摘" 要： 在高密度集成電磁干擾環(huán)境中，為增強(qiáng)無人機(jī)遠(yuǎn)程通信的信息可靠性與有效性，文中研究無人機(jī)遠(yuǎn)程通信高密度集成電磁干擾抑制技術(shù)。估算無人機(jī)遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)中高密度集成電磁干擾信號(hào)能量，并通過自適應(yīng)波束形成實(shí)現(xiàn)電磁干擾抑制。在入射信號(hào)動(dòng)態(tài)變化時(shí)，自適應(yīng)調(diào)節(jié)權(quán)重系數(shù)，形成高密度集成電磁干擾信號(hào)抑制波束，并引入基于相位補(bǔ)償?shù)目箶_波束指向優(yōu)化控制方法，來控制頻率跳變對(duì)電磁干擾信號(hào)抗擾波束指向的負(fù)面影響，優(yōu)化電磁干擾抑制效果。測(cè)試結(jié)果顯示，使用此技術(shù)后，無人機(jī)遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸誤比特率從0.1降為0.02，信息可靠性與有效性得到了提升。

關(guān)鍵詞： 無人機(jī)； 遠(yuǎn)程通信； 高密度集成； 電磁干擾抑制； 自適應(yīng)波束形成； 相位補(bǔ)償； 波束指向

中圖分類號(hào)： TN911.7?34" " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A" " " " " " " " " " " "文章編號(hào)： 1004?373X（2024）12?0096?05

High density integrated electromagnetic interference suppression technology for unmanned aerial vehicle remote communication

CHENG Jiamin， LI Ya， ZHU Guifu

（Kunming University of Science and Technology， Kunming 650500， China）

Abstract： In a high?density integrated electromagnetic interference environment， high?density integrated electromagnetic interference suppression technology for UAV （unmanned aerial vehicle） remote communication is studied to enhance the information reliability and effectiveness of UAV remote communication. The energy of high?density integrated electromagnetic interference signals in the UAV remote communication network is estimated， and the electromagnetic interference suppression is realized by means of the adaptive beamforming. The weight coefficient is adaptively adjusted to form a high?density integrated electromagnetic interference signal suppression beam when the incident signal is dynamically changing， and the phase compensation based optimization control method for anti?interference beam pointing is introduced to control the negative impact of frequency jump on electromagnetic interference signal anti?interference beam pointing and optimize the electromagnetic interference suppression effect. The testing results show that after the use of this technology， the information transmission error rate of the UAV remote communication network can reduce from 0.1 to 0.02， and the information reliability and effectiveness of UAV remote communication can be improved.

Keywords： UAV; remote communication; high density integration; electromagnetic interference suppression; adaptive beamforming; phase compensation; beam pointing

0" 引" 言

在高密度集成電磁環(huán)境下，無人機(jī)本身的通信信號(hào)可能會(huì)受到嚴(yán)重的干擾。一旦無人機(jī)遭遇電磁干擾[1?2]，可能會(huì)造成無人機(jī)檢測(cè)不到相應(yīng)的指令而停止動(dòng)作，或者接收到假冒指令而執(zhí)行錯(cuò)誤操作，也可能會(huì)出現(xiàn)動(dòng)作間斷，造成無人機(jī)飛行方向或目標(biāo)鎖定出現(xiàn)失誤，進(jìn)而導(dǎo)致無人機(jī)收集信息的失真，或收集到的數(shù)據(jù)也無法傳回控制端，最終導(dǎo)致無法完成提前給無人機(jī)設(shè)定的任務(wù)。因此，為了降低高密度集成電磁環(huán)境對(duì)無人機(jī)的影響，需要提高無人機(jī)的抗干擾能力[3]。

蘭玉彬等對(duì)植保無人機(jī)抗電磁干擾問題進(jìn)行專題探討，對(duì)無人機(jī)的飛行環(huán)境、電磁檢測(cè)與抗干擾方面都進(jìn)行了研究[4]。雖研究?jī)?nèi)容停留于文字?jǐn)⑹?，缺乏理論技術(shù)，但可作為所提無人機(jī)遠(yuǎn)程通信高密度集成電磁干擾抑制技術(shù)研究的參考思路。趙敏等以試驗(yàn)測(cè)試的方式分析某無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈對(duì)電磁敏感度影響，并給出了智能化消除電磁干擾的建議[5]。

基于已有研究，本文提出一種新的無人機(jī)遠(yuǎn)程通信高密度集成電磁干擾抑制方法。此方法主要利用自適應(yīng)波束形成技術(shù)，抑制無人機(jī)遠(yuǎn)程通信時(shí)高密度集成電磁干擾。經(jīng)證實(shí)，本文技術(shù)適用于復(fù)雜的電磁干擾環(huán)境。

1" 遠(yuǎn)程通信高密度集成電磁干擾抑制設(shè)計(jì)

1.1" 電磁干擾信號(hào)能量估算

無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)時(shí)，高密度集成電磁干擾端釋放電磁干擾信號(hào)后，會(huì)導(dǎo)致無人機(jī)遠(yuǎn)程通信效果受損[6?8]。設(shè)定無人機(jī)通信環(huán)境中，信道數(shù)目是[N]個(gè)，[N]數(shù)值大于1；高密度集成電磁干擾端為[I]，[I]釋放的電磁干擾信號(hào)具有隨機(jī)性；干擾頻率范圍與無人機(jī)遠(yuǎn)程通信的頻率范圍分別是[αi]、[αu]，設(shè)定[αi=αu]；傳輸帶寬是[cu]，則無人機(jī)信道集合的數(shù)目是：

[N=αucu] （1）

將各個(gè)信道設(shè)定一個(gè)帶通濾波器，對(duì)不同頻率信號(hào)進(jìn)行濾波處理[9?10]，得到電磁干擾檢測(cè)結(jié)果分別為[K1]、[K2]、[K3]，公式如下：

[K1：" " xt=0K2：" " xt=rtK3：" " xt=Nrt+it] （2）

式中：[xt]、[rt]分別代表無人機(jī)遠(yuǎn)程通信目前信號(hào)、有效信號(hào)；[it]代表電磁干擾信號(hào)。

利用寬帶頻譜感知技術(shù)中能量檢測(cè)方法識(shí)別電磁干擾信號(hào)。設(shè)定各個(gè)信道的電磁干擾信號(hào)能量是[Ex]，如果[Ex]大于門限值[γ]，便認(rèn)為目前無人機(jī)遠(yuǎn)程通信環(huán)境中存在電磁干擾[11?13]，則處于[K3]模式；反之，處于[K1]與[K2]模式。

此時(shí)，計(jì)算無人機(jī)遠(yuǎn)程通信時(shí)各個(gè)頻率的信號(hào)功率[qm]，得到[Ex]。

[Ex=m=1Nqm2] （3）

1.2" 基于自適應(yīng)波束形成的電磁干擾抑制

由于電磁干擾信號(hào)通常具有復(fù)雜的特性和變化的動(dòng)態(tài)性，準(zhǔn)確估算其能量可能會(huì)受到信號(hào)衰減、噪聲干擾、頻率偏移等因素的影響。

上述因素導(dǎo)致對(duì)電磁干擾信號(hào)能量的估算存在一定的誤差。自適應(yīng)波束形成方法是目前電磁干擾的常用技術(shù)之一。此技術(shù)可以在保證期望方向、通信信號(hào)被準(zhǔn)確有效接收的基礎(chǔ)上，抑制干擾信號(hào)的影響；還可調(diào)節(jié)權(quán)重系數(shù)，控制波束指向衛(wèi)星信號(hào)。因此，依據(jù)電磁干擾信號(hào)能量估算結(jié)果，設(shè)計(jì)圖1所示的基于自適應(yīng)波束形成的電磁干擾抑制的技術(shù)模型。

如圖1所示，模型結(jié)構(gòu)包括天線陣列、模擬下變頻單元、模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元、數(shù)字下變頻單元、波束形成單元以及衛(wèi)星通信接收機(jī)。

信號(hào)傳輸至每個(gè)天線陣列后，由模擬下變頻單元將其轉(zhuǎn)換成中頻信號(hào)，再由模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元將中頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。

數(shù)字下變頻單元將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成基帶信號(hào)，由自適應(yīng)波束形成技術(shù)抑制干擾信號(hào)后發(fā)送至信號(hào)接收機(jī)。

圖1中繪制的衛(wèi)星信號(hào)源數(shù)量是1顆，在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，無人機(jī)遠(yuǎn)程通信時(shí)，至少要與4顆衛(wèi)星通信才可實(shí)現(xiàn)高效信息傳輸。所以，必須合理設(shè)定多組權(quán)重，分析多個(gè)期望方向信號(hào)的陣列響應(yīng)。

自適應(yīng)波束形成技術(shù)可通過多個(gè)接收天線接收信號(hào)，調(diào)節(jié)各通道加權(quán)系數(shù)后，控制通信信號(hào)發(fā)送至特定方向，實(shí)現(xiàn)高密度集成電磁干擾抑制。調(diào)節(jié)加權(quán)系數(shù)能夠控制信源A發(fā)送的通信信號(hào)，經(jīng)加權(quán)處理后得以加強(qiáng)，信源B發(fā)送的高密度集成電磁干擾信號(hào)得以抑制。若存在多組加權(quán)系數(shù)，便需控制波束指向多個(gè)特定方向。

設(shè)定[t]時(shí)刻無人機(jī)遠(yuǎn)程通信空間存在[Z]個(gè)高密度集成電磁干擾信號(hào)[iZt]，電磁干擾信號(hào)的波達(dá)方向?yàn)閇μj]，其中，[j=1，2，…，Z]，[μj]非已知；期望信號(hào)為[irt]，[irt]的波達(dá)方向?yàn)閇μr]，[μr]已知。若最優(yōu)波束形成的加權(quán)系數(shù)是[?]，輸出的抗擾通信信號(hào)是[ot=?xt]，則陣列輸出的功率均值為：

[q?=?ExotL] （4）

式中[L]代表輸入信號(hào)的協(xié)方差。為保證從[μj]發(fā)出的期望信號(hào)被無人機(jī)準(zhǔn)確接收，設(shè)定最優(yōu)波束形成的加權(quán)系數(shù)[?]的約束條件為：

[?bμj=1] （5）

式中[bμj]代表陣列在[μj]方向的陣列響應(yīng)值。

為保證輸出的通信信號(hào)受電磁干擾的影響最小化，最優(yōu)波束形成的權(quán)重約束條件還有：

[min ω=q?L] （6）

求導(dǎo)式（6），設(shè)定偏導(dǎo)數(shù)是0，此時(shí)最優(yōu)權(quán)重是：

[?o=-?L-1bμj] （7）

式中[?]代表比例常數(shù)。將式（7）兩側(cè)均與[bμj]相乘，則基于自適應(yīng)波束形成的電磁干擾抑制結(jié)果為：

[η=minω?o] （8）

根據(jù)式（8），在無人機(jī)遠(yuǎn)程通信環(huán)境中，當(dāng)期望信號(hào)陣列響應(yīng)值已知后，便能夠建立一組加權(quán)系數(shù)，實(shí)現(xiàn)電磁干擾信號(hào)抑制。

1.3" 基于相位補(bǔ)償?shù)目箶_波束指向優(yōu)化控制方法

為避免頻率跳變影響抗擾自適應(yīng)波束指向方向，導(dǎo)致電磁干擾抑制效果失效，使用相位補(bǔ)償算法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化控制。

設(shè)定目前的通信頻率是[grw]，上個(gè)頻點(diǎn)的通信頻率是[grw-1]，自適應(yīng)權(quán)重是[?w-1]，則設(shè)定無人機(jī)遠(yuǎn)程通信頻點(diǎn)[w]的初始權(quán)重為：

[?e=ηgrw-grw-1?w-1Ω] （9）

式中[Ω]是權(quán)重預(yù)置。則各次頻率跳變后期望信號(hào)的入射結(jié)果是：

[φw=e?eΔΓW，X+ΔΓW，Y·aφw-1] （10）

式中：[e?]代表無人機(jī)遠(yuǎn)程通信頻點(diǎn)相移的誤差函數(shù)；[ΔΓW，X]、[ΔΓW，Y]分別代表無人機(jī)遠(yuǎn)程通信頻點(diǎn)[W]在橫向[X]、縱向[Y]的預(yù)置補(bǔ)償相移；[a]代表無人機(jī)遠(yuǎn)程通信頻點(diǎn)相移的跳變次數(shù)；[φw-1]表示上個(gè)頻點(diǎn)頻率跳變后期望信號(hào)的入射結(jié)果。

無人機(jī)遠(yuǎn)程通信期望信號(hào)經(jīng)過電磁干擾抑制后的方向增益為：

[Fw=φwFw-1] （11）

此時(shí)預(yù)置相位處理后方向增益[Fw]和上一頻點(diǎn)期望信號(hào)的方向增益[Fw-1]一致，波束指向在頻率跳變時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)變化，從而保證了電磁干擾抑制效果。

2" 實(shí)驗(yàn)分析

2.1" 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為測(cè)試本文技術(shù)的使用效果，構(gòu)建無人機(jī)遠(yuǎn)程通信高密度集成電磁干擾的模擬環(huán)境，詳情如圖2所示。

在無人機(jī)遠(yuǎn)程通信高密度集成電磁干擾模擬環(huán)境中，使用電磁干擾器發(fā)射高密度集成電磁干擾信號(hào)。在衛(wèi)星通信信源產(chǎn)生器對(duì)無人機(jī)接收器發(fā)射通信信息時(shí)，此信號(hào)會(huì)對(duì)通信信號(hào)產(chǎn)生負(fù)面影響。

設(shè)置無人機(jī)陣元是[N=20]的均勻線陣，期望目標(biāo)信號(hào)來波方向是0°，此時(shí)出現(xiàn)2個(gè)高密度集成電磁干擾信號(hào)，其來波方向依次是-25°與25°。高密度集成電磁干擾下，無人機(jī)遠(yuǎn)程通信的跳頻速度是1 500跳/s，帶寬與頻率數(shù)分別是2.0 MHz、65。

2.2" 本文技術(shù)應(yīng)用效果分析

本文技術(shù)使用后，無人機(jī)遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)波束形成抗副瓣干擾方向圖如圖3所示。

分析圖3可知，本文技術(shù)使用后，期望信號(hào)方向（目標(biāo)方向）位置的陣列增益為最大值，副瓣兩個(gè)電磁干擾方向都出現(xiàn)零陷狀態(tài)，高密度集成電磁干擾信號(hào)方向增益處于最小值-50 dB，說明此時(shí)目標(biāo)信號(hào)回波增強(qiáng)，電磁干擾信號(hào)得到有效抑制。表明本文技術(shù)對(duì)天線旁瓣發(fā)出的高密度集成電磁干擾具有較好的抑制作用。

設(shè)定期望信號(hào)平均角度偏差絕對(duì)值[μr]與電磁干擾信號(hào)平均角度偏差絕對(duì)值[μj]的計(jì)算方法是：

[μr=j=1N0μj0-μj0N0] （12）

[μj=j=1Njμjj-μjjNj] （13）

式中：[N0]、[Nj]分別代表期望信號(hào)與電磁干擾信號(hào)數(shù)量；[μj0]、[μj0]分別代表本文技術(shù)使用前后期望信號(hào)到達(dá)角度；[μjj]、[μjj]分別代表本文技術(shù)使用前后電磁干擾信號(hào)到達(dá)角度。

本文技術(shù)使用前后，在高密度集成電磁干擾下，無人機(jī)遠(yuǎn)程通信時(shí)，期望信號(hào)入射角度的平均角度偏差絕對(duì)值[μr]、電磁干擾信號(hào)入射角度的平均角度偏差絕對(duì)值[μj]的測(cè)試結(jié)果如圖4、圖5所示。

分析圖4、圖5可知，本文技術(shù)使用后，高密度集成電磁干擾下無人機(jī)遠(yuǎn)程通信時(shí)，期望信號(hào)和電磁干擾信號(hào)入射角度的平均角度偏差明顯降低，期望信號(hào)入射角度偏差最大值分別是1.6°、0.3°，電磁干擾信號(hào)入射角度偏差最大值分別是2.4°、0.2°。證明了本文技術(shù)能夠準(zhǔn)確地在期望信號(hào)方向中自適應(yīng)形成抗擾波束，在高密度集成電磁干擾信號(hào)方向中形成零陷，從而有效抑制高密度集成電磁的干擾。

測(cè)試本文技術(shù)使用前后無人機(jī)遠(yuǎn)程通信的誤比特率變化，結(jié)果如圖6所示。

如圖6所示，使用本文技術(shù)前，無人機(jī)遠(yuǎn)程通信時(shí)，受高密度集成電磁干擾，通信網(wǎng)絡(luò)的誤比特率達(dá)0.1，此時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)不能滿足無人機(jī)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)通信的需求。使用本文技術(shù)后，通信網(wǎng)絡(luò)的誤比特率最大值僅為0.02，誤比特率明顯降低，此時(shí)無人機(jī)遠(yuǎn)程通信信息可正確傳輸。表明本文技術(shù)的使用可優(yōu)化無人機(jī)遠(yuǎn)程通信的信息傳輸性能。

3" 結(jié)" 論

本文研究了新的無人機(jī)遠(yuǎn)程通信高密度集成電磁干擾抑制技術(shù)，主要成果如下。

1） 本文技術(shù)對(duì)天線旁瓣發(fā)出的高密度集成電磁干擾具有較好的抑制作用，可增強(qiáng)目標(biāo)信號(hào)回波，抑制電磁干擾信號(hào)回波。

2） 本文技術(shù)使用后，在高密度集成電磁干擾下，無人機(jī)遠(yuǎn)程通信時(shí)，期望信號(hào)、電磁干擾信號(hào)入射角度的平均角度偏差明顯降低。

3） 本文技術(shù)的使用可提高無人機(jī)遠(yuǎn)程通信的信息傳輸性能，降低通信網(wǎng)絡(luò)的誤比特率。

注：本文通訊作者為朱貴富。

參考文獻(xiàn)

[1] 許彤，陳亞洲，王玉明，等.無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈寬帶白噪聲電磁干擾效應(yīng)研究[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2023，45（7）：1965?1973.

[2] 張冬曉，陳亞洲，程二威，等.一種無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈電磁干擾自適應(yīng)新方法[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，40（8）：880?887.

[3] 胡實(shí)，熊俊，馬東堂，等.一種面向無人機(jī)通信的協(xié)作干擾安全傳輸技術(shù)[J].信號(hào)處理，2022，38（7）：1525?1534.

[4] 蘭玉彬，成勝南，漆海霞，等.植保無人機(jī)抗電磁干擾技術(shù)探討[J].農(nóng)機(jī)化研究，2020，42（11）：1?8.

[5] 趙敏，許彤，程二威，等.無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈電磁干擾機(jī)理和防護(hù)研究[J].強(qiáng)激光與粒子束，2021，33（3）：49?56.

[6] 王浩同，劉白林，劉智平，等.基于區(qū)塊鏈的無人機(jī)集群抗干擾通信模型[J].火力與指揮控制，2022，47（1）：72?79.

[7] 姚昌華，程康，張建照，等.利用部分重疊信道的多無人機(jī)自主協(xié)同優(yōu)化抗干擾[J].電訊技術(shù)，2023，63（2）：179?186.

[8] 王玉明，馬立云，陳亞洲.無人機(jī)智能電磁攻防技術(shù)[J].強(qiáng)激光與粒子束，2021，33（12）：151?158.

[9] 許方敏，史文策，馮濤，等.基于聯(lián)合波束賦形的無人機(jī)輔助通信網(wǎng)絡(luò)上行傳輸技術(shù)[J].電子與信息學(xué)報(bào)，2022，44（3）：871?880.

[10] 涂航，熊剛.一種對(duì)無人機(jī)通信鏈路中擴(kuò)頻信號(hào)識(shí)別改進(jìn)方法[J].通信技術(shù)，2021，54（11）：2490?2495.

[11] 林尚靜，田錦，馬冀，等.應(yīng)急通信中異構(gòu)無人機(jī)中繼性能仿真評(píng)估[J].計(jì)算機(jī)仿真，2023，40（3）：453?459.

[12] 李明，任清華，吳佳隆.無人機(jī)多域聯(lián)合抗干擾智能決策算法研究[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2021，39（2）：367?374.

[13] 張惠婷，張然，劉敏提，等.基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的無人機(jī)通信抗干擾算法[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2022，43（10）：27?34.

[14] 王鑒威，李學(xué)華，陳碩.基于聯(lián)邦深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的多無人機(jī)軌跡規(guī)劃算法[J].北京信息科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2023，38（6）：1?10.

[15] 郭藝軒，賈向東，曹勝男.基于3維泊松點(diǎn)過程理論的無人機(jī)協(xié)助的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型及其性能[J].安徽大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2022，46（4）：68?75.