CN108768449A - 飞行器抗干扰测控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种飞行器抗干扰测控系统，旨在提供一种复杂度要求较低，抗干扰性能优越的测控干扰系统。本发明通过下述技术方案予以实现：自适应调零天线将n路扩跳频信号分别送给n个跳频信道，在控制模块产生的基带跳频图案的控制下，完成本振频率的跳变和下变频，将下变频后的n路扩跳频信号送往地面测控设备中的捕获模块进行同步控制，捕获模块根据同步结果对上述基带跳频图案进行控制，运用扩跳算法跳频同步为n路解跳之后的直扩信号被送往自适应调零处理模块，自适应调零处理模块结合自适应调零算法，对干扰方向进行零陷处理为一路直扩信号，并送往测控模块完成数据测距、解扩和解调，提取双向测距、遥测及数传信息，通过扩频增益获得干扰抑制能力。

Description

飞行器抗干扰测控系统

技术领域

本发明涉及一种测控领域飞行器抗干扰测控系统。

背景技术

随着无线电技术、信号处理技术、计算机技术及空间飞行技术等高新技术迅速发展，飞行器测控系统成为完成飞行器的测距、跟踪、遥控及测速等任务的重要工具。当前，飞行器测控系统主要由传统的地基测控系统和新型的天基测控系统组成。飞行器测控系统是执行飞行器测控任务的重要组成部分,其主要功能是对飞行器进行实时跟踪、测量与控制。由于测控系统的重要性，干扰与抗干扰技术一直贯穿于测控系统的发展历程之中。高速飞行器快速、抖动以及突变的飞行特性和复杂的电磁环境都给波束跟踪带来了很大的困难。测控系统在使用中存在着大量的干扰源,严重影响了系统运行的可靠性。测控与信息传输系统(简称测控系统)。飞行器测控系统是一种无线电通信系统，随着干扰技术的不断发展,日益恶化的空间电磁环境对航天测控系统构成了巨大的安全威胁。除受到内部无线电工作信号、其它民用信号意外干扰外，开放式的空间无线链路是主要的薄弱环节，不可避免会受到截获和恶意干扰与攻击。信息化大量使用电子信息装备，不仅数量庞大、体制复杂、种类多样，而且功率大，在激烈对抗条件下所产生的多类型、全频谱、高密度的电磁辐射信号，以及已方大量使用电子设备引起的相互影响和干扰，造成在电磁信号时域上突发多变、频域上拥挤重叠、空域上纵横交错。复杂电磁环境的成因之一便是强针对性的有意干扰形式，利用专门的电子设备或装置发射电磁干扰信号，能干扰、破坏电子系统的正常工作。而现有机载干扰设备往往都具有千瓦级以上的干扰功率。电子干扰的频段不断发展、干扰功率不断提高，从长波、短波发展到毫米波。有源电子干扰技术的干扰频率范围已达到0.5～25GHz以上，干扰功率达上百千瓦，脉冲峰值功率可达兆瓦级以上。电子干扰的方式、手段趋于多样化。星载、机载、舰载和车载电子设备应有尽有，有源和无源相结合，压制式和欺骗式干扰并举。

测控系统由地面测控站和安装在飞行器上的飞行器数据终端组成。测控系统主要通过三个方面来提高其抗干扰性能:改善基本参数提高抗干扰性能，如提高发射机率、天线增益、工作频率等；改进工作体制提高抗干扰性能，如采用直接扩频、跳频扩频、混合扩频等工作体制；应用多种技术提高抗干扰性能，如采用自适应调零、自适应编码、脉冲压缩等技术。未来飞行器系统一般工作在复杂电磁环境下，各用户对飞行器系统的抗干扰反控制能力提出了更高的要求。测控系统处于干扰频繁的恶劣环境中。如果干扰侵入系统测量单元模拟信号的输人通道上，叠加在有用信号之上，这会使采集产生误差，如果有用信号比较微弱，那么干扰就更加严重。这些干扰会影响系统的测控精度以及数据传输正确率，降低系统的可靠性,甚至导致系统的运行混乱。

通常飞行器测控系统主要采用扩频测控系统原理，在一个特定的空间中，有N个需要被测控的飞行设备，其中天线由M个阵元组成，每个阵元都可以接收和传送N个飞行设备上的测控信号。下行的测控信号是由阵元接收后通过环形器和信道，并且经过同步检波后，再通过数字化解扩处理得到M个下行测控信号。对M个解扩器的同一飞行器目标的数据信号进行加权、求和运算，再经过DBF处理，通过改变加权因子的方式，得到最优的输出信噪比，最后利用解调器进行解调操作，即得到各个飞行设备的下行测控数据。目前，采用统一载波测控系统来实现航天事业的测距、测角、测速、通信及遥测等功能，原理是频分复用技术。该技术通过一套信道、一副天线，在一个载波上对多个副载波进行调制，达到控制通信信号的目的。统一载波测控系统存不足之处在于：(1)测距精度难以提高。统一载波测控系统的测距精度一般为20-30m，通过较高频率的侧音才能提高测距精度，使得设备的复杂性大大提高。而飞行设备上采用的窄带滤波器的时延稳定性不好，对提高测距也会造成影响。 (2)抗干扰能力差。统一载波测控系统虽然能够满足多种航天测控功能，但是不能同时进行遥控和测距功能。另外，当测控多个飞行器时，其信号易相互干扰，影响测控效果。(3) 多目标测控难度大。当需要对多个目标进行测控时，统一载波测控系统只能采用频分方法，使得频率的选择复杂性和难度大大提高。

目前，飞行器测控系统通常采用扩频体制来对抗干扰。但不同的扩频体制各有其优点和局限性。测控体制由于测控信号的频谱密度低,具有较好的抗干扰、抗截获性能但是,尤其是随着低截获性信号检测技术的不断发展,尤其是周期平稳随机过程数学模型及谱相关理论的提出,使得直接序列扩频测控系统面临着严重的威胁。信号的快速捕获是扩频体制的关键,尤其是载体与地面站处于高速相对运动中,引起严重的多普,接收机必须同时对信号进行时域(码相位和频域)多普勒频移在码相位域内信号将因频率响应的滚降特性而受到严重的衰,永远截获不到信号。此外，为进一步提高测控系统抗侦收、抗截获、抗干扰能力，还通过更复杂的扩频、宽带扩频、跳时、跳频，以及扩频-跳频、扩频-跳时组合等新体制来完成。伪码直接序列扩频体制由于测控信号的频谱密度低，具有较好的抗干扰、抗截获性能，在工程中应用越来越普遍，在国外研究比较热门的还有超宽带扩频技术，其特点有隐蔽性好、穿透能力强、扩频增益高、抗多径、传输率极高、系统容量大、便于组网、定位精度高等，易将定位与通信合一。另外采用性能更强的扩频码以及组合扩频体制已经成为抗干扰测控系统的发展趋势。相比单一扩频，组合扩频可以把各种扩频方式的优点结合起来，提供更强的抗干扰性能。其中，跳频直扩组合扩频体制是组合式扩频的代表，已经在通信领域得到了广泛应用，由于以数据通信为主，不具备测距、测速功能，更不具备高精度测量的能力，一般主要采用匹配滤波的方式解扩，而不用锁相环、扩频码环等高精度测量技术。

对于瞄准式干扰、宽带大功率干扰等，常常会使接收机饱和或过载。飞行器飞行高度高，飞行距离远，天线波束宽度宽，容易受到地面干扰源的干扰，因此可以在飞行器载设备的天线上采取措施来抗干扰、抗饱和、抗过载。通过降低天线旁瓣，减少信号处理的处理损耗以及采用开环自适应干扰对消方式的数字波束形成方法，使飞行器载接收天线在系统控制下，自动鉴定电子对抗的环境，利用先进的变频和干扰调零等技术，自动进行抗干扰。空域干扰抑制技术主要指通过设计天线波束图，使其在干扰方向有很深的零点，若干扰方向变化，零点方向能随干扰方向而变化，即通过自适应旁瓣对消技术实现对空域干扰的抑制。

上述现有技术的不足之处在于：

一是抗干扰的能力有限。单一的扩频、跳频或扩跳结合的抗干扰体制，其抗干扰能力与扩跳频带宽和数据速率有关系，要想提高抗干扰能力就需要提高扩频或跳频的带宽，对设备复杂度要求较高，而随着数据速率的增加，扩频增益会降低，因此其抗干扰能力是有限的。

二是抗干扰的种类有限。扩跳频抗干扰体制对抗单频干扰的效果最优，自适应调零方法对抗宽带干扰信号较有优势。因此，单一从信号体制方面或空域上采取抗干扰措施，其对抗干扰的种类是有局限性的。

下行传输速率的不断提高和各种干扰形式的出现，既要考虑设备不被阻塞，又要考虑系统的测控性能不受影响，现有的抗干扰方式逐渐不能满足测控系统对综合抗干扰性能的要求。

发明内容

本发明针对测控系统恶劣、复杂的工作环境，为克服现有测控系统抗干扰方法的不足之处，提供一种对设备复杂度要求较低，抗干扰能力强，抗干扰性能优越的测控干扰系统。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到。一种飞行器抗干扰测控系统，包括地面测控设备，扩跳频终端，其特征在于：在地面测控设备对合作目标测控的过程中，扩跳频终端向合作目标发送上行测控信号，合作目标收到上行测控信号后向地面测控设备发送下行扩跳频信号，地面测控设备通过自适应调零天线的n个天线阵元接收下行扩跳频信号，自适应调零天线根据外部信号环境的变化自动地调整天线阵中各个阵元的加权系数，形成调零天线阵的方向图，在干扰来向形成零陷，并将n路扩跳频信号分别送给n个跳频信道，n路扩跳频信号在控制模块产生的基带跳频图案的控制下，完成本振频率的跳变和下变频，将下变频后的n路扩跳频信号送往地面测控设备中的捕获模块进行同步控制，捕获模块根据同步结果对上述基带跳频图案进行控制，运用扩跳算法跳频同步为n路解跳之后的直扩信号被送往自适应调零处理模块，自适应调零处理模块结合自适应调零算法，对干扰方向进行零陷处理为一路直扩信号，该直扩信号被送往测控模块完成解扩、测距和数据解调，提取出双向测距、遥测及数传信息，通过扩频增益获得干扰抑制能力。

本发明相比现有技术具有如下有益效果：

复杂度要求较低。本发明充分结合空域和频域特性，扩跳频终端向合作目标发送上行测控信号，合作目标收到上行测控信号后向地面测控设备发送下行扩跳频信号，地面测控设备通过自适应调零天线的n个天线阵元接收下行扩跳频信号，实现各种强干扰下环境的精确测控，不需要提高扩频或跳频的带宽提高抗干扰能力，对设备复杂度要求较低。抗干扰能力强。本发明将下变频后的n路扩跳频信号送往地面测控设备中的捕获模块进行同步控制，捕获模块根据同步结果对上述基带跳频图案进行控制，同时可完成对多个飞行器的跟踪定位，实现多个飞行器的测控与信息传输任务，提高了地面测控站的抗多径衰落性能；通过将扩跳频的信号体制与自适应调零的空域抗干扰方式相结合，扩跳频终端向合作目标发送上行测控信号，合作目标收到上行测控信号后向地面测控设备发送下行扩跳频信号，地面测控设备通过可以在空域上实现自适滤波的自适应调零天线阵元接收下行扩跳频信号，实现复杂干扰环境下的高精度测控，在干扰情况下保证和提高了系统的可靠性、安全性及其抗干扰能力，增强了系统容错能力。自适应调零天线根据外部信号环境的变化自动地调整天线阵中各个阵元的加权系数，形成调零天线阵的方向图，在有用信号增益不受影响的同时，使得在干扰来向形成零陷，即将主瓣对准有用信号，零陷方向对准干扰信号，从而减小干扰信号进入接收机的功率，提高信号干扰噪声比，进一步通过解扩和解跳获得扩频增益，起到空域与扩频增益叠加的抑制干扰的作用，。

抗干扰性能优越。本发明将下变频后的n路扩跳频信号送往地面测控设备中的捕获模块进行同步控制，捕获模块根据同步结果对上述基带跳频图案进行控制，运用扩跳算法跳频同步为n路解跳之后的直扩信号被送往自适应调零处理模块，自适应调零处理模块结合自适应调零算法，对干扰方向进行零陷处理为一路直扩信号，该直扩信号被送往测控模块完成解扩、测距和数据解调，提取出双向测距、遥测及数传信息，这种扩跳频结合自适应调零，将现有扩跳算法和自适应调零算法相结合，有效地从空域和频域提高了系统的抗干扰性能。扩跳频结合自适应阵列天线系统的自适应调零，能够根据目标信号到天线阵列的入射角通过改变加权矢量来对天线方向图进行修正，同时在干扰信号方向形成零陷在目标信号方向形成主波束，并且主波束能够根据信号波达方向的不断改变实时进行调整，时刻保持将主波束对准目标信号方向，从方向图上等效来看就相当于在天线阵的方向图中产生对着干扰源方向的零点，增加抗干扰的性能。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本方法做进一步说明。

图1是本发明飞行器抗干扰测控系统原理示意图。

具体实施方式

参阅图1。在以下描述的实施例中，一种飞行器抗干扰测控系统，包括地面测控设备，扩跳频终端。在地面测控设备对合作目标测控的过程中，地面测控设备扩跳频终端向合作目标发送上行测控信号，向合作目标发送上行测控信号，合作目标收到上行测控信号后向地面测控设备发送下行扩跳频信号，地面测控设备通过自适应调零天线的n个天线阵元接收下行扩跳频信号，自适应调零天线根据外部信号环境的变化自动地调整天线阵中各个阵元的加权系数，形成调零天线阵的方向图，在干扰来向形成零陷，并将n路扩跳频信号分别送给n个跳频信道，n路扩跳频信号在控制模块产生的基带跳频图案的控制下，完成本振频率的跳变，将下变频后的n路扩跳频信号送往地面测控设备中的捕获模块进行同步控制，捕获模块根据同步结果对上述基带跳频图案进行控制，运用扩跳算法跳频同步为n路解跳之后的直扩信号被送往自适应调零处理模块，自适应调零处理模块结合自适应调零算法，对干扰方向进行零陷处理为一路直扩信号，该直扩信号被送往测控模块完成解扩、测距和数据解调，提取出双向测距、遥测及数传信息，通过扩频增益获得干扰抑制能力。n为自然数，n由自适应调零天线阵元数确定。

由地面测控设备完成对合作目标的测控，实现双向测距、遥控、遥测及数传。其中涉及到信号的处理流程、捕获处理、跳频的控制等要求。

在地面测控设备对合作目标测控的过程中，首先，地面测控设备扩跳频终端向合作目标发送上行扩跳频测控信号，合作目标接收上行扩跳频测控信号，由于该上行信号的发送和接收过程可通过成熟方法实现，此处不详述。合作目标收到上行测控信号后，通过相干或非相干转发的方式发送下行测控信号，下行测控信号体制为扩跳频，下行信号加调遥测及数传信息数据。然后，地面测控设备自适应调零天线接收下行测控信号，自适应调零天线的数量n由自适应调零算法采用的阵元数量决定，其布阵方式也由算法确定。n个自适应调零天线收到的n路下行测控信号送到n个跳频信道完成下变频，跳频信道在扩跳频终端的控制模块跳频图案的控制下完成本振频率的跳变。自适应调零天线产生的n路中频信号先送往捕获模块，对扩跳频信号进行捕获，实现扩跳频信号的同步，若扩跳频信号的跳频序列已同步，此时，测控模块通过跳频增益获得第一级干扰抑制能力。捕获模块控制跳频序列同步之后，通过跳频信道送出已解跳的中频直扩信号，若跳频序列未同步，跳频信道送出的中频信号仍为扩跳频信号，由终端控制模块继续调整跳频同步控制。随后，捕获模块将n路直扩信号送到自适应调零处理模块，由自适应调零模块完成干扰方向的零陷处理，测控模块在此处，通过空域干扰抑制获得第二级干扰抑制能力。适应调零模块完成自适应调零处理后的信号为一路直扩信号，送往测控模块完成解扩、数据解调、帧同步，提取双向测距、遥测及数传信息，测控模块在此处，通过扩频增益获得第三级干扰抑制能力。测控模块将上述三级干扰抑制能力直接叠加获得系统总的抗干扰能力。

具体步骤为：地面测控设备扩跳频终端发送上行扩跳频测控信号，合作目标接收上行扩跳频测控信号后以相干或非相干转发方式发送下行扩跳频信号；地面测控设备的n个自适应调零天线接收并将n路下行扩跳频信号分别送给地面n个对应的跳频信道；地面跳频信道在跳频图案控制下实现下行扩跳频信号的下变频，经下变频后的n路下行中频信号送往地面测控设备的捕获模块，捕获模块实现扩跳频信号的捕获，以此推动跳频图案的控制；捕获模块完成信号同步后，将n路直扩信号送往自适应调零处理模块进行干扰方向零陷处理；自适应调零处理模块处理后的一路直扩信号送往测控模块完成解扩、数据解调、帧同步，实现双向测距、遥测及数传信息提取。

以上是向熟悉本发明领域的工程技术人员提供的对本发明及其实施方案的描述，这些描述应被视为是说明性的，而非限定性的。工程技术人员可据此发明权利要求书中的思想做具体的操作实施，在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。上述这些都应被视为本发明的涉及范围。

Claims (9)

1.一种飞行器抗干扰测控系统，包括地面测控设备，扩跳频终端，其特征在于：在地面测控设备对合作目标测控的过程中，扩跳频终端向合作目标发送上行测控信号，合作目标收到上行测控信号后向地面测控设备发送下行扩跳频信号，地面测控设备通过自适应调零天线的n个天线阵元接收下行扩跳频信号，自适应调零天线根据外部信号环境的变化自动地调整天线阵中各个阵元的加权系数，形成调零天线阵的方向图，在干扰来向形成零陷，并将n路扩跳频信号分别送给n个跳频信道，n路扩跳频信号在控制模块产生的基带跳频图案的控制下，完成本振频率的跳变和下变频，将下变频后的n路扩跳频信号送往地面测控设备中的捕获模块进行同步控制，捕获模块根据同步结果对上述基带跳频图案进行控制，运用扩跳算法跳频同步为n路解跳之后的直扩信号被送往自适应调零处理模块，自适应调零处理模块结合自适应调零算法，对干扰方向进行零陷处理为一路直扩信号，该直扩信号被送往测控模块完成解扩、测距和数据解调，提取出双向测距、遥测及数传信息，通过扩频增益获得干扰抑制能力。

2.如权利要求1所述的飞行器抗干扰测控系统，其特征在于：合作目标收到上行测控信号后，通过相干或非相干转发的方式发送下行测控信号，下行测控信号体制为扩跳频，下行信号加调遥测及数传信息数据。

3.如权利要求1所述的飞行器抗干扰测控系统，其特征在于：自适应调零天线的数量n由自适应调零算法采用的阵元数量决定，其布阵方式也由算法确定。

4.如权利要求1所述的飞行器抗干扰测控系统，其特征在于：n个自适应调零天线收到的n路下行测控信号送到n个跳频信道完成下变频，跳频信道在扩跳频终端的控制模块跳频图案的控制下完成本振频率的跳变。

5.如权利要求1所述的飞行器抗干扰测控系统，其特征在于：捕获模块控制跳频序列同步之后，通过跳频信道送出已解跳的中频直扩信号，若跳频序列未同步，跳频信道送出的中频信号仍为扩跳频信号，由终端控制模块继续调整跳频同步控制。

6.如权利要求4所述的飞行器抗干扰测控系统，其特征在于：自适应调零天线产生的n路中频信号先送往捕获模块，对扩跳频信号进行捕获，实现扩跳频信号的同步，若扩跳频信号的跳频序列已同步，此时，测控模块通过跳频增益获得第一级干扰抑制能力。

7.如权利要求1所述的飞行器抗干扰测控系统，其特征在于：捕获模块将n路直扩信号送到自适应调零处理模块，由自适应调零模块完成干扰方向的零陷处理，测控模块在此处，通过空域干扰抑制获得第二级干扰抑制能力。

8.如权利要求1所述的飞行器抗干扰测控系统，其特征在于：适应调零模块完成自适应调零处理后的信号为一路直扩信号，送往测控模块完成解扩、数据解调、帧同步，提取双向测距、遥测及数传信息，测控模块在此处，通过扩频增益获得第三级干扰抑制能力。

9.如权利要求6-8所述的飞行器抗干扰测控系统，其特征在于：测控模块将三干扰抑制能力直接叠加获得测控抗干扰系统总的抗干扰能力。