CN110572180B

CN110572180B - 一种无人机抗干扰数据链系统

Info

Publication number: CN110572180B
Application number: CN201910704203.1A
Authority: CN
Inventors: 李辉; 闫朝星; 李响; 付林罡
Original assignee: Beijing Research Institute of Telemetry; Aerospace Long March Launch Vehicle Technology Co Ltd
Current assignee: Beijing Research Institute of Telemetry; Aerospace Long March Launch Vehicle Technology Co Ltd
Priority date: 2019-07-31
Filing date: 2019-07-31
Publication date: 2021-10-01
Anticipated expiration: 2039-07-31
Also published as: CN110572180A

Abstract

本发明涉及一种无人机抗干扰数据链系统，该系统在无人机机载数据链终端和无人机数据链地面站上，通过收发信道抗干扰设计，增加数控滤波器实现工作频点宽带跳变，当遭遇较强干扰信号时，无人机机载数据链终端和无人机数据链地面站自适应切换工作频点。本发明可支持无人机数据终端应对多种复杂电磁环境，有效提升无人机系统的抗干扰能力与抗毁性。

Description

一种无人机抗干扰数据链系统

技术领域

本发明涉及一种无人机抗干扰数据链系统，属于无线通信技术领域。

背景技术

无人机数据链系统面临的电磁干扰主要包括窄带干扰、宽带干扰、宽带噪声以及多架无人机同时工作的机间相互干扰等。对此，抗干扰技术主要有直接序列扩频技术、跳频技术、多进制扩频技术、多载波码分复用技术以及信源和信道编码等技术手段。

无人机测控系统通常采用直接序列扩频，将频谱扩展为宽带信号进行传输，接收端再解调出信息码序列。接收机用本地伪随机码波形解扩后抑制大部分干扰信号。这种方法抗点频干扰性能较好，但所需带宽较宽。跳频技术能有效躲避点频干扰和宽频干扰，但对要求传输高清视频信息的无人机应用场景，该技术不再适用。信源和信道编码技术能够提高通信系统的抗干扰性能，采用纠错编码技术能有效提高无人机测控系统的抗干扰能力，但遇到强干扰的情况下，容易造成接收机饱和。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种无人机抗干扰数据链系统，实现对点频和宽频段电磁干扰的有效抑制，提升无人机数据链系统的抗干扰能力。

本发明的技术解决方案是：一种无人机抗干扰数据链系统，该系统包括无人机机载数据链终端和无人机数据链地面站；初始状态下，无人机机载数据链终端与无人机数据链地面站通过预设中心频率建立数据通信链路，无人机机载数据链终端利用下行时隙向无人机数据链地面站发送下行信号，无人机数据链地面站利用上行时隙向无人机机载数据链终端发送上行信号；当数据通信链路中存在干扰，通信中断之后，无人机数据链地面站执行如下步骤：

(1-1)、按照预设的跳频图案，切换中心频率发送上行信号，之后，进入步骤(1-2)；

(1-2)、搜索无人机机载数据链终端发送的下行信号，在第一预设时间段内未收到无人机机载数据链终端发送的下行信号，则回到步骤(1-1)；否则，认为无人机机载数据链终端与无人机数据链地面站重新建立了通信链路，自此之后，无人机机载数据链终端与无人机数据链地面站当前频率进行数据传输。

所述第一预设时间段至少为单个下行时隙的100倍。

当数据通信链路中存在干扰通信中断之后，无人机机载数据链终端执行如下步骤：

(2-1)、按照预设的跳频图案，切换至另一个中心频率，持续搜索无人机数据链地面站发送的上行信号，在第二预设时间段内未收到无人机数据链地面站发送的上行信号，则重新执行步骤(2-1)；否则，进入步骤(2-2)；

(2-2)、按照当前的中心频率发送下行信号。

所述第二预设时间段至少为单个上行时隙的20倍。

无人机机载数据链终端和无人机数据链地面站包括第一滤波器、低噪声放大器、混频器、数控滤波器，收到的射频信号经过第一滤波器滤出带外干扰和噪声后，经过低噪声放大器放大之后，在混频器中进行正交下变频变成中频信号，中频信号经过数控滤波器滤除干扰之后得到基带信号。

所述数控滤波器包括电感L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8，电容C1、C2，第一可变电容等效电路、第二可变电容等效电路、第三可变电容等效电路；

电容C1的一端为数控滤波器的输入端，另一端串联电容C2，串联电容C2的另一端为数控滤波器的输出端；第一可变电容等效电路的一端连接数控滤波器的输入端，另一端接地；第二可变电容等效电路的一端连接电容C1与电容C2的连接节点，另一端接地；第三可变电容等效电路一端连接数控滤波器的输出端，另一端接地；电感L1的一端连接数控滤波器的输入端，另一端通过节点A串联电感L6的一端，电感L6的另一端接地；电感L2的一端连接电容C1与电容C2的连接节点，另一端通过节点B串联电感L7的一端，电感L7的另一端接地；电感L3的一端连接数控滤波器的输出端，另一端通过节点C串联电感L8的一端，电感L8的另一端接地；电感L4桥接在节点A和节点B之间，电感L5桥接在节点B和节点C之间；

第一可变电容等效电路、第二可变电容等效电路、第三可变电容等效电路结构完全相同，均由M个可控开关电容组并联连接而成，通过控制每个开关电容是否被接入电路，得到不同的等效电容值，改变滤波器中心频率，M大于等于1。

所述M满足如下条件：2^M大于等于跳频图案的频率总数。

所述数控滤波器阶数N最好满足如下约束条件：

其中，

f₀为中心频率，f1和f_α为通带衰减频率，L_As为通带衰减。

所述可控开关电容包括电阻R1、R2、R3、电容C3、C4、二极管D1、D2；

电阻R1一端接控制端，另一端接二极管D1正极，电阻R2一端接二极管D1负极，电阻R3一端接D1负极，另一端接地；电容C4一端接R2，另一端接地，二极管D2正极接二极管D1负极，负极接地，电容C3一端接二极管D1负极，另一端接电容CX1，控制输入端为高时，二极管导通，该可控开关电容被接入电路，当控制输入端为低时，二极管截止，该可控开关电容被断开。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)、本发明采用的跳频策略可操作性强，能够有效抑制点频干扰和宽频段电磁干扰，在复杂电磁环境中能够增强数据链系统的稳定性。

(2)、本发明在第一级滤波器滤除带外噪声和干扰后，对信道带内噪声和干扰信号进行二级滤波处理，提高接收机整体噪声性能；

(3)、本发明采用可变电容等效电路替换LC椭圆滤波器电路中部分电容，在一套数控滤波器的硬件条件下，可快速改变滤波电路的中心频率，从而实现频率的实时切换，节约了硬件资源，缩小了设备体积。

(4)、本发明采用M个可控开关电容组并联连接而成，通过控制每个开关电容是否被接入电路，得到2^M种等效电容值，可扩展性好；

(5)、本发明可控开关电容利用PIN二极管的开关特性，实现了滤波电路的中心频率的快速切换，提高了数据链路系统的实时性。

附图说明

图1为本发明实施例无人机抗干扰数据链系统示意图；

图2为本发明实施例无人机抗干扰数据链接收信道设计；

图3本发明实施例数控滤波器设计；

图4为本发明实施例频率实时切换的可调电容切换电路；

图5(a)为本发明实施例数控滤波器中心频率75MHz处带外抑制仿真仿真结果。

图5(b)为本发明实施例数控滤波器中心频率95MHz处带外抑制仿真仿真结果。

图5(c)为本发明实施例数控滤波器中心频率115MHz处带外抑制仿真仿真结果。

图5(d)为本发明实施例数控滤波器中心频率135MHz处带外抑制仿真仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

如图1所示，本发明提供了一种无人机抗干扰数据链系统的具体实施例。该系统包括无人机机载数据链终端和无人机数据链地面站；初始状态下，无人机机载数据链终端与无人机数据链地面站通过预设中心频率建立数据通信链路，无人机机载数据链终端与无人机数据链地面站采用时分复用的方式进行双工通信(TDD模式通信)，无人机机载数据链终端利用下行时隙向无人机数据链地面站发送下行信号，所述下行信号包括遥测数据或图像信号；无人机数据链地面站利用上行时隙向无人机机载数据链终端发送上行信号；所述上行信号包括遥控信号；

当数据通信链路中存在干扰，通信中断之后，无人机数据链地面站执行如下步骤：

(1-2)、搜索无人机机载数据链终端发送的下行信号，在第一预设时间段内未收到无人机机载数据链终端发送的下行信号，则回到步骤(1-1)；否则，认为无人机机载数据链终端与无人机数据链地面站重新建立了通信链路，自此之后，无人机机载数据链终端与无人机数据链地面站当前中心频率进行数据传输。所述第一预设时间段至少为单个下行时隙的100倍。

与此同时，当数据通信链路中存在干扰通信中断之后，无人机机载数据链终端执行如下步骤：

(2-1)、按照预设的跳频图案，切换至另一个中心频率，持续搜索无人机数据链地面站发送的上行信号，在第二预设时间段内未收到无人机数据链地面站发送的上行信号，则重新执行步骤(2-1)；否则，进入步骤(2-2)；所述第二预设时间段至少为单个上行时隙的20倍。

(2-2)、按照当前的中心频率发送下行信号。

如图2所示，无人机机载数据链终端和无人机数据链地面站包括第一滤波器、低噪声放大器、混频器、数控滤波器，收到的射频信号经过第一滤波器滤出带外干扰和噪声后，经过低噪声放大器放大之后，在混频器中进行正交下变频变成中频信号，中频信号经过数控滤波器滤除干扰之后得到基带信号。

具体地：

上行信号经过滤波和放大之后，进行正交下变频得到上行中频信号，该上行中频信号经过数控滤波器滤除干扰之后得到上行基带信号；

下行信号经过滤波和放大之后，进行正交下变频得到下行中频信号，该下行中频信号经过数控滤波器滤除干扰之后得到下行基带信号。

对于本实施例而言，当无人机机载数据链终端和无人机数据链地面站的接收信道带宽为B_C，上行信号和下行信号带宽为B_W时，第一级滤波器滤除B_C带外噪声和干扰后，数控滤波器对信道带内噪声和干扰信号进行二级滤波处理，提高接收机整体噪声性能。

无人机机载数据链终端和无人机数据链地面站的接收信道噪声系数F主要由第一级滤波器和低噪声放大器决定：

其中F_n为第n级滤波器的噪声系数，噪声系数，G_n为放大器增益。

降低第一级滤波器噪声系数F₁同时选用增益G1较高的第一级放大器，使带内噪声对接收解调的影响降到最小。

如图3所示，所述数控滤波器包括电感L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8，电容C1、C2，第一可变电容等效电路、第二可变电容等效电路、第三可变电容等效电路。

第一可变电容等效电路、第二可变电容等效电路、第三可变电容等效电路结构完全相同，均由M个可控开关电容组并联连接而成，通过控制每个开关电容是否被接入电路，得到不同的等效电容值，改变第一可变电容等效电路、第二可变电容等效电路、第三可变电容等效电路的容值CX1、CX2和CX3，保持其他参数不变，在带宽不变的情况可以改变滤波器中心频率，M大于等于1。所述M满足如下条件：2^M大于等于跳频图案的频率总数。本实施例中，选用M＝5组可变电容组，得到32个不同的频点。在M位数字控制字的控制下，无人机机载数据链终端和无人机数据链地面站可以在32个频点之间任意切换。无人机数据链通信链路遭到强信号干扰时，无人机数据链地面站改变发送频点，无人机机载数据链终端在32个频点之间查询并锁定信号，能够重新建链。

如图4所示，所述可控开关电容包括电阻R1、R2、R3、电容C3、C4、二极管D1、D2；

上述可控开关电容利用PIN二极管的开关特性。控制输入端为低时，二极管导通，电容器被接入电路，当控制输入端为高时二极管截止，电容器被断开。通过控制不同控制输入端的电平，可得到多组不同的电容值，进而实现不同的中心频率。

为了获得较好的带外抑制效果，所述数控滤波器阶数N最好满足如下约束条件：

其中，

f0为中心频率，f1和f为通带衰减频率，L_As为通带衰减。

为确定电容阵列的各个参数，采用ADS软件进行设计数控滤波器。ADS软件提供了调节参数的工具，将三个可调电容选中进入Tune工具，实时调节参数，得到实时的仿真波形，如图5(a)～图5(d)所示。分析仿真结果可见，所设计的数控滤波器在75MHz、95MHz、115MHz与135MHz处带外抑制超过35dB。

如图2所示。改变第一可变电容等效电路、第二可变电容等效电路、第三可变电容等效电路的容值CX1、CX2和CX3，保持其他参数不变，能够在带宽不变的情况改变中心频率。将第一可变电容等效电路、第二可变电容等效电路、第三可变电容等效电路用可控开关电容组代替，可快速改变滤波电路的中心频率，从而实现频率的实时切换。

为了测试链路的抗干扰性能，在信号接收端用信号源加入干扰信号，计算机通过网口设置无人机机载数据链终端和无人机数据链地面站的工作频率和输出功率，打开干扰源，从计算机界面记录实时信噪比，测试结果如表1所示。分析结果可见，无人机数据链能够在信号带内有干扰的情况下成功躲避干扰信号，图像信号和遥测遥控信号传输正常且无误码。

表1无人机抗干扰数据链系统的抗干扰性能测试结果

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims

1.一种无人机抗干扰数据链系统，其特征在于包括无人机机载数据链终端和无人机数据链地面站；初始状态下，无人机机载数据链终端与无人机数据链地面站通过预设中心频率建立数据通信链路，无人机机载数据链终端利用下行时隙向无人机数据链地面站发送下行信号，无人机数据链地面站利用上行时隙向无人机机载数据链终端发送上行信号；当数据通信链路中存在干扰，通信中断之后，无人机数据链地面站执行如下步骤：

(1-2)、搜索无人机机载数据链终端发送的下行信号，在第一预设时间段内未收到无人机机载数据链终端发送的下行信号，则回到步骤(1-1)；否则，认为无人机机载数据链终端与无人机数据链地面站重新建立了通信链路，自此之后，无人机机载数据链终端与无人机数据链地面站按照当前频率进行数据传输；

无人机机载数据链终端和无人机数据链地面站包括第一滤波器、低噪声放大器、混频器、数控滤波器，收到的射频信号经过第一滤波器滤出带外干扰和噪声后，经过低噪声放大器放大之后，在混频器中进行正交下变频变成中频信号，中频信号经过数控滤波器滤除干扰之后得到基带信号；

电容C1的一端为数控滤波器的输入端，另一端串联电容C2，电容C2的另一端为数控滤波器的输出端；第一可变电容等效电路的一端连接数控滤波器的输入端，另一端接地；第二可变电容等效电路的一端连接电容C1与电容C2的连接节点，另一端接地；第三可变电容等效电路一端连接数控滤波器的输出端，另一端接地；电感L1的一端连接数控滤波器的输入端，另一端通过节点A串联电感L6的一端，电感L6的另一端接地；电感L2的一端连接电容C1与电容C2的连接节点，另一端通过节点B串联电感L7的一端，电感L7的另一端接地；电感L3的一端连接数控滤波器的输出端，另一端通过节点C串联电感L8的一端，电感L8的另一端接地；电感L4桥接在节点A和节点B之间，电感L5桥接在节点B和节点C之间；

第一可变电容等效电路、第二可变电容等效电路、第三可变电容等效电路结构完全相同，均由M个可控开关电容组并联连接而成，通过控制每个开关电容是否被接入电路，得到不同的等效电容值，改变滤波器中心频率，M大于等于1；

数控滤波器阶数N满足如下约束条件：

其中，

f₀为中心频率，f₁和f_α为通带衰减频率，L_As为通带衰减。

2.根据权利要求1所述的一种无人机抗干扰数据链系统，其特征在于：所述M满足如下条件：2^M大于等于跳频图案的频率总数。

3.根据权利要求1所述的一种无人机抗干扰数据链系统，其特征在于所述第一预设时间段至少为单个下行时隙的100倍。

4.根据权利要求1所述的一种无人机抗干扰数据链系统，其特征在于：所述可控开关电容包括电阻R1、R2、R3，电容C3、C4，二极管D1、D2；

电阻R1一端接控制输入端，另一端接二极管D1正极，电阻R2一端接二极管D1负极，电阻R3一端接D1负极，另一端接地；电容C4一端接电阻R2的另一端，另一端接地，二极管D2正极接二极管D1负极，负极接地，电容C3一端接二极管D1负极，另一端用于接入第一可变电容等效电路、第二可变电容等效电路或第三可变电容等效电路；控制输入端为高时，二极管D1、D2导通，该可控开关电容被接入电路，当控制输入端为低时，二极管D1、D2截止，该可控开关电容被断开。

5.一种无人机抗干扰数据链系统，其特征在于包括无人机机载数据链终端和无人机数据链地面站；初始状态下，无人机机载数据链终端与无人机数据链地面站通过预设中心频率建立数据通信链路，无人机机载数据链终端利用下行时隙向无人机数据链地面站发送下行信号，无人机数据链地面站利用上行时隙向无人机机载数据链终端发送上行信号；其特征在于当数据通信链路中存在干扰通信中断之后，无人机机载数据链终端执行如下步骤：

(2-2)、按照当前的中心频率发送下行信号；

数控滤波器阶数N满足如下约束条件：

其中，

f₀为中心频率，f₁和f_α为通带衰减频率，L_As为通带衰减。

6.根据权利要求5所述的一种无人机抗干扰数据链系统，其特征在于所述第二预设时间段至少为单个上行时隙的20倍。

7.根据权利要求5所述的一种无人机抗干扰数据链系统，其特征在于：所述M满足如下条件：2^M大于等于跳频图案的频率总数。

8.根据权利要求5所述的一种无人机抗干扰数据链系统，其特征在于：所述可控开关电容包括电阻R1、R2、R3，电容C3、C4，二极管D1、D2；

电阻R1一端接控制输入端，另一端接二极管D1正极，电阻R2一端接二极管D1负极，电阻R3一端接D1负极，另一端接地；电容C4一端接R2的另一端，另一端接地，二极管D2正极接二极管D1负极，负极接地，电容C3一端接二极管D1负极，另一端用于接入第一可变电容等效电路、第二可变电容等效电路或第三可变电容等效电路；控制输入端为高时，二极管D1、D2导通，该可控开关电容被接入电路，当控制输入端为低时，二极管D1、D2截止，该可控开关电容被断开。