基于信干比方程的无人机数据链抗干扰分析＊

管维伟 祝前旺 徐建忠

（海军指挥学院信息战研究系 南京 211800）

1 引言

无人机数据链作为无人机遥控、遥测、跟踪定位以及情报传输的手段，是对无人机飞行与任务载荷实施可靠的测控以及侦察数据的准确及时的传输的关键和基础，因此无人机对数据链是高度的依赖。然而无人机在战场中面临的电磁环境十分严峻，数据链很容易受到敌方的干扰，这不仅让无人机无法执行任务，更会威胁无人机自身的安全。因此无人机数据链必须具备一定的抗干扰能力。

2 信干比方程［1］

在通信系统中，干扰有效性的评判标准是：对于模拟信号，当通信接收机的解调输出信干比降低到规定的门限值以下时，认为干扰有效；对于数字信号，当通信接收机的解调输出误码率大到规定的门限值以上时，认为干扰有效。所以通信是否有效，不仅取决于与干扰信号本身的大小，还与通信信号本身大小有关。无论解调输出的信干比，还是解调误码率都与到达通信接收机的通信信号的功率与干扰信号的功率的比值有关，该比值通常简称“信干比”。信干比的一般方程为

式中：Pt、Pj分别为通信发射机和干扰发射机的输出功率；Gtr、Gjr分别为通信发射天线和干扰发射天线在通信接收方向上的天线增益；Grt、Grj分别为通信接收天线在通信发射天线和干扰天线方向上的天线增益；Gs、Gj分别为通信和干扰的处理增益；dc为通信距离，dj为干扰距离。

同样衡量无人机数据链通信抗干扰是否有效也可以用信干比来作为指标。由此可见无人机数据链的抗干扰能力主要与发射功率、天线增益、处理增益、无人机通信距离和干扰距离之间的关系有关。

3 抗干扰分析

3.1 发射功率

增大无人机数据链的发射功率是提高抗干扰能力最基本的途径［2］。随着功率的增加，信道传输的速率也会增加，信息损失量也会降低，致使接收机的信干比上升，当信干比上升到一个量值时，通常就认为数据链能正常工作。

3.2 天线增益

无人机数据链天线增益就是指无人机的天线在某方向产生的功率谱密度与理想源点在同一方向产生的功率谱密度的比值。天线增益的表达式是：

目前无人机通常是采用自适应天线技术来增大天线增益［3］，自适应天线系统是由多元天线阵和信息处理器组成的系统。当天线工作时，信息处理器的输入和输出特性按一定的算法来调整其内部参数，从而自动地修正和优化天线的方向图、频率响应和极化特性，并搜索和跟踪有用信号，抑制和消去干扰信号。它能在空间、频率和极化方面自动对干扰信号调零，对有用信号提供最大增益。

3.3 处理增益

无人机数据链的处理增益是指信号相对于干扰量的增强，通过将干扰能量扩散到数据链信号带宽之外可以增强信号。处理增益的表达式是：

无人机通常的增加处理增益的形式是直扩通信和跳频通信［4］。直扩通信是对原信号加伪随机码调制增大传输带宽，使扩频信号的功率谱密度降低了若干倍，甚至隐藏在噪声中，以隐蔽的方式对抗干扰，同时也使干扰能量相对地分散到整个数据链带宽内。跳频通信就是使信号载频在一个宽频带里快速的跳动，从而“躲避”干扰。这两种扩频技术各有优缺点［5］，表1为两种扩频体制的比较。由于两者各自的特点不同，所以应用的链路也会不同。

表1 两种扩频体制比较

3.4 信道编码

信道编码是提高无人机数据链的抗干扰能力必不可少的一个环节［6］。由于无人机数据链传输数据的信道环境是非常复杂的，数字信号在信道传输时受到噪声或者干扰的时候会引起差错。为了减小差错，信道编码器对传输的信息码元按一定的规则加入保护成分，接收端的信道译码器按照相应的逆规则进行解码，从中发现错误或纠正错误。目前大多数无人机数据链采用的信道的编码技术往往是RS码或Turbo码，美军无人机的数据链产品CDL、TCDL、MP－CDL都使用这两种信道码技术［7］。与这两种信道编码技术相比，先进的低密度奇偶校验码（LDPC），将成为下一代无人机数据链的核心。它具有算法简单，运算速度快，纠错能力强的特点，其本身还起到交织器的作用。表2是三种信道编码技术比较。另外更重要的是在相同的数据传输速率下，LDPC码比其它两种的截获率要低很多。

表2 三种信道编码技术的比较［8］

3.5 实际应用

无人机的数据链分为上行链路和下行链路［9］。上行链路用于地面站对无人机以及机上设备的控制，下行链路主要是用来传输无人机的状态信息和传感器数据的。它有两条通道，一条是状态通道，数据率比较低。还有一条是用于向地面传输传感器数据的，数据率相对较大。上行链路一般采用的抗干扰的技术是直接扩频技术，它使得无人机具有较高的处理增益，国外的水平早已经达到70dB。如果说一般能正常接收信息的最低信干比为10dB。那么干扰系统要使用干扰功率要大于信号源的106倍，才能干扰无人机的数据链，这在工程上实现是相当困难的。无人机的下行链路一般采用的抗干扰技术是跳频和自适应调零天线技术［10］。由于下行链路的信息传输量比较大，占用的带宽比较宽，不适宜用直接扩频技术，就使用跳频技术来抗干扰，增大处理增益。无人机地面站可以使用自适应调零天线，使主波束对准信号方向，零点对准干扰方向，极大地提高了天线的增益。另外无人机下行数据信息量大，所以基本都采用数字化压缩和信道编码技术，这就保证大量数据能够在复杂的信道下传输后，最终能被解码恢复过来。

4 干扰几何关系

无人机数据链在某一特殊时刻是否能被干扰，不仅取决于数据链的性能，干扰系统的性能，而且还取决于当前数据链与干扰波束之间的几何关系［12］。假设我们忽略数据链和干扰系统的性能优劣，干扰效果仅仅和干扰系统到接收机的相对距离以及数据链发射机到接收机的相对距离。那么就会存在一个信干比临界值k，使得数据链在高于等于这个值时恰好能工作。而低于这个值的时候，数据链就会受到干扰。由于接收端的信号强度与数据链发射机到接收机的距离RS成反比，接收端的干扰信号强度与干扰系统到接收机的距离RJ成反比，可以得出信干比S／J与成反比关系。首先分析干扰系统对无人机进行干扰：为了简化计算，建立直角坐标系。干扰系统O在（0，0）点，数据链发射机在B（d，0）点，无人机在A（x，y）点。可以求出：RS在一个给定的数据链系统和干扰系统中，信干比临界值k是一个常数，又＝1／k，那么点的轨迹就是一个圆，根据上述表达式可得干扰有效边界方程为

由式（4）简化可得：

圆的内部为干扰区域，无人机在该区域内，干扰系统就能对上行链路进行干扰。在圆外就不会受到干扰。如果能知道对应于某个数据链和某一型号的干扰系统之间的信干比临界值k。就能画出精确的几何图形供制定战术想定使用。

图1 干扰系统对无人机上行链路干扰

图2 干扰系统对无人机下行链路干扰

干扰系统对地面的接收机进行干扰，也就是对无人机的下行链路进行干扰，干扰系统到接收机的距离是固定的且等于到地面站的距离，对于固定的信干比，要求干扰距离与链路距离的比是固定的，这样链路的距离也是固定的。如图2所示。

数据链在以地面站为圆心的圆内能够正常工作，在圆外受到干扰。圆的半径与接收机的增益和干扰系统干扰的强度相关。

5 结语

随着复杂电磁战场环境下电子对抗程度的不断增加，无人机数据链系统抗干扰已经成为制约其效能发挥的关键因素与薄弱环节。本文从信干比一般方程这个视角，分析了无人机的数据链的抗干扰能力的技术和途径，并且在信干比一定的情况下分析了无人机抗干扰的有效区域，为无人机数据链抗干扰的作战使用提供参考。

［1］栗苹.信息对抗技术［M］.北京：清华大学出版社，2008：193－195.

［2］王邦荣，李辉，张安，等.战术数据链技术发展研究［J］.电光与控制，2007，32（12）：75－78.

［3］王文政，周经伦，罗鹏程.战术数据链技术发展研究［J］.电光与控制，2008，5（1）：41－46.

［4］宋银川，孙小冰，张安，等.数据链抗截获、抗干扰方法研究［J］.火力与指挥控制，2007，47（2）：75－78.

［5］马传焱.无人机测控系统抗干扰技术与应用分析［J］.飞航导弹，2006，（11）：9－11.

［6］翟利超.数据链及其对抗方法研究［J］.舰船电子对抗，2004，（12）：26－29.

［7］邓宏宇，王立夫.外军无人机数据链发展及趋势［J］.舰船电子工程，2011，（3）：15－17.

［8］李思佳，毛玉泉，郑秋容，李波.UAV数据链抗干扰的关键技术研究综述［J］.计算机应用研究，2011，28（6）：2020－2024.

［9］刘翠海.美军战术数据链的发展及作战运用［J］.电讯技术，2007，47（5）：6－10.

［10］甄云卉，路平.无人机相关技术与发展趋势［J］.兵工自动化，2009，28（1）：14－16.

［11］刘宏波，陈涛，黄向清.天气因素对Lik－16数据链网络性能影响分析［J］.计算机与数字工程，2009（12）.

［12］Paul G.Fahlstrom，Thomas J.Gleason.Introuduction to UAV systems Second Edition［M］.北京：电子工业出版社.2003：199－200.