對武器制導數據鏈靈巧干擾技術*

邵 堃，雷迎科

(國防科技大學電子對抗學院， 合肥 230037)

0 引言

武器制導數據鏈屬于專用武器數據鏈，自從20世紀80年代開始，美軍就開始研制武器制導數據鏈并陸續裝備相應的武器系統。目前在世界各國軍隊中，美軍陸海空部隊[1-5]已大規模、成體系裝備武器制導數據鏈，如AN/AXQ-14、AN/AWW-7、AN/AWW-9、AN/AWW-12、AN/AWW-13等，但涉及到對武器制導數據鏈對抗技術的研究國外公開文獻鮮有報道。

國內鮑虎[2]等人在分析武器制導數據鏈的特點后，提出干擾數據鏈系統和彈載GPS接收機系統，并以艦載電子戰直升機作為干擾平臺對抗反艦導彈為例，初步探索了對武器制導數據鏈的對抗方法。此后王小莉[3]、金飆[5]、姚玉山[6]、呂衛華[7]、龔燕[8]等人分別對武器制導數據鏈干擾技術展開了研究，相繼提出了功率合成干擾、梳狀譜干擾和音頻干擾等武器制導數據鏈干擾技術，然而已有的研究集中于壓制式干擾技術，還未涉及到對武器制導數據鏈的靈巧式干擾，由于武器制導數據鏈的突發性、定向性和窄波束性使得傳統壓制式干擾往往難以取得理想的干擾效果，而靈巧式干擾則是在對偵察處理的基礎上，集中功率于通信鏈路的薄弱環節，給敵方致命一擊。因此，研究對武器制導數據鏈的靈巧干擾具有重要的意義。文中從武器制導數據鏈通信體制特點出發，提出了基于編碼的武器制導數據鏈脈沖干擾技術和協議關鍵字段靈巧干擾技術。

1 典型武器制導數據鏈的通信體制

1.1 武器制導數據鏈系統

搭載在空地武器上的武器制導數據鏈系統主要包括彈載數據鏈終端、控制飛機上外掛數據鏈吊艙和飛機數據鏈控制面板3部分。如圖1所示，利用機載數據鏈吊艙，系統控制人員可以建立與武器之間的雙向鏈路，采用“人在回路”的控制方式，在武器末制導階段由系統控制人員向武器傳送控制信息；同時，可以通過彈載數據鏈終端傳回其尋的器獲得的目標圖像信息，并在座艙顯示器上顯示。

圖1 武器制導數據鏈系統組成

1.2 武器制導數據鏈通信過程

數據鏈終端均包括收/發天線、雙工器、分接/復接、加密/解密、CRC編碼/解碼、糾錯編碼/解碼、調制/解調、數字上/下變頻、ADC、模擬上/下變頻功放、濾波等單元。

圖2 典型武器制導數據鏈波形處理流程

2 靈巧干擾技術

2.1 基于編碼的武器制導數據鏈靈巧干擾技術

2.1.1 武器制導數據鏈編碼和糾錯能力分析

武器制導數據鏈的信道編碼[9]可以減少傳輸損耗，增強抗干擾能力，是武器制導數據鏈系統的關鍵組成部分，本節根據武器制導數據鏈的工作特點，對武器制導數據鏈編碼糾錯能力進行分析。

1)基于卷積碼的武器制導數據鏈編碼

武器制導數據鏈是典型的雙向鏈路，前向鏈路的典型糾錯碼為卷積碼，對數據鏈信號進行卷積編碼是為了糾正傳輸過程中可能出現的誤碼，并使系統獲得編碼增益。卷積碼將k個信息比特編成n個比特，編碼后的n個碼元不僅與當前k個信息有關，還與前(N-1)段信息有關。卷積碼的糾錯性能取決于卷積碼的自由距離，設卷積碼的自由距離為dfree，其糾錯能力為：

t=?(dfree-1)/2」

(1)

式中：?·」表示取整。

卷積碼譯碼的糾錯能力還與所采用的譯碼方法有關。概率解碼又稱最大似然解碼，它基于信道的統計特性和卷積碼的特點計算。當采用概率解碼時，卷積碼能在3～5個約束長度內糾正t個差錯。

2)基于級聯碼的武器制導數據鏈編碼

武器制導數據鏈的反向鏈路主要以視頻圖像的形式回傳目標信息，因此反向數據鏈要達到可以傳輸較大數據量的要求，其信道必須具有較強的糾錯能力。在保證可實時譯碼的條件下，武器制導數據鏈系統實現較強糾錯能力的方法之一是采用級聯碼。級聯碼系統框圖如圖3所示。

圖3 典型武器制導數據鏈級聯碼

RS碼作為外碼與卷積內碼能很好的匹配，因為卷積譯碼器輸出的突發錯誤長度通常是幾比特到幾個卷積碼約束長度，這在外碼中相應于數量較少的符號錯誤。

2.1.2 基于編碼的武器制導數據鏈脈沖干擾技術

脈沖干擾是由一連串周期重復的窄脈沖組成的干擾信號，因此，具有較低的占空比，占空比決定了平均功率和峰值功率之間的關系。而干擾效果取決于峰值功率以及該信號返回接收機的頻度，所以脈沖干擾的平均功率比其他干擾技術的平均功率低，但能夠達到同樣的效果。

1)基于卷積碼的武器制導數據鏈脈沖干擾

卷積碼具備很好的糾隨機錯誤的性能，但卷積碼的糾錯范圍有限，當采用最大似然解碼時，卷積碼只能在3～5個約束長度內糾正t個差錯，一旦超過卷積碼的糾錯能力后，由于卷積碼的約束關系可能帶來新的錯誤，所以在脈沖干擾的平均功率一定的情況下，將干擾脈沖寬度W適當減小，使干擾周期內的誤碼集中分布，可達到較好的干擾效果。

2)基于級聯碼的武器制導數據鏈脈沖干擾

對級聯碼的脈沖干擾時，解碼過程如圖4所示。

圖4 級聯碼解碼及干擾示意圖

圖5 對RS碼最佳干擾脈沖分布

交織器在作用時將一個碼字內的錯碼分散到多個碼字中，當交織深度為p時，卷積交織和RS碼結合起來最多能糾正(p×t)Byte的錯誤，即(p×t×q) bit，所以在L1處干擾脈沖要滿足：

(2)

式中:α和β是兩個與卷積碼有關的參數。

2.2 協議關鍵字段靈巧干擾技術

2.2.1 針對物理幀同步的靈巧干擾技術

武器制導數據鏈數據傳輸的突發性和實時性特點給收發端的時鐘同步問題提出了很高的要求。武器制導數據鏈采用的典型幀同步技術為集中插入法幀同步[10]，即發送端在每個物理幀的開始插入一段特定的序列作為訓練序列。武器制導數據鏈物理幀結構如圖6所示。

圖6 武器制導數據鏈物理幀結構

接收端通過匹配濾波捕獲的方法實現幀同步，原理是利用訓練序列的自相關性強而互相關性差的特點，通過相關匹配濾波，找到信息序列的精確起始位置。

根據武器制導數據鏈數據傳輸協議采用的典型幀同步方式，其物理幀封裝格式明確，提出兩種靈巧干擾方法。

1)同步序列精確干擾

在一定的時間段內，武器制導數據鏈的物理幀同步序列是固定不變的。因此同步序列精確干擾波形的設計要基于以下基礎：

①對武器制導數據鏈物理幀同步的精確識別；

②對信道傳輸時延的精確計算。

在干擾引導[11-13]的基礎上可以選擇前置噪聲或同步翻轉序列對同步字段實施精確干擾，且可以對下一個時隙的同步字段實施精確預測干擾，如圖7所示。

圖7 同步序列精確干擾

效果：武器制導數據鏈物理幀同步字段被干擾后，接收端無法檢測出正確的幀頭，無法解析之后的數據部分。

2)同步欺騙式干擾

為進一步降低對物理幀同步的靈巧干擾難度，克服干擾信號與目標信號之間的時延，提出同步欺騙式干擾。同步欺騙式干擾波形的設計要基于以下基礎：

①對武器制導數據鏈物理幀同步的精確識別；

②對接收端同步捕獲方式的情報支撐。

同步欺騙式干擾的干擾原理是針對同步序列構造偽相關峰，以隱蔽的方式實現對同步的干擾，同步欺騙干擾技術如圖8所示。

圖8 同步欺騙干擾

效果：對接收機注入以武器制導數據鏈幀同步序列為基礎構造的偽同步序列可以擾亂敵方正確接收遙測及情報信號。

2.2.2 針對圖像處理層的靈巧干擾技術

針對武器制導數據鏈在“人在回路”精確制導中的應用，開展針對圖像層的靈巧干擾技術研究。

武器制導數據鏈在武器末制導階段開啟，通過反向鏈路回傳目標圖像信息。圖像信息包括同步字段、圖像幀頭、圖像數據及校驗碼字等。只有數據完成同步，且能正確尋找到圖像幀頭時，才能完成圖像數據的解析，恢復導彈偵察圖像信息。圖像幀頭是經過嚴格定義的特殊字段，在鏈路信息交互過程中，圖像幀頭長度和內容固定不變、重復出現，因此有利于分析出圖像幀頭的特征。

因為信息字段經過了編碼和加擾等處理，所以對圖像處理層的靈巧干擾要在編碼識別和分析的基礎上，進一步分析圖像幀格式，識別圖像幀頭，實現對圖像幀頭的精確干擾，如圖9所示。

效果：對圖像幀頭實施干擾可以使接收方無法正確解析圖像數據，進而使座艙顯示器上無法顯示尋的器獲得的目標圖像信息。

圖9 對圖像幀頭靈巧干擾

3 仿真分析

為了驗證組合武器制導數據鏈靈巧干擾技術的可行性，下面進行仿真實驗。

實驗1：基于卷積碼的武器制導數據鏈脈沖干擾

實驗參數：本方案的前向武器制導數據鏈采用(2,1,7)卷積編碼，碼率為1/2。碼生成多項式為(171,133)，即G1=1111001，G2=1011011，約束長度為7，解碼方式為維特比譯碼，調制方式為DPSK調制。脈沖干擾周期為4 000 bit/速率，令干擾周期內的脈沖干擾功率相等，能使解卷積碼前的序列產生80 bit的錯誤。

(2,1,7)卷積碼能在21～35 bit范圍內糾正4 bit的錯誤，隨著脈沖干擾在干擾周期內的分布越來越分散，誤比特位置在干擾周期內的分散程度也隨之增大，如圖10所示，譯碼器輸出的誤比特率先增加后減小。

圖10 基于卷積碼的武器制導數據鏈脈沖干擾

實驗2：基于級聯碼的武器制導數據鏈脈沖干擾

實驗參數：本方案的反向武器制導數據鏈采用級聯碼，其外碼采用RS(255，223)編碼，生成多項式表示為F(x)=x8+x4+x3+x2+1，信息位m=8，監督碼元2t=32。交織深度為4，內碼采用(2,1,7)卷積編碼，碼率為1/2，約束長度為7，調制方式為DPSK調制。

RS(255，223)能糾正16 Byte的錯誤，交織深度為4，卷積編碼率為1/2，如圖11可以看出當干擾脈沖覆蓋范圍約大于1 024 bit時，誤符號率開始急劇增加。

圖11 干擾脈沖覆蓋范圍與誤符號率關系

實驗3：同步序列精確干擾

在對武器制導數據鏈物理幀同步識別的基礎上，開展同步序列的精確干擾。對同步序列精確干擾的關鍵在于準確選擇干擾脈沖的發射時機。由于干擾機與載機和導彈三者的實際位置關系導致干擾信號與目標信號存在相對時延，因此根據導彈與載機的典型運動參數對相對時延進行仿真計算。

實驗參數：設干擾機布置在目標周圍，數據鏈開啟時，載機飛行高度為9 km，干擾機距離空地導彈18 km，干擾機距離載機60 km，導彈速度為Ma0.9。設導彈運動時導彈的天線始終對準載機方向。載機在特定位置盤旋，干擾機位置固定，電波傳播速度為光速。

如圖12所示，若我方干擾機偵收到敵方干擾信號再發射干擾脈沖則必然會產生相對時延，使干擾信號不能與目標信號同時到達接收機，因此在對武器制導數據鏈進行同步精確干擾時要在已解析的目標幀結構的基礎上提前于目標信號發射干擾信號。并且在構造干擾波形時要在同步序列長度的基礎上適當增加干擾脈沖的寬度，目的是在存在信道估計誤差的情況下保證對武器制導數據鏈同步干擾效果。

圖12 干擾信號傳輸時延隨導彈距目標距離變化

實驗參數：調制方式為DPSK調制，物理幀長1 328 bit，其中同步序列長256 bit。

如圖13所示同步序列精確干擾信號旨在干擾幀內關鍵位置，因此可以減小發射信號占空比，提高干信比，最終破壞武器制導數據鏈的幀同步。

圖13 同步序列精確干擾仿真分析

實驗4：同步欺騙式干擾

同步欺騙的關鍵是基于武器制導數據鏈幀同步字段的強自相關性構造偽相關峰，使武器制導數據鏈不能正確同步，實驗數據為模擬前向數據鏈信號。

如圖14和圖15所示，干擾生成模塊產生含有幀同步關鍵字段序列的干擾信號，并注入到武器制導數據鏈物理幀中的信息字段，使目標信號經過接收端同步匹配濾波器后輸出偽相關峰，從而擾亂武器制導數據鏈的幀同步。

圖14 接收端匹配濾波輸出相關值

圖15 同步欺騙干擾后匹配濾波輸出相關值

實驗5：針對圖像處理層的靈巧干擾技術

對解擾后的反向武器制導數據鏈仿真數據進行相關分析，如圖16所示。

圖16中，第145～160 bit處的相關值出現峰值，該處為圖像幀頭部分，此時干擾機選擇最佳干擾時機，對圖像幀頭部分進行精確干擾。

圖16 解擾后數據的相關值

如圖17所示，被靈巧干擾后的武器制導數據鏈信號的圖像幀頭失去強相關性，使接收方無法正確解析之后的圖像數據，從而破壞武器制導數據鏈的圖像層甚至更高層的功能。

圖17 圖像幀頭干擾后的數據相關值

4 結論

文中從武器制導數據鏈特點出發，提出了基于編碼的武器制導數據鏈脈沖干擾技術和協議關鍵字段靈巧干擾技術。首先分析了前向鏈路的卷積碼和反向鏈路級的聯碼的糾錯能力，在此基礎上有針對性的設計了脈沖干擾波形；然后針對武器制導數據鏈鏈路建立的特點，對武器制導數據鏈幀同步展開分析，提出同步序列精確干擾和同步欺騙干擾兩種干擾技術，實現對武器制導數據鏈幀同步的干擾；之后根據武器制導數據鏈反向鏈路圖像消息格式的特點，提出對圖像幀頭的靈巧干擾技術。最后通過仿真實驗驗證了對武器制導數據鏈靈巧干擾技術的有效性。