CN114697248B - 无人机信息攻击半实物测试系统及方法 - Google Patents

无人机信息攻击半实物测试系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种无人机信息攻击半实物测试系统及方法，属于无人机无线通信网络半实物仿真技术领域。本发明分析无人机数据传输链路特点，基于通信网络仿真模块建立无人机通信网络及信息攻击仿真模型，设计半实物接入模块和无人机信息攻击动态交互接口，通过无人机信息攻击半实物测试接口实现各模块间的信息交互，实现在仿真过程中根据实际攻击手段和攻击效果以指令控制的形式对无人机的遥测链路干扰、遥控链路干扰和接管控制攻击的仿真模拟，预测对无人机干扰攻击后对整个无人机系统通信网络效能的影响。本发明能够解决现有无人机半实物仿真忽略“信息维”和“网络维”，实现功能单一，拓展性差，不能动态实时的将态势加载到仿真进程等问题。

Description

无人机信息攻击半实物测试系统及方法
技术领域
本发明涉及一种无人机信息攻击半实物测试系统及方法，属于无人机无线通信网络半实物仿真技术领域。
背景技术
无人机诞生于20世纪早期，随后因受到现代电子技术和航空技术发展等诸多因素的影响，开始引起各国学者的重视和研究。无人机是一种利用无线电遥控装置以及自备程序来对自身进行全面控制的非载人飞行设备，其内部用全自动驾驶仪、程序控制器等设施代替驾驶舱。地面、舰艇或母机监控站的工作人员可以通过雷达等装置，对无人机进行准确定位、实时跟踪及动态遥控，进行无人机与各监控站之间的遥控、遥测等数据的传输。
无人机可以被概括为一种空中作业平台，通过在其上搭载不同应用，达到代替人类完成不同领域工作的要求。无人机凭借高性能、高机动等优势在各行业发挥着重要作用，特别是在军事战争领域中，侦察、攻击及反辐射型无人机发挥着重要作用。随着技术的发展，军用无人机除了侦察、指挥和攻击等单纯作战功能，进一步发展出了无人机协同网络作战的路线，这一现状表明了在今后的发展中军用无人机的组网和通信能力将起到重要作用。因为无人机是利用无线电设备进行操作的，所以在工作过程中其数据链路易受到遥测和遥控干扰等，进而较容易被非法分子利用和破坏。因此，如何排除不必要干扰进而保障无人机的空域安全及如何对非法无人机进行有效干扰攻击使其无法工作成为重要的问题，掌握对无人机链路的仿真及干扰攻击效果的模拟对我们进行无人机相关研究起着重要的作用。对于针对无人机数据链路的干扰攻击技术的研究，一般采用理论分析、实物测试、计算机仿真、以及半实物仿真四类方法。但当无人机组网规模、功能类别及仿真测试需求增多时，理论分析和实物测试存在研究周期较长、研制成本较高、实验环境难以复现等问题，难以投入实际应用。而计算机仿真作为研究网络性能的有效方法，可以解决理论分析、实物测试在大规模仿真中出现的部分问题，正在网络研究领域发挥越来越大的作用。目前，网络仿真工具主要有OPNET，NS-2，QualNet等，可完成对不同规模、不同复杂度的通信网络的模拟仿真，具有安全高效、方便灵活和受环境条件约束较少等优点。但是当需要仿真的系统中存在很难根据其工作特性建立准确数学模型的子系统或部件，同时该子系统或部件的工作又容易受到非线性因素和随机因素的影响，从而使得对其进行计算机仿真存在较大难度或难以达到理想效果时，利用半实物仿真可以将其中建模精度低、难度大的部分以实物或物理模型替代参与仿真试验，这样既能够降低建模的难度，又能够提高仿真的精度。
可以看到，对于无人机的半实物仿真已经有很多研究，但这些仿真系统更多关注的是协同工作、任务流程等，而忽略了“信息维”和“网络维”的仿真，或只有简单的网络互联，不考虑或简化了链路的传输性能、网络的健壮性等对任务模型运行和设备协同等的影响，存在仿真层次浅，实现功能单一，拓展性差等缺陷，缺乏对网络协议体系、无人机技术体系和设备工作机制的深层次仿真。同时大部分仿真进程不可更改，不能动态实时的将瞬息万变的态势加载到仿真进程中，因此也无法应用于无人机系统的实际规划、工作维护和干扰攻击模拟等方面的研究。因此研究无人机数据链路的干扰攻击是一个复杂的过程，如何精确和高效的验证无人机数据链路干扰攻击加载对无人机相应通信系统的影响，同时处理仿真系统中各模块的同步、协调、数据传输等问题，并将已有的相关实物和半实物信息对抗设备接入仿真系统，是亟需解决的关键问题。
发明内容
为了解决现有无人机半实物仿真忽略“信息维”和“网络维”，实现功能单一，拓展性差，不能动态实时的将瞬息万变的态势加载到仿真进程中等问题，本发明公开的一种无人机信息攻击半实物测试系统及方法，要解决的技术问题是：通过分析无人机数据传输链路特点，基于通信网络仿真模块建立无人机通信网络及信息攻击仿真模型，设计半实物接入模块和无人机信息攻击动态交互接口，并在此基础上通过所设计的无人机信息攻击半实物测试接口实现各模块间的信息交互，实现在仿真过程中根据实际攻击手段和攻击效果以指令控制的形式对无人机的遥测链路干扰、遥控链路干扰和接管控制攻击的仿真模拟，更精确地预测对无人机加载信息干扰攻击后对整个无人机系统通信网络效能的影响。本发明能够同时处理仿真系统中各模块的同步、协调、数据传输等问题，并将已有的相关实物和半实物信息对抗设备接入仿真系统，实现对无人机进行遥测链路干扰、遥控链路干扰、接管控制攻击和毁伤指令攻击加载的过程及效果的模拟。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的一种无人机信息攻击半实物测试系统，包括无人机系统通信网络仿真模块、仿真场景规划生成模块、无人机干扰攻击模拟加载模块、全局态势展示模块、无人机动态控制模块、无人机信息攻击半实物测试接口。
所述仿真场景规划生成模块用于生成初始仿真场景，形成初始化文件，在仿真开始前下发给无人机系统通信网络仿真模块和全局态势展示模块。所述仿真场景包括仿真模块部署、节点信息关系、仿真运行时间、节点初始轨迹。
所述无人机干扰攻击模拟加载模块通过产生并发送干扰攻击指令模拟对无人机不同形式干扰攻击的动态加载。在不同干扰模式下真实干扰机发出的干扰信号在干扰方向、干扰频率、干扰功率、干扰时间不同，通过改变所述参数模拟干扰机不同干扰信号的产生和发送。所述干扰攻击指令包含的参数为干扰机节点的节点号、干扰机工作状态、干扰功率、天线增益、干扰模式、干扰开始频率、干扰结束频率、干扰波束水平起始角度、干扰波束水平终止角度、干扰波束垂直起始角度、干扰波束垂直终止角度、接管指令。所述干扰机工作状态分别为干扰机开机和干扰机关机。所述不同形式的干扰攻击为对无人机的遥测链路干扰、遥控链路干扰和接管控制攻击。所述接管控制指令为在干扰模式为接管控制攻击时干扰机对目标无人机节点的控制指令，包含左盘和右盘。
所述无人机动态控制模块通过产生并发送遥控指令和接收遥测指令来模拟地面监控站对目标无人机的实时控制与状态监视。所述遥控指令根据地面监控站对真实无人机进行实时控制时发送信号中包含的控制无人机飞行方式的控制类信息来确定参数，包含遥控数据发送节点的节点号、遥控数据目标节点的节点号、水平飞行方式、垂直飞行方式。所述水平飞行方式包含无、左盘、右盘。所述垂直飞行方式包含无、爬升、下降、降落。所述遥测信息根据地面监控站完成对真实无人机状态监测所需要的无人机位置、速度和飞行姿态信息来选取参数，包含遥测数据发送节点的节点号、遥测数据目标节点的节点号、无人机类型、俯仰角、倾斜角、空速、经度、纬度、海拔。所述无人机类型包含中继机和任务机。
所述无人机系统通信网络仿真模块用于对无人机通信网络模型和无人机信息攻击模型进行建模，是无人机信息攻击半实物测试的核心组件。
所述无人机信息攻击通信网络模型为基于TDMA的通信网络模型，包含物理层、MAC层、传输层、网络层和应用层。所述MAC层协议模型采用固定与争用时隙相结合的混合时隙分配协议提高系统效率，并结合跳频技术扩展频谱，能够满足无人机数据传输需求。所述应用层使用遥测、遥控和干扰应用模型，通过应用模型加载到虚拟节点可在半实物测试中模拟地面监控站节点、无人机节点和干扰机节点的工作过程。所述无人机节点包含中继机节点和任务机节点。
所述无人机信息攻击通信网络模型中，作为优选，所述物理层、传输层和网络层分别选取IEEE802.3、UDP、IP和动态路由协议。
所述遥控应用模型通过模拟地面监控站发送遥控指令及真实中继机节点、任务机节点接收遥控指令的工作过程，来模拟地面监控站对目标无人机的遥控。所述遥控应用模型加载在虚拟地面监控站节点、虚拟无人机节点上。所述虚拟无人机节点包含虚拟任务机节点和虚拟中继机节点。所述模拟地面监控站发送遥控指令过程为地面监控站节点上通过接口获取无人机动态控制模块的遥控指令，解析重构数据包后在子网内广播。所述模拟中继机节点接收遥控指令为中继机节点接收子网内广播的数据包，收到后解析数据包并判断类型，如果为中继机遥控指令，则执行控制命令，并将数据包按需求重构后经过接口发送到全局态势展示界面；如果为任务机遥控指令，则转发给任务机节点。所述模拟中继机节点接收遥控指令为任务机节点首先判断是否被接管干扰和遥控干扰，如果被干扰，则不接收数据包；如果没有被接管干扰和遥控干扰，则接收数据包并判断数据包类型，当类型为任务机遥控指令时，则提取相关参数，执行指令，并将数据包按需求重构后经过接口发送到全局态势展示界面，否则丢弃该数据包。
所述遥测应用模型通过模拟真实中继机、任务机发送遥测信息和地面监控站接收真实中继机、任务机遥测信息的过程，来模拟地面监控站对无人机的监测。所述遥测应用模型加载在地面监控站节点、无人机节点上。所述模拟真实任务机发送遥测信息为无人机节点周期性产生遥测数据包并广播，并将数据包按需求重构后经过接口发送到全局态势展示界面。所述遥测数据包含遥测数据发送节点的节点号、遥测数据目标节点的节点号、俯仰角、倾斜角、空速、经度、纬度、海拔。所述模拟真实中继机发送遥测信息为中继机节点周期性产生遥测数据包并广播，并将数据包按需求重构后经过接口发送到全局态势展示界面，同时接收任务机节点广播的遥测数据包，判断是否被遥测干扰，如果没有被遥测干扰，将接收到的遥测数据包广播，否则丢弃数据包，并将是否被干扰的情况发送给全局态势展示模块。所述模拟地面监控站接收真实中继机、任务机遥测信息为地面监控站节点接收无人机节点广播的数据包，解析后判断遥测数据包类型，如果为中继机型，则重构后通过接口发送到外部界面显示，如果为任务机型，则判断是否经过中继转发，如果经中继机节点转发，则重构后通过接口发送到外部界面显示，否则将数据包丢弃。
所述干扰应用模型通过模拟真实干扰机发送干扰指令和目标无人机接收干扰指令的工作过程，来模拟对无人机的干扰攻击。所述干扰应用模型加载在干扰机节点上，但是会对要干扰的无人机节点产生作用。所述模拟真实干扰机发送干扰指令为干扰机节点接收无人机干扰攻击模拟加载模块发送的干扰指令后设置干扰参数，后产生包含干扰参数的指令数据包，并将数据包广播，同时将数据包按需求重构后经过接口发送到全局态势展示界面。所述模拟目标无人机接收干扰指令为目标无人机节点接收被广播的干扰数据包，后根据无人机信息攻击模型判断是否干扰成功，如果干扰成功，则任务机节点执行干扰指令，否则丢弃该数据包，同时将干扰结果发送给全局态势展示界面。
所述执行干扰指令包含目标无人机被遥控干扰，目标无人机被遥测干扰，目标无人机被接管控制。
所述目标无人机被遥控干扰为目标无人机将接收到的遥控数据包丢弃，不执行遥控指令。
所述目标无人机被遥测干扰为目标无人机不发送遥测数据。
所述目标无人机被接管控制为目标无人机根据干扰指令中的接管控制指令参数修改航迹。当目标无人机在(a,b,c)点被接管控制攻击，左盘时航迹上点的坐标为(AL,BL,CL)，右盘时航迹上点的坐标为(AR,BR,CR)，则
(AL,BL,CL)＝(a+R×sinθ,b-(R-R×cosθ),c) (1)
(AR,BR,CR)＝(a+R×sinθ,b+(R-R×cosθ),c) (2)
其中，v为无人机飞行速度，t为开始执行接管控制的时间长度，R为盘旋半径。盘旋结束后无人机回到(a,b,c)点，将继续按照初始航迹飞行。
所述无人机信息型攻击模型，对于实施有效信息型攻击，在干扰机对准目标之后，需满足接收端在频率、时间和功率三方面的匹配。实施有效信息型攻击所需的频率、时间以及功率匹配的判定计算模型分别如式(4)、(5)、(6)所示。
|ft-fr|≤BW/2 (4)
式(4)中ft、fc、BW分别指干扰机发射机的工作中心频率、通信接收机的工作中心频率和通信接收机接收带宽；式(5)中ts是干扰机发射机发射干扰的时间，t2、t3分别是通信信号的发送和接收时间，Δt1、Δt3分别是干扰信号到达通信接收机的传输时间和干扰信号的发送周期；式(6)中Pj、Ps、JSRthreshold分别指干扰信号到达通信接收机的功率、通信信号到达同一通信接收机的功率以及干扰压制系数，Pj与Ps的比值为通信接收机的输入干信比，而某一通信信号有效接收所必需的干信比为干扰压制系数JSRthreshold。
进一步的，在自由空间传播情况下通信接收机接收的通信信号功率Ps的计算模型如(7)所示。
式中：
PT——通信发射机输出功率，
GTR——通信发射天线在通信接收天线方向上的天线增益，
GRT——通信接收天线在通信发射天线方向上的天线增益，
dC——通信距离，
λ——通信信号工作波长。
在自由空间传播情况下通信接收机接收的干扰信号功率Pj的计算模型如(8)所示。
式中：
RJ——干扰发射机输出功率，
GJR——干扰天线在通信接收天线方向上的天线增益，
GRJ——通信接收天线在干扰天线方向上的天线增益，
dJ——干扰距离。
在无人机信息攻击测试中，当目标无人机节点收到干扰指令时，进行干扰有效性判断，即先获取干扰机节点、干扰机状态信息和干扰方向，后对干扰频率、干扰功率、干扰时间进行比较判断，如果以上条件都满足，即干扰机开机，无人机节点处于干扰范围内，干扰机的功率、频率和时间与无人机节点进行比较后均都符合实施有效信息干扰的要求，则干扰机干扰成功，无人机节点处于被干扰状态，可以执行干扰指令，否则为干扰失败，无人机节点处于未被干扰状态。在干扰失败的情况下可以继续修改干扰参数，进行干扰有效性的重新判断。
所述的无人机系统通信网络仿真模块优选QualNet网络仿真软件。
所述全局态势展示模块用于通过三维地理态势模型动态展示无人机的飞行轨迹，具备提供点位坐标、飞行高度、飞行姿态和飞行速度等空间量算功能的能力，实时展示攻击动态加载效果。所述三维地理态势模型为真实地形模型、目标模型、电磁环境模型和运动轨迹模型。
所述的无人机信息攻击半实物测试接口用于无人机信息攻击半实物测试中各模块间的数据传输。所述的无人机信息攻击半实物测试接口优选使用RTI-DDS中间件进行开发。
本发明还公开一种无人机信息攻击半实物测试方法，基于上述无人机信息攻击半实物测试系统实现，包括如下步骤：
步骤A.1根据无人机信息攻击背景和仿真需求，通过仿真场景规划生成模块完成仿真模块部署，明确节点信息关系、仿真运行时间、节点初始轨迹，生成初始化文件，并下发给无人机系统通信网络仿真模块和全局态势展示模块。
步骤A.2仿真开始后，通过无人机信息攻击半实物测试接口，由无人机系统通信网络仿真模块按仿真节拍向全局态势展示模块和无人机动态控制模块发送动态场景数据。
步骤A.3全局态势展示模块通过无人机信息攻击半实物测试接口接收动态场景数据，实时显示当前各节点态势。同时，无人机动态控制模块通过无人机信息攻击半实物测试接口接收动态态势数据，其遥测面板实时分析显示无人机节点遥测信息。
步骤A.4通过无人机信息攻击半实物测试接口，无人机动态控制模块对目标无人机节点发送遥控指令，对无人机节点的运动轨迹加以干预。通信网络仿真模块根据遥控指令具体数据内容对目标无人机节点的运动轨迹加以更改，同时可通过全局态势展示模块界面对当前受控制无人机节点的状态进行显示。
步骤A.5通过无人机信息攻击半实物测试接口，无人机干扰攻击模拟加载模块来对目标无人机节点实施干扰攻击。通信网络仿真模块根据干扰指令参数及信息攻击模型计算干扰攻击效果，并根据效果对涉及节点工作状态进行更改，同时可通过全局态势展示模块界面对当前受干扰无人机节点的状态进行展示。
有益效果：
(1)本发明公开的一种无人机信息攻击半实物仿真测试系统，将遥控指令和干扰指令通过半实物接入模块注入仿真测试系统，降低建模难度，提高仿真的精度。
(2)本发明公开的一种无人机信息攻击半实物仿真测试系统，基于通信网络仿真模块对无人机通信模型进行建模，开发遥测和遥控应用模型，并结合无人机动态控制模块，实现对无人机上行和下行数据传输链路的仿真，具有安全、高效、方便灵活和受环境条件约束较少的优点。
(3)本发明公开的一种无人机信息攻击半实物仿真测试系统，基于通信网络仿真模块对无人机信息攻击模型进行建模，开发干扰应用模型，并结合无人机干扰攻击模拟加载模块，用于实现对无人机进行遥测链路干扰、遥控链路干扰、接管控制攻击和毁伤指令攻击加载的过程及效果模拟，具有测试易于复现，便于投入实际应用的优点，对无人机及反无人机技术研究及关键技术验证有重要意义。
(4)本发明公开的一种无人机信息攻击半实物仿真测试系统，设计无人机信息交互接口，负责无人机信息攻击半实物测试中各模块间的信息交互，保证无人机信息攻击半实物测试中通信的实时性与可靠性，可扩展性大，为实装接入测试与验证奠定了技术基础，能够解决现有无人机信息攻击半实物仿真中拓展性差的问题。
(5)本发明公开的一种无人机信息攻击半实物仿真测试方法，在仿真过程中可以动态发送遥控和干扰指令，并模拟数据包在通信网络中的传输过程，解决了现有无人机信息攻击半实物仿真中略“信息维”和“网络维”，能动态实时的将瞬息万变的态势加载到仿真进程中的问题。
附图说明
图1是本发明中的无人机信息攻击的半实物测试架构图；
图2是本发明中的通信网络模型图；
图3是本发明中的路由发现工作流程图；
图4是本发明中的路由维护工作流程图；
图5是本发明中的遥控应用模型工作流程图；
图6是本发明中的遥测应用模型工作流程图；
图7是本发明中的干扰应用模型工作流程图；
图8是本发明中干扰有效性判断流程图；
图9是本发明中的无人机信息攻击的半实物测试方法流程图；
图10是本发明实施例中无人机信息攻击仿真场景图；
图11是本发明实施例中无干扰攻击状态下对任务机进行遥控的界面显示，图11(a)为无人机动态控制界面显示图，图11(b)为全局态势界面显示图；
图12是本发明实施例中干扰攻击模拟加载界面设置遥控干扰显示图；
图13是本发明实施例中遥测链路干扰攻击开启后的界面显示，图13(a)为无人机动态控制界面显示图，图13(b)为全局态势界面显示图。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1：
如图1所示，本实施例公开的一种无人机信息攻击半实物测试系统，包括无人机系统通信网络仿真模块、仿真场景规划生成模块、无人机干扰攻击模拟加载模块、全局态势展示模块、无人机动态控制模块、无人机信息攻击半实物测试接口。
所述仿真场景规划生成模块用于生成初始仿真场景，形成初始化文件，在仿真开始前下发给无人机系统通信网络仿真模块和全局态势展示模块。所述仿真场景包括仿真模块部署、节点信息关系、仿真运行时间、节点初始轨迹。
所述无人机干扰攻击模拟加载模块通过产生并发送干扰攻击指令模拟对无人机不同形式干扰攻击的动态加载。在不同干扰模式下真实干扰机发出的干扰信号在干扰方向、干扰频率、干扰功率、干扰时间不同，通过改变这些参数可模拟干扰机不同干扰信号的产生和发送。所述干扰攻击指令包含的参数为干扰机节点的节点号、干扰机工作状态、干扰功率、天线增益、干扰模式、干扰开始频率、干扰结束频率、干扰波束水平起始角度、干扰波束水平终止角度、干扰波束垂直起始角度、干扰波束垂直终止角度、接管指令。所述干扰机工作状态分别为干扰机开机和干扰机关机。所述不同形式的干扰攻击为对无人机的遥测链路干扰、遥控链路干扰和接管控制攻击。所述接管控制指令为在干扰模式为接管控制攻击时干扰机对目标无人机节点的控制指令，包含左盘和右盘。
所述无人机动态控制模块通过产生并发送遥控指令和接收遥测指令来模拟地面监控站对目标无人机的实时控制与状态监视。所述遥控指令根据地面监控站对真实无人机进行实时控制时发送信号中包含的控制无人机飞行方式的控制类信息来确定参数，包含遥控数据发送节点的节点号、遥控数据目标节点的节点号、水平飞行方式、垂直飞行方式。所述水平飞行方式包含无、左盘、右盘。所述垂直飞行方式包含无、爬升、下降、降落。所述遥测信息根据地面监控站完成对真实无人机状态监测所需要的无人机位置、速度和飞行姿态信息来选取参数，包含遥测数据发送节点的节点号、遥测数据目标节点的节点号、无人机类型、俯仰角、倾斜角、空速、经度、纬度、海拔。所述无人机类型包含中继机和任务机。
所述无人机系统通信网络仿真模块用于对无人机通信网络模型和无人机信息攻击模型进行建模，是无人机信息攻击半实物测试的核心组件。
基于无人机信息攻击半实物测试中各节点空对空、空对地的数据传输需求，设计了基于TDMA的通信网络模型，该通信网络模型如图2所示。基于现有的TDMA协议，MAC层协议模型采用固定与争用时隙相结合的混合时隙分配协议提高系统效率，并结合跳频技术扩展频谱，能够满足无人机数据传输需求。同时为了满足在半实物测试中模拟地面监控站节点、无人机节点和干扰机节点工作过程和工作特性的需求，在应用层设计了遥测、遥控和干扰应用模型。该通信网络模型在物理层、传输层和网络层分别选取了常用的IEEE802.3、UDP、IP和动态路由协议。同时，在复杂的网络环境下，为满足无人机信息攻击半实物测试中对数据传输的要求，在通信网络模型中用到了动态组网，选用了与IP协议相结合的动态Ad hoc网络。该网络可以实现自行组网，无须提前规划网络拓扑结构，具有灵活、快速、方便等特点。同时，由于该通信网络采用Ad hoc技术，网络中无中心成员，且每个成员均可充当中继，因此成员的退出不会对网络的运行产生巨大影响，网络鲁棒性较强。进一步的，网络采用IP协议作为基础，其具有简单的自组织与分布式网络结构，保证成员可快速入网和退网。在所设计的通信网络中，所有节点均充当主机和路由器两种角色，节点通常需要经历多跳路由转发实现数据传输，因此路由协议的选择与制定在该网络中至关重要。其动态路由协议可以分为路由发现、路由维护两个部分。
1)路由发现：当需要在某两个节点之间进行通信，但从源节点到目的节点没有路由时，启动路由发现过程，其工作流程如图3所示。
2)路由维护：当网络的拓扑结构发生变化时，启动路由维护过程，其工作流程如图4所示。
所述遥控、遥测、和干扰应用模型非QualNet固有的仿真功能模块，基于QualNet的应用开发框架通过对QualNet源码的修改、增加和编译实现二次开发，后增加无人机仿真场景的应用文件(*.app)中的语句，实现对无人机仿真场景中虚拟节点加载遥控、遥测和干扰应用模型的目的。
所述遥控应用模型通过模拟地面监控站发送遥控指令及真实中继机节点、任务机节点接收遥控指令的工作过程，来模拟地面监控站对目标无人机的遥控。如图5所示，所述遥控应用模型加载在虚拟地面监控站节点、虚拟无人机节点上。所述虚拟无人机节点包含虚拟任务机节点和虚拟中继机节点。所述模拟地面监控站发送遥控指令过程为地面监控站节点上通过接口获取无人机动态控制模块的遥控指令，解析重构数据包后在子网内广播。所述模拟中继机节点接收遥控指令为中继机节点接收子网内广播的数据包，收到后解析数据包并判断类型，如果为中继机遥控指令，则执行控制命令，并将数据包按需求重构后经过接口发送到全局态势展示界面；如果为任务机遥控指令，则转发给任务机节点。所述模拟中继机节点接收遥控指令为任务机节点首先判断是否被接管干扰和遥控干扰，如果被干扰，则不接收数据包；如果没有被接管干扰和遥控干扰，则接收数据包并判断数据包类型，当类型为任务机遥控指令时，则提取相关参数，执行指令，并将数据包按需求重构后经过接口发送到全局态势展示界面，否则丢弃该数据包。
所述遥测应用模型通过模拟真实中继机、任务机发送遥测信息和地面监控站接收真实中继机、任务机遥测信息的过程，来模拟地面监控站对无人机的监测。如图6所示，所述遥测应用模型加载在地面监控站节点、无人机节点上。所述模拟真实任务机发送遥测信息为无人机节点周期性产生遥测数据包并广播，并将数据包按需求重构后经过接口发送到全局态势展示界面。所述遥测数据包含遥测数据发送节点的节点号、遥测数据目标节点的节点号、俯仰角、倾斜角、空速、经度、纬度、海拔。所述模拟真实中继机发送遥测信息为中继机节点周期性产生遥测数据包并广播，并将数据包按需求重构后经过接口发送到全局态势展示界面，同时接收任务机节点广播的遥测数据包，判断是否被遥测干扰，如果没有被遥测干扰，将接收到的遥测数据包广播，否则丢弃数据包，并将是否被干扰的情况发送给全局态势展示模块。所述模拟地面监控站接收真实中继机、任务机遥测信息为地面监控站节点接收无人机节点广播的数据包，解析后判断遥测数据包类型，如果为中继机型，则重构后通过接口发送到外部界面显示，如果为任务机型，则判断是否经过中继转发，如果经中继机节点转发，则重构后通过接口发送到外部界面显示，否则将数据包丢弃。
所述干扰应用模型通过模拟真实干扰机发送干扰指令和目标无人机接收干扰指令的工作过程，来模拟对无人机的干扰攻击。如图7所示，所述干扰应用模型加载在干扰机节点上，但是会对要干扰的无人机节点产生作用。所述模拟真实干扰机发送干扰指令为干扰机节点接收无人机干扰攻击模拟加载模块发送的干扰指令后设置干扰参数，后产生包含干扰参数的指令数据包，并将数据包广播，同时将数据包按需求重构后经过接口发送到全局态势展示界面。所述模拟目标无人机接收干扰指令为目标无人机节点接收被广播的干扰数据包，后根据无人机信息攻击模型判断是否干扰成功，如果干扰成功，则任务机节点执行干扰指令，否则丢弃该数据包，同时将干扰结果发送给全局态势展示界面。
所述执行干扰指令包含目标无人机被遥控干扰，目标无人机被遥测干扰，目标无人机被接管控制。
所述目标无人机被遥控干扰为目标无人机将接收到的遥控数据包丢弃，不执行遥控指令。
所述目标无人机被遥测干扰为目标无人机不发送遥测数据。
所述目标无人机被接管控制为目标无人机根据干扰指令中的接管控制指令参数修改航迹。
所述目标无人机被接管控制为目标无人机根据干扰指令中的接管控制指令参数修改航迹。当目标无人机在(a,b,c)点被接管控制攻击，假设左盘时航迹上点的坐标为(AL,BL,CL)，右盘时航迹上点的坐标为(AR,BR,CR)，则
(AL,BL,CL)＝(a+R×sinθ,b-(R-R×cosθ),c) (9)
(AR,BR,CR)＝(a+R×sinθ,b+(R-R×cosθ),c) (10)
所述无人机信息型攻击模型，对于实施有效信息型攻击，在干扰机对准目标之后，需满足接收端在频率、时间和功率三方面的匹配。实施有效信息型攻击所需的频率、时间以及功率匹配的判定计算模型分别如式(12)、(13)、(14)所示。
|ft-fuav|≤BW/2 (12)
式(4)中ft、fuav、BW分别指干扰机发射机的工作中心频率、目标无人机通信接收机的工作中心频率和通信接收机接收带宽；式(5)中ts是干扰机发射机发射干扰的时间，t2、t3分别是无人机通信信号的发送和接收时间，Δt1、Δt3分别是干扰信号到达目标无人机通信接收机的传输时间和干扰信号的发送周期；式(6)中Pj、Ps、JSRthreshold分别指干扰信号到达目标无人机通信接收机的功率、通信信号到达同一通信接收机的功率以及干扰压制系数，Pj与Ps的比值为通信接收机的输入干信比，而某一通信信号有效接收所必需的干信比为干扰压制系数JSRthreshold。
在自由空间传播情况下目标无人机通信接收机接收的通信信号功率Ps的计算模型如(15)所示。
式中：
PT——其他无人机通信发射机输出功率，
GTR——其他无人机通信发射天线在目标无人机通信接收天线方向上的天线增益，
GRT——目标无人机通信接收天线在其他无人机通信发射天线方向上的天线增益，
dC——通信距离，
λ——通信信号工作波长。
在自由空间传播情况下目标无人机通信接收机接收的干扰信号功率Pj的计算模型如(16)所示。
式中：
PJ——干扰发射机输出功率，
GJR——干扰天线在目标无人机通信接收天线方向上的天线增益，
GRJ——目标无人机通信接收天线在干扰天线方向上的天线增益，
dJ——干扰距离。
在无人机信息攻击测试中，当目标无人机节点收到干扰指令时，进行干扰有效性判断，如图8所示，即先获取干扰机节点、干扰机状态信息和干扰方向，后对干扰频率、干扰功率、干扰时间进行比较判断，如果以上条件都满足，即干扰机开机，无人机节点处于干扰范围内，干扰机的功率、频率和时间与无人机节点进行比较后均都符合实施有效信息干扰的要求，则干扰机干扰成功，无人机节点处于被干扰状态，可以执行干扰指令，否则为干扰失败，无人机节点处于未被干扰状态。在干扰失败的情况下可以继续修改干扰参数，进行干扰有效性的重新判断。
所述的无人机系统通信网络仿真模块优选QualNet网络仿真软件。
所述全局态势展示模块用于通过三维地理态势模型动态展示无人机的飞行轨迹，具备提供点位坐标、飞行高度、飞行姿态和飞行速度等空间量算功能的能力，实时展示攻击动态加载效果。所述三维地理态势模型为真实地形模型、目标模型、电磁环境模型和运动轨迹模型。
所述的无人机信息攻击半实物测试接口用于无人机信息攻击半实物测试中各模块间的数据传输。所述的无人机信息攻击半实物测试接口优选使用RTI-DDS中间件进行开发。在仿真过程中，可以通过半实物接入模块和无人机系统通信网络仿真模块进行数据的接收、发送来产生交互，所以无人机信息攻击交互接口分为无人机系统通信网络仿真模块外部交互接口和半实物模型接入接口两部分，要在无人机系统通信网络仿真模块和半实物接入模块中分别开发实现。
本实施例还公开用于上述无人机信息攻击半实物测试系统的一种无人机信息攻击半实物测试方法，如图9所示，包括如下步骤：
步骤A.1根据无人机信息攻击背景和仿真需求，通过仿真场景规划生成模块完成仿真模块部署，明确节点信息关系、仿真运行时间、节点初始轨迹，生成初始化文件，并下发给无人机系统通信网络仿真模块和全局态势展示模块。图10显示了无人机信息攻击仿真场景，场景内共部署5个节点，包括1号中继机节点，2号任务机节点，3号地面监控站节点，4号和5号干扰机节点。其中，1号中继机、2号任务机和3号地面监控站节点部署于同一TDMA子网内，由1号中继机为2号任务机和3号地面监控站中继传输遥测与遥控数据，4号和5号干扰机节点部署于另一TDMA子网内，实施动态干扰攻击加载。
步骤A.2仿真开始后，通过无人机信息攻击半实物测试接口，由无人机系统通信网络仿真模块按仿真节拍向全局态势展示模块和无人机动态控制模块发送动态场景数据。
步骤A.3全局态势展示模块通过无人机信息攻击半实物测试接口接收动态场景数据，实时显示当前各节点态势。同时，无人机动态控制模块通过无人机信息攻击半实物测试接口接收动态态势数据，其遥测面板实时分析显示无人机节点遥测信息。
步骤A.4通过无人机信息攻击半实物测试接口，无人机动态控制模块对目标无人机节点发送遥控指令，对无人机节点的运动轨迹加以干预。通信网络仿真模块根据遥控指令具体数据内容对目标无人机节点的运动轨迹加以更改，同时可通过全局态势展示模块界面对当前受控制无人机节点的状态进行显示。
打开无人机动态控制模块界面，在遥控面板中输入控制站编号3号，输入无人机编号2号，水平飞行方式选择“左盘”，垂直飞行方式选择“无”，点击“发送”按钮，向2号任务机节点发送左盘旋指令。如图11(a)所示，任务机遥测信息更新，状态信息打印窗口显示对2号任务机节点进行控制。发送遥控指令后，全局态势界面显示红色遥控数据线和绿色遥测数据线，任务机节点航迹变化，如图11(b)所示。
步骤A.5通过无人机信息攻击半实物测试接口，无人机干扰攻击模拟加载模块来对目标无人机节点实施干扰攻击。通信网络仿真模块根据干扰指令参数及信息攻击模型进行干扰有限性判断，计算方法如公式(12)～(16)所示。并根据判断结果对涉及节点工作状态进行更改，同时可通过全局态势展示模块界面对当前受干扰无人机节点的状态进行展示。
打开无人机干扰攻击模拟加载模块界面，输入干扰机节点号5号，干扰机状态选择“开机”，干扰模式选择“遥测干扰模式”，设置干扰功率为105dBm，天线增益为1，干扰水平起始方向设为260度，干扰水平终止方向设为280度，干扰垂直起始方向设为0度，干扰垂直终止方向设为10度，干扰起始频率设为225MHz，干扰终止频率设为400MHz，接管控制方式设为无，点击“发送”按钮，无人机干扰攻击模拟加载界面设置如图12所示。遥测链路干扰启动后，无人机动态控制界面中的状态信息打印窗口显示遥测干扰，遥测面板不再更新任务机回传的遥测信息，同时，全局态势展示界面中1号中继节点发送给3号地面站节点的遥测数据传输线消失，分别如图13(a)和图13(b)所示。
本实施例是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
所述计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
所述计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种无人机信息攻击半实物测试系统，其特征在于：包括无人机系统通信网络仿真模块、仿真场景规划生成模块、无人机干扰攻击模拟加载模块、全局态势展示模块、无人机动态控制模块、无人机信息攻击半实物测试接口；
所述仿真场景规划生成模块用于生成初始仿真场景，形成初始化文件，在仿真开始前下发给无人机系统通信网络仿真模块和全局态势展示模块；所述仿真场景包括仿真模块部署、节点信息关系、仿真运行时间、节点初始轨迹；
所述无人机干扰攻击模拟加载模块通过产生并发送干扰攻击指令模拟对无人机不同形式干扰攻击的动态加载；在不同干扰模式下真实干扰机发出的干扰信号在干扰方向、干扰频率、干扰功率、干扰时间不同，通过改变所述参数模拟干扰机不同干扰信号的产生和发送；所述干扰攻击指令包含的参数为干扰机节点的节点号、干扰机工作状态、干扰功率、天线增益、干扰模式、干扰开始频率、干扰结束频率、干扰波束水平起始角度、干扰波束水平终止角度、干扰波束垂直起始角度、干扰波束垂直终止角度、接管指令；所述干扰机工作状态分别为干扰机开机和干扰机关机；所述不同形式的干扰攻击为对无人机的遥测链路干扰、遥控链路干扰和接管控制攻击；所述接管控制指令为在干扰模式为接管控制攻击时干扰机对目标无人机节点的控制指令，包含左盘和右盘；
所述无人机动态控制模块通过产生并发送遥控指令和接收遥测信息来模拟地面监控站对目标无人机的实时控制与状态监视；所述遥控指令根据地面监控站对真实无人机进行实时控制时发送信号中包含的控制无人机飞行方式的控制类信息来确定参数，包含遥控数据发送节点的节点号、遥控数据目标节点的节点号、水平飞行方式、垂直飞行方式；所述水平飞行方式包含无、左盘、右盘；所述垂直飞行方式包含无、爬升、下降、降落；所述遥测信息根据地面监控站完成对真实无人机状态监测所需要的无人机位置、速度和飞行姿态信息来选取参数，包含遥测数据发送节点的节点号、遥测数据目标节点的节点号、无人机类型、俯仰角、倾斜角、空速、经度、纬度、海拔；所述无人机类型包含中继机和任务机；
所述全局态势展示模块用于通过三维地理态势模型动态展示无人机的飞行轨迹，具备提供点位坐标、飞行高度、飞行姿态和飞行速度这些空间量算功能的能力，实时展示攻击动态加载效果；所述三维地理态势模型为真实地形模型、目标模型、电磁环境模型和运动轨迹模型；
所述的无人机信息攻击半实物测试接口用于无人机信息攻击半实物测试中各模块间的数据传输。
2.如权利要求1所述的一种无人机信息攻击半实物测试系统，其特征在于：所述无人机系统通信网络仿真模块用于对无人机通信网络模型和无人机信息攻击模型进行建模；
所述无人机信息攻击通信网络模型为基于TDMA的通信网络模型，包含物理层、MAC层、传输层、网络层和应用层；所述MAC层协议模型采用固定与争用时隙相结合的混合时隙分配协议提高系统效率，并结合跳频技术扩展频谱，能够满足无人机数据传输需求；所述应用层使用遥测、遥控和干扰应用模型，通过应用模型加载到虚拟节点可在半实物测试中模拟地面监控站节点、无人机节点和干扰机节点的工作过程；所述无人机节点包含中继机节点和任务机节点；
所述遥控应用模型通过模拟地面监控站发送遥控指令及真实中继机节点、任务机节点接收遥控指令的工作过程，来模拟地面监控站对目标无人机的遥控；所述遥控应用模型加载在虚拟地面监控站节点、虚拟无人机节点上；所述虚拟无人机节点包含虚拟任务机节点和虚拟中继机节点；所述模拟地面监控站发送遥控指令过程为地面监控站节点上通过接口获取无人机动态控制模块的遥控指令，解析重构数据包后在子网内广播；所述模拟中继机节点接收遥控指令为中继机节点接收子网内广播的数据包，收到后解析数据包并判断类型，如果为中继机遥控指令，则执行控制命令，并将数据包按需求重构后经过接口发送到全局态势展示界面；如果为任务机遥控指令，则转发给任务机节点；所述模拟中继机节点接收遥控指令为任务机节点首先判断是否被接管干扰和遥控干扰，如果被干扰，则不接收数据包；如果没有被接管干扰和遥控干扰，则接收数据包并判断数据包类型，当类型为任务机遥控指令时，则提取相关参数，执行指令，并将数据包按需求重构后经过接口发送到全局态势展示界面，否则丢弃该数据包；
所述遥测应用模型通过模拟真实中继机、任务机发送遥测信息和地面监控站接收真实中继机、任务机遥测信息的过程，来模拟地面监控站对无人机的监测；所述遥测应用模型加载在地面监控站节点、无人机节点上；所述模拟真实任务机发送遥测信息为无人机节点周期性产生遥测数据包并广播，并将数据包按需求重构后经过接口发送到全局态势展示界面；所述遥测数据包含遥测数据发送节点的节点号、遥测数据目标节点的节点号、俯仰角、倾斜角、空速、经度、纬度、海拔；所述模拟真实中继机发送遥测信息为中继机节点周期性产生遥测数据包并广播，并将数据包按需求重构后经过接口发送到全局态势展示界面，同时接收任务机节点广播的遥测数据包，判断是否被遥测干扰，如果没有被遥测干扰，将接收到的遥测数据包广播，否则丢弃数据包，并将是否被干扰的情况发送给全局态势展示模块；所述模拟地面监控站接收真实中继机、任务机遥测信息为地面监控站节点接收无人机节点广播的数据包，解析后判断遥测数据包类型，如果为中继机型，则重构后通过接口发送到外部界面显示，如果为任务机型，则判断是否经过中继转发，如果经中继机节点转发，则重构后通过接口发送到外部界面显示，否则将数据包丢弃；
所述干扰应用模型通过模拟真实干扰机发送干扰指令和目标无人机接收干扰指令的工作过程，来模拟对无人机的干扰攻击；所述干扰应用模型加载在干扰机节点上，但是会对要干扰的无人机节点产生作用；所述模拟真实干扰机发送干扰指令为干扰机节点接收无人机干扰攻击模拟加载模块发送的干扰指令后设置干扰参数，后产生包含干扰参数的指令数据包，并将数据包广播，同时将数据包按需求重构后经过接口发送到全局态势展示界面；所述模拟目标无人机接收干扰指令为目标无人机节点接收被广播的干扰数据包，后根据无人机信息攻击模型判断是否干扰成功，如果干扰成功，则任务机节点执行干扰指令，否则丢弃该数据包，同时将干扰结果发送给全局态势展示界面。
3.如权利要求2所述的一种无人机信息攻击半实物测试系统，其特征在于：
所述执行干扰指令包含目标无人机被遥控干扰，目标无人机被遥测干扰，目标无人机被接管控制；
所述目标无人机被遥控干扰为目标无人机将接收到的遥控数据包丢弃，不执行遥控指令；
所述目标无人机被遥测干扰为目标无人机不发送遥测数据；
所述目标无人机被接管控制为目标无人机根据干扰指令中的接管控制指令参数修改航迹；当目标无人机在(a,b,c)点被接管控制攻击，左盘时航迹上点的坐标为(AL,BL,CL)，右盘时航迹上点的坐标为(AR,BR,CR)，则
(AL,BL,CL)＝(a+R×sinθ,b-(R-R×cosθ),c) (1)
(AR,BR,CR)＝(a+R×sinθ,b+(R-R×cosθ),c) (2)
其中，v为无人机飞行速度，t为开始执行接管控制的时间长度，R为盘旋半径；盘旋结束后无人机回到(a,b,c)点，将继续按照初始航迹飞行；
所述无人机信息攻击模型，对于实施有效信息型攻击，在干扰机对准目标之后，需满足接收端在频率、时间和功率三方面的匹配；实施有效信息型攻击所需的频率、时间以及功率匹配的判定计算模型分别如式(4)、(5)、(6)所示；
|ft-fr|≤BW/2 (4)
式(4)中ft、fr、BW分别指干扰机发射机的工作中心频率、通信接收机的工作中心频率和通信接收机接收带宽；式(5)中ts是干扰机发射机发射干扰的时间，t2、t3分别是通信信号的发送和接收时间，Δt1、Δt3分别是干扰信号到达通信接收机的传输时间和干扰信号的发送周期；式(6)中Pj、Ps、JSRthreshold分别指干扰信号到达通信接收机的功率、通信信号到达同一通信接收机的功率以及干扰压制系数，Pj与Ps的比值为通信接收机的输入干信比，而某一通信信号有效接收所必需的干信比为干扰压制系数JSRthreshold。
4.如权利要求3所述的一种无人机信息攻击半实物测试系统，其特征在于：
在自由空间传播情况下通信接收机接收的通信信号功率Ps的计算模型如(7)所示；
式中：
PT——通信发射机输出功率，
GTR——通信发射天线在通信接收天线方向上的天线增益，
GRT——通信接收天线在通信发射天线方向上的天线增益，
dC——通信距离，
λ——通信信号工作波长；
在自由空间传播情况下通信接收机接收的干扰信号功率Pj的计算模型如(8)所示；
式中：
PJ——干扰发射机输出功率，
GJR——干扰天线在通信接收天线方向上的天线增益，
GRJ——通信接收天线在干扰天线方向上的天线增益，
dJ——干扰距离；
在无人机信息攻击测试中，当目标无人机节点收到干扰指令时，进行干扰有效性判断，即先获取干扰机节点、干扰机状态信息和干扰方向，后对干扰频率、干扰功率、干扰时间进行比较判断，如果以上条件都满足，即干扰机开机，无人机节点处于干扰范围内，干扰机的功率、频率和时间与无人机节点进行比较后均都符合实施有效信息干扰的要求，则干扰机干扰成功，无人机节点处于被干扰状态，可以执行干扰指令，否则为干扰失败，无人机节点处于未被干扰状态；在干扰失败的情况下可以继续修改干扰参数，进行干扰有效性的重新判断。
5.如权利要求4所述的一种无人机信息攻击半实物测试系统，其特征在于：所述的无人机系统通信网络仿真模块选QualNet网络仿真软件。
6.如权利要求4所述的一种无人机信息攻击半实物测试系统，其特征在于：所述的无人机信息攻击半实物测试接口使用RTI-DDS中间件进行开发。
7.如权利要求4所述的一种无人机信息攻击半实物测试系统，其特征在于：所述无人机信息攻击通信网络模型中，所述物理层、传输层和网络层分别选取IEEE802.3、UDP、IP和动态路由协议。
8.一种无人机信息攻击半实物测试方法，基于如权利要求1至7任意一项所述的一种无人机信息攻击半实物测试系统实现，其特征在于：包括如下步骤，
步骤A.1根据无人机信息攻击背景和仿真需求，通过仿真场景规划生成模块完成仿真模块部署，明确节点信息关系、仿真运行时间、节点初始轨迹，生成初始化文件，并下发给无人机系统通信网络仿真模块和全局态势展示模块；
步骤A.2仿真开始后，通过无人机信息攻击半实物测试接口，由无人机系统通信网络仿真模块按仿真节拍向全局态势展示模块和无人机动态控制模块发送动态场景数据；
步骤A.3全局态势展示模块通过无人机信息攻击半实物测试接口接收动态场景数据，实时显示当前各节点态势；同时，无人机动态控制模块通过无人机信息攻击半实物测试接口接收动态态势数据，其遥测面板实时分析显示无人机节点遥测信息；
步骤A.4通过无人机信息攻击半实物测试接口，无人机动态控制模块对目标无人机节点发送遥控指令，对无人机节点的运动轨迹加以干预；通信网络仿真模块根据遥控指令具体数据内容对目标无人机节点的运动轨迹加以更改，同时可通过全局态势展示模块界面对当前受控制无人机节点的状态进行显示；
步骤A.5通过无人机信息攻击半实物测试接口，无人机干扰攻击模拟加载模块来对目标无人机节点实施干扰攻击；通信网络仿真模块根据干扰指令参数及信息攻击模型计算干扰攻击效果，并根据效果对涉及节点工作状态进行更改，同时可通过全局态势展示模块界面对当前受干扰无人机节点的状态进行展示。
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