張哲聰 唐碧蔚 楊玉龍 尚航

（中國航空無線電電子研究所 上海市 201100）

從廣義來說，無人機系統(tǒng)包括無人機平臺、空地通信鏈路[1]和地面系統(tǒng)，其中無人機數(shù)據(jù)鏈[2]是無人機系統(tǒng)的重要組成部分，是無人機平臺和地面系統(tǒng)聯(lián)系的紐帶。無人機鏈路按距離分為視距和超視距（衛(wèi)通），按頻率分為低頻、中頻、高頻、甚高頻，不同頻率的鏈路按高低又可分為UHF 波段、L 波段、S 波段、C 波段、X波段、Ku 波段、Ka 波段等。

實際任務(wù)中，地面系統(tǒng)對無人機的鏈路控制或多或少受到地理位置、磁場環(huán)境、人為操作錯誤、相互交叉等因素的干擾直接影響著無人機平臺的飛行品質(zhì)。因此，為了最大程度地避免無人機鏈路控制品質(zhì)下降，本文從無人機鏈路控制的角度，對數(shù)據(jù)鏈控制的干擾因素、抗干擾策略及檢測措施進行研究，提高無人機鏈路控制的可靠性。

1 頻段選擇建議

無人機測控通信鏈路可以使用很多不同的頻率。國際上通常要求無人機測控通信鏈路使用航空保留頻譜。然而，問題是當(dāng)前可用的航空頻譜很少，且沒有頻段是專門為無人機系統(tǒng)分配預(yù)留的。雖然軍方可以使用其自己的各種保留頻率，但是使用過于寬泛的頻譜是不明智的。因為過多的應(yīng)用頻率不太可能充分保證無人機系統(tǒng)安全使用；而且過多的應(yīng)用頻率導(dǎo)致數(shù)據(jù)鏈路完整性的定量評估困難。為無人機測控通信鏈路選擇合適的頻率[3]取決于多種因素。目前我國通信頻段的主要分布如表1。

對于視距和超視距而言，在天線設(shè)計中，頻率低于2GHz 意味著可不考慮定向天線，因為低于這些頻率的鏈路性能不容易受雨水和大氣的影響。

根據(jù)頻譜分布在無人機測控鏈路設(shè)計[4]中應(yīng)首先根據(jù)無人機任務(wù)的傳輸帶寬選擇相應(yīng)的適合無人機頻率鏈路，一般來說，傳輸小數(shù)據(jù)量低速的系統(tǒng)選擇相對較低的頻率范圍，傳輸大數(shù)據(jù)高速的系統(tǒng)則選擇相對較高的頻率范圍，同時要考慮與民用及其它專用頻道錯開，進行鏈路頻段的篩選，避免頻段干擾。

2 鏈路干擾檢測

在無人機鏈路控制中，鏈路頻段干擾是一個非常重要的問題，一直伴隨著無線通信的應(yīng)用發(fā)展而存在，也是許多通信專家學(xué)者致力解決的問題。干擾檢測的主要目的是為了發(fā)現(xiàn)、識別和追蹤干擾源，進而達到避免頻段干擾的作用。

2.1 檢測流程

頻段干擾檢測是一種通過分析無線通信中的數(shù)據(jù)發(fā)傳輸率、信噪比、誤碼率、載波監(jiān)聽時間等通信參數(shù)判斷當(dāng)前的數(shù)據(jù)鏈通信是否處于干擾的手段。干擾檢測技術(shù)[5]主要包括CSMA/CA 的無線電干擾檢測、RSS 的無線電干擾檢測、多指標(biāo)的無線電干擾檢測技術(shù)、芯片錯誤率的無線電干擾檢測、機器學(xué)習(xí)的無線電干擾檢測等等。

圖1：鏈路干擾檢測與解除流程

圖2：抗干擾控制方法

頻段干擾檢測與解除的主要流程包括無線傳輸信號采集、信號干擾檢測、信號干擾判斷、干擾分類、干擾解除，詳細的檢測和解除流程如圖1 所示。

2.2 檢測途徑

本文主要對基于干擾檢測技術(shù)下的干擾判斷手段進行研究，包括如下手段進行干擾檢測。

2.2.1 頻譜監(jiān)測

頻譜監(jiān)測是一種在頻域上（頻率和幅值）對無線通信信號進行分析檢測的手段，可對無線通信的頻率、功率、諧波、噪聲等信息進行監(jiān)測。頻譜一般包括硬件頻譜監(jiān)測和軟件頻譜數(shù)據(jù)監(jiān)測兩種方式。鏈路監(jiān)控員可在頻譜上直觀的觀察各頻段的干擾情況以進行鏈路切換判斷。

2.2.2 信噪比檢測

信噪比是通信設(shè)備或電子系統(tǒng)中信號與噪聲的比例，是通信信號質(zhì)量好壞的一種指標(biāo)，一般來說，信噪比越高說明信號質(zhì)量越好。在無人機鏈路控制中，通過對信噪比的數(shù)值進行監(jiān)控，如果信噪比突然下降，則判斷可能遇到其它信號干擾。

表1：國內(nèi)無線頻譜分配情況

圖3：抗干擾工作流程

2.2.3 誤碼率檢測

誤碼率是衡量數(shù)據(jù)在規(guī)定時間內(nèi)傳輸精確性的指標(biāo)。在無人機鏈路控制中，當(dāng)鏈路處于穩(wěn)定控制時，一般來說誤碼率會相對比較恒定。當(dāng)監(jiān)測到誤碼率突然增大時，此時鏈路可能遇到了遮擋或干擾。

2.2.4 通信數(shù)據(jù)包傳輸率檢測

數(shù)據(jù)包傳輸率是指對一定時間內(nèi)的信號發(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù)量與接收數(shù)據(jù)包的數(shù)量的比例，當(dāng)鏈路受到干擾時，信號發(fā)送出去的數(shù)據(jù)包在外部環(huán)境中丟失導(dǎo)致接收數(shù)據(jù)包數(shù)減少，在監(jiān)控席位一般可監(jiān)控數(shù)據(jù)包傳輸成功率降低時，此時鏈路可能遇到干擾。

2.2.5 信號鎖定檢測

信號鎖定包括無線信號的解調(diào)、解擴鎖定，是無線信號傳輸達到穩(wěn)定閾值的直觀顯示。一般來說，信號鎖定（解調(diào)、解擴）時，地面系統(tǒng)可保持與無人機平臺的正常通信傳輸，操作員可通過觀察信號是否鎖定或者保持鎖定來判斷此時鏈路是否處于穩(wěn)定傳輸?shù)臓顟B(tài)。

2.2.6 傳輸視頻質(zhì)量檢測

當(dāng)無人機與地面系統(tǒng)存在圖像或視頻業(yè)務(wù)傳輸功能時，可通過圖像或視頻的連續(xù)顯示情況來判斷無線鏈路的傳輸性能，是鏈路性能判斷的直觀表現(xiàn)。當(dāng)操作員觀察圖像或視頻出現(xiàn)斷續(xù)、卡頓或馬賽克時，可判斷無線鏈路此時可能遇到了干擾。

3 鏈路抗干擾策略

3.1 抗干擾方法

在無人機系統(tǒng)設(shè)計中一般數(shù)據(jù)鏈廠家對無線電通信設(shè)備進行設(shè)計，設(shè)備廠商會在方案設(shè)計時對通信設(shè)備的抗干擾性能考慮設(shè)計，通過增加包含帶頻率、安裝天線優(yōu)化角度、提升濾波器精度、隱身方面等手段提高設(shè)備抗干擾性能，一般在設(shè)備交付后所有參數(shù)性能基本確定，設(shè)備的鏈路抗干擾特性也基本不變。

本文從無人機鏈路控制工程應(yīng)用角度，在無線電設(shè)備穩(wěn)定工作的情況下，主要考慮在鏈路控制過程中頻段的干擾因素[6]來自能量干擾、信號干擾、信息干擾，其中能量干擾通過干擾站的相同信號的功率進行干擾，信號干擾通過偵察識別特定的無線信號并對其進行干擾，信息干擾則是通過破解無線通信的信息內(nèi)容，偽造滿足通信干擾意圖的指令，使無線通信系統(tǒng)失效。一般通過任務(wù)前進行頻段申報預(yù)防、增加站間距離、優(yōu)先采用定向天線、加大功率、選擇抗干擾波形、信息加密等方法進行鏈路頻段抗干擾保護，抗干擾控制方法[7]見圖2。

3.1.1 任務(wù)頻段申報預(yù)防

無人機頻段干擾一般包括已知頻段干擾和未知頻段干擾。未知頻段干擾是指在無人機執(zhí)行任務(wù)范圍過程中有其它未知來源的設(shè)備也進行相同或相近頻率發(fā)射干擾，這種干擾一般較難避免，常用辦法通過頻段檢測錯開干擾頻段。已知干擾是指無人機任務(wù)過程中被已知位置設(shè)備已知頻率的發(fā)射干擾，由于無人機任務(wù)一般由軍方或者專門的機構(gòu)進行事前申報，可對空域、任務(wù)、頻段等信息進行統(tǒng)籌，這樣可以在已知可控范圍內(nèi)進行頻率分配，做到鏈路干擾控制最小最優(yōu)化。

3.1.2 增加站間距離

在地面系統(tǒng)鏈路控制設(shè)計時站點位置布局也是重要考慮因素。由于無線鏈路設(shè)備的有效覆蓋范圍是一定的，在條件允許的情況下，通過盡可能增加對同一時間不同無人機任務(wù)之間的地面系統(tǒng)空間距離的方法，是解決無線干擾的有效途徑。

3.1.3 天線優(yōu)先選擇

在無人機系統(tǒng)中一般由多條鏈路進行通信傳輸保障無人機信息安全。各鏈路可能由全向或者定向兩種天線進行數(shù)據(jù)接收。由于全向天線覆蓋范圍為360°全方位輻射，定向天線覆蓋范圍為小角度的波束輻射，在空間范圍一定的情況下，定向天線相比全向天線受到干擾的概率低，所以在鏈路使用中優(yōu)先考慮定向天線可相對避免天線之間的鏈路干擾。

3.1.4 增大功率

無人機在執(zhí)行任務(wù)過程中，無人機通信頻率處于一定范圍內(nèi)，適當(dāng)調(diào)高發(fā)射功率可抑制其他頻率無線電的干擾，增強無線設(shè)備對鏈路其它干擾波形的過濾，提高無線鏈路的抗干擾通信能力。

3.1.5 抗干擾波形選擇

在無線通信中，通信信號體制一般為常規(guī)體制，信號受到干擾可能會引起載波鎖相環(huán)失鎖或錯鎖、誤碼率升高、信噪比減小、數(shù)據(jù)包傳輸率下降等。無線通信的典型抗干擾波形體制主要包括直接序列擴頻、跳頻等。擴頻是將有用信號的功率譜進行擴展，功率譜屬于低截獲概率信號，不易被發(fā)現(xiàn)跟蹤。跳頻是其載頻有PN 碼控制隨機跳動使地方難以對其信號進行偵查、截獲、干擾。在鏈路使用中應(yīng)視情選擇適合抗干擾波形。

3.1.6 信息加密

信息加密是一種對無線通信中數(shù)據(jù)傳輸內(nèi)容進行保護的抗干擾措施。信息加密主要是通過加密算法將可被直接破解的明文通信數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)成密文數(shù)據(jù)，同時為防止加密格式被敵方獲取，一般在通信數(shù)據(jù)包加入時間信號，對數(shù)據(jù)發(fā)送接收端進行時間比對校準(zhǔn)，時間信號符合的才可進行有效傳輸或執(zhí)行相關(guān)操作，進一步對通信內(nèi)容進行安全保護。在鏈路使用中使用密碼傳輸可提高鏈路中數(shù)據(jù)的抗干擾特性。

3.2 抗干擾工作流程

根據(jù)上述抗干擾控制方法本文提出了一種面向?qū)嶋H任務(wù)過程中鏈路的抗干擾工作流程，具體流程如圖3 所示。

指揮中心、機關(guān)或部隊下達作戰(zhàn)任務(wù)，根據(jù)任務(wù)要求，首先進行鏈路抗干擾控制分析，依次判斷站間距離是否滿足抗干擾要求，頻道是否提前申報滿足抗干擾條件，是否優(yōu)先選擇易抗干擾天線，信息是否加密，是否為抗干擾波形，然后進行鏈路通信工作參數(shù)設(shè)置。檢測到干擾后進行干擾類型分類，再次判斷是否為抗干擾頻道，功率抗干擾能力是否滿足，天線是否受到干擾執(zhí)行對應(yīng)的抗干擾措施，最終完成整個任務(wù)階段的抗干擾控制。

3.3 檢測干擾后措施

當(dāng)操作員在鏈路操控時發(fā)現(xiàn)鏈路存在干擾或者干擾風(fēng)險時，可根據(jù)干擾類型采用以下三個方式進行干擾預(yù)防解除[8]。

3.3.1 切換頻段

如果信號較弱，可根據(jù)頻譜監(jiān)測確定該頻段是否存在干擾，同時在頻譜上選擇相對信號干凈未受干擾的頻段，進行頻段切換錯開干擾。

3.3.2 增加功率

當(dāng)出現(xiàn)信號輕微下降但還在可接受范圍內(nèi)，可通過增加當(dāng)期無線頻段的功率進行信號增強以保證通信鏈路受到干擾的影響減弱。

3.3.3 切換天線或各波段數(shù)據(jù)優(yōu)先級

如果連續(xù)切換頻段或者功率均沒有明顯效果，則可根據(jù)情況進行天線選擇優(yōu)先級手動或自動切換，適時進行天線切換或不同波段主備切換，以達到干擾后對無人機鏈路控制的影響最低。

4 結(jié)束語

本文以無人機鏈路控制工程應(yīng)用為研究背景，以鏈路控制中常見干擾為研究對象，針對無人機鏈路控制中可能遇到的干擾問題進行了全面分析，依次從無人機鏈路頻率選擇、干擾檢測手段、系統(tǒng)抗干擾方法、抗干擾工作流程及干擾后解決措施等方面進行了研究，該抗干擾策略已應(yīng)用于某型無人機試飛中，為進一步提高無人機鏈路控制品質(zhì)提供了思路和依據(jù)，具有一定的工程應(yīng)用價值。