CN109217947B - 测试数据链设备辐射信号被截获概率性能的方法及装置 - Google Patents

测试数据链设备辐射信号被截获概率性能的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种测试数据链设备辐射信号被截获概率的方法，旨在提供一种抗干扰能力强，测试效率高，测试结果可信度高的被截获概率测试方法。本发明通过下述技术方案予以实现：场景模拟系统首先编辑全任务周期的通信场景，生成本次测试的任务脚本；射频管理系统加载任务脚本，真实模拟场景的全任务周期过程，对数据链设备及配试端机进行动态规划，对侦收测试系统进行动态管理；数据链设备及配试端机开机，数据链天线采取隐蔽通信模式，向空间发射射频信号；连接侦收测试系统的侦察天线接收数据链设备辐射信号，侦收测试系统完成对试验数据录取、处理和结果评估任务，测试全任务周期条件下数据链设备辐射信号的被截获概率。

Description

测试数据链设备辐射信号被截获概率性能的方法及装置
技术领域
本发明涉及一种适用于微波暗室环境下测量数据链设备辐射信号被截获概率的方法，用于评估数据链隐蔽通信模式下的低截获概率(Lowprobabilityofintercept,LPI)性能。
背景技术
数据链采用无线或有线通信设备和数据通信规程建立数据通信网络，是一种按规定的消息格式和通信协议，传输处理格式化数字信息的通信系统。广义地讲，所有传递数据的通信均称为数据链，数据链基本上是一种在各个用户间，依据共同的通信协议，使用自动化的无线电(或有线电)收发设备传递、交换负载数据信息的通信链路。而狭义地讲，则可引用美国防部对战术数据链下的定义：数据链是用于传输机器可读的数据信息的标准通信链路。数据链作为重要的射频传感器，为了降低被对方无线电侦收系统截获的威胁，现有体制广泛采用了多种LPI技术措施，如自动功率控制、定向通信等，以达到对抗无线电侦收系统的目的，降低数据链在时间、频率、空间、能量等域的被截获概率。数据链设备辐射信号被截获概率的测试，为数据链隐蔽通信提供LPI性能检测与评估的手段，为指导和改进数据链LPI 技术措施提供参考和依据。通过试验测试得到的数据具有真实性和代表性，能够反映数据链不同LPI技术措施的有效性。在数据链设备辐射信号被截获概率的测试过程中，测试方需要解决以下几个主要的技术问题：分析反映数据链LPI性能的关键技术，数据链LPI性能受到各种LPI技术措施的制约，不同的措施有相应的性能；分析测试数据链LPI性能的影响因素，测试受到诸多环境因素的影响，同一数据链设备采用相同的LPI技术措施，在不同的测试环境中得到的LPI性能是不同的；分析对比数据链设备采取LPI技术措施前后的性能差异，对数据链LPI性能的各项指标研究相应的测试方法，是评估数据链LPI性能的基础。
随着数据链网络技术的不断发展，网络规模不断扩大，数据链大规模使用，国内外都正在积极研制新一代数据链网络。数据链性能测试的仿真工作量巨大，需要深入研究数据链通信协议，需要实现数据链系统的仿真设计，还需要实现数据链网络性能测试的仿真设计，故本发明采用在微波暗室环境下，以数据链实体接入的方式进行数据链设备辐射信号被截获概率的测试。目前关于如何在微波暗室环境下对数据链设备辐射信号被截获概率进行测试，在国内外现有文献资料中，尚未看到明确的测试方法和详细的评估流程。尽管在隐蔽通信设备性能测试方面有相应的国家标准，但无法直接借用。隐蔽通信相关标准仅规定了跳频信号的实验室有线注入试验方法，但这一标准在试验环境、试验步骤和数据处理方法上均存在一定的不足，具有一定的局限性。例如：(1)考虑的信号形式比较单一，仅考虑了跳频信号，无法适用于复杂的数据链真实的发射信号；(2)试验过程要求跳频信号源和被测接收机有线连接，因此仅能通过信号频率测量值满足测频误差的要求测试对数据链信号的频域截获；(3) 试验过程未要求跳频设备维持正常的通信功能，也未采取发射功率控制等通信管控，难以准确评估设备的LPI性能。另外，在实际微波暗室测试环境下，数据链设备辐射信号被截获概率的测试需应对诸多新问题：(1)数据链设备辐射信号如何模拟在真实空中试飞场景中的通信管控问题。从指标上看，实际的截获距离远远超过微波暗室尺寸，微波暗室中不能模拟临界的进入和退出过程。从被试设备来说，数据链设备在微波暗室中是静态布局，距离、角度等难以实现大动态变化，不能触发自动功率控制、定向通信等隐蔽通信措施。(2)在满足通信任务性能的前提下，场景模拟系统需要营造数据链设备的进入和退出过程，侦收测试系统在此动态过程中达到临界截获状态，测试得到数据链设备辐射信号被截获概率。
任何无线电侦收系统都是一样，其接收机和解调器都是针对感兴趣信号进行的最佳设计。在数据链设备辐射信号被截获概率的测试试验中，数据链设备是动态测试过程中的被试设备，配试端机是保证数据链设备维持正常通信功能的装置，测试的目的是评估被测数据链设备的LPI性能，暴露数据链设备的LPI性能缺陷。关于数据链设备LPI性能的评估问题，一方面，国内外现有文献资料中，缺乏详细、成熟的数据链设备辐射信号被截获概率测试方法；另一方面，空中试飞测试的高成本也给测试工作带来了巨大的挑战。因此，在微波暗室环境下，给出数据链设备辐射信号被截获概率的测试方法，是现阶段数据链设备LPI性能评估工作中亟待解决的关键问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的不足之处，提供一种抗干扰能力强，测试效率高，测试结果可信度高，适用于微波暗室环境下测试数据链设备辐射信号被截获概率的方法及装置。
本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种测试数据链设备辐射信号被截获概率的方法，其特征在于包括如下步骤：在微波暗室内布置侦收测试系统、连接数据链天线 1的数据链设备以及连接数据链天线2的配试端机，连接侦收测试系统的侦察天线接收数据链设备辐射信号；场景模拟系统首先编辑全任务周期的通信场景，生成本次测试的任务脚本；射频管理系统加载任务脚本，真实模拟场景的全任务周期过程，对数据链设备及配试端机的辐射时间、频率范围、覆盖空域、发射功率、波形选择和极化使用等进行动态规划，对侦收测试系统的开机时间、频率范围、空域覆盖、扫描方式等进行动态管理；数据链设备及配试端机开机，数据链天线采取隐蔽通信模式，向空间发射射频信号；连接侦收测试系统的侦察天线接收数据链设备辐射信号，侦收测试系统完成对试验数据录取、处理和结果评估任务，测试全任务周期条件下数据链设备辐射信号的被截获概率。
本发明具有如下有益效果：
1、抗干扰能力强。本发明在微波暗室内布置侦收测试系统、连接数据链天线1的数据链设备以及连接数据链天线2的配试端机，数据链天线向空间发射射频信号，连接侦收测试系统的侦察天线接收数据链设备辐射信号。这种微波暗室射频信号的收发，测试数据不易受测试环境影响。利用侦收测试系统测试数据链设备辐射信号被截获概率适用于数据链采取、不采取隐蔽通信模式的测试流程，隐蔽通信模式使得数据链设备辐射信号在传输过程中具有 LPI特性、很强的抗突发干扰和抗随机干扰的能力。试验时，数据链设备、配试端机以及侦收测试系统均以实体方式进入暗室，采用空间发射和空间接收方式，改善了系统抗多径干扰的能力，具有不受外界条件干扰的优点。
2、测试效率高。本发明采用射频管理系统加载任务脚本，真实模拟场景的全任务周期过程，对数据链设备及配试端机的辐射时间、频率范围、覆盖空域、发射功率、波形选择和极化使用等进行动态规划，对侦收测试系统的开机时间、频率范围、空域覆盖、扫描方式等进行动态管理；系统实现了数据链LPI性能的自动测试，大大提高了测试效率。侦收测试系统完成对试验数据录取、处理和结果评估任务，可以定量评估数据链设备的LPI水平，保障数据链系统各任务阶段LPI性能的测试和评定。系统能够自动测试不同类型的数据链装备，达到自动、高效、可靠的目标，可方便地应用于多种型号数据链系统被截获概率性能指标测试，对于指导和改进数据链设备的LPI技术来说，具有重要意义。
3、测试结果可信度高。本发明在测试数据链系统各任务阶段LPI性能的过程中，避免了人为因素影响，保证数据链设备辐射信号被截获概率分析的准确性，测试结果可信度高。场景模拟系统能够快速方便地设计复杂的陆、海、空、天各项任务场景，能规划场景中所有实体的航线路径，能产生实体的位置和姿态数据，获取时间和坐标系统，并模拟数据链设备及配试端机在不同高度下，不同云、雨等自然环境条件下的电磁传输及损耗特性。高可信度的测试结果可以对数据链LPI性能水平进行定量考核，也可以为空中试飞试验提供大量的观测样本，利于试飞场景的优化设计，达到减少无效架次、节约试验成本的目的。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的测试数据链设备辐射信号被截获概率的测试场景示意图。
图2是本发明的通信管控流程图。
图3是本发明的侦收管控流程图。
具体实施方式
参阅图1。在微波暗室测试场景中，数据链设备辐射信号被截获概率测试主要由四大系统共同配合完成，分别是数据链设备及配试端机、场景模拟系统、射频管理系统以及侦收测试系统。测试数据链设备辐射信号被截获概率的装置，包括：布置在微波暗室内连接侦察天线的可变衰减器、连接可变衰减器的侦收测试系统、连接数据链天线1的数据链设备以及连接数据链天线2的配试端机，射频管理系统串联场景模拟系统，场景模拟系统产生的任务场景通过射频管理系统将发射功率、覆盖空域分路送入数据链设备和配试端机，并将衰减量通过可变衰减器送入侦收测试系统；连接数据链天线1的数据链设备以及连接数据链天线2 的配试端机建立通信，侦收测试系统通过侦察天线接收数据链设备辐射信号，测试其在全任务周期条件下的被截获概率。
在试验开始前，场景模拟系统编辑全任务周期的通信场景，规定本次通信双方的通信模式、类型和部署位置等特征，同时确定侦收测试系统的能力、部署位置等特征，生成本次测试的任务脚本；在试验开始时，侦收测试系统、连接数据链天线1的数据链设备以及连接数据链天线2的配试端机均以实体方式进入微波暗室，数据链天线向空间发射射频信号，连接侦收测试系统的侦察天线接收数据链设备辐射信号；射频管理系统加载任务脚本，真实模拟场景的全任务周期过程，全任务周期指数据链工作的全周期，包括初始建网阶段、跟踪组网阶段、断网阶段以及重入网阶段。射频管理系统对数据链设备及配试端机的辐射时间、频率范围、覆盖空域、发射功率、波形选择和极化使用等进行动态规划，对侦收测试系统的开机时间、频率范围、空域覆盖、扫描方式等进行动态管理；在试验过程中，数据链设备及配试端机的数据链天线和发射机开机，采取隐蔽通信模式，侦收测试系统完成对试验数据录取、处理和结果评估任务，测试全任务周期条件下数据链设备辐射信号的被截获概率。
整个测试数据链设备辐射信号被截获概率的过程分为场景模拟、通信管控、侦收管控、截获概率统计分析等四个措施。
在场景模拟中，场景模拟系统构建全任务周期数据链通信双方的任务场景，任务场景包括飞行高度，飞行姿态，通信双方位置，自然环境等。
在通信管控中，射频管理系统根据场景模拟系统输入的通信双方位置和姿态等信息，依据通信管控算法，输出功控量以及波束指向，通过功控量和波束指向控制数据链设备及配试端机的发射功率和覆盖空域。
在侦收管控中，侦收测试系统的灵敏度随可变衰减器的等效衰减量等效变化，根据接收信号强度，完成信号检波。
在截获概率统计分析中，统计数据链通信双方在全任务周期条件下，数据链设备辐射信号被截获时间，进而计算被截获概率。
下面结合图2，详细说明通信管控过程。
步骤201，射频管理系统首先根据场景模拟系统的通信双方经纬高＜γi λi hi＞，运用如下坐标转换方程，计算在大地直角坐标系下的数据链设备和配试端机坐标点[xi,yi,zi]、位置矢量[x,y,z]和通信距离RC。
坐标转换方程：
Figure DEST_PATH_BDA0001743328070000051
Figure GDA0002606166880000052
Figure GDA0002606166880000055
其中，γi表示数据链设备或配试端机的经度，λi表示数据链设备或配试端机的纬度，hi表示数据链设备或配试端机的高度，RNi表示数据链设备或配试端机所在点卯酉圈地球曲率半径，i＝0,1分别表示数据链设备和配试端机即“0”表示数据链设备，“1”表示配试端机， e1表示地球第一偏心率。
步骤202，射频管理系统将通信距离RC代入如下链路方程，得到在通信距离RC上满足能够通信的发射功率Pt(RC)。
链路方程：Ptmin(RC)＝-Gt-Grt+Le+Th+10lg10(Rb)+20lg10(f)+20lg10(RC)-196.2
Figure GDA0002606166880000053
Pt(RC)＝Ptmax-ΔP
其中，Pt为数据链设备的发射功率，Gt为数据链设备的发射天线增益，Grt为品质因数， Le为自然环境衰减量，Th为解调门限，Rb为传输速率，f为信号频率，ΔP为功率控制量，Ptmax为数据链设备的最大发射功率，ΔPt为功率控制步进。
步骤203，射频管理系统根据数据链设备的经纬高＜γ0λ0h0＞和姿态角(ψ,θ,φ)，计算由大地直角坐标系到机体直角坐标系的旋转矩阵：
Figure GDA0002606166880000054
Figure GDA0002606166880000061
Figure GDA0002606166880000062
式中，γ0为数据链设备的经度，λ0为数据链设备的纬度，h0为数据链设备的高度，ψ为数据链设备的偏航角，θ为数据链设备的俯仰角，φ为数据链设备的横滚角。
步骤204，射频管理系统将配试端机相对数据链设备的位置矢量[x,y,z]转换到机体直角坐标系下，确定配试端机相对数据链设备的角度，输出数据链设备的覆盖空域，
Figure GDA0002606166880000063
俯仰角：
Figure GDA0002606166880000064
方位角：β＝tan-1(yb,xb)
侦收管控。射频管理系统根据场景模拟系统编辑的侦收双方的位置和自然环境，计算自然环境衰减和自由空间衰减，输出衰减码，通过衰减码控制可变衰减器，等效调节侦收测试系统灵敏度。
下面结合图3，详细说明侦收管控过程。
步骤301，射频管理系统首先根据场景模拟系统的侦收双方的位置计算侦收距离RI。
步骤302，然后射频管理系统根据侦察天线与数据链天线之间的试验距离R1、侦收距离RI以及场景模拟系统编辑的自然环境，计算自然环境衰减和自由空间衰减，生成等效衰减量Lr1。试验中，数据链设备的发射功率Pt没有标定，但可假定等效试验中，发射功率Pt和侦收测试系统的各种固有参数保持恒定。在数据链侦收链路中，侦收测试系统灵敏度δ为
δ＝Pt+Gt-32.4-20log10(f)-20log10(RI)-αRI+Gr-Lr
式中，Pt为数据链设备的发射功率，Gt为数据链设备的发射天线增益，f为信号频率， RI为侦收距离，α为大气衰减因子，Gr为接收天线增益，Lr为可变衰减器的衰减量。
因为等效试验中灵敏度δ保持恒定，有α·R1+20log10(R1)+Lr1＝α·RI+20log10(RI)+Lr
代入侦察天线与数据链天线之间的试验距离R1，大气衰减因子α，侦收距离RI，在计算等效衰减量Lr1时，Lr＝0。由此可得等效衰减量Lr1
Lr1＝α·RI+20log10(RI)-α·R1-20log10(R1)
步骤303，射频管理系统依据等效衰减量，控制可变衰减器，等效调节侦收测试系统灵敏度达到临界截获状态。侦收测试系统根据接收信号强度，依据灵敏度，完成信号检波。
截获概率统计分析。侦收测试系统统计数据链设备辐射信号的被截获时间，进而计算被截获概率。场景模拟系统构建全任务周期数据链通信双方的任务场景，记本方数据链设备的辐射时间为N个节拍，全任务周期中数据链设备持续辐射，在第i个节拍其被侦收测试系统j截获的概率为Wj(i)，则数据链设备辐射信号被截获概率p为
Figure GDA0002606166880000071
式中，L表示侦收测试系统的数量，N为自然数。
本发明中符号的说明：以Pt为例。Pt为数据链设备的发射功率，其中的下标t并无特殊含义，只是取英文单词发射“transmit”的首字母，以此来说明，符号Pt表示的是发射功率，区别于接收功率。其余符号的上下标也是出于相同的考虑，进行相应的设置。
本说明书中公开的所有特征或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。本说明书，包括任何附加权利要求、摘要和附图中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其它等效或具有类似目的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

Claims (10)

1.一种测试数据链设备辐射信号被截获概率的方法，其特征在于包括如下步骤：在微波暗室内布置侦收测试系统、连接数据链天线1的数据链设备以及连接数据链天线2的配试端机，连接侦收测试系统的侦察天线接收数据链设备辐射信号；场景模拟系统首先编辑全任务周期的通信场景，生成本次测试的任务脚本；射频管理系统加载任务脚本，真实模拟场景的全任务周期过程，对数据链设备及配试端机的辐射时间、频率范围、覆盖空域、发射功率、波形选择和极化使用进行动态规划，对侦收测试系统的开机时间、频率范围、空域覆盖和扫描方式进行动态管理；数据链设备及配试端机开机，数据链天线采取隐蔽通信模式，向空间发射射频信号；连接侦收测试系统的侦察天线接收数据链设备辐射信号，侦收测试系统完成对试验数据录取、处理和结果评估任务，测试全任务周期条件下数据链设备辐射信号的被截获概率。
2.如权利要求1所述的测试数据链设备辐射信号被截获概率的方法，其特征在于：测试数据链设备辐射信号被截获概率的过程分为场景模拟、通信管控、侦收管控、截获概率统计分析四个措施。
3.如权利要求1所述的测试数据链设备辐射信号被截获概率的方法，其特征在于：在场景模拟中，场景模拟系统构建全任务周期数据链通信双方的任务场景，任务场景包括飞行高度、飞行姿态、通信双方位置和自然环境。
4.如权利要求1所述的测试数据链设备辐射信号被截获概率的方法，其特征在于：在通信管控中，射频管理系统根据场景模拟系统输入的通信双方位置和姿态信息，依据通信管控算法，输出功控量以及波束指向，通过功控量和波束指向控制数据链设备及配试端机的发射功率和覆盖空域。
5.如权利要求1所述的测试数据链设备辐射信号被截获概率的方法，其特征在于：在侦收管控中，侦收测试系统的灵敏度随可变衰减器的效衰减量等效变化，根据接收信号强度完成信号检波；在截获概率统计分析中，统计数据链通信双方在全任务周期条件下，数据链设备辐射信号的被截获时间，进而计算被截获概率。
6.如权利要求1所述的测试数据链设备辐射信号被截获概率的方法，其特征在于：射频管理系统首先根据场景模拟系统的通信双方经纬高＜γi λi hi＞，运用如下坐标转换方程，计算在大地直角坐标系下的数据链设备和配试端机坐标点[xi,yi,zi]、位置矢量[x,y,z]和通信距离RC，坐标转换方程：
Figure FDA0002606166870000021
Figure FDA0002606166870000022
Figure FDA0002606166870000023
其中，γi表示数据链设备或配试端机的经度，λi表示数据链设备或配试端机的纬度，hi表示数据链设备或配试端机的高度，
Figure FDA0002606166870000024
表示数据链设备或配试端机所在点卯酉圈地球曲率半径，i＝0,1分别表示数据链设备和配试端机,即“0”表示数据链设备，“1”表示配试端机，e1表示地球第一偏心率。
7.如权利要求1所述的测试数据链设备辐射信号被截获概率的方法，其特征在于：射频管理系统将通信距离RC代入如下链路方程，得到在通信距离RC上满足能够通信的发射功率Pt(RC)，链路方程：
Ptmin(RC)＝-Gt-Grt+Le+Th+10lg10(Rb)+20lg10(f)+20lg10(RC)-196.2
Figure FDA0002606166870000025
Pt(RC)＝Ptmax-ΔP
其中，Pt为数据链设备的发射功率，Gt为数据链设备的发射天线增益，Grt为品质因数，Le为自然环境衰减量，Th为解调门限，Rb为传输速率，f为信号频率，ΔP为功率控制量，Ptmax为数据链设备的最大发射功率，ΔPt为功率控制步进。
8.如权利要求1所述的测试数据链设备辐射信号被截获概率的方法，其特征在于：射频管理系统根据数据链设备的经纬高和姿态角，计算由大地直角坐标系到机体直角坐标系的旋转矩阵；将配试端机相对数据链设备的位置矢量[x,y,z]转换到机体直角坐标系下，确定配试端机相对数据链设备的角度，输出数据链设备的覆盖空域。
9.如权利要求1所述的测试数据链设备辐射信号被截获概率的方法，其特征在于：射频管理系统根据场景模拟系统编辑的侦收双方的位置和自然环境，计算自然环境衰减和自由空间衰减，输出衰减码，通过衰减码控制可变衰减器，等效调节侦收测试系统灵敏度；根据场景模拟系统的侦收双方的位置计算侦收距离RI，然后根据侦察天线与数据链天线之间的试验距离R1、侦收距离RI以及场景模拟系统编辑的自然环境，计算自然环境衰减和自由空间衰减，生成等效衰减量Lr1。
10.一种测试数据链设备辐射信号被截获概率的装置，包括：布置在微波暗室内连接侦察天线的可变衰减器、连接可变衰减器的侦收测试系统、连接数据链天线1的数据链设备以及连接数据链天线2的配试端机，其特征在于：射频管理系统串联场景模拟系统，场景模拟系统产生的任务场景通过射频管理系统将发射功率、覆盖空域分路送入数据链设备和配试端机，并将衰减量通过可变衰减器送入侦收测试系统；连接数据链天线1的数据链设备以及连接数据链天线2的配试端机建立通信，侦收测试系统通过侦察天线接收数据链设备辐射信号，测试其在全任务周期条件下的被截获概率。
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