盛懷潔，廖明飛

(合肥電子工程學(xué)院，安徽合肥230037)

0 引言

無人機角跟蹤系統(tǒng)是無人機視距測控鏈路正常工作的關(guān)鍵系統(tǒng)，也是無人機測控系統(tǒng)抗干擾的薄弱環(huán)節(jié)。目前，往往將遙測遙控的抗干擾性能［1－5］等價為無人機測控系統(tǒng)的抗干擾性能，而忽略角跟蹤這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)。如何構(gòu)建無人機角跟蹤系統(tǒng)抗干擾性能指標(biāo)，準(zhǔn)確地衡量角跟蹤系統(tǒng)的抗干擾性，是無人機系統(tǒng)電子防護急需研究和解決的問題之一。

通過分析無人機角跟蹤系統(tǒng)的體制和干擾響應(yīng)，構(gòu)建了系統(tǒng)抗干擾性能指標(biāo)，提出了系統(tǒng)抗干擾性能分析方法，在無人機角跟蹤系統(tǒng)抗干擾性能分析方面做出了有益探索。

1 無人機角跟蹤系統(tǒng)體制與干擾響應(yīng)分析

根據(jù)角跟蹤系統(tǒng)在角誤差形成與提取方式上的不同，目前常用無人機角跟蹤體制為相位干涉儀和單脈沖 2 種［6，7］。

相位干涉儀體制［7］自跟蹤接收系統(tǒng)的工作過程是:利用分開一定距離的成對天線，接收飛行器的下行信號，通過處理提取2路信號的高頻相位差，得到與目標(biāo)偏離天線等信號軸的量值和方向有關(guān)的誤差電壓，再經(jīng)轉(zhuǎn)換后控制伺服，驅(qū)動天線始終自動對準(zhǔn)目標(biāo)。

單脈沖體制［7］自跟蹤接收系統(tǒng)的工作過程是:利用波束部分重疊的成對波束或空間分立的兩平行波束接收飛行器下行信號，通過提取和比較兩波束形成的信號振幅關(guān)系或相位關(guān)系，得到與目標(biāo)偏離天線等信號軸的量值和方向有關(guān)的誤差電壓，以此電壓適當(dāng)變換得到伺服系統(tǒng)的控制電壓，控制伺服使天線自動對準(zhǔn)目標(biāo)。與相位干涉儀角跟蹤系統(tǒng)相比，單通道的單脈沖系統(tǒng)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成上相對簡單，這也是單通道的單脈沖系統(tǒng)在當(dāng)前無人機角跟蹤系統(tǒng)中得到大量運用的重要原因。

無人機角跟蹤系統(tǒng)的相位干涉儀體制和單脈沖體制均屬于“同時波瓣”原理測角跟蹤的范疇，2種體制的跟蹤測角均是幾乎同時接收兩信號，通過比較而得出角誤差，理論上獲得角誤差信息的時間可以很短?！巴瑫r波瓣”原理決定:干擾進入系統(tǒng)后，可以和跟蹤信號一樣，經(jīng)天線接收后形成與干擾源方向有關(guān)的偏角信息，而角跟蹤系統(tǒng)不具有識別此偏角信息的能力。因此，分析干擾對無人機角跟蹤系統(tǒng)的影響時，不能僅僅將干擾的效果視為對跟蹤誤差提取過程信噪比的降低［8，9］。定性分析可知，利用了“同時波瓣”原理的無人機角跟蹤系統(tǒng)，對干擾的響應(yīng)可分為2種:

①干擾與跟蹤信號同時進入角跟蹤系統(tǒng)，在系統(tǒng)提取角誤差前，干擾信號相對于天線指向的偏角信息沒有畸變，經(jīng)過跟蹤接收機提取的誤差電壓同時包含跟蹤信號和干擾信號的偏角信息，誤差電壓所對應(yīng)的偏角為兩者偏角信息與各自功率的加權(quán)合成，干擾使系統(tǒng)對合成信號方向形成穩(wěn)定跟蹤，干擾效果是使角跟蹤系統(tǒng)的跟蹤指向背離，此時的干擾可定義為對無人機角跟蹤系統(tǒng)的誘偏干擾;

②干擾與跟蹤信號同時進入系統(tǒng)，在系統(tǒng)提取角誤差前，干擾信號相對于天線指向的偏角信息發(fā)生畸變，經(jīng)過跟蹤接收機提取的誤差電壓在均值上僅與跟蹤信號偏角信息有關(guān)，方差與干信比有關(guān)，此時的輸出誤差電壓控制伺服系統(tǒng)，將引起天線跟蹤角度的抖動，干擾對無人機角跟蹤系統(tǒng)的干擾效果是使角跟蹤系統(tǒng)的跟蹤精度下降，此時的干擾可定義為對無人機角跟蹤系統(tǒng)的抖動干擾。

據(jù)上所述，認(rèn)為干擾信號在角跟蹤系統(tǒng)處理過程中能否保持其偏角信息是干擾響應(yīng)類型的判定條件。當(dāng)干擾信號經(jīng)過角跟蹤系統(tǒng)的處理保持了其偏角信息時，為誘偏干擾;反之，為抖動干擾。系統(tǒng)抗干擾性能指標(biāo)的構(gòu)建可以以干擾響應(yīng)的分類為依據(jù)，建立適應(yīng)性指標(biāo)，以達到準(zhǔn)確分析、全面衡量系統(tǒng)抗干擾性能的目的。

2 無人機角跟蹤系統(tǒng)抗干擾性能構(gòu)建

從對無人機角跟蹤系統(tǒng)干擾響應(yīng)的分析可知，誘偏干擾和抖動干擾這2種干擾響應(yīng)在形成機理上存在差異，難以用1個或多個通用指標(biāo)衡量其抗干擾性能。針對不同干擾響應(yīng)，分別建立了內(nèi)部噪聲信噪比處理增益GN、誘偏干擾功率壓制系數(shù)Ka、抖動干擾功率壓制系數(shù)Kj和抖動干擾信噪比處理增益KG4個抗干擾性能指標(biāo)，用于衡量無人機角跟蹤系統(tǒng)固有抗干擾特性［10］以及系統(tǒng)在2種干擾響應(yīng)類型下的抗干擾性能［11］。

2.1 內(nèi)部噪聲信噪比處理增益GN

如果將無人機角跟蹤系統(tǒng)的內(nèi)部噪聲等效為其一中頻輸入端的一個噪聲項，則系統(tǒng)鑒相器輸入端的信噪比將與系統(tǒng)一中頻輸入端信噪比、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成和信號處理方法相關(guān)。兩信噪比的比值可以一定程度地描述系統(tǒng)固有的抗干擾性能。

內(nèi)部噪聲信噪比處理增益GN的定義為:將無人機角跟蹤系統(tǒng)的內(nèi)部噪聲等效到其一中頻的輸入端時，系統(tǒng)誤差電壓鑒相輸入信噪比SNRo與一中頻信噪比SNRi1的比值。其表達式為:

式中，SNRi1為角跟蹤系統(tǒng)一中頻信噪比;SNRo為系統(tǒng)誤差電壓鑒相器輸入信噪比。

內(nèi)部噪聲信噪比處理增益GN的計算方法為:將系統(tǒng)的內(nèi)部噪聲等效至系統(tǒng)的一中頻，作為總噪聲項輸入系統(tǒng)，推導(dǎo)建立等效到一中頻的內(nèi)部噪聲與跟蹤信號同時經(jīng)過系統(tǒng)處理時，誤差電壓鑒相輸入信噪比SNRo與一中頻信噪比SNRi1和系統(tǒng)濾波帶寬等參數(shù)的關(guān)系模型，直接將兩信噪比相除即為系統(tǒng)的內(nèi)部噪聲信噪比處理增益GN。

內(nèi)部噪聲信噪比處理增益GN可以衡量不同角跟蹤系統(tǒng)的潛在抗干擾性能。GN值越大，說明系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和信號處理技術(shù)對跟蹤信號的篩選能力越好，對噪聲的抑制性能越強，當(dāng)外部干擾效果為形成大功率內(nèi)部噪聲時，系統(tǒng)更不易被該類型的干擾信號干擾，即要形成同樣干擾效果，該類型干擾信號對此系統(tǒng)付出的干擾功率比對其他系統(tǒng)要大，此系統(tǒng)的抗干擾性能更好。

2.2 誘偏干擾功率壓制系數(shù)Ka

當(dāng)干擾信號經(jīng)過角跟蹤系統(tǒng)處理后，仍然保持其相對跟蹤天線指向的偏角信息，跟蹤接收機輸出的誤差電壓所對應(yīng)的偏角方向為干擾信號與跟蹤信號兩者功率、偏角加權(quán)合成的等效合成信號的偏角方向，此時所形成的干擾稱為誘偏干擾。誘偏干擾形成時角跟蹤系統(tǒng)將視干擾信號為另一個跟蹤信號。

誘偏干擾功率壓制系數(shù)［12］Ka的定義為:使跟蹤天線指向與目標(biāo)方向產(chǎn)生給定的偏差ε0時，角跟蹤系統(tǒng)輸入干擾功率Pj與信號功率Ps的比值。其表達式為:

式中，θs為干擾進入系統(tǒng)時跟蹤天線指向與目標(biāo)方向夾角;θj為干擾進入系統(tǒng)時跟蹤天線指向與干擾方向夾角;θ0為指定的干擾進入方向與跟蹤天線指向的夾角;θs'為角跟蹤系統(tǒng)穩(wěn)定時跟蹤天線與目標(biāo)方向夾角;ε0為給定的跟蹤天線指向與目標(biāo)方向夾角。

式(2)的初始條件為:跟蹤天線指向與目標(biāo)方向夾角θs=0，且與干擾源方向夾角為θj=θ0。

誘偏干擾功率壓制系數(shù)Ka的計算方法為:建立干擾信號與跟蹤信號同時進入無人機角跟蹤系統(tǒng)時，系統(tǒng)輸出誤差電壓 UΔ與系統(tǒng)輸入干信比Pj/Ps、跟蹤天線指向與干擾信號方向的夾角以及跟蹤天線指向與跟蹤信號方向的夾角的多維關(guān)系模型。令最終誤差電壓UΔ=0，得到天線最終指向與干信比Pj/Ps的二維關(guān)系，取跟蹤天線最終指向與目標(biāo)的偏角的絕對值等于給定的跟蹤天線指向與目標(biāo)方向夾角ε0，此時的系統(tǒng)輸入干信比Pj/Ps即為系統(tǒng)對該干擾的誘偏干擾功率壓制系數(shù)Ka。

誘偏干擾功率壓制系數(shù)Ka可以衡量某一角跟蹤系統(tǒng)對不同誘偏干擾源的抗干擾性能，Ka值越大，說明對該系統(tǒng)產(chǎn)生同樣誘偏干擾效果所需的干擾功率越大，系統(tǒng)對該干擾的抗干擾能力越強;反之，系統(tǒng)對該干擾的抗干擾能力越弱。

同樣，誘偏干擾功率壓制系數(shù)Ka還可以衡量不同角跟蹤系統(tǒng)的抗干擾性能。干擾信號相同的條件下，Ka值越大，說明跟蹤信號功率相同時對該系統(tǒng)產(chǎn)生同樣誘偏干擾效果所需的干擾功率越大，該系統(tǒng)的抗干擾能力越強;反之，該系統(tǒng)的抗干擾能力越弱。

2.3 抖動干擾功率壓制系數(shù)Kj

當(dāng)干擾信號經(jīng)過角跟蹤系統(tǒng)處理，其相對跟蹤天線指向的偏角信息發(fā)生畸變，跟蹤接收機輸出的誤差電壓在一定范圍波動，輸出誤差電壓的均值對應(yīng)跟蹤信號相對跟蹤天線指向，方差對應(yīng)與系統(tǒng)輸入干信比和干擾偏角有關(guān)，此時所形成的干擾稱為抖動干擾。抖動干擾形成時角跟蹤系統(tǒng)將視干擾信號為內(nèi)部噪聲。

抖動干擾功率壓制系數(shù)［12］Kj的定義為:使角跟蹤系統(tǒng)達到給定跟蹤精度ξ0時，系統(tǒng)輸入干擾功率Pj與信號功率Ps的比值。其表達式為:

式中，θs為干擾進入系統(tǒng)時跟蹤天線指向與目標(biāo)方向夾角;θj為干擾進入系統(tǒng)時跟蹤天線指向與干擾方向夾角;θ0為指定的干擾進入方向與跟蹤天線指向夾角;σ為受干擾后角跟蹤系統(tǒng)的跟蹤精度;ξ0為給定的角跟蹤系統(tǒng)跟蹤精度。

式(3)的初始條件為:跟蹤天線指向與目標(biāo)方向夾角θs=0，且與干擾源方向夾角為θj=θ0。

抖動干擾功率壓制系數(shù)Kj的計算方法為:建立干擾信號與跟蹤信號同時進入無人機角跟蹤系統(tǒng)時，系統(tǒng)最終跟蹤精度σ與系統(tǒng)輸入干信比Pj/Ps、系統(tǒng)的濾波特性和伺服系統(tǒng)參數(shù)等的關(guān)系模型。取跟蹤精度σ達到給定值ξ0，此時的系統(tǒng)輸入干信比Pj/Ps即為系統(tǒng)對該干擾的壓制系數(shù)Kj。

抖動干擾功率壓制系數(shù)Kj可以衡量某一角跟蹤系統(tǒng)對不同抖動干擾源的抗干擾性能，Kj值越大，說明對該系統(tǒng)產(chǎn)生同樣抖動干擾效果所需的干擾功率越大，系統(tǒng)對該干擾的抗干擾能力越強;反之，系統(tǒng)對該干擾的抗干擾能力越弱。

同樣，抖動干擾功率壓制系數(shù)Kj還可以衡量不同角跟蹤系統(tǒng)的抗干擾性能。干擾信號相同的條件下，Kj值越大，說明跟蹤信號功率相同時對該系統(tǒng)產(chǎn)生同樣抖動干擾效果所需的干擾功率越大，該系統(tǒng)的抗干擾能力越強;反之，該系統(tǒng)的抗干擾能力越弱。

2.4 抖動干擾信噪比處理增益KG

此指標(biāo)為抖動干擾功率壓制系數(shù)Kj的簡化。在伺服系統(tǒng)參數(shù)固定的條件下，當(dāng)角跟蹤系統(tǒng)誤差電壓鑒相器的輸入信噪比小于內(nèi)部噪聲所對應(yīng)的信噪比時，跟蹤精度與誤差電壓鑒相器輸入信噪比成正比關(guān)系。所以，只要推導(dǎo)系統(tǒng)輸入信噪比(信干比)與誤差電壓鑒相器的鑒相輸入信噪比的關(guān)系，即可描述此種抖動干擾效果的系統(tǒng)抗干擾性能。

抖動干擾信噪比處理增益KG的定義為:無人機角跟蹤系統(tǒng)誤差電壓鑒相輸入信噪比SNRo與系統(tǒng)輸入信噪比SNRi的比值:

式中，θs為干擾進入系統(tǒng)時跟蹤天線指向與目標(biāo)方向夾角;θj為干擾進入系統(tǒng)時跟蹤天線指向與干擾方向夾角;θ0為指定的干擾進入方向與跟蹤天線指向夾角;SNRi為角跟蹤系統(tǒng)輸入信噪比(信干比);SNRo為系統(tǒng)誤差電壓鑒相器輸入信噪比。

式(4)的初始條件為:跟蹤天線指向與目標(biāo)方向夾角θs=0，且與干擾源方向夾角為θj=θ0。

抖動干擾信噪比處理增益KG的計算方法為:建立干擾信號與跟蹤信號同時進入系統(tǒng)時的誤差電壓鑒相輸入信噪比SNRo與系統(tǒng)輸入信噪比SNRi和系統(tǒng)濾波帶寬等參數(shù)的關(guān)系模型，直接將兩信噪比相除即為系統(tǒng)對該干擾的抖動干擾信噪比處理增益KG。

抖動干擾信噪比處理增益KG可以衡量某一角跟蹤系統(tǒng)對不同抖動干擾源的抗干擾性能，KG值越大，說明對該系統(tǒng)產(chǎn)生同樣抖動干擾效果所需的干擾功率越大，系統(tǒng)對該干擾的抗干擾能力越強;反之，系統(tǒng)對該干擾的抗干擾能力越弱。

同樣，抖動干擾信噪比處理增益KG還可以衡量不同角跟蹤系統(tǒng)的抗干擾性能。在干擾信號相同的條件下，KG值越大，說明跟蹤信號功率相同時對該系統(tǒng)產(chǎn)生同樣抖動干擾效果所需的干擾功率越大，該系統(tǒng)的抗干擾能力越強;反之，該系統(tǒng)的抗干擾能力越弱。因為此指標(biāo)的建立沒有將伺服系統(tǒng)包括其中，則此衡量的前提條件為各角跟蹤系統(tǒng)的伺服系統(tǒng)性能相同。

上述指標(biāo)的建立，為無人機角跟蹤系統(tǒng)抗干擾性能的衡量提供了量化標(biāo)準(zhǔn)。

3 無人機角跟蹤系統(tǒng)抗干擾性能分析方法

分析無人機角跟蹤系統(tǒng)的抗干擾性能，首先構(gòu)建角跟蹤系統(tǒng)模型。不同體制下不同跟蹤信號所對應(yīng)的角跟蹤系統(tǒng)模型包括:相位干涉儀窄帶信號角跟蹤系統(tǒng)模型、相位干涉儀寬帶信號角跟蹤系統(tǒng)模型以及單脈沖窄帶信號角跟蹤系統(tǒng)模型、單脈沖寬帶信號角跟蹤系統(tǒng)模型和單脈沖擴頻信號角跟蹤系統(tǒng)模型。對每一個系統(tǒng)，遵行下面的分析流程，如圖1所示。

圖1 無人機角跟蹤系統(tǒng)抗干擾性能分析流程

天線抗干擾特性。主要分析跟蹤天線的空域特性和頻率特性，說明裝配該天線的無人機角跟蹤系統(tǒng)在天線接收部分對干擾所具備的抗干擾性能。用天線的方向圖函數(shù)F(θ)定量表示系統(tǒng)天線的抗干擾性能。天線抗干擾特性的分析，也是分析各類干擾進入角跟蹤系統(tǒng)時系統(tǒng)抗干擾性能的重要組成部分。

潛在抗干擾性能。系統(tǒng)對內(nèi)部噪聲的處理增益，體現(xiàn)系統(tǒng)潛在的抗干擾性能。系統(tǒng)對內(nèi)部噪聲的處理增益越高，則系統(tǒng)的跟蹤接收靈敏度越高，系統(tǒng)潛在的抗干擾性能也越強。無人機角跟蹤系統(tǒng)的內(nèi)部噪聲信噪比處理增益GN，是獨立于各類干擾形式的重要的抗干擾性能組成部分。將內(nèi)部噪聲信噪比處理增益的指標(biāo)值定義為系統(tǒng)的抗內(nèi)部噪聲性能。當(dāng)干擾對無人機角跟蹤系統(tǒng)的干擾效果為抖動干擾時，系統(tǒng)對干擾的抗干擾性能分析可以直接利用系統(tǒng)對內(nèi)部噪聲信噪比處理增益的結(jié)論。

對各類干擾信號的抗干擾性能。選擇噪聲調(diào)頻干擾和噪聲調(diào)幅干擾為典型的干擾樣式，針對各個角跟蹤系統(tǒng)，理論推導(dǎo)系統(tǒng)對干擾信號和跟蹤信號的處理過程，確定具體干擾對系統(tǒng)的干擾效果——誘偏干擾和抖動干擾。然后根據(jù)分析得出的2類干擾效果，分別選取對應(yīng)的抗干擾性能指標(biāo)。對于誘偏干擾，選取式(2)所確定的誘偏干擾功率壓制系數(shù)Ka;對于抖動干擾，選取式(3)所確定的抖動干擾功率壓制系數(shù)Kj。當(dāng)系統(tǒng)的伺服參數(shù)系統(tǒng)條件下或者當(dāng)衡量同一角跟蹤系統(tǒng)的抗干擾性能時，也可直接選取式(4)所確定的抖動干擾信噪比處理增益KG。通過指標(biāo)的計算，最終定量分析無人機角跟蹤系統(tǒng)的抗干擾性能，并將系統(tǒng)對噪聲調(diào)頻干擾和噪聲調(diào)幅干擾的抗干擾性能拓展為系統(tǒng)抗寬帶干擾和抗窄帶干擾的性能。

通過以上步驟，得到系統(tǒng)的天線抗干擾特性、抗內(nèi)部噪聲性能、抗寬帶干擾性能和抗窄帶干擾性能，就可以比較完整地描述無人機角跟蹤系統(tǒng)所具有的抗干擾性能。

4 結(jié)束語

在分析無人機角跟蹤系統(tǒng)的體制以及系統(tǒng)對干擾的干擾響應(yīng)基礎(chǔ)上，構(gòu)建了用于定量衡量無人機角跟蹤系統(tǒng)固有抗干擾性能、特定干擾樣式下抗干擾性能的4項抗干擾性能指標(biāo):內(nèi)部噪聲信噪比處理增益、誘偏干擾功率壓制系數(shù)、抖動干擾功率壓制系數(shù)和抖動干擾信噪比處理增益，并提出了一種分析無人機角跟蹤系統(tǒng)抗干擾性能的方法，對無人機測控系統(tǒng)抗干擾性能的分析具有一定的價值。將指標(biāo)進行綜合分析以研究系統(tǒng)整體抗干擾性能則是繼續(xù)討論和研究的問題。

［1］ 胡 軍，都基焱，劉文清．多無人機控制與定位系統(tǒng)的研究［J］．航空科學(xué)技術(shù)，2004(3):29－32．

［2］ 張 旭，吳 潛．?dāng)U頻測控系統(tǒng)的抗干擾能力分析［J］．電訊技術(shù)，2011，51(5):24 －27．

［3］ 馬傳焱．無人機測控系統(tǒng)抗干擾技術(shù)與應(yīng)用分析［J］．飛航導(dǎo)彈，2006(11):9－11．

［4］ 祁棟升，陳自力，白勇博，等．無人機數(shù)據(jù)鏈中Turbo碼研究與 FPGA 實現(xiàn)［J］．無線電工程，2010，40(12):51－57．

［5］ 丁 丹，劉茂國．一種高效抗干擾無人機測控鏈路的實現(xiàn)［J］．電訊技術(shù)，2009，49(6):41－44．

［6］ 祝小平．無人機設(shè)計手冊(下冊)［M］．北京:國防工業(yè)出版社，2007:531－537．

［7］ 韓敬杰．無人飛行器跟蹤測角體制研究［J］．無線電工程，2006，36(4):35 －36．

［8］ 張建偉，黃樹彩，韓朝超，等．壓制性干擾對反導(dǎo)導(dǎo)彈末制導(dǎo)精度的影響［J］．現(xiàn)代防御技術(shù)，2010，38(3):35－38．

［9］ 王冰潔，錢建軍，趙 彤，等．混沌激光雷達抗干擾性能分析［J］．中國激光，2011，38(5):1 －6．

［10］周新剛，趙惠昌，張淑寧，等．典型近炸引信固有抗干擾性能測度理論和仿真［J］．系統(tǒng)仿真學(xué)報，2010，22(6):1 454－1 456．

［11］孫鳳榮，冷東方，崔永久．搜索雷達抗有源噪聲干擾效果定量評估方法［J］．航天電子對抗，2000(3):20 －23．

［12］羅景青．雷達對抗原理［M］．北京:解放軍出版社，2003:284－292．