CN110784269A - 一种无人机通讯链路电磁脉冲抑制方法 - Google Patents
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Abstract
本文公开发明了一种无人机通讯链路电磁脉冲抑制方法，针对复杂电磁环境中，不同电磁脉冲对无人机通讯链路的干扰问题，采用双天线设计和原始传输信号与噪声分离等方法，提出一种抑制通讯链路电磁脉冲干扰的方法。本发明以浪涌电磁脉冲为例，以图片为原始传输数据，采用双天线法获得两路线性无关的加噪传输信号，经过对信号的中心化、白化处理，设定随机初始权向量与处理后的信号矩阵进行迭代运算并判断收敛，分离出原始传输信号和噪声信号，并将原始传输信号进行解调和恢复成图片。本发明用MATLAB软件对信号进行中心化、白化、迭代运算，并求解部分参数，利用内部搭建的无人机调制解调通讯链路仿真平台验证本发明的实用性和准确性。
Description
技术领域
本发明涉及电磁兼容、通讯技术、航空航天技术领域，尤其涉及一种无人机通讯链路电磁脉冲抑制方法。
背景技术
现代通信中，无线通信占据着较大比重，但由于信道中存在着多种电磁脉冲，对通讯链路会有较强的干扰，造成传输图像失真模糊，控制状态反馈错误等问题，如高压输电线周边产生的电磁脉冲，电子器件开关经常产生的EFT脉冲群，雷击现象产生的浪涌脉冲。浪涌脉冲是一种远超出正常工作电压的瞬间性的强力脉冲，其瞬间含有的巨大能量，足以使无人机通讯直接失败。在现实生活中雷击、电力设备的启停、供电网络运行的故障都容易产生浪涌脉冲。浪涌脉冲可能会造成传输数据丢失或损坏甚至设备的损毁，对于电力设备的寿命大大缩短。除了复杂电磁环境中的电磁脉冲的干扰，在军事领域中，利用各种电磁脉冲进行通讯电子对抗也是影响无人机正常飞行的一大因素，如2011年，美国军用RQ-170哨兵隐形无人机基于电磁干扰装置被伊朗捕获，2015年，美国“全球鹰”无人机在南沙群岛上空受到无线电干扰，造成发射图像失真，在2016年,日本侦察无人机因为电磁干扰在福井县附近的空中消失。可见通讯链路电磁脉冲抑制问题已是电磁兼容领域中的最重要的问题之一。
对无人机通讯链路电磁脉冲的抑制已经有了一些方法，如利用最优通道跳跃和无线睡眠联合防御方案来缓解无线干扰攻击和渠道冲突；如通过建立一种基于卡尔曼滤波理论的数字滤波器，对故障信号进行滤波处理和降噪；如利用小波去噪方法来抑制噪声的干扰，如利用导频子载波联合估计信道脉冲噪声并与接收信号反向叠加，来去除信道电磁脉冲的干扰；如使用最小均方误差(MMSE)和最大信噪比(SNR)估计器来估计和去除OFDM信道中的噪声；如利用针对加性高斯白噪声(AWGN)信道下的恒包络OFDM系统提出的一种相位噪声估计方法，来估计和消除通信系统中的相位噪声；如通过分析子阵接收到的TR回波信号的互相关特性来去除噪声；如针对多输入多输出(MIMO)系统，利用一种基于STBC码卡尔曼滤波器的4g信道估计方法来去除噪声；如利用时域有限差分(TR-FDTD)进行图像重建的方法来减少电磁脉冲对传输数据的影响；如利用一种基于小波变换和自相关函数的噪声消除方法，通过采用小波多分辨率分析方法提取噪声，利用复小波变换的自变量和幅度，以及自相关函数的主频率估计，得到信号在频域和时域的特征，以此来抑制噪声。
但是，在上述研究中，所提出的方法均未将解调方式和电磁脉冲干扰结合进行研究。同时，目前仍未实现基于OFDM调制解调原理的电磁脉冲干扰抑制方法，且由于电磁环境的日趋复杂，电磁脉冲的种类也越来越多，而上述的方法通常只针对特定的一些电磁脉冲，对于不同的电磁脉冲的抑制并无切实可行的方案。本发明提出了一种通用的无人机通讯链路电磁脉冲抑制方法，该方法无需改变频率且有着较好的通用性。利用此方法可以将噪声信号与原始传输信号分离，达到抑制电磁脉冲干扰的效果。本发明为了有效的抑制无人机通讯链路电磁脉冲的干扰，对通信链路中噪声问题进行了深入探讨，并在具体实施中以抑制浪涌脉冲为例，成功抑制，体现了方法的实用性和正确性。本发明可以运用于确保民用无人机日常飞行时通讯正常，避免强电磁干扰使控制信息失效或无人机收集的数据信息回传失真，同时也可以运用于军事领域电子对抗中面对敌方强电磁脉冲干扰，用本发明可以有效抑制干扰，确保控制、数据信息传输准确。
发明内容
本发明提供的一种无人机通讯链路电磁脉冲抑制方法，包括以下步骤：
步骤1：如附图1，在飞机的头部和尾部两部分别加上天线，利用信号传输的空间距离差导致的两路加噪信号中各自的原始信号幅值和噪声信号幅值的不同，头尾天线接收到相互线性无关的加噪传输信号G 1(t)和G 2(t)；
其中t为第t个码元的位置坐标；
步骤2：将两路信号G 1(t)和G 2(t) 进行中心化处理，如式（1）
其中N为码元总数，G 1(t)*和G 2(t)*为G 1(t)和G 2(t)中心化处理后的矩阵；
步骤3：将中心化后的两路信号G 1(t)*和G 2(t)*转换为2行N列的矩阵，如式（2）
其中B(t)为中心化后的信号矩阵；
步骤4：对信号B(t)寻找一个线性变换，使B(t)投影到新的子空间后变成白化向量。白化处理可去除各观测信号之间的相关性，从而简化了后续独立分量的提取过程。而且，数据的白化处理能大大增强算法的收敛性，当观测信号的个数大于源信号个数时，经过白化也可以自动将观测信号数目降到与源信号维数相同，如式（3）
其中，Z(t)为原始信号经过白化后的白化向量，P 0为白化矩阵，其中U和Λ分别代表信号B(t)的协方差矩阵C B 的特征向量矩阵和特征值矩阵；
步骤5：设一个随机的初始权矢量W，其维数等于需要估计出的分量个数m，将白化向量Z(t)，初始权矢量W带入式(4)进行迭代计算
其中，W 1，W 2为迭代过程中W的中间变量，W *为W一次计算的新矢量，W T 表示矢量W的转置，E{}为均值运算，p指矩阵的第p行，其为正整数且范围是[1, m], 
运算表示两个矩阵中对应位置元素相乘，g为非线性函数，可取
，或或，exp为e指数运算，g’()为导数运算，m为初始权矢量W的维数，j表示矩阵中的第j列，|| ||为范数运算；
步骤6：在每次迭代计算后检验W是否收敛，若满足式（5）任一条件则表示收敛，并跳至步骤7否则将W *作为新的W回代入步骤5
（5）
q为规定收敛值；
步骤7：利用式（6）得到输出信号
S c(t)为解混后的信号矩阵，其中包括原始传输估计信号和噪声估计信，W *T 表示m个计算出的矢量W * 组成的矩阵的转置；
步骤8：对式S c(t)中的原始传输估计信号X(t)进行FFT变换则可实现OFDM解调，如式（7）
其中d为经过本发明处理过后的原始传输数据码元，k为当前码元位置，M为原始传输数据分组的总组数。
与现有技术相比，本发明的优点在于：首先，将解调方式和电磁脉冲干扰结合，形成一种完整的电磁脉冲抑制方法；其次，本发明的运用无需提前改变电磁脉冲频率；再者，对于日趋复杂的电磁环境，针对不同种类的电磁脉冲，本发明有着良好的通用性。利用此方法可以将噪声信号与原始传输信号分离，达到抑制电磁脉冲干扰的效果。
附图说明
图1为双天线接受两路线性无关的输入信号原理图；
图2为单个浪涌电磁脉冲波形图；
图3为原始传输图像；
图4为浪涌电磁脉冲干扰后的图像；
图5为经过本发明处理过后的图像。
具体实施方式
本发明先在飞机的头部和尾部两部分别加上天线，接收两路相互线性无关的加噪传输信号G 1(t)和G 2(t)；对两路信号G 1(t)和G 2(t) 进行中心化处理；之后将去中心化后的两路信号G 1(t)*和G 2(t)*转换为2行N列的矩阵；再对处理后的信号矩阵寻找一个线性变换，使该信号矩阵投影到新的子空间后变成白化向量；设定初始权矢量，将白化向量和初始权矢量代入进行迭代计算；每一次迭代后进行收敛性判断；最后经过FFT变换得到电磁脉冲抑制后的传输数据，有效的抑制了电磁脉冲对传输信号的干扰。
如附图2本算例选择浪涌电磁脉冲作为通讯链路中的干扰信号，其场强幅值为500V·m-1,其解析函数如式：
其中t p 为时间，单位为秒；
如图3，将原始图片作为原始传输数据，将连续施加的浪涌电磁脉冲与原始数据叠加，解调后得到浪涌电磁脉冲干扰后的图像，如附图4。
下面结合附图对本发明作进一步说明：
步骤1：如附图1，在飞机的头部和尾部两部分别加上天线，利用信号传输的空间距离差导致的两路加噪信号中各自的原始信号幅值和噪声信号幅值的不同，头尾天线接收到相互线性无关的加噪传输信号G 1(t)和G 2(t)；
其中t为第t个码元的位置坐标；
步骤2：使用MATLAB中的mean函数对两路信号G 1(t)和G 2(t) 进行中心化处理，如式（1）
其中N为码元总数，G 1(t)*和G 2(t)*为G 1(t)和G 2(t)中心化处理后的矩阵；
步骤3：对中心化后的两路信号G 1(t)*和G 2(t)*转换为2行N列的矩阵，如式（2）
（2）
其中B(t)为中心化后的信号矩阵；
步骤4：对信号B(t)寻找一个线性变换，使B(t)投影到新的子空间后变成白化向量。白化处理可去除各观测信号之间的相关性，从而简化了后续独立分量的提取过程。而且，数据的白化处理能大大增强算法的收敛性，当观测信号的个数大于源信号个数时，经过白化也可以自动将观测信号数目降到与源信号维数相同，如式（3）
其中，Z(t)为原始信号经过白化后的白化向量，P 0为白化矩阵，其中U和Λ分别代表信号B(t)的协方差矩阵C B 的特征向量矩阵和特征值矩阵；
使用MATLAB中的cov函数求协方差矩阵，eig函数求特征向量矩阵和特征值矩阵；
步骤5：使用MATLAB中rand函数设一个随机的二维初始权矢量W，g为非线性函数，取
，将白化向量Z(t)，初始权矢量W，非线性函数g带入式(4)进行迭代计算
其中，W 1，W 2为迭代过程中W的中间变量，W *为W一次计算的新矢量，W T 表示矢量W的转置，E{}为均值运算，p指矩阵的第p行，其为正整数且范围是[1, m], 
运算表示两个矩阵中对应位置元素相乘，g为非线性函数，可取
，或
或
，exp为e指数运算，g’()为导数运算，m为初始权矢量W的维数，j表示矩阵中的第j列，|| ||为范数运算；
使用matlab中的norm函数进行范数运算。
步骤6：设定收敛值q为0.00001，最大迭代次数p为10000，在每次迭代计算后检验W是否收敛，若满足式（5）任一条件则表示收敛，并跳至步骤7否则将W *作为新的W回代入步骤5
步骤7：利用式（6）得到输出信号
S c(t)为解混后的信号矩阵，其中包括原始传输估计信号和噪声估计信号，W *T 表示2个计算出的矢量W * 组成的矩阵的转置；
利用提前加入的通讯校验码在信号矩阵S c(t)中找到原始传输估计信号X(t)，并修正X(t)的相位。
步骤8：利用MATLAB中FFT函数对式S c(t)中的原始传输估计信号X(t)进行FFT变换，实现OFDM解调，如式（7）
其中d为经过本发明处理过后的原始传输数据码元，k为当前码元位置，M为原始传输数据分组的总组数，n为第n组原始传输数据。
将数据恢复成图片后如附图5，与附图3的原始图片基本吻合，可以提现出本发明的有效性和实用性。
与现有技术相比，本发明的优点在于：首先，将解调方式和电磁脉冲干扰结合，形成一种完整的电磁脉冲抑制方法；其次，本发明的运用无需提前改变电磁脉冲频率；再者，对于日趋复杂的电磁环境，针对不同种类的电磁脉冲，本发明有着良好的通用性。利用此方法可以将噪声信号与原始传输信号分离，达到抑制电磁脉冲干扰的效果。本发明可以运用于确保民用无人机日常飞行时通讯正常，避免强电磁干扰使控制信息失效或无人机收集的数据信息回传失真，同时也可以运用于军事领域电子对抗中面对敌方强电磁脉冲干扰，用本发明可以有效抑制干扰，确保数据信息传输准确。
Claims (6)
1.一种无人机通讯链路电磁脉冲抑制方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：飞机的头部和尾部两部分别加上天线，利用信号传输的空间距离差导致的两路加噪信号中各自的原始信号幅值和噪声信号幅值的不同，从头尾天线接收到相互线性无关的加噪传输信号G 1(t)和G 2(t)；
步骤二：将两路信号G 1(t)和G 2(t) 进行中心化处理；
步骤三：将中心化后的两路信号G 1(t)*和G 2(t)*转换为2行N列的矩阵B(t)；
步骤四： 利用式（3）对信号B(t)进行线性变换，使B(t)投影到新的子空间后变成白化向量Z(t)；
步骤五：设一个随机的初始权矢量W，其维数等于需要估计出的分量个数m，将白化向量Z(t)，初始权矢量W带入式（4）进行迭代计算；
步骤六：在每次迭代计算后检验W是否收敛，若满足式（5）任一条件则表示收敛，并跳至步骤七否则将W *作为新的W回代入步骤五；
步骤七：利用式（6）得到输出信号矩阵S c(t)；
步骤八：对输出信号矩阵S c(t)中的原始传输估计信号X(t)进行FFT变换则可实现OFDM解调，恢复出原始传输数据。
2.根据权利要求1所述的无人机通讯链路电磁脉冲抑制方法，其特征在于：
步骤一中，由双天线接受的两路信号必须是相互独立，线性无关的。
3.根据权利要求1所述的无人机通讯链路电磁脉冲抑制方法，其特征在于：
步骤四中，利用MATLAB中的cov和eig函数分别求信号B(t)的协方差矩阵C B 以及C B 的特征向量矩阵U和特征值矩阵Λ。
4.根据权利要求1所述的无人机通讯链路电磁脉冲抑制方法，其特征在于：
步骤五中，利用MATLAB中的norm函数实现对W 2的范数运算。
5.根据权利要求1所述的无人机通讯链路电磁脉冲抑制方法，其特征在于：
步骤六中，取收敛值q为0.00001。
6.根据权利要求1所述的无人机通讯链路电磁脉冲抑制方法，其特征在于：
步骤八中，在解调前须找出信号矩阵S c(t)中的原始传输估计信号X(t)。
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