王　濤　張明義　黃克明

(陸軍軍官學(xué)院　合肥　230031)

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多無人機系統(tǒng)頻率干擾問題研究*

王濤張明義黃克明

(陸軍軍官學(xué)院合肥230031)

摘要多無人機系統(tǒng)在同一地域同時使用，容易產(chǎn)生無線電頻率干擾。論文試圖通過對無人機數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的頻譜分析，尋找一種解決頻率干擾的方法以及頻率優(yōu)化設(shè)計的方法，合理地進行多無人機系統(tǒng)頻率規(guī)劃。

關(guān)鍵詞多無人機； 頻率干擾; 頻率規(guī)劃

Class NumberTN219

1引言

當(dāng)多無人機系統(tǒng)在同一個作戰(zhàn)區(qū)域或者相鄰區(qū)域同時展開工作時，一套無人機系統(tǒng)的射頻發(fā)射功率對另一套無人機系統(tǒng)的接收機來說，可以看作是干擾源，數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的工作頻率會產(chǎn)生互相干擾。無人機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)鏈接收機接收到其他無人機系統(tǒng)輻射的射頻功率大于其接收靈敏度時，該無人機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)鏈通信功能便會受到頻率干擾。反之，當(dāng)接收機接收到其他無人機系統(tǒng)射頻功率小于其接收靈敏度時，該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)鏈通信功能不會受到干擾，可以正常工作。為了避免數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)射頻干擾，多套無人機系統(tǒng)之間的工作頻率科學(xué)合理的進行頻率規(guī)劃，確保各系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的安全可靠。

2無人機數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)頻譜分析

無人機數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)頻譜分析的一般方法是：首先確定無人機典型應(yīng)用場景，其次根據(jù)典型應(yīng)用場景對無人機數(shù)據(jù)鏈路的通信覆蓋范圍、無線電信號的接收強度、鏈路系統(tǒng)裕量的計算等三個方面進行頻譜分析。

2.1典型應(yīng)用場景

無人機視距范圍內(nèi)的應(yīng)用場景主要可以分為以下四種：

場景一：在隔離空域的一個視距范圍內(nèi)有且僅有一個地面站對一架無人機的操作;

場景二：在隔離空域的同一個視距范圍內(nèi)存在多個地面站對多架無人機的操作;

場景三：在隔離空域的不同視距范圍內(nèi)多個地面站對一架無人機的接力操作;

場景四：在隔離空域的視距或超視距范圍內(nèi)一個地面站對多架無人機(空空接力模式)的操作。

2.2數(shù)據(jù)鏈路通信覆蓋范圍

飛行在一定高度的無人機具有一定的無線電視距覆蓋范圍。無人機的無線電視距通信覆蓋范圍與地球曲率、大氣折射、地面反射、氣候、地形等諸多因素有關(guān)。這既有學(xué)術(shù)理論問題，又有工程經(jīng)驗問題。目前國際上實用的無線電視距的計算方法有以下幾種。

1) 考慮了大氣折射(大氣折射因子K=4/3)的視線距離公式為

(1)

式中：h1、h2為天線高度，單位m;d0為視線距離，單位km。

2) 僅考慮地球曲率(大氣折射因子K=1)的視線距離公式為

(2)

3) 在考慮了大氣折射(大氣折射因子K=4/3)基礎(chǔ)上再翹高0.5°仰角。

按上述三種計算方法對應(yīng)不同天線高度的地-空鏈路無線電視距通信覆蓋范圍如表1所示(地面站天線高度按地平面計算)。由于實際無線電視距范圍與多種因素有關(guān)，所以其數(shù)值是在一個范圍內(nèi)變化的。目前一般認(rèn)為采用大氣折射因子K=1的視線距離比較合適。

表1　地-空鏈路的無線電視距通信范圍

2.3無線電信號接收強度(RSS)的計算：

無線電信號接收強度是指接收站設(shè)備接收到的無線信號的強度，計算公式如式(3)所示：

RSS=Pt+Gr+Gt-Lc-Lbf

(3)

其中，RSS為接收到的無線電信號強度(dB)，Pt為發(fā)射站的輻射功率(dB)，Gr為接收天線增益(dB)，Gt為發(fā)射天線增益(dB)，Lc為電纜和纜頭的損耗(dB)，Lbf為自由空間損耗(dB)。

假設(shè)某無人機數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)發(fā)射站與接收站兩站點相距15km，設(shè)備發(fā)射功率25dBm，發(fā)射天線增益為15dBi，接收天線增益為22dBi，電纜和纜頭損耗4dBi。則接收站接收到的無線電信號強度為

RSS1=25+15+22-4-124=-66dB

(4)

2.4數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)裕量(SFM)的計算

數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)裕量是指接收站設(shè)備實際接收到的無線電信號與接收站設(shè)備允許的最低接收閾值(接收站設(shè)備接收靈敏度)相比多出的富裕量數(shù)值(dB)。計算公式如式(5)所示。

SFM=RSS-Rs

(5)

其中，RSS為接收站接收到的無線電信號強度(dB)，Rs為接收站設(shè)備接收靈敏度(dBi)。

在上面的例子中，如果接收站設(shè)備接收靈敏度為-75dBi，則數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)裕量為

SFM1=RSS1-Rs=-66-(-75)=9dB

(6)

通過上面的例子分析計算可以說明，使用發(fā)射功率為25dBm的發(fā)射站設(shè)備，接收靈敏度為-75dBi的2.4GHz的無線網(wǎng)橋作為接收設(shè)備，加裝15dBi增益的發(fā)射天線和22dBi增益的接收天線，電纜和纜頭損耗為4dBi衰減值的情況下，在傳輸了15km后還有9dB的鏈路系統(tǒng)裕量，無線電數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)可以正常工作，能夠保證信號通信質(zhì)量。反之，如果接收到的信號是干擾信號，則無線電信號會對系統(tǒng)通信質(zhì)量造成干擾。

但是，無線電數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)以同樣的配置，在傳輸了50km之后，接收站接收到的無線電信號強度為

RSS2=25+15+22-4-134=-76dB

(7)

無線電數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)裕量為

SFM2=RSS2-Rs=-76-(-75)=-1dB

(8)

無線電數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)接收到的無線電信號低于接收設(shè)備靈敏度，無線電數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)已經(jīng)無法解調(diào)出有用信號，不能正常工作。反之，如果接收到的信號是干擾信號，則無線電信號不會對系統(tǒng)通信質(zhì)量造成干擾，可以忽略不計。

3多無人機系統(tǒng)頻率復(fù)用方式

多無人機系統(tǒng)在同一地域同時展開工作時，為盡量減少彼此之間的無線電干擾，工作頻率可以采用分組復(fù)用方式、不分組的動態(tài)復(fù)用方式兩種方法進行規(guī)劃使用。

3.1頻率分組復(fù)用方式

頻率分組復(fù)用方式是無線電通信系統(tǒng)比較常用的頻率復(fù)用方式，常采用3*3、4*3、5*3等頻率分組方式。表2所示為3*3頻率分組復(fù)用方式時的情況：工作頻率范圍1～9，共9個頻點，分為A1、A2、A3三組，每組三個載頻。

表2　頻率分組復(fù)用方式

在進行多無人機系統(tǒng)頻率配置的時候，以三架相鄰的無人機為例，多無人機系統(tǒng)有A1、A2、A3三組分組方案可選，A1、A2、A3每個頻率組包括三個載頻，三架無人機分別分配三個載頻中的一個，如果同一頻率組的復(fù)用距離合適，可以有效地避免多架無人機之間的同鄰頻干擾。頻率分組時載頻間隔的量度值需要根據(jù)無人機之間的距離、無線電數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的工作頻率、發(fā)射站的輻射功率等因素，通過計算數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)裕量值來確定。

3.2頻率動態(tài)復(fù)用方式

頻率動態(tài)復(fù)用方式不同于頻率分組復(fù)用的方式，它不將無人機系統(tǒng)的可用頻點進行分組，在進行頻率規(guī)劃的時候?qū)⑺械目捎妙l點列入考慮范圍，只從中選擇滿足一定要求的頻點作為某架無人機系統(tǒng)的工作頻率。這種頻率復(fù)用方法思路簡單，而且頻率利用率高，適合當(dāng)無人機載無線電頻率資源非常有限，分組復(fù)用方式無法完成的情況下進行頻率分配，理論上可以達(dá)到比較好的頻率規(guī)劃結(jié)果。動態(tài)的頻率復(fù)用方式可以根據(jù)頻率規(guī)劃中的最低頻率間隔要求對頻率進行分配，能夠達(dá)到最大的頻率復(fù)用系數(shù)。

當(dāng)無人機裝備投入使用越來越多的時候，尤其是多無人機系統(tǒng)在空中組網(wǎng)時，頻率動態(tài)復(fù)用方式是一種非常實用的頻率復(fù)用方式，但是動態(tài)頻率復(fù)用方式對各架無人機工作頻點進行選擇時計算量比較大，適合用計算機進行算法實現(xiàn)。

4多無人機系統(tǒng)頻率的優(yōu)化

隨著部隊裝備的無人機系統(tǒng)數(shù)量不斷增加，如何通過頻率優(yōu)化的方法對多無人機系統(tǒng)工作頻率進行合理規(guī)劃，是一個有待研究的問題。現(xiàn)有的遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等頻率優(yōu)化的方法，都不能很好地解決如何將不同的頻率復(fù)用方式與優(yōu)化方法結(jié)合起來的問題，同時優(yōu)化算法計算時間比較長。一種簡單有效的頻率優(yōu)化方法是利用遺傳算法的思想，同時與頻率規(guī)劃的實際應(yīng)用相結(jié)合，速度較快、便捷實用。

4.1頻率優(yōu)化的理論依據(jù)

遺傳算法的主要思想就是“優(yōu)勝劣汰”，將父代群體中性能好的個體遺傳下來，而將性能不好的個體淘汰，并重新產(chǎn)生新的個體進行補充，然后在子代中應(yīng)用同樣的原則，依次類推，直至產(chǎn)生比較滿意的結(jié)果。將這個思想應(yīng)用于多無人機系統(tǒng)頻率優(yōu)化中：對于已有的頻率規(guī)劃方案，將通信質(zhì)量較好的無人機頻率配置保留下來，而將待優(yōu)化的數(shù)據(jù)鏈通信質(zhì)量較差，受干擾較嚴(yán)重的無人機頻率配置刪除重新進行分配，獲得一組新的頻率配置，然后重新測試其通信質(zhì)量，按照相同思想依次類推，直至獲得比較滿意的頻率規(guī)劃結(jié)果。

4.2頻率優(yōu)化的流程

首先，需要根據(jù)多無人機系統(tǒng)的實際工作情況確定待優(yōu)化的無人機平臺，分析實測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)接收質(zhì)量較差、受無線電干擾嚴(yán)重的無人機，找到有可能由于頻率規(guī)劃不合理造成彼此之間相互干擾的無人機，將作為待優(yōu)化的無人機。在同一地域或者相鄰地域工作的多無人機系統(tǒng)中，很有可能只是由于其中某架無人機頻率的配置不合理造成了對其他無人機的頻率干擾，所以在進行頻率優(yōu)化的時候，應(yīng)該首先對個別無人機工作頻率進行優(yōu)化，通過改變個別無人機的頻點配置達(dá)到多機系統(tǒng)頻率規(guī)劃較好的效果。

其次，需要設(shè)定一些優(yōu)化參數(shù)，如：

1) 頻率的限制條件。在進行頻率優(yōu)化的時候，需要添加一些限制條件，包括僅選擇受干擾程度較大的無人機進行頻率優(yōu)化，或者對某些待優(yōu)化的可用頻點范圍進行限制。

2) 優(yōu)化次數(shù)的設(shè)定。優(yōu)化次數(shù)需要合理設(shè)定，如果選擇過多，會造成計算時間過長，如果優(yōu)化次數(shù)太少又會影響優(yōu)化效果。

4.3適應(yīng)度函數(shù)設(shè)計

遺傳算法主要根據(jù)適應(yīng)度大小來選擇優(yōu)化對象，因此科學(xué)地設(shè)計適應(yīng)度函數(shù)非常重要。設(shè)計適應(yīng)度函數(shù)的原則是：使無人機數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)接收到本系統(tǒng)發(fā)射站的信號強度盡可能大，接收其它無人機系統(tǒng)的無線電信號強度盡可能小。

對無人機A而言，應(yīng)使其接收站接收到本數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)發(fā)射站的信號盡可能大，接收到區(qū)域內(nèi)其它無人機數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)(除無人機A以外)的信號盡可能小。

無人機數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)射頻天線有全向和定向天線兩種，首先分析使用全向天線的情況。

為簡化問題，采用理想模型進行研究。根據(jù)無線電信號自由空間傳輸損耗公式，無人機平臺X發(fā)射的無線電信號到達(dá)無人機A處的信號強度為

P=10lg(1000WX)-32.5-20lg(f)-20lg(dXA)

(9)

其中，WX為無人機X的無線電信號發(fā)射功率(dB)，f為無人機的通信頻率(MHz)，dXA為兩架無人機間的距離(km)。

假設(shè)區(qū)域內(nèi)幾架無人機工作在同一頻率，則計算時只需考慮:

(10)

根據(jù)上述分析，對于無人機A，設(shè)計適應(yīng)度函數(shù)為

(11)

其中，WA為無人機A數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的發(fā)射功率，dAA為無人機A發(fā)射站與接收站之間的距離。

對工作在同一地域的多架無人機依次進行分析，得到總適應(yīng)度函數(shù)為

(12)

其中，F(xiàn)i為各架無人機數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的適應(yīng)度函數(shù)。

當(dāng)無人機數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)使用定向天線工作時，分析方法與使用全向天線相同。但是適應(yīng)度函數(shù)中的參數(shù)WX不是無人機數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的發(fā)射功率，而是無人機發(fā)射站朝某個方向輻射的功率，需要結(jié)合定向天線的增益、方向圖、天線的指向與無人機發(fā)射站接收站連線的夾角進行分析。

5結(jié)語

隨著無人機裝備越來越多地投入現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭，多無人機系統(tǒng)之間的頻率干擾問題日益突出。研究一種快捷實用的多無人機頻率規(guī)劃方法，以及多無人機頻率優(yōu)化的方法，對于指導(dǎo)部隊的作戰(zhàn)訓(xùn)練具有重要的實用價值。

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收稿日期：2016年1月10日,修回日期：2016年2月23日

基金項目：全軍軍事科研 “十二五”計劃課題(編號：14QJ004-072)資助。

作者簡介：王濤，男，博士研究生，講師，研究方向：無人機技術(shù)與作戰(zhàn)運用。張明義，男，副教授，研究方向：無人機技術(shù)與作戰(zhàn)運用。黃克明，男，講師，研究方向：無人機技術(shù)與應(yīng)用。

中圖分類號TN219

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.07.041

Frequency Interference of Multi-UAV System

WANG TaoZHANG MingyiHUANG Keming

(Army Officer Academy, Heifei230031)

AbstractIt’s easier to produce radio frequency interference when multi-UAV system is used under same time and same area. This paper analyzes the spectrum of UAV data link system attempts to find a solution of frequency interference and build a frequency optimum design method, aiming to resonably plan multi-UAV system frequency.

Key Wordsmulti-UAV, frequency interference, frequency planning