测控链路相关干扰的Simulink动态仿真

王宝堂，许阳明，董康华

(电子工程学院，合肥 230037)



测控链路相关干扰的Simulink动态仿真

王宝堂，许阳明，董康华

(电子工程学院，合肥 230037)

以Matlab/Simulink为平台，对无人机测控链路的相关干扰进行建模与仿真。利用Simulink通信系统仿真工具箱，对链路的发射端、接收端、信道和第3方干扰机进行了系统的搭建，模拟了测控链路的整个工作过程，仿真了在动态的相关干扰情况下链路的性能。结果表明，接收端最终的输出与干扰机发射的数据基本一致。在非合作条件下，干扰机在特定情况下能够牵引测控链路目标接收机的伪码跟踪环，阻断测控链路的正常工作。

测控链路；相关干扰；伪码跟踪环

0 引 言

21世纪80年代的贝卡谷地空战及90年代的海湾战争中无人机的优良表现，引发了全球发展无人机的浪潮。时至今日，无人机既可作为部队“远视”的眼睛，又可作为导弹挂载、发射的平台，还可以进行无线电攻击与防护等多种用途。

对无人机测控链路[1-2]的干扰，部分集中于卫星中继链路，由于中继链路的传输距离远，致使测控信号到达接收机的功率较低，前人的很多研究提出了大功率压制的阻塞式干扰[3]、功率较低的灵巧式干扰[4]。对于无人机测控链路而言，目标平台距离较远，对干扰功率的要求很大，很难保证持续的干扰；而灵巧式干扰对侦察的要求较高，存在一定的困难。

对于视距链而言，目前有部分文献阐述了测控链路的静态分析[5-6]，在搭建整个链路的过程中并没有涉及到同步操作，只是接收端的伪码直接调用发端的伪码状态来进行解扩，进而对信号传输过程中引入的干扰进行分析。然而对于相关干扰[7]而言，这种分析方法就会产生很大的局限性，对干扰信号生成的速度要求较高，一旦不能及时生成干扰信号，则无法达到干扰的目的。部分文献则是定性地阐述了动态相关干扰这一设想[8]，并没有进行深入的理论分析和仿真。本文则是通过Simulink仿真工具箱对测控链路进行动态相关干扰的仿真，牵引测控系统的同步[9]过程表明了动态干扰具体的可行性及操作方法。通过动态的干扰能够保证对目标链路完成干扰，占据目标接收机的解扩器，使之无法完成对目标信号的接收。

1 无人机测控链路

无人机并非完全无人驾驶，而是地面操作人员通过无线测控链路来完成对无人机的控制。根据地面站与无人机平台之间是否无线电通视，将无人机测控通信系统分为视距型(LOS)和超视距型(BLOS)，如图1所示。

图1 无人机测控链路

视距型测控系统的主要功能是为无人机建立直接、短距离测控和通信链路。典型情况下，所有的无人机起降都由视距型测控系统控制。然而在超视距的情况下，无人机的测控通信任务就必须通过中继的方式来完成测控操作。

LOS和BLOS的测控链路都包含了前向链路与返向链路。前向链路主要用于发送遥控指令，控制无人机飞行姿态、修正航线和执行任务。返向链路用于及时回传遥测信息及侦察获得的情报数据。

由于空间电磁环境越来越复杂，无线电测控信号到达接收端的信噪比快速衰减，严重影响测控操作的正确性。所以当前部分无人机测控系统的前向链路采用了直接序列扩频(DSSS)技术[10]，如“全球鹰”无人机的X波段视距链、“猎人”、“先锋”、“影子200”等无人机的战术通用数据链(TCDL)战术链。DSSS技术不仅解决了遥控信号的抗干扰问题，还减小了信号的发射功率，增强了抗截获能力，使信号在传输过程中的安全性大大提高。DSSS技术在整个测控中的应用过程如图2所示。

图2 扩频测控系统框图

在测控系统的工作过程中，信号在地面站与无人机间传输不可避免地产生电磁泄漏，这就为攻击测控链路提供了切入点。

2 干扰与仿真

2.1 动态相关干扰

2.1.1 相关干扰

由于无人机平台在空中航行，干扰信号的功率要求较高，在众多的干扰方式中，相关干扰既能够满足较小的功率需求，又能实现较好的干扰效能。相关干扰采用的伪随机序列与目标信号具有很强的相关程度，其载波频率接近信号中心频率，伪码速率和信号伪码速率相近。

前向链路的遥控信号(目标信号)可以表示为：

(1)

式中:p(t)为伪随机码;d(t)为信息码;P为信号的功率;f0为中心频率;θ为初相。

当遥控信号到达无人机接收端时，可以表示为：

sr(t)=s(t)+n(t)+J(t)

(2)

式中:n(t)为噪声;J(t)为其他干扰(如瞄准式干扰)。

接收机通过同步跟踪操作使本地伪码p′(t)与p(t)的相位保持一致，此时p(t)·p′(t)=1，再通过滤波器恢复出信息码d(t)。但是，当信道中出现有意的相关干扰信号时，在特定情况下遥控信号就会受到严重的影响。如转发式干扰[11]就属于相关干扰。转发式干扰是将截获到的目标信号经过去噪、放大等操作，再次发射出去，要求转发延迟要小于2个PN码片宽度，这是由伪码的峰值特性决定的，只有这样才可以有效增加干扰信号的功率,达到较好的干扰效果。

2.1.2 动态相关干扰

对于上述的相关干扰而言，干扰方对截获目标信号处理的实时性要求非常高，实现相对困难，那么采用动态的相关干扰使干扰信号与目标信号的相位对齐，则是一种有效的解决之道。由于很难实时掌握目标信号到达接收机的相位状态，那么就可以从改变干扰信号的相位状态入手，以伪码周期长度为准，周期性地调整干扰机发射端信号的相位状态，或者改变干扰平台的运动状态来实现干扰信号与目标信号相位的相对变化，使相邻周期间的信号相位步进改变，相位步进的范围必须小于2个PN码片的宽度，则干扰信号与目标信号的相位将会在某一时刻对齐。其优势更在于干扰信号是动态变化的，相位对齐之后目标接收机的本地伪码发生器的状态将会锁定干扰信号，随着干扰信号的动态变化而变化。

2.2 Simulink仿真

本文将要仿真一个整体的测控系统，Simulink[12]具有灵活运用、模块化搭建等优点，能够更加逼真、直观地模拟真实的系统设备。

2.2.1 地面指控站发射端

地面指控站发射端是指令发出的工作单元，包括信源、伪随机序列发生器、相乘器、电平转换器、载波发生器、滤波器，如图3所示。发射端的信源是经过了编码、交织等处理过后的信息帧，信源的码速率设为1kHz；伪随机码则选取了长度为255的m序列，伪码速率设为255kHz，周期为1ms；载波是510kHz的正弦波。

图3 发射端仿真图

2.2.2 第3方干扰机

当地面指控站与目标接收机建立起通信链路之后，接收机跟踪环就会保持对测控信号的跟踪，也可以理解成一种相对静止的状态，而动态的相关干扰要求干扰信号的相位状态相对于目标信号是动态变化的，只有如此才会在某一时刻相位对齐。如图4所示，干扰机发射的信号则是通过多个信号产生模块叠加而形成的，每个干扰模块内部都有一段与目标信号相关程度很高的信号，只是模块间的延迟不同，这就相当于对某一种干扰信号状态进行周期性的改变，使之与相对静止的目标信号状态偏移。

图4 干扰机仿真图

2.2.3 传输信道

信道传输部分主要是模拟了复杂的电磁环境。如图5所示，源信号子模块就是地面指控站发射端的集成；干扰信号子模块则是干扰机的集成；加性高斯白噪声信道(AWGNChannal)模块表示信号在传输过程中引入了高斯白噪声；窄带干扰模块表示的是一个单音的正弦波(窄带干扰)；左侧的显示窗口显示的是目标信号、相关干扰信号的信源信息及整个测控系统目标接收机输出的结果。由于接收机本地伪码初相的不确定性，所以同步过程会耗费一段时间，这就是为什么会在显示窗口前接入延迟期的原因。

2.2.4 机载接收端

当信号到达接收端后，如图6所示，首先通过滤波器滤掉信号带宽之外的噪声，滤波器模块主要完成这一功能，要求滤波器中心频率与带宽的设置要和测控信号一致;伪码同步模块是接收端的核心，通过调整本地伪码发生器对测控信号包含的PN码同步，完成解扩操作，内部包含了捕获和跟踪两大子模块；载波解调模块负责解调操作，包括频率补偿和载波跟踪等子模块。

图5 信道仿真图

图6 接收端仿真图

2.2.5 干扰结果

仿真过程中引入了信噪比为10dB的白噪声和干信比为20dB的窄带干扰，图7(a)与(b)分别表示注入噪声前后的信号频谱图。而动态的相关干扰则是多个延时不同的静态干扰信号的叠加，如图8所示。当还未注入干扰信号时，接收机输出与目标信源一致；干扰信号由4个部分组成，最后一部分与目标信号的相位相差2.5个码片，接收机的输出与最终的干扰源一致；而中间的三部分干扰信号主要是完成对接收机伪码跟踪环的牵引。图7(a)中所显示的是，当还未注入干扰信号时，接收机输出与目标信源一致；当开始注入的相关干扰信号与目标信号的相位相差2.5个码片时，接收机的输出仍与目标信源一致。

图7 信号频谱图

图8 动态相关干扰仿真过程

仿真结果同时表明，直扩体制的测控链路对窄带干扰而言，具有很好的抗干扰性能。但动态的相关干扰在功率较小的情况下就能够起到明显的干扰效果。

3 结束语

本文主要阐述了部分型号的无人机测控链路体制及链路的工作原理和关键技术的应用，提出了针对测控链路的动态相关干扰，并通过Simulink仿真工具箱进行了仿真。模拟了测控链路从发到收的工作过程，细致搭建了伪码捕获跟踪操作，并且以动态的相关干扰对目标链路进行了干扰仿真，达到了预期的干扰效果，使仿真环境更加逼近真实的战场环境，使干扰更加便捷有效，同时弥补了静态相关干扰的局限性。

[1] 周定宇,黄大庆.无人机测控新体制研究[J].电讯技术,2012,52(9):15-19.

[2] 陆文博，刘春生.对无人机测控系统干扰方法的研究[J].舰船电子对抗，2013,36(2):31-34.

[3]BorioDaniele.O'DriscollCillian.JammerimpactonGalileoandGPSreceivers[A].ICL-GNSS[C].Turin,Italy:IEEE,2013:1-6.

[4]QiZeng,HushengLi.GPSspoofingattackontimesynchronizationinwirelessnetworksanddetectionschemedesign[A].MilitaryCommunicationsConference[C].Orlando,FL,USA:IEEE,2012:1-5.

[5] 万让鑫,任明秋.直接序列扩频信号干扰技术研究[J].舰船电子工程,2011,32(3):44-46.

[6] 谢水珍.基于m序列的直接序列扩频通信系统仿真[J].通信技术，2012(12):71-73.

[7] 周国辉，谢井，李鼎.对CDMA系统的干扰方法分析[J].电子信息对抗技术，2013,28(2):38-41.

[8] 郑建忠,易翔.DS-CDMA信号的动态竞争机制分析[J].电子信息对抗技术,2012,27(4):47-51.

[9] 唐高明.扩频指令通信系统中的伪码同步研究[D].南京：南京理工大学，2012.

[10]王毓龙,周阳生.美军无人机数据链发展研究[J].飞航导弹,2013(4):73-76.

[11]余金峰,路伟涛，王金宝.转发干扰下扩频系统伪码跟踪误差分析与仿真[A].第2届中国卫星导航学术年会电子文集[C].上海:CSNC,2011:1-4.

[12]刘艳良，孔军辉，刘海见.基于Simulink的直扩系统频域窄带干扰抑制研究[J].无线电工程，2013,43(12):1-3.

Simulink Dynamic Simulation of Correlation Jamming for TT&C Link

WANG Bao-tang,XU Yang-ming,DONG Kang-hua

(Electronic Engineering Institute,Hefei 230037，China)

Taking Matlab/Similink as a platform,this paper performs modeling and simulation to the correlation jamming of unmanned air vehicle (UAV) tracking telemetring and command (TT&C) link,uses Simulink communication system simulation toolbox to build up transmitting end,receiving end,channel and the 3rd-party jammer systematically,simulates the total operating process of TT&C link,simualtes the link performance under the circs of correlation jamming.The result shows that the ultima output of receiving end is basically consistent with the data transmitted by jammer.Under the conditions of non-cooperation,the jammer can boot pseudo-code tracking loop of target receiver in specific situation and block up the normal operation of TT&C link.

tracking telemetring and command link;correlation jamming;pseudo-code tracking loop

2014-12-29

TN975

A

CN32-1413(2015)02-0025-05

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.02.008