无人机测控系统中干扰感知与频谱资源管理技术_杨林超.pdf
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1、DOI:1020079/jissn1001893x210623001引用格式:杨林超无人机测控系统中干扰感知与频谱资源管理技术J 电讯技术,2023,63(2):187192YANG L CInterference sensing andspectrum resource management technology in UAV TTC systemJTelecommunication Engineering,2023,63(2):187192无人机测控系统中干扰感知与频谱资源管理技术*杨林超杨林超(中国西南电子技术研究所,成都 610036)摘要:为了提高无人机测控系统在复杂电磁环境下的适应
2、性、安全性和可靠性,解决多站多机同空域工作时面临的动态频谱资源管理问题,提出了一种基于干扰感知和频谱资源管理技术的无人机测控系统。该系统将通信侦察技术与认知无线电频谱感知技术相结合,为上/下行链路提供全频带干扰识别以及动态频谱资源管理。搭建了干扰感知和频谱资源管理系统无线测试平台,测试结果表明,当上/下行链路存在干扰信号且链路质量较差时,系统能自适应调整链路的频谱资源,可有效避开干扰信号对系统的影响,提升了无人机测控系统的生存能力和使用效能。关键词:无人机测控系统;认知无线电;干扰感知;频谱资源管理开放科学(资源服务)标识码(OSID):微信扫描二维码听独家语音释文与作者在线交流享本刊专属服务
3、中图分类号:TN97文献标志码:A文章编号:1001893X(2023)02018706Interference Sensing and Spectrum esourceManagement Technology in UAV TTC SystemYANG Linchao(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)Abstract:In order to improve the adaptability,safety and reliability of unmanned aerial veh
4、icle(UAV)telemetry,tracking and control(TTC)system in complex electromagnetic environment,and solve theproblem of dynamic spectrum resource management faced by multi-stations and multi-UAVs working in thesame space,a novel UAV TTC system based on interference sensing and spectrum resource management
5、technology is proposedThe system combines communication reconnaissance technology with cognitive radiospectrum sensing technology,provides full-band interference identification and dynamic spectrum resourcemanagement for uplink/downlinkA wireless test platform for interference sensing and spectrum r
6、esourcemanagement system is builtPerformance test results show that when the interference signals exist in theuplink/downlink and the link quality is poor,the system can adjust the spectrum resource adaptively,avoidthe influence of interference signals effectively,and improve the survivability and o
7、perational effectivenessof UAV TTC systemKey words:UAV TTC system;cognitive radio;interference sensing;spectrum resource management0引言在未来信息化联合应用条件下,无人机肩负着情报侦察、通信中继、夺取制空权以及敌方目标精确打击等重要任务1,无人机测控系统在复杂电磁环境中的兼容性以及系统本身的抗干扰能力是保障无人机可靠生存的最基本要素。781第 63 卷 第 2 期2023 年 2 月电讯技术Telecommunication EngineeringVol63,No
8、2February,2023*收稿日期:20210623;修回日期:20210817通信作者:杨林超伊朗军队成功击落美军某型无人机的实际应用效果表明,电磁干扰技术可有效压制无人机测控链路,造成通信中断和指挥失控,甚至击落无人机2。因此,复杂电磁环境下无人机测控系统抗干扰技术一直是世界各国研究重点。结合自适应调制编码、高速跳频和宽带扩频技术,国外已研制出电磁兼容性好、抗截获和抗干扰能力强的高性能无人机测控系统,并逐渐向高速跳频/跳时、感知辅助安全防护和链路信道/功率自适应等智能抗干扰趋势发展37。国内传统无人机测控系统的抗干扰性能主要依靠物理层波形抗干扰设计和定向天线的空间滤波性能实现,综合抗干
9、扰能力有限。在频谱资源的使用方面,主要依靠任务前规划和任务中人工手动调整的频谱管理策略,几乎没有频谱资源管理层面的干扰对抗措施,难以满足未来信息化联合应用的需求。为提高无人机测控系统在复杂电磁环境和多站多机同空域工作时的生存能力,本文提出了一种基于认知无线电的干扰感知与频谱资源管理技术,通过在接收端从能域、时域、频域、空域对干扰信号进行自动感知和识别,为系统提供全频带干扰感知的结果,并结合抗干扰通信智能决策算法自适应调整系统频谱资源,实现系统在复杂电磁环境中的自适应防护功能。搭建干扰感知和频谱资源管理系统无线测试平台进行测试,结果表明本系统具备干扰感知和动态频谱资源管理能力,当链路质量较差时,
10、能自适应调整链路工作频点和工作模式,并重新建立可靠通信链路。1系统总体架构无人机测控系统中干扰感知与频谱资源管理技术属于智能抗干扰技术范畴之一,本系统除传统无人机遥控遥测信息传输功能之外,还具有以下功能:全频带实时干扰快速检测和识别;针对干扰感知结果和链路状态信息,通过智能决策算法动态调整频谱资源;基于动态频谱管理技术的测控链路实时接入,实现信息的快速可靠传输。智能抗干扰无人机测控系统底层协议栈结构包括物理层和数据链路层,如图 1 所示,共同完成无人机测控系统干扰感知和动态频谱资源管理功能。物理层资源基于硬件平台,实现无线链路接入、物理传输波形、干扰感知算法等功能;数据链路层在实现传统无人机测
11、控业务的基础上,新增抗干扰通信智能决策模块,根据当前干扰检测和识别结果,结合频谱状态和链路性能等指标,实时决策当前测控链路频谱资源的管理策略,通过链路控制指令自适应调整链路工作频道和工作模式,测控终端在新的工作频道和模式下完成收发双方的信息可靠传输。图 1无人机测控系统底层协议栈结构2测控系统中干扰感知与频谱资源管理技术21干扰感知技术干扰感知包括对干扰信号的实时检测和快速识别,即在链路全工作频带内进行快速扫描,检测出干扰信号,并识别干扰信号部分时域、频域特征,用于数据链路层抗干扰通信智能决策。干扰感知的核心内容就是频带内信号的功率谱估计,常用的谱估计算法有周期图法、自相关法和Welch 谱估
12、计法。基于 Welch 算法的功率谱估计具有良好的频域干扰检测性能89。该算法的核心思想是对时域采样数据进行分段加窗处理,求出每段数据的谱估计,然后再对所有分段数据做平滑处理。假设采样数据长度为 N,将该段数据平均分为 L 段,根据概率论知识可知,各段分段数据之间相互独立,分段后的估计误差为原来的 1/L。Welch 算法的功率谱估计流程如图 2 所示。图 2基于 welch 算法的功率谱估计框图881wwwteleonlinecn电讯技术2023 年将随机信号序列 y(n)平均分成 L 个数据段,每段有 M 个采样点,对每个数据段的 M 个采样点进行K 点快速傅里叶变换(Fast Fouri
13、er Transform,FFT)、平方、求均值后得到该数据段的周期图:Siy(k)=1MUM1n=0yi(n)w(n)ej2kn/K2。(1)式中:i=0,1,L1;k=0,1,K1;w(n)是数据窗函数;U 是数据窗的功率,记为U=1MM1n=0w2(n)。(2)对 L 段数据做平滑处理,则随机信号序列 y(n)的功率谱Sy(k)=1LL1i=0Siy(k)。(3)定义 f=fs/K 频率分辨率,fs为采样频率,信号的频域能量表示为f=K1k=0fSy(k)。(4)式中:f为算法最终的检测统计量。当干扰信号存在时,干扰信号所在的频点位置与其他频点相比,频域能量将会比较大;没有干扰信号时,频
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