；mn為PN碼序列，滿足{mn=±1，n=1,2,3,…}，Ts為碼片寬度，倒數(shù)1/Ts為碼片速率，g2(t)為矩形窗函數(shù)[7]?；鶐мD(zhuǎn)發(fā)干擾信號(hào)模型如圖3所示。

基帶碼流信號(hào)S(t)經(jīng)采集、存儲(chǔ)后形成碼流存儲(chǔ)信號(hào)S1(t)，滿足

S1(t)=f(t)S(t)

(4)

f(t)=u(t-T1)-u(t-T2)

(5)

其中f(t)為基帶碼流截取函數(shù)，是一個(gè)T1～T2的矩形窗函數(shù)，u(t)為階躍函數(shù)，T1、T2分別為采集數(shù)據(jù)的起始時(shí)刻和終止時(shí)刻，碼流存儲(chǔ)時(shí)長(zhǎng)為T=T2-T1>0。

經(jīng)循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)形成轉(zhuǎn)發(fā)干擾基帶碼流信號(hào)S2(t)：

(6)

其中P為轉(zhuǎn)發(fā)周期，當(dāng)P=1時(shí)，S2(t)=S1(t)。

S2(t)加入噪聲n(t)，形成轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號(hào)r(t)，其表達(dá)式為

r(t)=S2(t)+n(t)

(7)

2.3 存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)模型

從基帶碼流序列d中截獲、存儲(chǔ)一段數(shù)據(jù)碼流，設(shè)其包含遙控幀碼元長(zhǎng)度為L(zhǎng)，作為轉(zhuǎn)發(fā)干擾的碼流存儲(chǔ)，如圖4所示：

圖4中dk，dk+1，dk+2為三幀連續(xù)的完整遙控幀，碼流存儲(chǔ)長(zhǎng)度為L(zhǎng)時(shí)，其中只包含dk+1一幀完整幀。由于截取起始位置的隨機(jī)性，截獲碼元起始位和遙控幀起始位并不重合，因此信號(hào)截獲在一定程度上破壞了遙控幀的完備性。

在基帶碼流轉(zhuǎn)發(fā)階段，將存儲(chǔ)碼流經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)仄唇犹幚砗?，按轉(zhuǎn)發(fā)周期數(shù)進(jìn)行循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)形成轉(zhuǎn)發(fā)干擾碼流，如圖5所示。

rk和rk+2分別為完整遙控幀dk和dk+2中所截取的部分碼元，在拼接過(guò)程中，若rk和rk+2不能組成一個(gè)完整幀，則有可能破壞遙控幀的完備性，使得轉(zhuǎn)發(fā)干擾失??；若rk和rk+2恰好組成一個(gè)完整幀，則有可能保持遙控幀的完備性，使得轉(zhuǎn)發(fā)干擾成功。

3 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

在實(shí)現(xiàn)指令判決功能時(shí)，將解碼后遙控幀序列中的遙控指令提取出來(lái)，和基帶產(chǎn)生的遙控指令進(jìn)行比較，若相同，則無(wú)人機(jī)對(duì)該指令進(jìn)行響應(yīng)；否則不響應(yīng)。依據(jù)比較結(jié)果，得出最終的指令判決結(jié)果result。若result=1，則無(wú)人機(jī)響應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)干擾指令，上行鏈路遙控信道鎖定，表明轉(zhuǎn)發(fā)干擾成功，同時(shí)碼流存儲(chǔ)時(shí)間、轉(zhuǎn)發(fā)周期和干噪比等參數(shù)設(shè)置合理；否則result=0，轉(zhuǎn)發(fā)干擾失敗。

定義干擾成功率η和干噪比JNR：

(8)

其中，Mc干擾成功次數(shù)，Ms干擾總次數(shù)；Pj轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號(hào)功率，Pn信道噪聲功率。

利用截取起始位置的隨機(jī)性，進(jìn)行多次Monte Carlo實(shí)驗(yàn)，得出轉(zhuǎn)發(fā)干擾成功率。基帶轉(zhuǎn)發(fā)干擾實(shí)驗(yàn)中部分信號(hào)參數(shù)設(shè)置[8-9]，如表1所示。

表1 信號(hào)模型參數(shù)設(shè)置

在機(jī)載接收模塊中，對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行同步時(shí)，考慮幀同步搜索和跟蹤階段，本仿真設(shè)定，若連續(xù)3幀均找到幀同步碼，則進(jìn)入幀同步鎖定階段，可以對(duì)遙控指令進(jìn)行處理[10-11]。仿真設(shè)計(jì)了4個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)探究干噪比JNR、碼元誤碼率φ、碼流存儲(chǔ)長(zhǎng)度L和轉(zhuǎn)發(fā)周期P等參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)式干擾的影響。

實(shí)驗(yàn)1干噪比對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)干擾成功率的影響

碼流存儲(chǔ)長(zhǎng)度L=400，轉(zhuǎn)發(fā)周期P=1，在不同干噪比JNR下分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到干噪比對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)干擾成功率的影響如圖6所示。

由圖6可知，在其余參數(shù)設(shè)置不變的情況下，轉(zhuǎn)發(fā)干擾成功率隨干噪比的增大而增大。當(dāng)干噪比JNR<-17 dB時(shí)，轉(zhuǎn)發(fā)干擾失??；當(dāng)干噪比JNR>-5 dB時(shí)，轉(zhuǎn)發(fā)干擾成功率達(dá)到100%。

實(shí)驗(yàn)2碼元誤碼率對(duì)干擾成功率的影響

干噪比JNR=0 dB，轉(zhuǎn)發(fā)周期P=1，碼流存儲(chǔ)長(zhǎng)度L=400，改變誤碼率φ，每種情況獨(dú)立進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得到誤碼率對(duì)干擾成功率的變化曲線，如圖7所示。

從圖7可以看出，隨著誤碼率的增大，干擾成功率迅速下降。在該仿真條件下，誤碼率大于0.06時(shí)，干擾成功率為0；當(dāng)誤碼率小于3×10-3時(shí)，干擾成功率達(dá)到90%以上。

實(shí)驗(yàn)3碼流存儲(chǔ)長(zhǎng)度對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)干擾成功率的影響

干噪比JNR=0 dB，轉(zhuǎn)發(fā)周期P=1，改變碼流存儲(chǔ)長(zhǎng)度L，每種長(zhǎng)度下獨(dú)立進(jìn)行多次Monte Carlo實(shí)驗(yàn)，干擾成功率隨碼流存儲(chǔ)長(zhǎng)度的變化曲線如圖8所示(橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)遙控幀序列中的碼元數(shù))：

從圖8可以看出，在該仿真條件下，當(dāng)碼流存儲(chǔ)長(zhǎng)度小于3倍遙控幀(240碼元)時(shí)，干擾成功率為0；碼流存儲(chǔ)長(zhǎng)度在3幀-4幀(4幀320碼元)之間時(shí)，干擾成功率總體上隨碼流存儲(chǔ)長(zhǎng)度的增大而增大；當(dāng)碼流存儲(chǔ)長(zhǎng)度大于5倍遙控幀(400碼元)時(shí)，可以達(dá)到100%的干擾成功率。

實(shí)驗(yàn)4轉(zhuǎn)發(fā)周期對(duì)干擾成功率的影響

干噪比JNR=0 dB，轉(zhuǎn)發(fā)周期P分別設(shè)置為2，3，4，5，改變碼流存儲(chǔ)長(zhǎng)度L，每種情況獨(dú)立進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得到不同轉(zhuǎn)發(fā)周期下，干擾成功率隨數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的變化曲線，如圖9所示。

由圖9可知，碼流存儲(chǔ)長(zhǎng)度L和轉(zhuǎn)發(fā)周期P共同作用對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)干擾成功率產(chǎn)生影響，當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)周期P=2,3,4,5時(shí)，碼流存儲(chǔ)長(zhǎng)度L大于3倍遙控幀，可達(dá)100%的干擾成功率，同時(shí)在L恰好為遙控幀碼元整數(shù)倍(80、160)時(shí)，會(huì)突變達(dá)到較高的干擾成功率，這是因?yàn)楫?dāng)碼元長(zhǎng)度為整數(shù)倍時(shí)，經(jīng)拼接處理后，在轉(zhuǎn)發(fā)干擾碼流能一定程度上保持遙控幀的完備性，從而獲得較高的干擾成功率。此外，結(jié)合實(shí)驗(yàn)3可知，隨著P增大，達(dá)到穩(wěn)定干擾時(shí)所需最小碼流存儲(chǔ)長(zhǎng)度在變小，在P=2時(shí)，即可達(dá)到最小碼流存儲(chǔ)長(zhǎng)度L=256(約為3倍遙控幀)。

4 結(jié)論

本文首先對(duì)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的轉(zhuǎn)發(fā)式干擾做了基本構(gòu)想，以基帶碼流序列作為信號(hào)來(lái)源，構(gòu)建了基帶轉(zhuǎn)發(fā)式干擾仿真模型，并給出了相應(yīng)的信號(hào)模型。然后利用仿真模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了轉(zhuǎn)發(fā)干擾的可行性，并對(duì)影響轉(zhuǎn)發(fā)干擾成功率的干噪比、誤碼率、碼流存儲(chǔ)長(zhǎng)度和轉(zhuǎn)發(fā)周期等因素進(jìn)行了參數(shù)設(shè)計(jì)，得出了仿真條件下的參數(shù)邊界條件。實(shí)驗(yàn)結(jié)論是仿真模型在滿足一定參數(shù)設(shè)置的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得出的，不同無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)設(shè)置不同，因此，具有一定的局限性。同時(shí)，實(shí)際情況中，影響轉(zhuǎn)發(fā)干擾的因素會(huì)更加復(fù)雜多元，但仿真數(shù)據(jù)結(jié)果仍可為實(shí)際試驗(yàn)中碼流存儲(chǔ)時(shí)間和轉(zhuǎn)發(fā)周期等參數(shù)設(shè)置提供一定參考，為后續(xù)研究打下良好基礎(chǔ)。