張冬曉，陳亞洲，程二威，許彤

(陸軍工程大學(xué) 石家莊校區(qū) 電磁環(huán)境效應(yīng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北，石家莊 050003)

近年來，無人機(jī)的迅猛發(fā)展帶動(dòng)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級(jí)，其廣泛應(yīng)用于航空測(cè)繪、海岸巡防、環(huán)境監(jiān)測(cè)、中繼通信和國(guó)防建設(shè)等領(lǐng)域，大大降低了人力成本、提高了作業(yè)效率，此類工業(yè)級(jí)無人機(jī)通常采用固定翼中型或大型無人機(jī)平臺(tái)，具有飛行距離遠(yuǎn)、升限高、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)[1-2]. 無人機(jī)接收地面控制站通過上行數(shù)據(jù)鏈發(fā)送的控制指令，并利用下行數(shù)據(jù)鏈反饋當(dāng)前的飛行狀態(tài)和任務(wù)進(jìn)程，因此無人機(jī)嚴(yán)重依賴數(shù)據(jù)鏈實(shí)現(xiàn)多樣化的應(yīng)用場(chǎng)景. 隨著用頻設(shè)備增加和發(fā)射機(jī)功率增強(qiáng)，空間電磁環(huán)境變得日趨復(fù)雜，對(duì)無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈構(gòu)成了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[3-5]. 由于工業(yè)級(jí)無人機(jī)成本高，通信中斷帶來的潛在安全風(fēng)險(xiǎn)代價(jià)昂貴，因此有必要提高無人機(jī)在復(fù)雜電磁環(huán)境下的生存能力.

傳統(tǒng)無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈抗干擾方式主要從擴(kuò)頻和編碼角度實(shí)施，但是抗干擾性能提升空間有限、技術(shù)瓶頸高，以跳頻通信為例，雖然跳頻圖譜具有靈活多變的隨機(jī)特性，但由于缺乏自主感知能力，會(huì)導(dǎo)致工作頻率陷入寬帶干擾區(qū)間，影響數(shù)據(jù)鏈正常工作；此外，傳統(tǒng)功率控制手段主要通過選擇功率檔位來降低電磁干擾對(duì)數(shù)據(jù)鏈碼間串?dāng)_的影響，該方法過度依賴經(jīng)驗(yàn)積累，且可調(diào)性較差[6]. 因此，本文提出了一種基于電磁環(huán)境感知的無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈抗干擾新方法，建立了電磁干擾自適應(yīng)專家系統(tǒng)，通過感知外界電磁環(huán)境威脅，利用機(jī)器學(xué)習(xí)方法有效預(yù)測(cè)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)鏈的電磁干擾效應(yīng)閾值，判別電磁干擾等級(jí)，綜合利用技戰(zhàn)術(shù)措施，提高無人機(jī)的自主抗干擾水平.

1 無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈電磁干擾感知與評(píng)估

無人機(jī)能夠主動(dòng)感知周圍空間的電磁環(huán)境威脅是開展數(shù)據(jù)鏈電磁干擾預(yù)測(cè)及實(shí)施自適應(yīng)抗干擾措施的前提和依據(jù)，通過識(shí)別外界電磁干擾頻率和信號(hào)強(qiáng)度，評(píng)估監(jiān)測(cè)頻段的頻譜純凈度并判定電磁干擾對(duì)無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈構(gòu)成的威脅等級(jí)，建立電磁干擾專家系統(tǒng)，如圖1所示.

圖1中，無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈電磁干擾自適應(yīng)專家系統(tǒng)主要包含3部分：①由功分器、監(jiān)測(cè)平臺(tái)和存儲(chǔ)器組成的分系統(tǒng)，用于電磁干擾主動(dòng)感知；②訓(xùn)練預(yù)測(cè)分系統(tǒng)，用于動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)鏈電磁干擾閾值預(yù)測(cè)；③自適應(yīng)響應(yīng)分系統(tǒng)，用于電磁干擾等級(jí)判決和自適應(yīng)行為動(dòng)作.

1.1 電磁干擾主動(dòng)感知

無人機(jī)飛行過程中，由于缺乏電磁環(huán)境感知能力，容易陷入強(qiáng)電磁干擾區(qū)域. 對(duì)于中型固定翼無人機(jī)，整機(jī)電磁防護(hù)能力相對(duì)較高，一般不會(huì)通過后門耦合引入電磁干擾，“前門”是影響無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈正常工作的主要耦合路徑. 若干擾頻率落在前門選擇頻段內(nèi)，外界電磁干擾能夠順利進(jìn)入射頻接收機(jī)，壓制工作信號(hào)，影響數(shù)據(jù)鏈正常通信需求. 因此，為無人機(jī)增加頻譜“感官”，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)電磁威脅以便迅速作出響應(yīng)措施.

在無人機(jī)平臺(tái)上加裝獨(dú)立的電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備，包括天線、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和傳輸鏈路，不僅會(huì)增加無人機(jī)的載荷，而且容易破壞整機(jī)電磁兼容性和機(jī)身氣動(dòng)特性，因此，探索使用機(jī)載天線和無人機(jī)遙測(cè)鏈路實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)頻段監(jiān)測(cè)和測(cè)量信息回傳成為最佳解決方案. 機(jī)載天線暴露在電磁環(huán)境中，干擾信號(hào)經(jīng)過天線的空間濾波作用后，仍能隨工作信號(hào)進(jìn)入射頻前端，該信號(hào)成為影響數(shù)據(jù)鏈正常工作的潛在威脅，因此，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)天線選頻作用后的電磁干擾信號(hào)，能夠?yàn)閿?shù)據(jù)鏈電磁干擾閾值預(yù)測(cè)提供數(shù)據(jù)支撐. 對(duì)于任務(wù)載荷信息傳輸需求較高的無人機(jī)，通常采用頻分工作模式，雙工器保證上行和下行數(shù)據(jù)鏈同時(shí)工作，其天線公共端不僅接收遙控信號(hào)而且發(fā)射遙測(cè)信號(hào)，為了避免發(fā)射信號(hào)對(duì)接收信號(hào)測(cè)量精度的影響，監(jiān)測(cè)信號(hào)提取位置應(yīng)該選擇雙工器輸出端口. 為了提取和測(cè)量機(jī)載天線接收信號(hào)，額外增加功分器雖然會(huì)影響數(shù)據(jù)鏈接收機(jī)靈敏度，但由于無人機(jī)一般飛行在穩(wěn)定的數(shù)據(jù)鏈工作狀態(tài)下，其飛行半徑余量較大，因此不會(huì)影響無人機(jī)的常規(guī)飛行任務(wù). 電磁干擾監(jiān)測(cè)信息作為載荷信息，能夠通過下行遙測(cè)鏈路實(shí)現(xiàn)回傳功能；此外，該信息一方面必須作為輸入?yún)?shù)發(fā)送至訓(xùn)練預(yù)測(cè)分系統(tǒng)，便于數(shù)據(jù)鏈開展電磁干擾預(yù)測(cè)，另一方面有必要離線存儲(chǔ)作為備份數(shù)據(jù)，便于后期開展數(shù)據(jù)恢復(fù)和分析.

監(jiān)測(cè)平臺(tái)具備識(shí)別和提取信號(hào)特征參量的功能，雖然接收信號(hào)同時(shí)包括干擾信號(hào)和工作信號(hào)，但由于工作頻道確定，因此監(jiān)測(cè)平臺(tái)能夠區(qū)分出干擾信號(hào). 測(cè)得的干擾信號(hào)強(qiáng)度與天線實(shí)際接收的干擾信號(hào)并不完全一致，而是經(jīng)過雙工器濾波抑制后得到的特征參量. 由于干擾頻率偏離雙工器的通頻帶越遠(yuǎn)，信號(hào)被抑制的程度越高，因此應(yīng)該根據(jù)雙工器的選頻特性恢復(fù)天線接收的原始信號(hào)特征參量. 此外，該監(jiān)測(cè)平臺(tái)要求的監(jiān)測(cè)頻段、靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍根據(jù)無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈電磁環(huán)境效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果確定[7].

1.2 基于相關(guān)向量機(jī)回歸的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)鏈電磁干擾效應(yīng)閾值預(yù)測(cè)

無人機(jī)飛行過程中，數(shù)據(jù)鏈工作信號(hào)動(dòng)態(tài)變化，通過機(jī)載電磁干擾環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠測(cè)得天線接收的工作信號(hào)和干擾信號(hào)特征參量，但是該干擾信號(hào)強(qiáng)度能否影響數(shù)據(jù)鏈正常工作并不確定. 無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)艿诫姶鸥蓴_后，隨著干擾信號(hào)強(qiáng)度增加，鏈路的穩(wěn)定性狀態(tài)逐漸惡化，開始出現(xiàn)信道誤碼，甚至發(fā)生失鎖效應(yīng)，即通信中斷. 前期試驗(yàn)結(jié)果表明，發(fā)生同頻干擾時(shí)，信道誤碼率的增大過程相對(duì)明顯，實(shí)際測(cè)量的可操作性較強(qiáng)，但隨著干擾頻率逐漸偏離工作頻點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)的誤碼率增大過程逐漸壓縮，導(dǎo)致實(shí)際測(cè)試時(shí)數(shù)據(jù)鏈直接由鎖定變?yōu)槭фi狀態(tài)，無法觀測(cè)任意誤碼變化階段，因此將失鎖作為電磁效應(yīng)判決條件，具有統(tǒng)一可衡量的特點(diǎn). 試驗(yàn)用數(shù)據(jù)鏈設(shè)備具有多個(gè)工作頻道，且頻道間隔10 MHz，設(shè)置數(shù)據(jù)鏈工作于1頻道，開展天線端口電磁干擾注入效應(yīng)試驗(yàn)，得到不同工作信號(hào)強(qiáng)度、干擾頻率偏離工作頻率條件下的失鎖效應(yīng)閾值，如圖2所示.

ti=y(xi;w)+εi,

(1)

式中:εi～N(0,σ2)為方差σ2的獨(dú)立高斯噪聲；w=[w0w1…wi]T為權(quán)向量；y(xi;w)為非線性函數(shù)，此外

(2)

式中K(x,xi)為核函數(shù)，由于模型不要求其為正定，所以核函數(shù)不需要滿足Mercer限制條件. 無人機(jī)上行數(shù)據(jù)鏈采用擴(kuò)頻調(diào)制工作方式，擴(kuò)頻后的工作信號(hào)帶寬為6 MHz，中心頻率為f0，帶內(nèi)噪聲功率Pn= -54 dBm. 根據(jù)RVR模型訓(xùn)練樣本要求，以工作信號(hào)信噪比(RSNs)、干擾頻率(fj)為訓(xùn)練樣本的輸入變量，數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)фi效應(yīng)敏感閾值與工作信號(hào)功率的比值(RISj)為訓(xùn)練結(jié)果，得到該訓(xùn)練模型預(yù)測(cè)結(jié)果，如圖3所示.

由圖3(a)可知，訓(xùn)練模型的95%置信區(qū)間相對(duì)較小，預(yù)測(cè)輸出值可信度較高，能夠反應(yīng)數(shù)據(jù)鏈不同工作狀態(tài)下電磁干擾閾值隨干擾頻率的變化趨勢(shì)；圖3(b)說明訓(xùn)練模型的預(yù)測(cè)結(jié)果與目標(biāo)值偏差較小，在±1 dB范圍內(nèi)，利用該訓(xùn)練模型可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)監(jiān)測(cè)頻段內(nèi)其它干擾頻率在數(shù)據(jù)鏈不同工作狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的失鎖效應(yīng)閾值.

1.3 無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈電磁干擾等級(jí)判決

根據(jù)無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈電磁效應(yīng)試驗(yàn)現(xiàn)象，將數(shù)據(jù)鏈狀態(tài)分別定義為鎖定、不穩(wěn)定、臨界失鎖和失鎖. 其中，鎖定表示數(shù)據(jù)鏈處于相對(duì)穩(wěn)定的工作狀態(tài)，不受外界電磁干擾影響；不穩(wěn)定表示數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)艿酵饨珉姶鸥蓴_影響后鏈路穩(wěn)定性變差，飛機(jī)狀態(tài)參量出現(xiàn)波動(dòng)；臨界失鎖表示數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)艿酵饨珉姶鸥蓴_影響后數(shù)據(jù)鏈不穩(wěn)定，飛機(jī)狀態(tài)參量波動(dòng)較大；失鎖表示數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)艿酵饨珉姶鸥蓴_影響后通信中斷，無人機(jī)失去控制.

無人機(jī)飛行過程中，機(jī)載電磁干擾環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量得到工作信號(hào)信噪比RSNs、干擾頻率fj、干擾信號(hào)信噪比RSNj，利用上節(jié)相關(guān)向量機(jī)訓(xùn)練模型，預(yù)測(cè)得到觀測(cè)輸入樣本{RSNs、fj}對(duì)應(yīng)的失鎖效應(yīng)干信比RISj，則失鎖效應(yīng)閾值Sj=PsRISj=PnRSNsRISj. 由于監(jiān)測(cè)到的干擾信號(hào)功率Pj=PnRSNj，對(duì)比該電磁干擾信號(hào)與模型預(yù)測(cè)結(jié)果，得到電磁干擾余量

Δ=Sj-Pj=Pn(RSNsRISj-RSNj)，

(3)

式中：若Δ≤0，此時(shí)數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)фi，無人機(jī)失去控制；若Δ>0，數(shù)據(jù)鏈可能處于臨界失鎖、不穩(wěn)定或者鎖定狀態(tài). 根據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)論得出，數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)艿酵l干擾時(shí)，隨著干擾信號(hào)強(qiáng)度增加，鏈路狀態(tài)的受擾變化過程相對(duì)完整和明顯，其中臨界失鎖狀態(tài)能夠維持在2 dB干擾信號(hào)強(qiáng)度變化范圍內(nèi)，而不穩(wěn)定狀態(tài)能夠持續(xù)4 dB，該變化余量完全滿足其他干擾頻率對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)軘_狀態(tài)預(yù)警范圍. 因此，若0<Δ<2，數(shù)據(jù)鏈定義為臨界失鎖狀態(tài)；若2≤Δ≤6，數(shù)據(jù)鏈定義為不穩(wěn)定狀態(tài)；此外，若Δ>6，數(shù)據(jù)鏈定義為鎖定狀態(tài). 以數(shù)據(jù)鏈工作于1頻道為例，工作信號(hào)信噪比為-26 dB，頻偏干擾對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)鏈狀態(tài)等級(jí)劃分如圖4所示.

由圖4可知，該數(shù)據(jù)鏈工作狀態(tài)下，帶內(nèi)干擾造成的失鎖效應(yīng)閾值最低，干擾頻率偏離該工作頻道中心頻率越遠(yuǎn)，其對(duì)應(yīng)的失鎖效應(yīng)閾值也越大. 根據(jù)電磁干擾等級(jí)劃分，將不穩(wěn)定和臨界失鎖狀態(tài)確定為預(yù)警區(qū)間. 若電磁干擾環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)某頻率電磁干擾{fj，Pj}，若f4=f0+4,P4=-61 dBm，此干擾信號(hào)與預(yù)警線相差2 dB余量，距離數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)фi仍有8 dB余量，不會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)鏈通信中斷. 此時(shí)，對(duì)于無人機(jī)來說，若外界干擾信號(hào)迅速增強(qiáng)，接收信號(hào)的干信比則相對(duì)變大，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)鏈狀態(tài)惡化. 為此，在預(yù)警區(qū)間基礎(chǔ)上，額外增加6 dB作為緩沖區(qū)，定義為相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)區(qū)，低于該安全線的電磁干擾信號(hào)不會(huì)對(duì)無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈產(chǎn)生任何影響.

無人機(jī)飛行過程中受到外界電磁輻射干擾，若干擾信號(hào)低于安全線，無需開展任何應(yīng)對(duì)措施，僅保持電磁干擾持續(xù)在線監(jiān)測(cè)即可；若干擾信號(hào)突破安全線且低于預(yù)警線，有必要對(duì)該信號(hào)進(jìn)行標(biāo)記，并密切監(jiān)測(cè)無人機(jī)飛行過程中該信號(hào)的變化趨勢(shì)；若干擾信號(hào)突破預(yù)警線，專家系統(tǒng)啟動(dòng)應(yīng)急響應(yīng)措施，執(zhí)行電磁干擾自適應(yīng)行為，如圖5所示.

圖5中，根據(jù)電磁干擾3要素，“遠(yuǎn)離干擾源、降低耦合效率、提高設(shè)備抗擾能力”成為減輕外界電磁干擾對(duì)無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈影響的主要指導(dǎo)原則，分別從技術(shù)角度和戰(zhàn)術(shù)角度開展數(shù)據(jù)鏈自適應(yīng)抗干擾行為.

2 無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈抗干擾技術(shù)實(shí)施方法

2.1 基于電磁干擾環(huán)境監(jiān)測(cè)的工作頻道切換

電磁頻譜管理是合理利用頻率資源、提高用頻設(shè)備電磁兼容性的有效手段. 對(duì)于無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈來說，其用頻范圍能夠達(dá)到50 MHz，通過設(shè)置多個(gè)工作頻道以實(shí)現(xiàn)多機(jī)協(xié)同控制的目的，而頻道間隔受信號(hào)帶寬影響，以工作信號(hào)帶寬6 MHz為例，頻道間隔10 MHz能夠避免發(fā)生信道互擾現(xiàn)象. 單機(jī)工作時(shí)，多頻道靈活切換成為提高數(shù)據(jù)鏈抗干擾能力的有效方式.

電磁干擾環(huán)境感知是實(shí)現(xiàn)頻譜管理的前提，監(jiān)測(cè)頻段由無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈電磁環(huán)境效應(yīng)試驗(yàn)確定. 假設(shè)監(jiān)測(cè)頻段覆蓋fd～fu，某時(shí)刻無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈工作在2頻道，此時(shí)監(jiān)測(cè)平臺(tái)測(cè)得頻率分別為f5和f6的干擾信號(hào)，如圖6所示.

圖6中，頻率為f5的干擾信號(hào)接近無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)фi的危險(xiǎn)線，此時(shí)有必要改變工作頻道使干擾頻率遠(yuǎn)離工作頻率，避免進(jìn)一步發(fā)生同頻或者鄰頻干擾，而頻道選擇必須堅(jiān)持純凈、遠(yuǎn)端、左優(yōu) 3原則.

① 純凈原則是指監(jiān)測(cè)平臺(tái)在期望的工作頻道范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)明顯的干擾信號(hào). 圖6中，監(jiān)測(cè)平臺(tái)測(cè)得的當(dāng)前工作頻道范圍內(nèi)存在危險(xiǎn)干擾信號(hào)，而3頻道范圍內(nèi)同樣存在超過危險(xiǎn)線的干擾信號(hào)，因此3頻道不能作為備選工作頻道. 除此之外，1頻道、4頻道和5頻道范圍內(nèi)都未發(fā)現(xiàn)明顯的電磁干擾信號(hào)，能夠作為備選切換頻道.

② 遠(yuǎn)端原則是指測(cè)得的干擾信號(hào)頻率盡量遠(yuǎn)離備選頻道的中心頻率. 由無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈電磁環(huán)境效應(yīng)試驗(yàn)規(guī)律可知，干擾頻率偏離工作頻道中心頻率越遠(yuǎn)，造成數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)фi的干擾信號(hào)功率也越大. 因此，如果測(cè)得的干擾信號(hào)隨著無人機(jī)持續(xù)飛行而迅速增大，那么5頻道為遠(yuǎn)離干擾頻率的最佳備選頻道.

③ 左優(yōu)原則是指滿足上述原則基礎(chǔ)上優(yōu)先選擇干擾頻率左側(cè)的備選頻道. 由信號(hào)傳播損耗原理可知，衰減量L(f)與工作頻率f的關(guān)系可以表示為L(zhǎng)(f)=20lgf，如果數(shù)據(jù)鏈備選頻道之間的頻率范圍跨度比較大，選擇低中心頻率的頻道能夠降低信號(hào)的空間傳播損耗，變相增加工作信號(hào)強(qiáng)度，提高無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的抗干擾能力.

2.2 基于遙測(cè)鏈路反饋的地面發(fā)射功率控制

由于監(jiān)測(cè)平臺(tái)測(cè)得的干擾信號(hào)特征參量{fj，Pj}已知，假設(shè)在此干擾作用下無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈狀態(tài)進(jìn)入預(yù)警區(qū)間，且空間頻譜純凈度差，頻道切換已經(jīng)不能滿足抗干擾需求. 為了降低頻率為fj的干擾信號(hào)對(duì)數(shù)據(jù)鏈的影響，必須適當(dāng)增加工作信號(hào)強(qiáng)度使機(jī)載數(shù)據(jù)鏈達(dá)到抗干擾的目的[9]. 利用相關(guān)向量機(jī)訓(xùn)練模型逆向求出Sj=Pj+6條件下的工作信號(hào)Ps，此時(shí)，

Pr=Ps=Pt+Gt-L+Gr，

(4)

式中：Pr為機(jī)載天線接收的工作信號(hào)功率；Pt為地面發(fā)射功率；Gt為地面發(fā)射天線在無人機(jī)方向上的發(fā)射增益；L為工作信號(hào)的空間傳播損耗；Gr為機(jī)載天線在地面發(fā)射方向的接收增益.

工作信號(hào)在真實(shí)空間傳播過程中會(huì)受到大氣不均勻性和地球表面不規(guī)則特征的影響，發(fā)生反射、折射、繞射和散射等現(xiàn)象，而弗里斯傳輸公式只適用于自由空間無線電信號(hào)傳播損耗的計(jì)算，因此必須采用具有隨機(jī)特性的無線電傳播模型. 由于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃痛_定性模型的應(yīng)用條件和場(chǎng)景不適用于無人機(jī)，因此采用半經(jīng)驗(yàn)半確定性的Longley-Rice模型開展工作信號(hào)衰減預(yù)測(cè)具有良好的適用性，該模型使用條件為：頻率范圍20～40 000 MHz，發(fā)射天線和接收天線高度0.5～3 000 m，飛行距離1～2 000 km，地形表面折射率250～400 Ns.

根據(jù)無線電傳播范圍，Longley-Rice模型的傳播損耗分為3類情況，即視距傳播、繞射傳播和散射傳播. 假設(shè)地面天線和機(jī)載天線高度分別為2.5 m和1 000 m，且同為垂直極化方式，上行數(shù)據(jù)鏈1頻道的中心頻率為1.6 GHz，無人機(jī)飛行地區(qū)為大陸性溫帶氣候條件，地形表面折射率為400 Ns. 利用Longley-Rice模型計(jì)算得出不同視距條件下工作信號(hào)的傳播損耗，如圖7所示.

由圖7可知，Longley-Rice模型計(jì)算得出的工作信號(hào)衰減量遠(yuǎn)大于自由空間傳播損耗，這是由于該模型不僅考慮了自由空間傳播損耗，還考慮了地表反射帶來的額外損耗. 此外，Longley-Rice模型傳播損耗曲線在120 km處出現(xiàn)拐點(diǎn)，由光滑曲線變得陡峭，該拐點(diǎn)是工作信號(hào)由視距傳輸過渡到超視距傳輸?shù)霓D(zhuǎn)折點(diǎn)，超視距傳輸模式下，空間繞射導(dǎo)致工作信號(hào)傳播損耗急劇增大. 根據(jù)無人機(jī)飛行距離，可以求出工作信號(hào)空間傳播損耗L，由式(4)得到地面發(fā)射功率

Pt=Ps+L-Gr-Gt.

(5)

無人機(jī)載數(shù)據(jù)鏈電磁干擾自適應(yīng)模塊做出地面發(fā)射功率控制決策后，利用下行遙測(cè)鏈路發(fā)送至地面控制站，根據(jù)式(5)，通過調(diào)節(jié)地面發(fā)射功率增加機(jī)載端接收的工作信號(hào)強(qiáng)度，在干擾條件不變的情況下，變相提高無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的抗干擾能力.

3 無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈抗干擾戰(zhàn)術(shù)實(shí)施方法

“前門”是無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)芨蓴_的主要耦合路徑，天線接收效率直接影響干擾信號(hào)和工作信號(hào)的大小，因此可以通過改變機(jī)載天線方向圖，增加工作信號(hào)接收效率，同時(shí)降低干擾信號(hào)接收效率，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈抗干擾的目的. 若地面站為全向天線，無人機(jī)裝載非全向天線，在無人機(jī)遭遇外界電磁輻射跟蹤干擾情況下，通過調(diào)節(jié)機(jī)載天線方向圖，將機(jī)載天線的零輻射方向?qū)?zhǔn)干擾信號(hào)來波方向，同時(shí)保證無人機(jī)與地面站正常通信，能夠達(dá)到降低干擾信號(hào)接收效率的目的，如圖8所示.

由圖8可知，無人機(jī)天線波束賦形是提高機(jī)載天線在工作信號(hào)方向接收增益并抑制干擾信號(hào)方向接收增益的有效方式. 隨著MIMO天線技術(shù)逐漸從二維拓展到三維空間，多天線和空分復(fù)用技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)天線復(fù)合方向圖的高精度成形與控制，因此，3D-MIMO天線技術(shù)是未來無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈抗干擾的理想方案，但合理統(tǒng)籌信息傳輸容量、整機(jī)電磁兼容性、載荷負(fù)擔(dān)和機(jī)身氣動(dòng)特性等問題有待繼續(xù)解決[10-11].

若無人機(jī)、地面站都為線狀天線，干擾源仍采用定向天線進(jìn)行跟蹤干擾，由于機(jī)載天線固定于機(jī)身上，天線的極化方向隨著無人機(jī)飛行姿態(tài)改變而變化，如圖9所示.

無人機(jī)飛行過程中，機(jī)載天線極化方向隨著機(jī)身姿態(tài)動(dòng)態(tài)變化，地面站天線位置相對(duì)固定，干擾源天線輻射方向隨著無人機(jī)運(yùn)動(dòng)而跟蹤變化[12]. 此時(shí)，通過改變無人機(jī)戰(zhàn)術(shù)飛行姿態(tài)、遠(yuǎn)離干擾源，能夠減小天線接收信號(hào)的干信比. 假設(shè)地面站位于坐標(biāo)原點(diǎn)，發(fā)射功率為1 W，天線增益為1.64 dB，上行數(shù)據(jù)鏈工作頻率為1.6 GHz；干擾源位于x軸，距離原點(diǎn)400 km，發(fā)射功率為10 W，定向天線增益為10 dB，干擾頻率為1.6 GHz；t0時(shí)刻，無人機(jī)在x軸方向上的飛行距離為60 km，飛行高度為5 km，飛行速度為125 km/h. 此時(shí)，無人機(jī)由水平飛行姿態(tài)轉(zhuǎn)換為盤旋飛行姿態(tài)，俯仰角α=0°，滾轉(zhuǎn)角和偏航角的角度變化公式分別為

γ(t)=-0.005t，β(t)=0.01t.

(6)

飛行500 s后，無人機(jī)飛行航跡和機(jī)載天線接收信號(hào)的干信比如圖10所示.

由圖10可知，無人機(jī)調(diào)節(jié)飛行姿態(tài)后，其飛行航跡發(fā)生變化，由水平飛行變?yōu)楸P旋飛行，經(jīng)過150 s飛行后，無人機(jī)逐漸遠(yuǎn)離干擾源并飛向地面站，機(jī)載天線接收信號(hào)的干信比逐漸下降. 盤旋過程中，無人機(jī)持續(xù)監(jiān)測(cè)和評(píng)估該航線內(nèi)的電磁環(huán)境，待電磁威脅消失或者減弱后，繼續(xù)執(zhí)行原飛行計(jì)劃，或者采用繞行方式，躲避強(qiáng)電磁干擾區(qū)域，避免造成無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈持續(xù)中斷.

因此，綜合利用機(jī)載天線賦形技術(shù)和航跡機(jī)動(dòng)規(guī)劃技術(shù)，及時(shí)規(guī)避強(qiáng)電磁干擾，能夠?qū)崿F(xiàn)無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈抗干擾目的.

4 結(jié) 論

當(dāng)前無人機(jī)缺乏電磁環(huán)境感知能力，其數(shù)據(jù)鏈容易受到外界電磁輻射干擾，造成通信中斷等嚴(yán)重危害. 本文創(chuàng)新性地提出了一種無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈抗干擾新方法，集電磁干擾環(huán)境感知、數(shù)據(jù)鏈電磁干擾預(yù)測(cè)和自適應(yīng)抗干擾措施于一體，能夠提高無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈主動(dòng)抗干擾能力，下一步將繼續(xù)開展無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈電磁干擾自適應(yīng)方法研究，為復(fù)雜電磁環(huán)境下無人機(jī)的飛行安全提供更多保障.