CN101719308B

CN101719308B - 一种高抗干扰无人机遥控数据链的实现方法

Info

Publication number: CN101719308B
Application number: CN2009102371414A
Authority: CN
Inventors: 韦志棉; 杨丁; 熊小军
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2009-11-06
Filing date: 2009-11-06
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2029-11-06
Also published as: CN101719308A

Abstract

本发明公开了一种高抗干扰无人机遥控数据链的实现方法，包括发射数据和接收数据两个步骤，发射数据包括串并转换、并行的N路二进制基带信息进行多进制扩频，得到N路多进制扩频信息、数字调制、跳频序列控制跳频源产生跳频载波和数据发送。接收数据包括接收发射信号进行带通滤波、同步系统和解跳、多进制解扩、数字解调和并串转换。本发明采用多路多进制扩频技术，相对具有高信息传输的单路多进制扩频具有更高的信息传输效率；本发明采用多路多进制扩频，每一路采用不同长度，不同编码规则的扩频序列，使之有更强的抗干扰能力；本发明采用中扩频技术与跳频技术相结合，具有跳频通信方式抗窄带干扰、远近效应的能力，达到“高抗干扰”的要求。

Description

一种高抗干扰无人机遥控数据链的实现方法

技术领域

本发明涉及一种高抗干扰无人机遥控数据链的实现方法，属于通信工程领域。

背景技术

无人驾驶飞行器(UAV)，简称无人机是一种以无线电遥控或自身程序控制为主的无人驾驶飞行器，诞生于20世纪初期，但其真正兴起是在第二次世界大战之后。经过近百年的发展，无人机在军事、国民经济与科学研究等领域得到了广泛的应用。当代无人机肩负着地面监测、目标跟踪、军事打击等任务，因其自身具备体积小、灵活性强等优点，在军事、民用领域扮演着极为重要的角色。无人机数据链的性能直接决定了无人机执行任务的安全性和飞行效能，是无人机的大脑和眼睛。

无人机数据链按数据传输方向的不同可分为上行链路和下行链路。上行链路主要完成地面站至无人机的遥控指令的发送，实现飞行姿态实时控制和指挥自动化；下行链路主要完成无人机至地面站的遥测数据和红外遥感或电视侦察图像的发送以及飞行姿态、GPS跟踪定位等信息的传输。

无人机上行链路最主要的性能要求就是保密性能好和抗干扰能力强，而现阶段无人机上行链路主要采用单独的直接序列扩频技术(简称直扩)或者单独的跳频技术来实现抗干扰、抗截获的要求，但是随着电子信息技术的发展，各国电子对抗能力的提高，现阶段无人机上行链路已经暴露出很多问题：

对跳频系统而言，它是通过频率的跳变来躲避干扰，由于它没有真正意义上的扩频增益，其发射信号功率谱密度是高于噪声功率谱密度的，如果敌方的频谱仪的扫描时间小于跳频信号的驻留时间，则可以完整的显示跳频频谱。即使跳频速度较快，也可采用扫描累加方式监测跳频通信所占的频谱，由此可见对跳频通信实施监测是完全可以实现的。

对于直扩系统而言，要成功解扩就必须首先知道正确载波频率以解调，然后通过正确的伪随机码解扩，而伪随机码的种类、码长和初相等参数可以构成一个庞大的组合序列，而且这些参数可以实时程控改变，要在信号功率谱密度低于噪声功率谱密度的条件下快速捕获以上参数从而正确解密是比较困难的。因此，对直扩通信系统实施电子干扰，使其无法进行有效联络比试图解调解扩更为有效。其主要手段就是也是采用宽带干扰。由于直扩系统的伪随机码的长度总是有限的，而且其长度越长，对系统中硬件的要求就越高。在目前情况下，实际应用系统中扩频序列长度的上限为1K。当信息码速率较低时(几十kHz)，其伪随机码的频谱带宽仅为几十MHz，这对于现有的干扰设备而言是不困难的。

因此，单纯的直扩系统和跳频系统都不再能满足日益恶化的电磁环境下无人机数据链“高抗干扰”的要求。

申请号为200910081885.1，名称为一种多进制正交编码扩频的无人机数据链的实现方法的专利，公开了将二进制基带信息进扩频为多进制扩频信息，将多进制扩频信息进行数字调制，最后调制为射频发射出去的方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决现阶段无人机上行链路存在的问题，提出一种高抗干扰无人机遥控数据链的实现方法，采用直扩和跳频两种技术结合的方案，一方面通过直扩系统信号功率谱密度可低于噪声功率谱密度的特性起到保密的作用，另一方面通过跳频系统获得超大的频谱宽度，使电子干扰机无能为力，显著提高无人机数据链抗截获、抗干扰能力，并同时兼顾信息传输速率的要求，最终达到满足现代无人机作战需求。

一种高抗干扰无人机遥控数据链的实现方法，包括以下几个步骤：

步骤一：发射数据；

具体为：

1)、串并转换；

将要发射的二进制数字信息通过串并转换，得到并行的N路二进制基带信息，其中N＝2^r，r为正整数；

2)、并行的N路二进制基带信息进行多进制扩频，得到N路多进制扩频信息；

将步骤1)中得到的N路二进制基带信息中的每一路二进制基带信息分别进行多进制扩频处理，每一路二进制基带信息进行串并转换，得到一组并行码，扩频序列发生器获得一组良好自相关性，正交的扩频序列，并行码通过序列选择器选择对应的扩频序列，得到一路多进制扩频信息，最后得到N路多进制扩频信息；

3)、数字调制；

将N路多进制扩频信息进行多进制数字调制，得到中频调制信号；

4)、跳频序列控制跳频源产生跳频载波；

跳频序列组成的跳频图案控制跳频源产生跳频载波，跳频序列选择伪码序列即扩频序列；

5)、将调制信号与跳频载波经过混频器A混频产生射频信号，经过功率放大器放大信号功率后由发射天线发射出去，完成数据发送；

步骤二：接收数据；

具体为：

1)、接收发射信号，进行带通滤波；

接收天线接收到发射信号后，将发射信号经过带通滤波器滤波除杂波，得到射频信号；

2)、同步系统和解跳；

本步骤包括同步系统和解跳两部分：同步系统实现跳频同步，扩频同步和位同步，跳频同步为得到和接收到的信号相同跳变频率和相位的跳频载波，扩频同步要求能正确解扩出每组扩频序列对应的并行码，位同步为找到最佳采样点对信号进行数据采集；同步系统通过调整跳频序列，使得射频信号的频率和本地跳频源频率同步，此时射频信号与本地跳频载波信号在混频器B中混频，完成解跳，得到恢复后的中频调制信号；

3)、多进制解扩；

对得到的中频调制信号进行多进制多进制解扩，得到N路中频原始调制信号；

4)、数字解调；

对N路中频原始调制信号进行数字解调，本步为步骤一中3)数字调制的逆过程，针对数字调制中选择的调制方法，采用相应的解跳方法进行解调，最后得到N路二进制基带信息；

五)、并串转换；

将N路二进制基带信息进行并串转换，本步为步骤一中1)串并转换的逆过程，对N路二进制基带信息进行并串转换，得到二进制数字信息，完成数据接收。

本发明的优点在于：

(1)本发明采用多路多进制扩频技术，相对具有高信息传输的单路多进制扩频具有更高的信息传输效率；

(2)本发明采用多路多进制扩频，其中的每一路采用不同长度，不同编码规则的扩频序列，使之有更强的抗干扰能力，更加难以被敌方破译；

(3)本发明采用中扩频技术与跳频技术相结合，具有跳频通信方式抗窄带干扰、远近效应的能力，使得敌方的电子干扰机无法发挥作用，达到“高抗干扰”的要求；

(4)本发明的信息在无线信道的随机性更强，使得敌方难以截获或干扰无人机遥控数据链信息，确保无人机安全，可靠的完成任务。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是本发明数据链发射数据的示意图；

图3是本发明步骤二中多进制扩频的示意图；

图4是本发明数据链接收数据的示意图；

图中：

1-发射天线 2-接收天线 3-扩频序列发生器 4-序列选择器

5-混频器A 6-功率放大器 7-带通滤波器 8-混频器B

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种高抗干扰无人机遥控数据链的实现方法，流程如图1所示，包括以下两个步骤：

步骤一：发射数据；

流程如图2所示，具体包括以下步骤：

1)、串并转换；

将要发射的二进制数字信息通过串并转换，得到并行的N路二进制基带信息，其中N＝2^r，r为正整数；N的数值根据需要设定，N越大，通信系统的有效性越高但系统复杂度也越大，为避免系统过于复杂，N的值不宜取太大，通常N的取值为2。

将步骤1)中得到的N路二进制基带信息中的每一路二进制基带信息分别进行多进制扩频处理，每一路二进制基带信息的多进制扩频采用申请号为200910081885.1公开的方法，如图3所示，二进制基带信息进行串并转换，得到一组并行码，扩频序列发生器3获得多路良好自相关性，正交的扩频序列，并行码通过序列选择器4在扩频序列发生器3产生的多路扩频序列中选择其中一路，得到一路多进制扩频信息，最后得到N路多进制扩频信息。

每一路二进制基带信息的多进制扩频，可以采用不同长度，不同类型的扩频序列，扩频序列的长度越长，种类越多，该通信系统的保密性能越好，但同时增加系统复杂度，因此应该根据实际需要在系统保密性能和成本之间折中选择扩频序列的类型和长度，常用的扩频序列有m序列、Gold序列、Walsh序列、M序列等，但是由于M序列属于最长非线性移位寄存器序列，具有极大的线性复杂度、0和1的个数相同平衡性好、自相关性好等优点比较适合无人机上行数据链的要求，由于在无人机上使用要求接收机重量不易过大，系统复杂度也不易过高，所以通常选择长度为32的M序列码。

3)、数字调制；

将N路多进制扩频信息进行多进制数字调制，得到中频调制信号，数字调制方法和N的取值有关，当N取值不同时，在现有的数字调制技术中选择相应的调制方法，例如：当N＝1时，可以采用BPSK调制方法得到调制信号；当N＝2时，可以采用QPSK调制方法得到调制信号。

4)、跳频序列控制跳频源产生跳频载波；

跳频序列组成的跳频图案控制跳频源产生跳频载波，为了实现跳频源跳频无规律性，跳频序列应该选择伪码序列即扩频序列，跳频序列的选择主要考虑两点：实现复杂度、线性复杂度。本发明的方法考虑到无人机的应用背景主要考虑实现简单，跳频序列选用m序列，跳频源采用DDS直接数字合成方法实现。

5)、将调制信号与跳频载波经过混频器A5混频产生射频信号，经过功率放大器6放大信号功率后由发射天线1发射出去，完成数据发送。

步骤二：接收数据；

流程如图4所示，具体包括以下步骤：

1)、接收发射信号，进行带通滤波；

接收天线2接收到发射信号后，将发射信号经过带通滤波器滤7滤除杂波，得到射频信号。

2)、同步系统和解跳；

本步骤包括同步系统和解跳两部分：同步系统需要实现跳频同步，扩频同步和位同步，跳频同步为得到和接收到的信号相同跳变频率和相位的跳频载波，扩频同步要求能正确解扩出每组扩频序列对应的并行码，位同步为找到最佳采样点对信号进行数据采集；同步系统通过调整跳频序列，使得射频信号的频率和本地跳频源频率同步，此时射频信号与本地跳频载波信号在混频器B8中混频，完成解跳，得到恢复后的中频调制信号。

3)、多进制解扩；

对得到的中频调制信号进行多进制解扩，多进制解扩的方法有多种，本发明选用匹配滤波器解扩方法，经过解扩得到N路中频原始调制信号。

4)、数字解调；

对N路中频原始调制信号进行数字解调，本步为步骤一中3)数字调制的逆过程，针对数字调制中选择的调制方法，采用相应的解跳方法进行解调，例如：数字调制中采用QPSK则相应的解跳采用相干QPSK解调或者差分QPSK解调，最后得到N路二进制基带信息。

5)、并串转换；

Claims

1.一种高抗干扰无人机遥控数据链的实现方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

步骤一：发射数据；

具体为：

1)、串并转换；

2)、对并行的N路二进制基带信息进行多进制扩频，得到N路多进制扩频信息；

将步骤1)中得到的N路二进制基带信息中的每一路二进制基带信息分别进行多进制扩频处理，对每一路二进制基带信息进行串并转换，得到一组并行码，扩频序列发生器获得一组具有良好自相关性的正交的扩频序列，并行码通过序列选择器选择对应的扩频序列，得到一路多进制扩频信息，最后得到N路多进制扩频信息；

3)、数字调制；

4)、跳频序列控制跳频源产生跳频载波；

步骤二：接收数据；

具体为：

1)、接收发射信号，进行带通滤波；

接收天线接收到发射信号后，将发射信号经过带通滤波器滤除杂波，得到射频信号；

2)、同步系统和解跳；

本步骤包括同步系统和解跳两部分：同步系统实现跳频同步，扩频同步和位同步，跳频同步是为了得到与所接收到的信号具有相同跳变频率和相位的跳频载波，扩频同步要求能正确解扩出每组扩频序列对应的并行码，位同步是为了找到最佳采样点对信号进行数据采集；同步系统通过调整跳频序列，使得射频信号的频率和本地跳频源频率同步，此时射频信号与本地跳频载波信号在混频器B中混频，完成解跳，得到恢复后的中频调制信号；

3)、多进制解扩；

对得到的中频调制信号进行多进制解扩，得到N路中频原始调制信号；

4)、数字解调；

对N路中频原始调制信号进行数字解调，本步为步骤一中3)数字调制的逆过程，针对数字调制中选择的调制方法，采用相应的解调方法进行解调，最后得到N路二进制基带信息；

5)、并串转换；

2.根据权利要求1所述的一种高抗干扰无人机遥控数据链的实现方法，其特征在于，所述的步骤一中N的数值根据需要设定，N的取值为2。

3.根据权利要求1所述的一种高抗干扰无人机遥控数据链的实现方法，其特征在于，步骤一中所述的二进制基带信息的多进制扩频，采用不同长度，不同类型的扩频序列。

4.根据权利要求3所述的一种高抗干扰无人机遥控数据链的实现方法，其特征在于，所述的二进制基带信息的扩频序列采用长度为32的M序列码。

5.根据权利要求1所述的一种高抗干扰无人机遥控数据链的实现方法，其特征在于，步骤一中所述的数字调制，当N＝1时，采用BPSK调制方法，当N＝2时，采用QPSK调制方法。

6.根据权利要求1所述的一种高抗干扰无人机遥控数据链的实现方法，其特征在于，所述的跳频序列采用m序列，跳频源采用DDS直接数字合成方法实现。

7.根据权利要求1所述的一种高抗干扰无人机遥控数据链的实现方法，其特征在于，所述的多进制解扩采用匹配滤波器解扩方法。