CN106254009B

CN106254009B - 一种无人机数据链测试用电磁干扰信号复现系统和复现方法

Info

Publication number: CN106254009B
Application number: CN201610580167.9A
Authority: CN
Inventors: 丁文锐; 赵新涛; 刘春辉
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2016-07-21
Filing date: 2016-07-21
Publication date: 2018-08-03
Anticipated expiration: 2036-07-21
Also published as: CN106254009A

Abstract

本发明公开了一种无人机数据链测试用电磁干扰信号复现系统和复现方法，属于无人机数据链抗干扰领域。本发明所述复现系统包括任意波形发生器、数控衰减器、全向天线、频谱仪和两台个人计算机，其中一台计算机用作测试机发送干扰指令，另一台用作干扰复现机接收干扰指令并生成具体干扰波形和衰减数据。所述复现方法首先在干扰复现机选择控制模式，并根据允许范围内的干扰参数生成干扰波形；然后数控衰减器根据衰减参数对实际波形进行功率衰减，复现波形；最后由干扰复现机向测试机发送回报。本发明采用两种工作模式互补，适用于不同的控制需求；实现了电磁干扰环境的动态复现；可生成任意参数和形状的干扰波形。

Description

一种无人机数据链测试用电磁干扰信号复现系统和复现方法

技术领域

本发明属于无人机数据链抗干扰领域，具体指一种无人机数据链测试用电磁干扰信号复现系统。

背景技术

随着电子信息技术的不断发展，无人机数据链所处的电磁环境越来越复杂，充斥着各种电磁信号，主要包括通信信号、导航信号、雷达信号以及敌方恶意的干扰信号等。根据电磁信号的来源，将无人机数据链电磁环境分为自然电磁环境和人为电磁环境两类。人为电磁环境又可以分为对抗信号电磁环境和非对抗信号电磁环境。其中对抗信号电磁环境包括通信对抗电磁环境、雷达对抗电磁环境、光电对抗电磁环境等，而非对抗电磁信号环境则主要指民用方面的信号电磁环境，包括移动通信电磁环境和其他民用电磁环境。

无人机数据链起到连接无人机与地面控制中心的纽带作用，无人机数据链的通信性能直接关系到无人机系统的整体性能，而电磁环境中的干扰信号是危害无人机数据链性能的主要因素。图1为无人机数据链系统及电磁环境示意图。(a)表示无人机1和地面控制站2之间的双向通信，(b)表示人为电磁环境3对地面控制站2的干扰，(c)表示人为电磁环境3对无人机1的干扰，(d)和(e)分别表示自然电磁环境4对地面控制站2和无人机1的干扰。

作为无人机系统的主要组成部分，无人机数据链的可靠性至关重要。无人机数据链在正式投入使用前，最重要也是最基本的环节是进行数据链的安全可用性评估。目前，无人机测控数据链的可靠性必须通过无人机在真实环境里进行试飞检验。此方法耗资高、耗时长，而且对于无人机平台存在巨大的风险。如果能有一种模拟真实电磁干扰信号的系统，在人工干预下对无人机数据链进行有目的、有针对性地干扰，将极大地降低无人机数据链的可靠性测试成本。

发明内容

本发明提供一种无人机数据链测试用电磁干扰信号复现系统和复现方法，所述复现系统在已知无人机数据链所处环境干扰信息的前提下，能对无人机在动态飞行过程中数据链所受到的干扰环境进行动态模拟再现，为无人机数据链抗干扰测试提供逼真的测试环境。

本发明所述的电磁干扰信号复现系统，使用任意波形发生器、数控衰减器、全向天线、频谱仪和两台个人计算机，其中一台计算机用作测试机发送干扰指令，另一台用作干扰复现机接收干扰指令并生成具体干扰波形和衰减数据。两台计算机之间通过UDP协议发送和接收干扰指令，干扰复现机与任意波形发生器之间通过网线连接，干扰复现机与数控衰减器通过串口连接。主要控制工作在干扰复现机完成。所述任意波形发生器与频谱仪之间电缆连接，数控衰减器与全向天线之间电缆连接。

应用所述的无人机数据链测试用电磁干扰信号复现系统，进行电磁干扰信号复现，具体步骤如下：

第一步，用户在干扰复现机选择控制模式。若为本控模式，则干扰复现机接收测试机发送的干扰指令；若为分控模式，则干扰复现机手动输入干扰参数和衰减参数；

第二步，干扰复现机判断干扰参数是否在允许范围内；

第三步，生成干扰波形；

第四步，数控衰减器根据衰减参数对实际波形进行功率衰减，复现波形；

第五步，干扰复现机向测试机发送回报。

本发明的优点在于：

(1)采用计算机、任意波形发生器和数控衰减器联合工作模式，由计算机软件控制任意波形发生器进行波形生成，控制数控衰减器设置干扰功率，实现了电磁干扰信号的动态复现；

(2)采用了两种工作模式：本控和分控。本控模式下接收测试机发送的干扰指令，可实现控制过程自动化，分控模式下可手动输入干扰参数，对干扰信号进行设置。两种工作模式互补，适用于不同的控制需求；

(3)利用Matlab与任意波形发生器建立连接并计算和下载波形，可生成(一定范围内)任意参数和形状的干扰波形。

附图说明

图1是现有无人机数据链系统及电磁环境示意图；

图2是本发明的复现系统的组成示意图；

图3是本发明复现系统中干扰复现机的组成示意图；

图4是本发明复现方法流程图。

图中：

1.无人机； 2.地面控制站； 3.人为电磁环境； 4.自然电磁环境；

5.测试机； 6.干扰复现机； 7.任意波形发生器； 8.数控衰减器；

9.全向天线； 10.频谱仪。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

本发明首先提供一种无人机数据链测试用电磁干扰信号复现系统，如图2所示，所述的复现系统包括使用任意波形发生器7、数控衰减器8、全向天线9、频谱仪10和两台个人计算机，其中一台计算机用作测试机5发送干扰指令，另一台用作干扰复现机6接收干扰指令或者本地生成干扰指令，并生成具体干扰波形数据和衰减数据。所述测试机5和干扰复现机6之间通过网线连接，通过UDP协议发送和接收干扰指令，干扰复现机6与任意波形发生器7之间通过网线连接，干扰复现机6与数控衰减器8通过串口线连接，任意波形发生器7与数控衰减器8之间通过串口线连接。所述任意波形发生器7与频谱仪10之间电缆连接，数控衰减器8与全向天线9之间电缆连接。其中，任意波形发生器7根据干扰复现机6提供的干扰波形数据生成实际波形；数控衰减器8根据干扰复现机6提供的衰减系数，对任意波形发生器7生成的实际波形进行衰减，得到最终的复现干扰波形。全向天线9用于发送数控衰减器8中复现的干扰波形供于后续工作，频谱仪10用于观测任意波形发生器7中生成的实际波形。

所述的测试机5内设置有干扰指令发送模块，用于发送干扰指令给干扰复现机6。所述的干扰复现机6包括控制模式选择模块、参数显示模块、参数设置模块、波形数据产生模块、波形显示和下载模块、状态回报模块，如图3所示，用户根据测试需要在干扰复现机6的控制模式选择模块中选择本控或分控控制模式。如果是选择分控模式，由干扰复现机6中的参数设置模块设置干扰参数和衰减参数，并在参数显示模块进行提取和显示。其中干扰参数包括干扰类型、中心频率、带宽等，衰减参数包括衰减器类型及衰减值。如果是本控模式，测试机5内的干扰指令发送模块远程发送干扰指令给干扰复现机6。所述的干扰指令包括干扰参数和衰减参数。所述干扰指令通过UDP协议发送，UDP协议内容如表1所示。

表1干扰参数UDP协议内容

在本控模式下，测试机5发送的干扰指令在干扰复现机6的参数显示模块中进行提取并在界面上显示；波形数据产生模块接收参数显示模块中的干扰参数并生成相应的干扰波形；波形显示和下载模块根据干扰波形绘制仿真波形，并为用户显示；同时，将干扰波形下载至任意波形发生器7，在任意波形发生器7中生成实际波形；状态回报模块在仿真波形成功生成以及干扰波形下载后，向测试机5发送状态回报，测试机5可根据回报状态进行下一步操作。

以上模块中，干扰指令发送模块、控制模式选择模块、参数显示模块、参数设置模块采用C++程序实现，所述的波形显示和下载模块采用C++程序和Matlab程序实现，波形数据产生模块由Matlab后台完成。

本发明还提供一种应用所述的复现系统进行电磁干扰信号的复现方法，如图4所示流程，所述复现方法具体步骤如下：

第一步，用户在干扰复现机6选择控制模式。

若为本控模式，则测试机5根据表1所示的UDP协议内容发送干扰指令给干扰复现机6。所述的干扰指令包括干扰参数和衰减参数。

若为分控模式，干扰复现机6停止接收来自测试机5的干扰指令，在干扰复现机6手动选择干扰类型并设置干扰参数和衰减参数。其中干扰参数决定信号波形形状，衰减参数决定干扰信号功率。

对于不同的干扰类型，需发送或设置不同的干扰参数：对于单音干扰，干扰参数为中心频率f₀；对于多音干扰，干扰参数为中心频率f₀和带宽B，考虑到干扰复现机6和任意信号发生器的运算处理能力，单音间隔设定为0.5MHz；对于移动通信基站干扰，设定其为QAM16调制方式，干扰参数为中心频率f₀和带宽B；对于集群通信基站干扰，设定其为QAM4调制方式，干扰参数为中心频率f₀和带宽B；对于广播电视信号干扰，设定其为OFDM调制方式，干扰参数为系统频率f₀′和载波偏置f_c，过采样率设置为8，FFT长度设置为64；对于雷达信号干扰，设定其脉冲形状为升余弦脉冲，干扰参数为中心频率f₀和带宽B，其中脉冲宽度设置为2ms，重复间隔为8ms，上升时间和下降时间均为20ns。

对于不同的信号波段，需发送不同的衰减器类型指令。本发明主要针对于UHF波段(500MHz～700MHz)和C波段(4GHz～5GHz)，故所需选择的衰减器类型有两种，衰减值设定在0dB～30dB之间，步进0.5dB。衰减参数协议内容如表2所示。

表2衰减参数协议内容

第二步，参数显示模块提取和显示干扰参数。

参数显示模块首先判断干扰参数是否在允许范围内，如果是，对干扰参数进行显示并转第三步，否则，转第一步重新设置或接收干扰参数。判定方法如下：

对于干扰参数，若干扰类型为单音干扰，则其中心频率应在500MHz～700MHz或4GHz～5GHz之间；若干扰类型为多音干扰，则其中心频率应在500MHz～700MHz或4GHz～5GHz之间，带宽应在1MHz～50MHz之间；若干扰类型为移动通信基站干扰，则其中心频率应在500MHz～700MHz或4GHz～5GHz之间，带宽应在10MHz～70MHz之间；若干扰类型为集群通信基站干扰，则其中心频率应在500MHz～700MHz或4GHz～5GHz之间，带宽应在1MHz～10MHz之间；若干扰类型为广播电视信号干扰，则其系统频率应在500MHz～700MHz之间，载波偏置应在10MHz～20MHz之间；若干扰类型为雷达干扰，则其中心频率应在4GHz～5GHz之间，带宽应在1MHz～5MHz之间。对于衰减参数，中心频率小于1GHz时衰减器类型应为UHF衰减，中心频率大于4GHz时衰减器类型应为C衰减；衰减值应在0dB～30dB之间，且为0.5的整数倍。

第三步，生成干扰波形；

干扰复现机将接收到或设置的(在允许范围之内的)干扰参数发送给波形数据产生模块，波形数据产生模块根据接收或设置的干扰参数和干扰类型，调用不同的波形函数，计算干扰波形数据，生成干扰波形。所述的干扰波形发送到波形显示和下载模块中，所述的波形显示和下载模块根据干扰波形绘制仿真波形并进行显示，同时将所述的干扰波形下载至任意波形发生器7用于产生实际波形，并通过串口线发送给数控衰减器8。

第四步，数控衰减器根据衰减参数进行功率衰减；

干扰复现机6中的衰减参数通过RS232串口协议下发至相应的数控衰减器8，对实际波形进行衰减，得到最终复现的干扰波形。对于UHF波段(500MHz～700MHz)选择U衰减器，对于C波段(4GHz～5GHz)选择C衰减器，衰减值设定在0dB～30dB之间，步进0.5dB。

第五步，复现波形，向测试机5发送回报。

若干扰波形生成且下载成功，干扰复现机6中的状态回报模块向测试机5发送状态成功回报；若干扰波形生成失败或下载失败，干扰复现机6中的状态回报模块向测试机5发送状态失败回报，系统暂停。

用多音干扰、集群通信基站干扰和雷达干扰进行波形复现测试，其中多音干扰中心频率为4.5GHz，带宽为5MHz，单音间隔为0.5MHz，单音数目为10；集群通信基站干扰中心频率为4.5GHz，带宽为10MHz；雷达干扰中心频率为4.5GHz，带宽为5MHz。经测试，复现的干扰信号与仿真所绘的信号波形基本一致。

Claims

1.一种无人机数据链测试用电磁干扰信号复现系统，其特征在于：所述的复现系统包括任意波形发生器、数控衰减器、全向天线、频谱仪和两台个人计算机，其中一台计算机用作测试机发送干扰指令，另一台用作干扰复现机接收干扰指令并生成具体干扰波形和衰减数据；两台计算机之间通过UDP协议发送和接收干扰指令，干扰复现机与任意波形发生器之间通过网线连接，干扰复现机与数控衰减器通过串口连接；所述任意波形发生器与频谱仪之间电缆连接，数控衰减器与全向天线之间电缆连接；

所述的干扰复现机包括控制模式选择模块、参数显示模块、参数设置模块、波形数据产生模块、波形显示和下载模块、状态回报模块，用户根据测试需要在干扰复现机的控制模式选择模块中选择本控或分控控制模式；如果是选择分控模式，由干扰复现机中的参数设置模块设置干扰参数和衰减参数，并在参数显示模块进行提取和显示；如果是本控模式，测试机内的干扰指令发送模块远程发送干扰指令给干扰复现机，在参数显示模块中进行提取并在界面上显示；波形数据产生模块接收参数显示模块中的干扰参数并生成相应的干扰波形；波形显示和下载模块根据干扰波形绘制仿真波形，并为用户显示；同时，将干扰波形下载至任意波形发生器，在任意波形发生器中生成实际波形；状态回报模块向测试机发送状态回报。

2.一种无人机数据链测试用电磁干扰信号复现方法，其特征在于：包括如下步骤，

第一步，用户在干扰复现机选择控制模式，若为本控模式，则干扰复现机接收测试机发送的干扰指令；若为分控模式，则干扰复现机手动选择干扰类型并设置干扰参数和衰减参数；所述的干扰指令包括干扰参数和衰减参数；

第二步，干扰复现机判断干扰参数是否在允许范围内；如果是，对干扰参数进行显示并转第三步，否则，转第一步重新设置或接收干扰参数；

第三步，干扰复现机中的波形数据产生模块根据接收或设置的干扰参数和干扰类型，调用不同的波形函数，计算干扰波形数据，生成干扰波形；所述的干扰波形发送到波形显示和下载模块中，所述的波形显示和下载模块根据干扰波形绘制仿真波形并进行显示，同时将所述的干扰波形下载至任意波形发生器用于产生实际波形，并通过串口线发送给数控衰减器；

第五步，干扰复现机向测试机发送回报，若干扰波形生成且下载成功，干扰复现机中的状态回报模块向测试机发送状态成功回报；若干扰波形生成失败或下载失败，干扰复现机中的状态回报模块向测试机发送状态失败回报，系统暂停。

3.根据权利要求2所述的一种无人机数据链测试用电磁干扰信号复现方法，其特征在于：第一步中所述的干扰参数，对于不同的干扰类型，需发送或设置不同的干扰参数，具体为：对于单音干扰，干扰参数为中心频率f₀；对于多音干扰，干扰参数为中心频率f₀和带宽B，单音间隔设定为0.5MHz；对于移动通信基站干扰，设定其为QAM16调制方式，干扰参数为中心频率f₀和带宽B；对于集群通信基站干扰，设定其为QAM4调制方式，干扰参数为中心频率f₀和带宽B；对于广播电视信号干扰，设定其为OFDM调制方式，干扰参数为系统频率f₀′和载波偏置f_c，过采样率设置为8，FFT长度设置为64；对于雷达信号干扰，设定其脉冲形状为升余弦脉冲，干扰参数为中心频率f₀和带宽B，其中脉冲宽度设置为2ms，重复间隔为8ms，上升时间和下降时间均为20ns；

所述的衰减参数设定在0dB～30dB之间，步进0.5dB。