反無人機轉發式干擾參數設計與仿真

郝明明，盛懷潔，陳明建

(國防科技大學 電子對抗學院， 合肥 230037)

隨著無人機作戰效能的顯著提升和戰場威脅度的增加，可以預見，以無人機為代表的無人作戰平臺必將成為各國軍隊面對的挑戰。目前，針對無人機的電子攻擊對象主要為導航定位系統、數據鏈系統和任務載荷系統[1]。數據鏈作為無人機的指揮控制鏈、跟蹤定位鏈和信息傳輸鏈，是無人機飛行的“生命鏈”和作戰效能發揮的“保障鏈”，是反無人機中威脅等級最高的目標[2]。因此，對無人機數據鏈的電子攻擊是反制無人機的重中之重。

對無人機數據鏈的電子攻擊分為壓制式干擾和欺騙式干擾兩大類。隨著信息技術的發展，現有無人機數據鏈多采用了信道編碼、擴頻等技術來提高數據傳輸的可靠性，在這種情況下，依靠能量功率優勢的壓制式干擾已不能取得良好的干擾效果，需要進一步研究更加威脅有效的欺騙式干擾[3-6]。對無人機數據鏈的欺騙干擾可分為鏈路協議層欺騙和鏈路物理層欺騙。鏈路協議層欺騙干擾需要對截獲的數據鏈信號進行盲解調，盲解擴，加密、編碼和遙控幀協議的盲解析，完成對信號的修改重構，技術實現難度較大。而鏈路物理層欺騙干擾基本不涉及協議層的盲估計問題，工程應用較易實現，因而引起電子對抗領域的普遍重視。

無人機上行數據鏈具有傳輸速率較低的特點，針對無人機上行數據鏈實施轉發式干擾，屬鏈路物理層欺騙干擾，截取所轉發信號包含飛行狀態控制關鍵指令，此干擾方式具有較大的威脅性和可行性。本文面向無人機上行數據鏈，以基于鏈路物理層欺騙的轉發式干擾為研究對象，在仿真分析的基礎上重點對轉發式干擾各參數進行設計和配置。

1 轉發式干擾基本構想

如圖1所示，轉發干擾設備主要由偵察接收設備、存儲轉發設備和調制發射設備3部分組成。其中偵察接收設備用于對無人機上行數據鏈信號的高靈敏度接收，采樣后輸出數據文件；存儲轉發設備對數據文件進行處理得到并存儲基帶碼流序列，在干擾參數配置完成后執行轉發，輸出轉發干擾碼流；調制發射設備對輸入轉發干擾碼流進行調制，輸出轉發干擾射頻信號。

轉發式干擾的基本構想是：利用轉發干擾設備截獲無人機的上行鏈路信號，為使截獲信號中包含飛行姿態變換指令，這一過程爭取在雷達對無人機飛行航跡跟蹤指示下進行。偵察接收設備截獲、存儲一定時長的上行鏈路信號，經混頻、濾波后形成采樣數據文件。存儲轉發設備中的計算機按照一定算法對輸入數據進行信號處理，得到包含遙控指令的基帶碼流序列，形成存儲文件；按照循環轉發周期參數對存儲數據文件進行簡單拼接，形成轉發干擾碼流。調制發射設備接收轉發干擾碼流，經射頻變換后形成轉發干擾信號，大功率向無人機機載數據終端的接收設備循環轉發該信號。

該方法不需對鏈路協議層參數進行盲估計，由于沒有或極少改變原信號的結構特征，無人機機載接收設備對轉發干擾信號基本沒有識別能力。在滿足干信比要求下，無人機極有可能經暫短失控后，鎖定轉發干擾信號，致使其反復執行干擾信號中的遙控指令，造成其飛行狀態紊亂，最終因失控啟動應急程序甚至墜毀。

依據基本構想，研究需要首先對轉發式干擾參數進行仿真，過程主要包括兩個部分：一是從射頻端對鏈路信號的截獲存儲及處理；二是對基帶碼流序列的存儲轉發。前者涉及到射頻前端微波信號的高靈敏度截獲接收和數據處理算法等技術問題，實現難度較大；后者的關鍵是對基帶碼流序列的處理，它對應地面數據終端中遙控幀序列與擴頻碼序列模二加后得到的基帶激勵碼序列，包含了遙控信號鏈路層的完整特征。因此，截取存儲該數據進行轉發干擾參數設計研究，也具有很強的說服力。本文假設在已得到基帶碼流序列的基礎上，構建基帶轉發式干擾模型，并對轉發干擾進行參數設計與仿真。

2 基帶轉發式干擾模型

2.1 仿真流程

基帶轉發式干擾仿真模型主要包括3大模塊，如圖2所示。

1) 基帶碼流生成模塊：構建遙控指令，生成基帶碼流序列。通過改變誤碼率模擬射頻信號經截獲接收和參數盲估計后得到的基帶碼流序列。

2) 存儲轉發模塊：實現對基帶碼流序列的截取、存儲和轉發，形成轉發干擾碼流。考慮到射頻信號的截取時長與基帶碼流存儲長度之間為線性對應關系，在仿真實驗中，用碼流存儲長度來代替截取信號時長，探究碼流存儲長度和轉發周期對轉發式干擾的影響。

3) 機載接收模塊：接收干噪比不同的轉發干擾碼流，形成基帶接收信號，然后模擬機載計算機對解調輸入的基帶信號進行同步、解擴、解差分、解卷積和指令判決等操作。其中噪聲采用加性零均值高斯白噪聲。

2.2 信號模型

設遙控幀信號為c(t)，擴頻采用的PN碼周期信號為m(t)，則經過擴頻調制后形成的基帶碼流信號為S(t)，它們分別滿足：

(1)

(2)

S(t)=c(t)m(t)

(3)

其中，dn為遙控幀序列，滿足{dn=±1，n=1,2,3,…}，Td為碼元寬度，其倒數1/Td為碼元速率，g1(t)為矩形窗函數；mn為PN碼序列，滿足{mn=±1，n=1,2,3,…}，Ts為碼片寬度，倒數1/Ts為碼片速率，g2(t)為矩形窗函數[7]。基帶轉發干擾信號模型如圖3所示。

基帶碼流信號S(t)經采集、存儲后形成碼流存儲信號S1(t)，滿足

S1(t)=f(t)S(t)

(4)

f(t)=u(t-T1)-u(t-T2)

(5)

其中f(t)為基帶碼流截取函數，是一個T1～T2的矩形窗函數，u(t)為階躍函數，T1、T2分別為采集數據的起始時刻和終止時刻，碼流存儲時長為T=T2-T1>0。

經循環轉發形成轉發干擾基帶碼流信號S2(t)：

(6)

其中P為轉發周期，當P=1時，S2(t)=S1(t)。

S2(t)加入噪聲n(t)，形成轉發干擾信號r(t)，其表達式為

r(t)=S2(t)+n(t)

(7)

2.3 存儲轉發模型

從基帶碼流序列d中截獲、存儲一段數據碼流，設其包含遙控幀碼元長度為L，作為轉發干擾的碼流存儲，如圖4所示：

圖4中dk，dk+1，dk+2為三幀連續的完整遙控幀，碼流存儲長度為L時，其中只包含dk+1一幀完整幀。由于截取起始位置的隨機性，截獲碼元起始位和遙控幀起始位并不重合，因此信號截獲在一定程度上破壞了遙控幀的完備性。

在基帶碼流轉發階段，將存儲碼流經過適當地拼接處理后，按轉發周期數進行循環轉發形成轉發干擾碼流，如圖5所示。

rk和rk+2分別為完整遙控幀dk和dk+2中所截取的部分碼元，在拼接過程中，若rk和rk+2不能組成一個完整幀，則有可能破壞遙控幀的完備性，使得轉發干擾失敗；若rk和rk+2恰好組成一個完整幀，則有可能保持遙控幀的完備性，使得轉發干擾成功。

3 仿真實驗與結果分析

在實現指令判決功能時，將解碼后遙控幀序列中的遙控指令提取出來，和基帶產生的遙控指令進行比較，若相同，則無人機對該指令進行響應；否則不響應。依據比較結果，得出最終的指令判決結果result。若result=1，則無人機響應轉發干擾指令，上行鏈路遙控信道鎖定，表明轉發干擾成功，同時碼流存儲時間、轉發周期和干噪比等參數設置合理；否則result=0，轉發干擾失敗。

定義干擾成功率η和干噪比JNR：

(8)

其中，Mc干擾成功次數，Ms干擾總次數；Pj轉發干擾信號功率，Pn信道噪聲功率。

利用截取起始位置的隨機性，進行多次Monte Carlo實驗，得出轉發干擾成功率。基帶轉發干擾實驗中部分信號參數設置[8-9]，如表1所示。

表1 信號模型參數設置

在機載接收模塊中，對接收信號進行同步時，考慮幀同步搜索和跟蹤階段，本仿真設定，若連續3幀均找到幀同步碼，則進入幀同步鎖定階段，可以對遙控指令進行處理[10-11]。仿真設計了4個實驗來探究干噪比JNR、碼元誤碼率φ、碼流存儲長度L和轉發周期P等參數對轉發式干擾的影響。

實驗1干噪比對轉發干擾成功率的影響

碼流存儲長度L=400，轉發周期P=1，在不同干噪比JNR下分別進行實驗，得到干噪比對轉發干擾成功率的影響如圖6所示。

由圖6可知，在其余參數設置不變的情況下，轉發干擾成功率隨干噪比的增大而增大。當干噪比JNR<-17 dB時，轉發干擾失敗；當干噪比JNR>-5 dB時，轉發干擾成功率達到100%。

實驗2碼元誤碼率對干擾成功率的影響

干噪比JNR=0 dB，轉發周期P=1，碼流存儲長度L=400，改變誤碼率φ，每種情況獨立進行仿真實驗，得到誤碼率對干擾成功率的變化曲線，如圖7所示。

從圖7可以看出，隨著誤碼率的增大，干擾成功率迅速下降。在該仿真條件下，誤碼率大于0.06時，干擾成功率為0；當誤碼率小于3×10-3時，干擾成功率達到90%以上。

實驗3碼流存儲長度對轉發干擾成功率的影響

干噪比JNR=0 dB，轉發周期P=1，改變碼流存儲長度L，每種長度下獨立進行多次Monte Carlo實驗，干擾成功率隨碼流存儲長度的變化曲線如圖8所示(橫坐標對應遙控幀序列中的碼元數)：

從圖8可以看出，在該仿真條件下，當碼流存儲長度小于3倍遙控幀(240碼元)時，干擾成功率為0；碼流存儲長度在3幀-4幀(4幀320碼元)之間時，干擾成功率總體上隨碼流存儲長度的增大而增大；當碼流存儲長度大于5倍遙控幀(400碼元)時，可以達到100%的干擾成功率。

實驗4轉發周期對干擾成功率的影響

干噪比JNR=0 dB，轉發周期P分別設置為2，3，4，5，改變碼流存儲長度L，每種情況獨立進行仿真實驗，得到不同轉發周期下，干擾成功率隨數據長度的變化曲線，如圖9所示。

由圖9可知，碼流存儲長度L和轉發周期P共同作用對轉發干擾成功率產生影響，當轉發周期P=2,3,4,5時，碼流存儲長度L大于3倍遙控幀，可達100%的干擾成功率，同時在L恰好為遙控幀碼元整數倍(80、160)時，會突變達到較高的干擾成功率，這是因為當碼元長度為整數倍時，經拼接處理后，在轉發干擾碼流能一定程度上保持遙控幀的完備性，從而獲得較高的干擾成功率。此外，結合實驗3可知，隨著P增大，達到穩定干擾時所需最小碼流存儲長度在變小，在P=2時，即可達到最小碼流存儲長度L=256(約為3倍遙控幀)。

4 結論

本文首先對無人機數據鏈的轉發式干擾做了基本構想，以基帶碼流序列作為信號來源，構建了基帶轉發式干擾仿真模型，并給出了相應的信號模型。然后利用仿真模型進行實驗，驗證了轉發干擾的可行性，并對影響轉發干擾成功率的干噪比、誤碼率、碼流存儲長度和轉發周期等因素進行了參數設計，得出了仿真條件下的參數邊界條件。實驗結論是仿真模型在滿足一定參數設置的條件下進行實驗得出的，不同無人機系統的相關參數設置不同，因此，具有一定的局限性。同時，實際情況中，影響轉發干擾的因素會更加復雜多元，但仿真數據結果仍可為實際試驗中碼流存儲時間和轉發周期等參數設置提供一定參考，為后續研究打下良好基礎。