CN105515684B - 基于自主干扰检测和实时信道分配的数据链抗干扰方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自主干扰检测和实时信道分配的低延时数据链抗干扰方法，针对用于导弹捕控操作的数据链系统在低延时传输和抗干扰处理之间存在的矛盾，通过接收设备自主进行信道干扰检测和评估，并自主选择可用信道，提高数据链系统抗干扰能力。接收设备按照设定的扫频时间依次对各个信道进行多次采样、统计、评估，根据干扰判决条件给出信道实时可用性，当寻找到可用信道后，通过指令控制发射端和接收端的工作频率快速切换到目标信道。本发明使低延时数据链系统在系统层面规避干扰，降低了设备抗干扰处理的复杂度和成本，系统抗干扰能力得到显著提升。

Description

基于自主干扰检测和实时信道分配的数据链抗干扰方法

技术领域

本发明涉及一种基于自主干扰检测和实时信道分配的低延时数据链抗干扰方法，属于通信技术领域，特别是导弹数据链技术领域。

背景技术

导弹数据链系统作为导弹与地面发控指挥系统，以及导弹与导弹之间通信的桥梁，需要具有高实时性和高可用性的特点。尤其在战场复杂电磁环境中，数据链系统的抗干扰性能直接影响到武器装备效能的发挥。

国内导弹数据链系统起步较晚，比较广泛的应用是在图像制导导弹系统中实现导弹与指控站之间的导引图像和捕控指令双向传输。

目前导弹数据链存在两种典型技术，一种是采用模拟体制传输，突出信息的实时性，尤其是图像信号，没有数字采样压缩引入的延时，模拟传输的实时性强。但是，模拟传输在复杂电磁环境适应性和干扰对抗方面存在明显的技术手段不足，抗干扰性能差。第二种是采用数字体制，通过信道编译码和扩、跳频技术进行基带信号处理，提高信号的抗干扰能力。但是，扩、跳频系统是一个自扰系统，在用户数较多时需要耗用更多的频率资源；扩频系统具有远近效应，数据链系统需要引入复杂的功率控制策略；跳频系统需要有用户间时间同步系统以减少系统自扰。同时，数字信号处理引入的延时可能是导弹控制系统难以接受的，视频图像压缩/解压缩耗时甚至达到数百毫秒。构建高实时性和具有抗干扰能力的导弹数据链系统始终是研究人员努力的方向。

通信抗干扰的技术手段比较多，包括频域、时域、空域、数字域等方面。对于导弹数据链系统，受平台尺寸、数据实时性等因素制约，时分、天线调零等很多技术难以在导弹数据链系统中应用。

在干扰信号存在的情况下，信号能否正常工作主要取决于有用信号的电平与干扰电平的对比。这种对比有两类：一类是有用信号与背景干扰电平的对比，另一类是有用信号与单一的或多个同频或邻频信号的对比。背景干扰的频谱都是连续的宽频带的，单个或多个同频或邻频干扰信号的频谱是脉冲式的或窄频带的(相对于噪声干扰)。在目前存在的方法中，解决背景干扰的办法是加大有用信号的功率或大频段的回避。解决单一或多个同频或邻频干扰除了加大有用信号的功率和频率回避的方法外，也可通过改善天线辐射的方向性、延长干扰与被干扰信号的距离、改变调制方法、运用不同的极化和时间的分割等方法解决。

目前抗干扰的方法大多数在设备和信号层面上，侧重于“抗”，而侧重于“避”的抗干扰方式目前国内外并没有相关介绍，回避干扰的捷变频方法主要用于雷达平台上，在数据链系统中应用较少。自适应信道分配的方法大多是通信双方根据预先设定好的规则和干扰检测结果，确定出信道分配表，很难满足实时性和低延时要求。

在国家知识产权局和欧洲专利局网状搜索到“一种在无线通信系统中进行干扰抑制的设备及方法”的专利，该专利通过对上行噪声和干扰进行检测，根据检测结果判断是否存在干扰，如果存在干扰，则基站自动调节自身的接收灵敏度，通过基站的闭环功率控制，调整终端的发射功率，提高系统的干扰抑制能力。该方法与本发明有显著不同。除此之外，并未发现其他相关专利。

发明内容

本发明的方法解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于自主干扰检测和实时信道分配的低延时数据链抗干扰方法，本发明通过系统冗余信道设置、信道检测和干扰判别、实时信道分配、弹/地工作频率实时设定，实现系统自主规避受扰信道，通信双方在可用信道快速建立通信，提升数据链系统抗干扰能力。

本发明的方法解决方案是：

基于自主干扰检测和实时信道分配的数据链抗干扰方法，包括步骤如下：

(1)数据链地面设备上电后，数据链返向链路默认工作在返向链路的第一信道，数据链地面设备中的干扰下变频模块将第一信道的信号下变频到干扰检测频率，干扰检测模块对第一信道中的频谱进行采样分析；

(2)判断步骤(1)中干扰检测模块的采样分析，若分析结果为“无干扰”时，干扰检测模块向地面设备中数据综合处理模块发送“此信道可用”，数据链返向链路工作在“无干扰”第一信道上，并进入步骤(4)；若分析结果为“有干扰”时，则进入步骤(3)；

(3)干扰检测模块向数据综合处理模块发送“此信道不可用”，数据综合处理模块产生频率控制指令，将干扰下变频模块的工作频率设置为第二信道，干扰检测模块继续采样分析当前时刻的信道频谱状况，若第二信道仍为“有干扰”，则向数据综合处理模块发送“此信道不可用”，数据综合处理模块继续调整干扰下变频模块的工作频率，对下一个信道进行频谱检测，直到被检测的信道为“无干扰”，干扰检测模块向数据处理模块发送“此信道可用”；

(4)数据综合处理模块将数据返向链路中的图像下变频模块工作频率设置为“无干扰”信道频率，同时数据综合处理模块生成返向链路工作信道的指令，并通过数据链前向链路向弹载设备发送该指令，弹载设备根据该指令后将弹载设备返向信道切换到该“无干扰”信道，数据链返向链路工作在“无干扰”信道上；

(5)数据综合处理模块然后将干扰下变频模块工作频率设置为下一个信道，以步骤(3)记载的方式检测出下一个“无干扰”信道，作为备用“无干扰”信道，干扰检测模块实时对备用信道进行频谱检测，以确保该信道实时可用，若发现备用信道出现干扰，则继续对后面的信道进行检测，当检测完最后一个信道后，将从第一个信道开始重新评估备用信道。

干扰检测模块的具体实现方式如下：

(a)干扰检测模块对每个信道的频谱检测时间为T，在时间T内，干扰检测模块按照设定的扫频时间对当前检测信道的通带进行反复不间断采样统计，每扫描一遍通带，按照单载波干扰判决条件和窄带干扰判决条件给出信道实时可用性并记录；

单载波干扰判决条件和窄带干扰判决条件为：单载波判决门限：干扰信号电平大于等于-20dBm，窄带干扰判决门限：干扰信号电平大于等于-40dBm；

(b)4s信道采样统计结束后，干扰检测模块对记录的N个采用采样结果进行综合评估，综合评估原则如下：

在N次采样结果中，连续不可用次数大于5％N时，信道不可用，所述连续为采样序号连续；

在N次采样结果中，离散不可用次数大于10％N时，信道不可用，所述离散为采样序号不连续。

数据链返向链路工作信道的切换时间小于等于15ms，以保证信道切换的实时性和通信的连续性。

本发明增加操控手，用于干预返向信道的选择，在返向信道工作过程中，若出现图像受干扰现象，操控手通过设置数据链返向链路的信道，控制返向链路直接跳转至备用的“无干扰”信道。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明通过系统冗余信道设置、信道检测和干扰判别、实时信道分配、弹/地工作频率实时设定，实现系统自主规避受扰信道，通信双方在可用信道快速建立通信，提升数据链系统抗干扰能力，增加数据传输的可靠性。

(2)本发明针对低延时数据链抗干扰问题，将数据链返向链路频率资源划分为M+N个信道，其中M为实际用户数，N为备用信道数。在任务执行过程中，数据链地面设备依次对M+N个信道中的电磁频谱状况进行检测和分析，自主为用户分配无干扰信道，允许系统存在的带宽受扰，改变了现有数据链用户在固定信道中与干扰进行信号对抗的现状，使数据链在系统层面规避干扰，不引入信号抗干扰处理延时，在满足系统传输低延时的条件下，有效的提高系统抗干扰能力。

(3)本发明采用宽带频率综合技术实现信道实时分配，确保数据链系统的低延时特性。弹载设备发射上变频本振、地面设备干扰下变频本振和图像下变频本振均采用宽带频率综合器，实现输出频率快速切换。宽带频率综合器频率切换时间一般在微秒量级，满足地面设备信道切换的实时性要求；数据链地面设备向弹载设备发送信道控制命令到弹载设备解调出控制指令需要约10ms，弹载设备完成信道切换时间为微秒量级，因此，数据链整个返向信道切换总时间仅为十几毫秒，保证了返向信道切换的实时性，提高了时效性和整个系统的工作效率。(4)本发明通过干扰检测、信道分配，达到规避干扰的目的，不在信号层面与干扰进行对抗，回避了直序扩频系统远近效应和跳频系统时间同步问题，同时降低了设备抗干扰处理的技术复杂度和设备成本。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为本发明数据链弹载设备原理示意图；

图3为本发明地面设备原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

本发明为了提高低延时数据链系统抗干扰能力，将返向链路频率资源划分为M+N个信道，其中M为实际用户数，N为备用信道数。在任务执行过程中，地面设备依次对M+N个信道中的电磁频谱状况进行检测和分析，选择没有干扰的信道进行通信。地面设备将已确认的信道控制指令通过前向链路发送给弹载设备，对弹载数据链设备返向工作信道进行装订。

如图1所示，基于自主干扰检测和实时信道分配的数据链抗干扰方法，包括步骤如下：

(1)数据链地面设备上电后，数据链返向链路默认工作在返向链路的第一信道，数据链地面设备中的干扰下变频模块将第一信道的信号下变频到干扰检测频率，干扰检测模块对第一信道中的频谱进行采样分析；

(2)判断步骤(1)中干扰检测模块的采样分析，若分析结果为“无干扰”时，干扰检测模块向地面设备中数据综合处理模块发送“此信道可用”，数据链返向链路工作在“无干扰”第一信道上，并进入步骤(4)；若分析结果为“有干扰”时，则进入步骤(3)；

(3)干扰检测模块向数据综合处理模块发送“此信道不可用”，数据综合处理模块产生频率控制指令，将干扰下变频模块的工作频率设置为第二信道，干扰检测模块继续采样分析当前时刻的信道频谱状况，若第二信道仍为“有干扰”，则向数据综合处理模块发送“此信道不可用”，数据综合处理模块继续调整干扰下变频模块的工作频率，对下一个信道进行频谱检测，直到被检测的信道为“无干扰”，干扰检测模块向数据处理模块发送“此信道可用”；

(4)数据综合处理模块将数据返向链路中的图像下变频模块工作频率设置为“无干扰”信道频率，同时数据综合处理模块生成返向链路工作信道的指令，并通过数据链前向链路向弹载设备发送该指令，弹载设备根据该指令后将弹载设备返向信道切换到该“无干扰”信道，数据链返向链路工作在“无干扰”信道上；

(5)数据综合处理模块然后将干扰下变频模块工作频率设置为下一个信道，以步骤(3)记载的方式检测出下一个“无干扰”信道，作为备用“无干扰”信道，干扰检测模块实时对备用信道进行频谱检测，以确保该信道实时可用，若发现备用信道出现干扰，则继续对后面的信道进行检测，当检测完最后一个信道后，将从第一个信道开始重新评估信道。

干扰检测模块的具体实现方式如下：

(a)干扰检测模块对每个信道的频谱检测时间为T，在时间T内，干扰检测模块按照设定的扫频时间对当前检测信道的通带进行反复不间断采样统计，每扫描一遍通带，按照单载波干扰判决条件和窄带干扰判决条件给出信道实时可用性并记录；

单载波干扰判决条件和窄带干扰判决条件为：单载波判决门限：干扰信号电平大于等于-20dBm，窄带干扰判决门限：干扰信号电平大于等于-40dBm；

(b)4s信道采样统计结束后，干扰检测模块对记录的采样结果进行综合评估，综合评估原则如下：

在采样结果中，连续不可用次数大于5％N时，信道不可用，所述连续为采样序号连续，例如第一次采样和第二次采样均满足单载波干扰判决条件和窄带干扰判决条件，则认为这是两次连续不可用；

在采样结果中，离散不可用次数大于10％N时，信道不可用，所述离散为采样序号不连续，例如第一次采样和第三次采样均满足单载波干扰判决条件和窄带干扰判决条件，则认为这是两次离散不可用。

数据链返向链路工作信道的切换时间小于等于15ms，以保证信道切换的实时性和通信的连续性。

本发明增加操控手，用于干预返向信道的选择，在返向信道工作过程中，若出现图像受干扰现象，操控手通过设置数据链返向链路的信道，控制返向链路直接跳转至备用的“无干扰”信道。

下面结合一个具体实施例对本发明做进一步说明：

如图2、3所示，数据链弹载设备原理示意图，如图3所示，地面设备原理示意图。

1)数据链返向图像采用模拟视频体制调频传输(图像数据经过低噪声放大器、图像下变频、图像滤波以及图像解调处理以后输出视频模拟信号)，前向指令采用直序扩频，QPSK调制传输(经过编码调制、指令上变频和功率放大处理后，经收发双工器和收发天线发送至弹载设备)。其中，本发明采用宽带频率综合器作为干扰下变模块的本振和图像下变模块的本振。信道切换时间取决于宽带频率综合器收到频率控制指令后，锁相环的锁定时间，一般在微秒量级。从地面设备向导弹发送频率控制命令到导弹解调出控制指令需要约10ms，数据链弹载设备从收到信道切换指令到信道切换完成时间为微秒量级。模拟传输体制只要收发载波对准，即可实时解调，不存在载波捕获、帧同步等时间消耗。因此，本技术的信道切换时间不超过15ms，保证了信道切换的实时性和通信的连续性。

2)数据链系统返向链路设计20个信道，每个信道带宽为20MHz，可承载1路视频调频信号，信道间隔5MHz，12枚导弹采用频分多址占用12个信道，8个信道作为抗干扰冗余信道。

3)数据链系统前向链路设计2个信道，每个信道带宽为20MHz，每个信道可以承载6路直序扩频/QPSK调制信号，6路信号之间采用码分多址，信道间隔10MHz。扩频信号具有抗干扰处理能力，不再设置冗余信道。

4)系统可容纳12个用户，每个用户预分配了前向频率和编码。前向链路具有抗干扰性能，既作为地面指控站对导弹控制的指令传输链路，也作为数据链地面设备对弹载设备返向链路参数装订的通信链路。

5)12个用户返向链路同时工作时，数据链地面设备通过声表面波图像滤波器对相邻信道进行抑制，以消除本系统用户之间的互扰。

6)每个用户预分配1个返向信道，数据链地面设备加电后，即对预分配的返向信道进行干扰检测，检测结果如果该信道无干扰，则该用户在既定的返向信道上通信。检测结果如果该信道有干扰，则数据链地面设备首先在备份信道中依次进行干扰检测，以选择一个可用的信道作为该用户的返向信道。如果在备份信道中没有找到可用信道，则在主信道中依次检测可用信道。导弹数据链的工作时间略长于导弹飞行时间，只要12个用户不是严格的同步使用，主信道总会存在空闲信道。当数据链地面设备确定了可用信道后，将信道控制指令通过前向链路传送给数据链弹载设备，数据链弹载设备在前向链路接收解调控制指令，并对返向链路进行装订。如果在备份信道和主信道中均未找到可用信道，则表明频率资源受干扰程度超出了数据链系统抗干扰能力。数据链地面设备将重新开始循环检测20个返向信道，直到获得符合判据的可用信道或由人工设定信道，中止检测。

数据综合处理模块生成返向链路工作信道的指令，并通过数据链前向链路向弹载设备发送该指令，弹载设备根据该指令将弹载设备返向信道切换到该“无干扰”信道，数据链返向链路工作在“无干扰”信道上。弹载设备通过收发天线和收发双工器接收数据综合处理模块发送的指令，并经过滤波限幅、低噪声放大和下变频处理得到基带信号，该信号在经过数字下变频、解扩解调、信道译码处理，处理后的信号一路发送给弹上计算机，一路经过遥控指令和电压转换发送给上变频，上变频单元根据数据综合处理模块选定的信道的频率，进行弹载发送信号的频率控制，弹载发送信号来自导引头，经过视频调制、上变频、输出滤波、功率放大和输出滤波处理，处理后的信号再经过收发天线和收发双工器，发送至地面设备。

操控手可以干预数据链系统返向信道的选择，可通过操控台软件设置数据链返向链路的信道频率，操控手设置的优先级高于自主频率规划。在返向信道工作过程中，如果出现图像受干扰现象，操控手可以通过操控台软件控制数据链返向链路直接跳转至备用的“无干扰”信道。备用的“无干扰”信道被使用后，干扰检测流程被重新启动，直到寻找到新的备用“无干扰”信道。

系统12个用户动态使用20个返向信道，允许非使用带宽占返向总带宽的比为即只要干扰带宽不超过返向链路总带宽的40％，则数据链系统能够正常工作。当干扰带宽占返向带宽50％时，系统仍有83％的用户可正常工作。本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.基于自主干扰检测和实时信道分配的数据链抗干扰方法，其特征在于步骤如下：

(1)数据链地面设备上电后，数据链返向链路默认工作在返向链路的第一信道，数据链地面设备中的干扰下变频模块将第一信道的信号下变频到干扰检测频率，干扰检测模块对第一信道中的频谱进行采样分析；

(2)判断步骤(1)中干扰检测模块的采样分析，若分析结果为“无干扰”时，干扰检测模块向地面设备中数据综合处理模块发送“此信道可用”，数据链返向链路工作在“无干扰”第一信道上，并进入步骤(4)；若分析结果为“有干扰”时，则进入步骤(3)；

(3)干扰检测模块向数据综合处理模块发送“此信道不可用”，数据综合处理模块产生频率控制指令，将干扰下变频模块的工作频率设置为第二信道，干扰检测模块继续采样分析当前时刻的信道频谱状况，若第二信道仍为“有干扰”，则向数据综合处理模块发送“此信道不可用”，数据综合处理模块继续调整干扰下变频模块的工作频率，对下一个信道进行频谱检测，直到被检测的信道为“无干扰”，干扰检测模块向数据处理模块发送“此信道可用”；

(4)数据综合处理模块将数据返向链路中的图像下变频模块工作频率设置为“无干扰”信道频率，同时数据综合处理模块生成返向链路工作信道的指令，并通过数据链前向链路向弹载设备发送该指令，弹载设备根据该指令将弹载设备返向信道切换到该“无干扰”信道，数据链返向链路工作在“无干扰”信道上；

(5)数据综合处理模块然后将干扰下变频模块工作频率设置为下一个信道，干扰检测模块继续采样分析当前时刻的信道频谱状况，若该信道仍为“有干扰”，则向数据综合处理模块发送“此信道不可用”，数据综合处理模块继续调整干扰下变频模块的工作频率，对下一个信道进行频谱检测，直到被检测的信道为“无干扰”，检测出下一个“无干扰”信道，作为备用“无干扰”信道，干扰检测模块实时对备用信道进行频谱检测，以确保该信道实时可用，若发现备用信道出现干扰，则继续对后面的信道进行检测，当检测完最后一个信道后，将从第一个信道开始重新评估信道。

2.根据权利要求1所述的基于自主干扰检测和实时信道分配的数据链抗干扰方法，其特征在于：所述干扰检测模块的具体实现方式如下：

(a)干扰检测模块对每个信道的频谱检测时间为T，在时间T内，干扰检测模块按照设定的扫频时间对当前检测信道的通带进行反复不间断采样统计，每扫描一遍通带，按照单载波干扰判决条件和窄带干扰判决条件给出信道实时可用性并记录；

单载波干扰判决条件和窄带干扰判决条件为：单载波判决门限：干扰信号电平大于等于-20dBm，窄带干扰判决门限：干扰信号电平大于等于-40dBm；

(b)4s信道采样统计结束后，干扰检测模块对记录的N个采样结果进行综合评估，综合评估原则如下：

在N次采样结果中，连续不可用次数大于5％N时，信道不可用，所述连续为采样序号连续；

在N次采样结果中，离散不可用次数大于10％N时，信道不可用，所述离散为采样序号不连续。

3.根据权利要求1所述的基于自主干扰检测和实时信道分配的数据链抗干扰方法，其特征在于：所述数据链返向链路工作信道的切换时间小于等于15ms，以保证信道切换的实时性和通信的连续性。

4.根据权利要求1所述的基于自主干扰检测和实时信道分配的数据链抗干扰方法，其特征还在于：增加操控手，用于干预返向信道的选择，在返向信道工作过程中，若出现图像受干扰现象，操控手通过设置数据链返向链路的信道，控制返向链路直接跳转至备用的“无干扰”信道。

5.根据权利要求1所述的基于自主干扰检测和实时信道分配的数据链抗干扰方法，其特征还在于：可将数据链返向链路频率资源划分为M+N个信道，其中M为实际用户数，N为备用信道数。