反无人机转发式干扰参数设计与仿真

郝明明，盛怀洁，陈明建

(国防科技大学 电子对抗学院， 合肥 230037)

随着无人机作战效能的显著提升和战场威胁度的增加，可以预见，以无人机为代表的无人作战平台必将成为各国军队面对的挑战。目前，针对无人机的电子攻击对象主要为导航定位系统、数据链系统和任务载荷系统[1]。数据链作为无人机的指挥控制链、跟踪定位链和信息传输链，是无人机飞行的“生命链”和作战效能发挥的“保障链”，是反无人机中威胁等级最高的目标[2]。因此，对无人机数据链的电子攻击是反制无人机的重中之重。

对无人机数据链的电子攻击分为压制式干扰和欺骗式干扰两大类。随着信息技术的发展，现有无人机数据链多采用了信道编码、扩频等技术来提高数据传输的可靠性，在这种情况下，依靠能量功率优势的压制式干扰已不能取得良好的干扰效果，需要进一步研究更加威胁有效的欺骗式干扰[3-6]。对无人机数据链的欺骗干扰可分为链路协议层欺骗和链路物理层欺骗。链路协议层欺骗干扰需要对截获的数据链信号进行盲解调，盲解扩，加密、编码和遥控帧协议的盲解析，完成对信号的修改重构，技术实现难度较大。而链路物理层欺骗干扰基本不涉及协议层的盲估计问题，工程应用较易实现，因而引起电子对抗领域的普遍重视。

无人机上行数据链具有传输速率较低的特点，针对无人机上行数据链实施转发式干扰，属链路物理层欺骗干扰，截取所转发信号包含飞行状态控制关键指令，此干扰方式具有较大的威胁性和可行性。本文面向无人机上行数据链，以基于链路物理层欺骗的转发式干扰为研究对象，在仿真分析的基础上重点对转发式干扰各参数进行设计和配置。

1 转发式干扰基本构想

如图1所示，转发干扰设备主要由侦察接收设备、存储转发设备和调制发射设备3部分组成。其中侦察接收设备用于对无人机上行数据链信号的高灵敏度接收，采样后输出数据文件；存储转发设备对数据文件进行处理得到并存储基带码流序列，在干扰参数配置完成后执行转发，输出转发干扰码流；调制发射设备对输入转发干扰码流进行调制，输出转发干扰射频信号。

转发式干扰的基本构想是：利用转发干扰设备截获无人机的上行链路信号，为使截获信号中包含飞行姿态变换指令，这一过程争取在雷达对无人机飞行航迹跟踪指示下进行。侦察接收设备截获、存储一定时长的上行链路信号，经混频、滤波后形成采样数据文件。存储转发设备中的计算机按照一定算法对输入数据进行信号处理，得到包含遥控指令的基带码流序列，形成存储文件；按照循环转发周期参数对存储数据文件进行简单拼接，形成转发干扰码流。调制发射设备接收转发干扰码流，经射频变换后形成转发干扰信号，大功率向无人机机载数据终端的接收设备循环转发该信号。

该方法不需对链路协议层参数进行盲估计，由于没有或极少改变原信号的结构特征，无人机机载接收设备对转发干扰信号基本没有识别能力。在满足干信比要求下，无人机极有可能经暂短失控后，锁定转发干扰信号，致使其反复执行干扰信号中的遥控指令，造成其飞行状态紊乱，最终因失控启动应急程序甚至坠毁。

依据基本构想，研究需要首先对转发式干扰参数进行仿真，过程主要包括两个部分：一是从射频端对链路信号的截获存储及处理；二是对基带码流序列的存储转发。前者涉及到射频前端微波信号的高灵敏度截获接收和数据处理算法等技术问题，实现难度较大；后者的关键是对基带码流序列的处理，它对应地面数据终端中遥控帧序列与扩频码序列模二加后得到的基带激励码序列，包含了遥控信号链路层的完整特征。因此，截取存储该数据进行转发干扰参数设计研究，也具有很强的说服力。本文假设在已得到基带码流序列的基础上，构建基带转发式干扰模型，并对转发干扰进行参数设计与仿真。

2 基带转发式干扰模型

2.1 仿真流程

基带转发式干扰仿真模型主要包括3大模块，如图2所示。

1) 基带码流生成模块：构建遥控指令，生成基带码流序列。通过改变误码率模拟射频信号经截获接收和参数盲估计后得到的基带码流序列。

2) 存储转发模块：实现对基带码流序列的截取、存储和转发，形成转发干扰码流。考虑到射频信号的截取时长与基带码流存储长度之间为线性对应关系，在仿真实验中，用码流存储长度来代替截取信号时长，探究码流存储长度和转发周期对转发式干扰的影响。

3) 机载接收模块：接收干噪比不同的转发干扰码流，形成基带接收信号，然后模拟机载计算机对解调输入的基带信号进行同步、解扩、解差分、解卷积和指令判决等操作。其中噪声采用加性零均值高斯白噪声。

2.2 信号模型

设遥控帧信号为c(t)，扩频采用的PN码周期信号为m(t)，则经过扩频调制后形成的基带码流信号为S(t)，它们分别满足：

(1)

(2)

S(t)=c(t)m(t)

(3)

其中，dn为遥控帧序列，满足{dn=±1，n=1,2,3,…}，Td为码元宽度，其倒数1/Td为码元速率，g1(t)为矩形窗函数；mn为PN码序列，满足{mn=±1，n=1,2,3,…}，Ts为码片宽度，倒数1/Ts为码片速率，g2(t)为矩形窗函数[7]。基带转发干扰信号模型如图3所示。

基带码流信号S(t)经采集、存储后形成码流存储信号S1(t)，满足

S1(t)=f(t)S(t)

(4)

f(t)=u(t-T1)-u(t-T2)

(5)

其中f(t)为基带码流截取函数，是一个T1～T2的矩形窗函数，u(t)为阶跃函数，T1、T2分别为采集数据的起始时刻和终止时刻，码流存储时长为T=T2-T1>0。

经循环转发形成转发干扰基带码流信号S2(t)：

(6)

其中P为转发周期，当P=1时，S2(t)=S1(t)。

S2(t)加入噪声n(t)，形成转发干扰信号r(t)，其表达式为

r(t)=S2(t)+n(t)

(7)

2.3 存储转发模型

从基带码流序列d中截获、存储一段数据码流，设其包含遥控帧码元长度为L，作为转发干扰的码流存储，如图4所示：

图4中dk，dk+1，dk+2为三帧连续的完整遥控帧，码流存储长度为L时，其中只包含dk+1一帧完整帧。由于截取起始位置的随机性，截获码元起始位和遥控帧起始位并不重合，因此信号截获在一定程度上破坏了遥控帧的完备性。

在基带码流转发阶段，将存储码流经过适当地拼接处理后，按转发周期数进行循环转发形成转发干扰码流，如图5所示。

rk和rk+2分别为完整遥控帧dk和dk+2中所截取的部分码元，在拼接过程中，若rk和rk+2不能组成一个完整帧，则有可能破坏遥控帧的完备性，使得转发干扰失败；若rk和rk+2恰好组成一个完整帧，则有可能保持遥控帧的完备性，使得转发干扰成功。

3 仿真实验与结果分析

在实现指令判决功能时，将解码后遥控帧序列中的遥控指令提取出来，和基带产生的遥控指令进行比较，若相同，则无人机对该指令进行响应；否则不响应。依据比较结果，得出最终的指令判决结果result。若result=1，则无人机响应转发干扰指令，上行链路遥控信道锁定，表明转发干扰成功，同时码流存储时间、转发周期和干噪比等参数设置合理；否则result=0，转发干扰失败。

定义干扰成功率η和干噪比JNR：

(8)

其中，Mc干扰成功次数，Ms干扰总次数；Pj转发干扰信号功率，Pn信道噪声功率。

利用截取起始位置的随机性，进行多次Monte Carlo实验，得出转发干扰成功率。基带转发干扰实验中部分信号参数设置[8-9]，如表1所示。

表1 信号模型参数设置

在机载接收模块中，对接收信号进行同步时，考虑帧同步搜索和跟踪阶段，本仿真设定，若连续3帧均找到帧同步码，则进入帧同步锁定阶段，可以对遥控指令进行处理[10-11]。仿真设计了4个实验来探究干噪比JNR、码元误码率φ、码流存储长度L和转发周期P等参数对转发式干扰的影响。

实验1干噪比对转发干扰成功率的影响

码流存储长度L=400，转发周期P=1，在不同干噪比JNR下分别进行实验，得到干噪比对转发干扰成功率的影响如图6所示。

由图6可知，在其余参数设置不变的情况下，转发干扰成功率随干噪比的增大而增大。当干噪比JNR<-17 dB时，转发干扰失败；当干噪比JNR>-5 dB时，转发干扰成功率达到100%。

实验2码元误码率对干扰成功率的影响

干噪比JNR=0 dB，转发周期P=1，码流存储长度L=400，改变误码率φ，每种情况独立进行仿真实验，得到误码率对干扰成功率的变化曲线，如图7所示。

从图7可以看出，随着误码率的增大，干扰成功率迅速下降。在该仿真条件下，误码率大于0.06时，干扰成功率为0；当误码率小于3×10-3时，干扰成功率达到90%以上。

实验3码流存储长度对转发干扰成功率的影响

干噪比JNR=0 dB，转发周期P=1，改变码流存储长度L，每种长度下独立进行多次Monte Carlo实验，干扰成功率随码流存储长度的变化曲线如图8所示(横坐标对应遥控帧序列中的码元数)：

从图8可以看出，在该仿真条件下，当码流存储长度小于3倍遥控帧(240码元)时，干扰成功率为0；码流存储长度在3帧-4帧(4帧320码元)之间时，干扰成功率总体上随码流存储长度的增大而增大；当码流存储长度大于5倍遥控帧(400码元)时，可以达到100%的干扰成功率。

实验4转发周期对干扰成功率的影响

干噪比JNR=0 dB，转发周期P分别设置为2，3，4，5，改变码流存储长度L，每种情况独立进行仿真实验，得到不同转发周期下，干扰成功率随数据长度的变化曲线，如图9所示。

由图9可知，码流存储长度L和转发周期P共同作用对转发干扰成功率产生影响，当转发周期P=2,3,4,5时，码流存储长度L大于3倍遥控帧，可达100%的干扰成功率，同时在L恰好为遥控帧码元整数倍(80、160)时，会突变达到较高的干扰成功率，这是因为当码元长度为整数倍时，经拼接处理后，在转发干扰码流能一定程度上保持遥控帧的完备性，从而获得较高的干扰成功率。此外，结合实验3可知，随着P增大，达到稳定干扰时所需最小码流存储长度在变小，在P=2时，即可达到最小码流存储长度L=256(约为3倍遥控帧)。

4 结论

本文首先对无人机数据链的转发式干扰做了基本构想，以基带码流序列作为信号来源，构建了基带转发式干扰仿真模型，并给出了相应的信号模型。然后利用仿真模型进行实验，验证了转发干扰的可行性，并对影响转发干扰成功率的干噪比、误码率、码流存储长度和转发周期等因素进行了参数设计，得出了仿真条件下的参数边界条件。实验结论是仿真模型在满足一定参数设置的条件下进行实验得出的，不同无人机系统的相关参数设置不同，因此，具有一定的局限性。同时，实际情况中，影响转发干扰的因素会更加复杂多元，但仿真数据结果仍可为实际试验中码流存储时间和转发周期等参数设置提供一定参考，为后续研究打下良好基础。