CN114696942B - 一种适用于无人机通信链路的干扰方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适用于无人机通信链路的干扰方法，包括信号帧同步步骤：从信号检测系统中获取信号帧结束时刻算同步时刻；以同步时刻为基准采集信号，求得采集信号对应的功率谱从而得到同步时刻前功率谱变化值、同步时刻处功率谱变化值以及同步时刻后功率谱变化值；通过这三个变化值来判断当前是否同步成功以及计算同步时刻的调整量，对于同步成功的则进入中心频率估计步骤：计算出导频频率作为发射干扰的中心频率；发送干扰信号步骤：在中心频率处发送时长小于信号帧时长的干扰信号。本发明计算复杂度低，能够快速响应跳频信号；干扰系统中参数可调，适用于不同型号的无人机。

Description

一种适用于无人机通信链路的干扰方法

技术领域

本发明涉及通信干扰技术，特别涉及无人机通信链路的干扰技术。

背景技术

随着无人机相关技术的发展，无人机在现代化社会中发挥着越来越重要的作用，尤其是在城市管理、农业、地质等行业。但在给人们带来便利的同时，无人机的不规范使用也暴露出一系列公共安全隐患。基于无人机飞行管控的要求，国家空管委、中国民航局等部门出台了一系列无人机监管政策，电磁干扰是反无人机系统中不可或缺的一部分。根据无人机系统特点，干扰方式分为阻塞干扰、跟踪干扰以及多频连续波干扰。阻塞干扰是一种预先不需要知道跳变频率，将干扰分布在整个或者部分信号频段的定频干扰方式。跟踪干扰是一种预先需要知道跳变频率，在其通信信道实施窄带干扰的干扰方式。多频连续波干扰是一种预先不需要知道跳变频率，将干扰分布在部分特定频率上的干扰方式。本专利包括信号帧同步、中心频率估计、发送干扰信号这三个模块，不需要预先知道跳变规律，即可在无人机跳频通信信号出现的时间和频点处实施干扰，既能提高干扰效率、节省功率，也能减少对其他通信设备的影响。

在现有的无人机信号检测方法如下：

1)带宽阻塞干扰

这种方法只需要知道跳频信号的频段信息，不需要知道跳频信号的跳变规律，一般采用随机噪声波形，使用大功率对整个或部分信号频段进行压制。该方法的干扰效果完全由干扰能量大小来决定。若跳频系统采用BFSK调制方式，则系统的误码率为

其中，P为系统误码率，E_b为每个码元的能量，N₀为背景热噪声功率谱密度，N_J为干扰机产生的高斯白噪声功率谱密度。

可见，只要能够达到一定的干信比，宽带阻塞干扰能使跳频系统达到一定的误码率。

2)部分频带阻塞干扰

这种方法只需要知道跳频信号的频段信息，不需要知道跳频信号的跳变规律，与宽带阻塞干扰相比，该方法降低了频带覆盖率，提升了部分频带干扰信号的功率密度，通过提升覆盖频段内的干扰效果，达到干扰目标信号的目的。该干扰的干扰效果与干扰机带宽与总跳频带宽的比例有关。

干扰机驻留的频谱中的误码率为

其中，E_c为码元的能量，N₀为背景热噪声功率谱密度，是提高了的干扰机噪声密度。

可见，在相同的干扰功率下，选择合适的干扰频带覆盖比例r，部分频带阻塞干扰能使跳频系统达到一定的误码率。

3)跟踪干扰

这种方法通过对信号进行快速的侦察分析，在较短的时间内对准跳频频点并实施窄带干扰。该方法需要知道跳频信号的跳变规律，在跳频通信过程中对驻留的一个频点进行截获分析并进行窄带干扰，当跳频系统频率跳变后，干扰系统也随之改变干扰频率。当跳频系统属于慢速跳频系统，干扰机频率对准时间小于跳频驻留时间，跟踪式干扰机能使跳频系统达到一定的误码率。

4)多频连续波干扰

这种方法只需要知道跳频信号的频点信息，不需要知道跳频信号的跳变规律，一般采用窄带噪声波形的组合，对准跳频频点进行干扰。就采用正交MFSK调制的跳频通信系统而言，干扰频点数为

其中，J为干扰机发射总功率，P为收到的信号功率。为向下取整。

当多频连续波对一个跳频信号进行干扰时，误符号率为

其中，w为总跳频带宽，w_d为跳频间隔。

可见，当干扰机发射总功率小于信号收到的功率时，不会产生传输错误；当干扰机发射总功率大于信号收到的功率，且干扰噪声在跳频带宽内时，会产生传输错误。

在现有的无人机信号检测方法中，带宽阻塞干扰的干扰功率被平均分配到整个通信频带上，跳频系统的跳频带宽越宽，单位频带上的干扰功率越小，跳频系统受到的干扰也就越小，而且如果跳频通信信号功率较高且频段较宽，那么需要消耗较大的干扰能量。部分窄带阻塞干扰中，如果想要达到较好的干扰效果，干扰覆盖的频段需要达到足够的比例，若被干扰目标使用了自适应技术，那么干扰方式将失效。现有的跟踪式干扰中，需要预先知道跳频信号的跳变规律，而且在快速跳频系统，如果干扰机频率对准时间大于跳频驻留时间，那么跟踪式干扰将失效。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对目前无人机干扰技术在跳频通信信号功率较高且频段较宽或者预先对跳变规律未知时干扰效果较差且需要消耗较大的干扰能量的情况，提供一种适用于无人机反制的跟踪干扰方法。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，一种适用于无人机通信链路的干扰方法，包括步骤：

1)信号帧同步步骤：

1-1)从信号检测系统中获取信号帧结束时刻t_{frame_end}计算同步时刻t_syn；

1-2)以同步时刻t_syn为基准采集信号，求得采集信号对应的功率谱从而得到同步时刻前功率谱变化值p_{differ_pre}、同步时刻处功率谱变化值p_{differ_mid}以及同步时刻后功率谱变化值p_{differ_pos}；

判断p_{differ_mid}是否大于p_{differ_th}，如是，认为在同步时刻存在跳变信号帧，则进入步骤1-3)；否则更新t_syn＝t_syn+period_fh+T_fft，返回步骤1-2)；

1-3)计算同步时刻的调整量Δt_syn，并判断当前是否同步成功，如是，则进入步骤2)，否则更新t_syn后返回步骤1-2)，t_syn＝t_syn+Δt_syn；

2)中心频率估计步骤：

分别在时刻t_syn+period_fh-T_frame、t_syn+period_fh-T_frame+2T_fft处采集信号并求得功率谱spec₆(f)、spec₇(f)；再计算功率谱差分spec_{differ_pilot}(f)＝abs(spec₆(f)-spec₇(f))；period_fh为配置的跳频周期，T_fft为配置的一次FFT运算的信号时长；abs表示取绝对值；

将满足功率谱差分spec_{differ_pilot}(f)最大值时的频率作为导频频率f_pilot；导频频率f_pilot为发射干扰的中心频率；

3)发送干扰信号步骤：在中心频率处发送时长小于信号帧时长T_frame的干扰信号。

本发明通过构建信号帧同步、中心频率估计、发送干扰信号这三个步骤，利用同步时刻功率谱变化值和功率谱变化门限的关系来判定跳变信号帧是否存在，不需要知道跳频信号的跳变规律，使用导频估计后得到的导频频率生成特定的干扰信号使得干扰有效，可以在较短的时间内对准跳频频点并实施窄带干扰，既能提高干扰效率、节省功率，也能减少对其他通信设备的影响。

本发明的有益效果是，能节省干扰功率，提高干扰精度；计算复杂度低，能够快速响应跳频信号；干扰系统中参数可调，适用于不同型号的无人机。

附图说明

图1为本发明示意图。

具体实施方式

实施步骤如图1所示：

1)信号帧同步步骤：

估计信号帧结束时刻，若同步到精确信号帧结束时刻则进入步骤2)，步骤1)具体过程如下：

1-1)信号帧结束时刻确定：加载干扰信号基带波形，配置跟踪参数，其中flag_track置零。跟踪参数包括以下几个内容

参数名称	参数说明
		fstart	信号起始频点
fend	信号终止频点
		periodfh	跳频周期
pdiffer_th	功率变化门限
		flagtrack	跟踪标记位
Tframe	信号帧时长
		Tfft	一次FFT运算的信号时长
thtrack	跟踪指标的门限

从信号检测系统中获取最新一次信号帧结束时刻t_{frame_end}，令同步时刻

1-2)跳变信号帧判定：在t_syn、t_syn+T_fft、处采集信号，分别求信号的功率谱得到spec₀(f),spec₁(f),spec₂(f),spec₃(f),spec₄(f),spec₅(f)。本方法最终会将信号帧结束时刻同步在spec₁(f)结束、spec₃(f)开始的时刻。对功率谱进行谱运算，计算表达式如下

其中，p_{differ_pre}表示同步时刻前功率谱变化值，p_{differ_mid}表示同步时刻处功率谱变化值，p_{differ_pos}表示同步时刻后功率谱变化值。判断p_{differ_mid}是否大于p_{differ_th}。若同步时刻功率谱变化值大于功率谱变化门限，则认为在同步时刻存在跳变信号帧，跳转到步骤1-3)；否则认为在该时刻并没有无人机帧信号发生跳变，此时令t_syn＝t_syn+period_fh+T_fft，跳转到步骤1-2)进行下一次同步。

1-3)同步：计算跟踪指标值indicate_{track_0}，indicate_{track_1}表达式如下

根据跟踪指标值indicate_{track_1}更改下一次的t_syn值，t_syn＝t_syn+Δt_syn。

Δt_syn具体表达式为

判断是否满足indicate_{track_0}>th_track，如是，则flag_track＝flag_track+1。反之则flag_track＝0。当flag_track>5时，认为同步成功，在每一次跟踪过程后进入步骤2)。

3)中心频率估计步骤：

在t_syn+period_fh-T_frame、t_syn+period_fh-T_frame+2T_fft采集两次信号，分别求信号的功率谱得到spec₆(f)、spec₇(f)。对功率谱进行谱运算spec_{differ_pilot}(f)，计算表达式如下

spec_{differ_pilot}(f)＝abs(spec₆(f)-spec₇(f))

abs表示取绝对值；

通过功率谱差分求导频频率，计算表达式为：

f_pilot＝argmax(spec_{differ_pilot}(f))

得到导频频率f_pilot后，将导频频率f_pilot作为发射干扰的中心频率；

3)发送干扰信号步骤：在该中心频率处发送时长小于T_frame的干扰信号实施干扰，之后跳转到步骤1-2)，继续跟踪步骤。

Claims (5)

1.一种适用于无人机通信链路的干扰方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)信号帧同步步骤：

1-1)从信号检测系统中获取信号帧结束时刻t_{frame_end}计算同步时刻t_syn；

1-2)以同步时刻t_syn为基准采集信号，求得采集信号对应的功率谱从而得到同步时刻前功率谱变化值p_{differ_pre}、同步时刻处功率谱变化值p_{differ_mid}以及同步时刻后功率谱变化值p_{differ_pos}；

判断p_{differ_mid}是否大于p_{differ_th}，如是，认为在同步时刻存在跳变信号帧，则进入步骤1-3)；否则更新t_syn＝t_syn+period_fh+T_fft，返回步骤1-2)；p_{differ_th}为功率变化门限；

1-3)计算同步时刻的调整量Δt_syn，并判断当前是否同步成功，如是，则进入步骤2)，否则更新t_syn后返回步骤1-2)，t_syn＝t_syn+Δt_syn；

2)中心频率估计步骤：

分别在时刻t_syn+period_fh-T_frame、t_syn+period_fh-T_frame+2T_fft处采集信号并求得功率谱spec₆(f)、spec₇(f)；再计算功率谱差分spec_{differ_pilot}(f)＝abs(spec₆(f)-spec₇(f))；period_fh为配置的跳频周期，T_fft为配置的一次FFT运算的信号时长；abs表示取绝对值；T_frame为信号帧时长；

将满足功率谱差分spec_{differ_pilot}(f)最大值时的频率作为导频频率f_pilot；导频频率f_pilot为发射干扰的中心频率；

3)发送干扰信号步骤：在中心频率处发送时长小于信号帧时长T_frame的干扰信号。

2.如权利要求1所述方法，其特征在于，1-1)从信号检测系统中获取信号帧结束时刻t_{frame_end}计算同步时刻t_syn的具体方法为：

先从信号检测系统中获取信号帧结束时刻t_{frame_end}，再根据period_fh以及T_fft计算同步时刻

3.如权利要求1所述方法，其特征在于，步骤1-2)中得到同步时刻前功率谱变化值p_{differ_pre}、同步时刻处功率谱变化值p_{differ_mid}以及同步时刻后功率谱变化值p_{differ_pos}的具体方法是：

分别在时刻t_syn、 处采集信号，分别求得采集信号对应的功率谱spec₀(f),spec₁(f),spec₂(f),spec₃(f),spec₄(f),spec₅(f)；

再根据配置的信号起始频点f_start与信号终止频点f_end计算同步时刻前功率谱变化值p_{differ_pre}、同步时刻处功率谱变化值p_{differ_mid}以及同步时刻前功率谱变化值p_{differ_pos}：

4.如权利要求1所述方法，其特征在于，步骤1-3)具体为：

计算跟踪指标值indicate_{track_0}，indicate_{track_1}：

根据跟踪指标值indicate_{track_1}计算调整量Δt_syn更新下次同步的t_syn，t_syn＝t_syn+Δt_syn，再根据配置的跟踪指标的门限th_track判断是否满足indicate_{track_0}>th_track，如满足indicate_{track_0}>th_track，则更新跟踪标记位flag_track＝flag_track+1，并判断当前flag_track是否达到预设的标记值，如达到则认为同步成功，进入步骤2)，如未达到则返回步骤1-2)；如不满足indicate_{track_0}>th_track，则更新flag_track＝0，再返回步骤1-2)；跟踪标记位flag_track的初值为0。

5.如权利要求4所述方法，其特征在于，预设的标记值为5。