楊林超

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

0 引 言

在未來信息化聯(lián)合應(yīng)用條件下，無人機肩負著情報偵察、通信中繼、奪取制空權(quán)以及敵方目標精確打擊等重要任務(wù)[1]，無人機測控系統(tǒng)在復雜電磁環(huán)境中的兼容性以及系統(tǒng)本身的抗干擾能力是保障無人機可靠生存的最基本要素。

伊朗軍隊成功擊落美軍某型無人機的實際應(yīng)用效果表明，電磁干擾技術(shù)可有效壓制無人機測控鏈路，造成通信中斷和指揮失控，甚至擊落無人機[2]。因此，復雜電磁環(huán)境下無人機測控系統(tǒng)抗干擾技術(shù)一直是世界各國研究重點。結(jié)合自適應(yīng)調(diào)制編碼、高速跳頻和寬帶擴頻技術(shù)，國外已研制出電磁兼容性好、抗截獲和抗干擾能力強的高性能無人機測控系統(tǒng)，并逐漸向高速跳頻/跳時、感知輔助安全防護和鏈路信道/功率自適應(yīng)等智能抗干擾趨勢發(fā)展[3-7]。

國內(nèi)傳統(tǒng)無人機測控系統(tǒng)的抗干擾性能主要依靠物理層波形抗干擾設(shè)計和定向天線的空間濾波性能實現(xiàn)，綜合抗干擾能力有限。在頻譜資源的使用方面，主要依靠任務(wù)前規(guī)劃和任務(wù)中人工手動調(diào)整的頻譜管理策略，幾乎沒有頻譜資源管理層面的干擾對抗措施，難以滿足未來信息化聯(lián)合應(yīng)用的需求。

為提高無人機測控系統(tǒng)在復雜電磁環(huán)境和多站多機同空域工作時的生存能力，本文提出了一種基于認知無線電的干擾感知與頻譜資源管理技術(shù)，通過在接收端從能域、時域、頻域、空域?qū)Ω蓴_信號進行自動感知和識別，為系統(tǒng)提供全頻帶干擾感知的結(jié)果，并結(jié)合抗干擾通信智能決策算法自適應(yīng)調(diào)整系統(tǒng)頻譜資源，實現(xiàn)系統(tǒng)在復雜電磁環(huán)境中的自適應(yīng)防護功能。

搭建干擾感知和頻譜資源管理系統(tǒng)無線測試平臺進行測試，結(jié)果表明本系統(tǒng)具備干擾感知和動態(tài)頻譜資源管理能力，當鏈路質(zhì)量較差時，能自適應(yīng)調(diào)整鏈路工作頻點和工作模式，并重新建立可靠通信鏈路。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

無人機測控系統(tǒng)中干擾感知與頻譜資源管理技術(shù)屬于智能抗干擾技術(shù)范疇之一，本系統(tǒng)除傳統(tǒng)無人機遙控遙測信息傳輸功能之外，還具有以下功能：全頻帶實時干擾快速檢測和識別；針對干擾感知結(jié)果和鏈路狀態(tài)信息，通過智能決策算法動態(tài)調(diào)整頻譜資源；基于動態(tài)頻譜管理技術(shù)的測控鏈路實時接入，實現(xiàn)信息的快速可靠傳輸。

智能抗干擾無人機測控系統(tǒng)底層協(xié)議棧結(jié)構(gòu)包括物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，如圖1所示，共同完成無人機測控系統(tǒng)干擾感知和動態(tài)頻譜資源管理功能。物理層資源基于硬件平臺，實現(xiàn)無線鏈路接入、物理傳輸波形、干擾感知算法等功能；數(shù)據(jù)鏈路層在實現(xiàn)傳統(tǒng)無人機測控業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上，新增抗干擾通信智能決策模塊，根據(jù)當前干擾檢測和識別結(jié)果，結(jié)合頻譜狀態(tài)和鏈路性能等指標，實時決策當前測控鏈路頻譜資源的管理策略，通過鏈路控制指令自適應(yīng)調(diào)整鏈路工作頻道和工作模式，測控終端在新的工作頻道和模式下完成收發(fā)雙方的信息可靠傳輸。

2 測控系統(tǒng)中干擾感知與頻譜資源管理技術(shù)

2.1 干擾感知技術(shù)

干擾感知包括對干擾信號的實時檢測和快速識別，即在鏈路全工作頻帶內(nèi)進行快速掃描，檢測出干擾信號，并識別干擾信號部分時域、頻域特征，用于數(shù)據(jù)鏈路層抗干擾通信智能決策。

干擾感知的核心內(nèi)容就是頻帶內(nèi)信號的功率譜估計，常用的譜估計算法有周期圖法、自相關(guān)法和Welch譜估計法?；赪elch算法的功率譜估計具有良好的頻域干擾檢測性能[8-9]。該算法的核心思想是對時域采樣數(shù)據(jù)進行分段加窗處理，求出每段數(shù)據(jù)的譜估計，然后再對所有分段數(shù)據(jù)做平滑處理。假設(shè)采樣數(shù)據(jù)長度為N，將該段數(shù)據(jù)平均分為L段，根據(jù)概率論知識可知，各段分段數(shù)據(jù)之間相互獨立，分段后的估計誤差為原來的1/L。

Welch算法的功率譜估計流程如圖2所示。

圖2 基于welch算法的功率譜估計框圖

將隨機信號序列y(n)平均分成L個數(shù)據(jù)段，每段有M個采樣點，對每個數(shù)據(jù)段的M個采樣點進行K點快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform,FFT)、平方、求均值后得到該數(shù)據(jù)段的周期圖：

(1)

式中：i=0,1,…,L-1；k=0,1,…,K-1;w(n)是數(shù)據(jù)窗函數(shù);U是數(shù)據(jù)窗的功率，記為

(2)

對L段數(shù)據(jù)做平滑處理，則隨機信號序列y(n)的功率譜

(3)

定義fR=fs/K頻率分辨率，fs為采樣頻率，信號的頻域能量表示為

(4)

式中：γf為算法最終的檢測統(tǒng)計量。

當干擾信號存在時，干擾信號所在的頻點位置與其他頻點相比，頻域能量將會比較大；沒有干擾信號時，頻域上能量將會比較平均，呈白噪聲特性。因此，可設(shè)定合適的比較門限，判決該頻點是否存在干擾信號。

2.2 頻譜資源管理技術(shù)

本無人機測控系統(tǒng)的上、下行鏈路均具有干擾感知與動態(tài)頻譜資源管理能力，當通信鏈路受到干擾時，系統(tǒng)將從“能、時、空、頻”多域?qū)Ω蓴_進行感知和評估，并實現(xiàn)頻帶內(nèi)干擾的快速檢測和識別，通過頻帶內(nèi)頻域能量判決和鏈路質(zhì)量進行智能決策，完成頻譜資源的動態(tài)管理，保證通信質(zhì)量。

2.2.1 感知候補頻道推薦策略

干擾感知終端對全頻帶信號頻域能量進行掃描，對當前使用頻道上的信號進行識別，并始終保持兩個推薦候補頻道，以便在鏈路通信質(zhì)量下降時執(zhí)行快速準確的動態(tài)頻譜管理?；诟兄蜓a頻道的推薦策略包含以下幾步：

(1)全頻段掃描確定當前信號使用頻道F0和候補頻道F1和F2；

(2)循環(huán)干擾感知，每隔500 ms對鏈路所有頻道進行識別和檢測，并重點關(guān)注F1和F2，若F1或F2感知結(jié)果顯示不再適合作為候補頻道，則掃描剩余頻段來重新發(fā)現(xiàn)合適的候補頻道；

(3)若F0頻道上鏈路質(zhì)量較差，則根據(jù)抗干擾通信智能決策算法自動切換至F1或F2；

(4)干擾感知終端重新對全頻帶進行掃描和干擾感知，并確定新的候補頻道F1和F2。

2.2.2 鏈路質(zhì)量判決策略

測控鏈路在工作過程中，當鏈路監(jiān)控軟件啟動干擾感知使能后，地面綜合控制軟件將對鏈路質(zhì)量和全頻帶信號進行監(jiān)測，當鏈路質(zhì)量出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)將啟動自適應(yīng)頻譜資源管理流程。鏈路質(zhì)量判決策略如圖3所示。

圖3 鏈路質(zhì)量判決策略圖

2.2.3 抗干擾通信智能決策算法

抗干擾通信智能決策算法是干擾感知和頻譜資源管理系統(tǒng)的核心，該算法的輸入輸出如圖4所示。智能決策的本質(zhì)就是根據(jù)干擾感知結(jié)果和鏈路通信質(zhì)量，在抗干擾容限和系統(tǒng)容量等約束條件下，依據(jù)決策準則(最小誤碼率、最小干信比等)，自適應(yīng)地調(diào)整系統(tǒng)頻譜資源，實現(xiàn)測控鏈路信息傳輸?shù)淖顑?yōu)化。

圖4 抗干擾通信智能決策策略圖

2.2.4 頻譜資源管理信息流程

以下行鏈路為例，下行鏈路地面綜合控制軟件實時收集地面干擾感知終端上報的全頻帶干擾感知結(jié)果和候補頻道信息，以及鏈路管理軟件上報的鏈路通信質(zhì)量信息，依據(jù)抗干擾通信智能決策算法的約束條件，對下行鏈路頻譜資源進行實時動態(tài)管理。

系統(tǒng)頻譜資源管理信息流程設(shè)計如圖5所示。

具體步驟如下：

Step1 系統(tǒng)加電初始化，地面綜合控制軟件讀取干擾感知使能配置。

Step2 若系統(tǒng)干擾感知使能，則啟用抗干擾通信智能決策模塊，否則該模塊停止工作。

Step3 根據(jù)鏈路質(zhì)量判決策略，對鏈路質(zhì)量進行監(jiān)測。若鏈路質(zhì)量正常，則不執(zhí)行任何操作；若鏈路質(zhì)量異常，則啟動抗干擾通信智能決策模塊，自適應(yīng)進行頻譜資源調(diào)整和系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整。

Step4 在連續(xù)3個上行發(fā)令周期中，發(fā)送“感知候補頻道和工作模式切換命令”。

Step5 機載綜合控制軟件根據(jù)“感知候補頻道和工作模式切換命令”自適應(yīng)調(diào)整機載終端工作參數(shù)，地面綜合控制軟件自適應(yīng)調(diào)整地面終端工作參數(shù)。

Step6 延時1 s后，判斷下行鏈路是否重新建立。若建立成功，則下行鏈路在新頻道和工作模式下進行工作，并繼續(xù)監(jiān)測鏈路質(zhì)量；若鏈路質(zhì)量較差或鏈路建立失敗，則執(zhí)行工作頻道和工作模式回退機制，系統(tǒng)下行鏈路在原工作頻道利用原工作模式重新建立鏈路進行通信。

Step7 清空鏈路質(zhì)量狀態(tài)信息，重新開始Step 2～6。

3 干擾感知與頻譜資源管理系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)組成

在傳統(tǒng)無人機測控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，上下行鏈路均增加了一條干擾感知通道，該通道前端信道部分與測控信道集成，并在后端單獨增加干擾感知終端。干擾感知終端與遙控、遙測和載荷信息傳輸?shù)臏y控終端獨立工作，可從多個維度評估系統(tǒng)工作頻帶內(nèi)的干擾水平，為上、下行鏈路提供全頻段干擾發(fā)現(xiàn)和識別。同時在原測控地面終端協(xié)議管控軟件內(nèi)增加抗干擾通信智能決策算法，用于對干擾信號的認知以及動態(tài)頻譜資源管理的實現(xiàn)。地面干擾感知終端和協(xié)議處理終端實物圖如圖6和圖7所示，工作原理如圖8所示。

圖6 干擾感知終端實物圖

圖7 地面協(xié)議處理終端實物圖

圖8 干擾感知和頻譜資源管理系統(tǒng)工作原理圖

干擾感知終端接收地面信道發(fā)過來的感知中頻信號，完成信號AGC控制、A/D采樣后，在FPGA芯片上完成工作頻帶內(nèi)的Welch算法的功率譜估計，將信號功率譜組幀并通過EMIF總線上報至DSP內(nèi)數(shù)據(jù)處理應(yīng)用軟件，該應(yīng)用軟件依據(jù)功率譜信息完成候補頻道選擇并實時上報至地面綜合控制軟件。

3.2 無線測試平臺

利用機載和地面鏈路設(shè)備搭建干擾感知和頻譜資源管理系統(tǒng)測試平臺，測試平臺工作原理如圖9所示。在傳統(tǒng)無人機測控通信鏈路的基礎(chǔ)上，增加一條干擾感知通道，干擾感知終端、地面測控終端和機載測控終端配合完成系統(tǒng)干擾感知和頻譜資源管理功能。干擾源采用安捷倫儀器有限公司生產(chǎn)的E4438C信號源，該信號源可產(chǎn)生15 MHz帶寬以下的窄帶噪聲信號，用于模擬測試平臺內(nèi)的無線窄帶干擾信號。

圖9 干擾感知和頻譜資源管理系統(tǒng)測試平臺

3.3 測試結(jié)果及分析

圖10給出了測控信號和干擾信號的Welch算法的功率譜估計圖，其中測控信號工作頻道F0為0頻道，帶內(nèi)功率約-30 dBm，測試平臺在測控信號工作頻帶內(nèi)引入窄帶單音干擾信號，干擾信號功率約為-18 dBm。

圖10 測控信號和干擾信號頻譜圖(切換前)

干擾感知終端完成測控信號和干擾信號的實時檢測和識別，并上報感知候補頻道，圖11表示干擾感知終端上報的感知候補頻道F1為39頻道。

圖11 抗干擾通信智能決策算法推薦頻點

地面測控終端對鏈路質(zhì)量狀態(tài)(包括鏈路信噪比、鎖定指示、在線誤碼率和丟幀率等)進行監(jiān)測，并實時將鏈路質(zhì)量判決結(jié)果上報至抗干擾通信智能決策處理模塊。由于鏈路工作頻帶內(nèi)，干擾信號比有效信號強12 dB左右，高于地面測控終端抗干擾容限，鏈路鎖定指示出現(xiàn)閃爍，且鏈路在線誤碼率和丟幀率將高于規(guī)定門限，待干擾感知自動切換使能開啟后，系統(tǒng)依據(jù)抗干擾通信智能決策處理結(jié)果，將系統(tǒng)工作頻道切換至39頻道，切換后測控信號和干擾信號的功率譜估計如圖12所示。測控鏈路重新建立后，下行鏈路在新的工作頻道不存在干擾信號(干擾信號依舊停留在原頻點)，測控系統(tǒng)將恢復至正常工作狀態(tài)。

圖12 測控信號和干擾信號頻譜圖(切換后)

調(diào)整測控信號工作頻道內(nèi)干擾信號強度，更新帶內(nèi)干信比，結(jié)合系統(tǒng)本身抗干擾容限和系統(tǒng)容量等指標，監(jiān)測鏈路通信質(zhì)量，并記錄全頻帶內(nèi)不同干信比下系統(tǒng)頻譜資源管理和系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整情況，如表1所示。

表1 全頻帶內(nèi)不同干信比下頻譜資源管理情況

4 結(jié)束語

本文提出的基于干擾感知和頻譜資源管理技術(shù)的無人機測控系統(tǒng)，將能量、時間、頻間和空間等域的干擾評估與對抗措施相結(jié)合，可從多個維度評估外界復雜電磁環(huán)境，為上/下行鏈路提供全頻帶干擾感知的能力，并實現(xiàn)頻帶內(nèi)頻譜資源動態(tài)管理，極大增強了無人機測控系統(tǒng)在敵方主動干擾和己方同類型設(shè)備無意干擾環(huán)境下的電子生存能力。干擾感知和頻譜資源管理系統(tǒng)是智能無人機測控網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，在未來無人機多站多機測控系統(tǒng)、蜂群集群測控系統(tǒng)和有人無人協(xié)同測控系統(tǒng)中具有重要的應(yīng)用價值。