基于自组网的无人机集群通信系统抗干扰性能研究

基于自组网的无人机集群通信系统抗干扰性能研究

张成裕  方欣欣  刘思远

北方自动控制技术研究所 山西太原  030006

摘要：近年来，无人机平台的发展取得了长足的进步，出现了各种性能优异的无人机。但是，由于无人机自身尺寸与载重能力有限，无人机难以携带一些体积较大、质量较重的作业载荷，这就限制了无人机作业的精度及范围。特别是随着无人机应用对自主性、智能化、多任务等方面的要求越来越高，无人机单机作业效能和智能水平已逐渐无法满足任务应用需求。基于此，出现了无人机集群作业的理念，即通过多架无人机携带相同的载荷来增大无人机作业的范围，通过所携带的不同载荷相互配合来提高无人机作业的精度。本文探讨了自组网的无人机集群通信系统抗干扰性能。

关键词：无人机；集群；组网模式；认知通信

前言：无人机集群应急通信系统面临的最大挑战为集群网络拓扑的快速变化，因此，高效的自组网路由协议是保证无人机集群应急通信系统具有稳定链接性能的基础，同时也是该领域的研究热点。

1.无人机集群国内外发展情况

无人机最初主要作为靶机应用，随着无人机应用对自主性、智能化、多任务等方面的要求越来越高，无人机单机作业效能和智能水平已逐渐无法满足任务应用需求叫单机飞行,有限的能量供给限制了飞行距离、作业范围，同时容易遭受各种网络攻击，通信可靠性不高。在此背景下，将多架无人机组成无人机集群通信网络可有效提高无人机通信的可靠性，是未来无人机通信的发展方向。无人机集群主要是依赖于先进开放的通信网络,无人机之间具备协同交互能力，整个系统呈现群体智能性，单节点具备可替代性叫采用无人机集群技术，可以快速有效的完成任务，同时整个系统具备较强的抗毁性、功能分布化等优势。尽管无人机集群组网通信具有很大的发展潜力，但也存在着一些关键的具有挑战性的问题。无人机集群组网通信有效解决传统的蜂窝无线网络覆盖不足的问题，但是组网模式需要根据具体环境和作业条件进行选择；无人机集群组网通信作业时，数据传输量剧增，静态的频谱分配效率不高，导致机群系统性能下降;在为了保证通信安全的条件下，一味增加发射功率可获得一定的通信可靠性，但是窃听者也会获得高质量的窃听信号，会降低通信的安全性；此外，机型多样化小型化的趋势下，本身能量受限的无人机将会受到更严峻的供能续航的挑战，对多样化任务长时间作业产生重要影响。以上存在的组网、频谱分配、通信安全及能量供给等，都是值得深入研究的问题。

2.无人机集群组网通信模式

2.1星形组网

星形组网是以地面中心站为中心基站，空中无人机通信终端为节点，所有节点直接链接到地面中心站，实现地面中心站与所有网络节点间直通；无人机间以地面站为中心进行交互通信。当无人机群组网节点数目相对较少、无人机执行任务作业的覆盖区域较小，且无人机任务作业相对简单时，星形组网模式比较合适。星型网络结构比较稳定，采用较简单的路由算法，且规模较小，信息传输的时延小，能够节省网络信道资源，降低能源消耗。

2.2网状自组网

无人机群网状自组网以地面控制站和空中无人机节点组成，所有节点设备功能相同，都具备终端节点和路由功能。空中无人机节点不能一跳链接到地面中心站时，通过多跳路由到中心站，实现全网所有节点的互联互通。当作战任务较为复杂，无人机群规模比较大，网络拓扑多变，任务复杂，机间协调通信频繁、作业半径大，自主协同完成任务为主时，适合采用网状自组网。由于无人机群网络较复杂，节点间相互通信较为频繁，路由时延要求很小，在远距离节点间进行通信时采用按需路由技术，能有效降低路由维护开销，提高网络鲁棒性。

2.3分层混合组网

分层组网采用地面站为星形网络中心站，无人机机载通信终端具备与地面中心站直通和无人机间自组网功能。当无人机群作业任务非常复杂时，执行任务的无人机数量庞大，网络拓扑多变，无人机节点之间通信频繁、信息量大，此时比较适合采用分层网络结构。当执行作业任务的无人机数量发生变化时，分层结构的网络拓扑结构快速完成无人机节点的退出或增加，快速实现网络重构，无人机节点维护的路由表相对简单，提高网络的稳定性。

3.抗干扰性能测试指标

随着无人机数据链通信的快速发展，为了确保在使用过程中信息数据可以高效率、高质量地传输信息数据，就需要使通信信号具有较强的抗干扰能力。对无人机通信干扰的类型来说，时间域确定了通信信号的发送时间，频率域确定了通信信号的发送频道，功率确定了通信信号的强弱，由此可以看出，只要能够确保发送信号的规律，就可以合理使用干扰信号来对无人机数据链通信进行干扰，从而达到提高抗干扰能力的目的。对无线通信来说，其抗干扰技术的本质就是要确保干扰信号和通信信号之间产生相互重叠，当无法使用常规手段避免其重叠时，就需要使用抗干扰技术来尽可能地消除这种通信之间的干扰。跳频技术是一种通过载频的跳变来避免和干扰信号在频域上进行重叠的技术，DSSS调制则是利用在发射端扩展宽带信号的频带，并在接收端对信号的宽带进行压缩，以达到对干扰信号进行抑制的目的。此外，还可以采用空间冗余避开干扰技术，该技术具有自适应凋零和空分多址等功能，使传输方向的信号功率和干扰功率之间具有较大的比值。通常来说，只有对干扰技术进行系统性的研究，才能够设计出符合实际使用需求的抗干扰方案，且在对抗干扰技术进行深入研究后，才能够研发出具有强劲干扰能力的干扰技术。

4.通信数据链抗干扰性能测试

在信号功率维持在一个恒定值的基础上，对通信数据链的上行遥控链路抗干扰性能进行的测试称为干扰抑制度。这是一种以误码率和跟踪精度为最低性能约束条件的测量方法，该方式需要先将信号功率置于较灵敏的状态，并将干扰功率和信号功率值设定为相同的状态，使干信比的值为0，逐渐增加干扰功率，同时对误码率以及地面测控设备的跟踪精度是否满足最低性能进行观察和记录，当误码率或者跟踪精度中任一指标超出最低约束性能的范围时，记录无人机接受天线输入端口的干扰功率，该功率便是干扰抑制度。无人机通信数据链抗干扰性能测试的具体流程如下：1）根据误码测试仪—发射机—功率放大器—可调衰减器—功率合成器—天线输入端—接收机—误码测试仪的流程来连接测试所使用的各种仪器和设备。2）在不施加干扰的情况下，对无人机接收通信数据的灵敏度进行测试，这种情况下测试的灵敏度是在无人机接收机能够正常工作的前提下对无人机接收机前端施加一个最小信号功率。3）调整无人机接收机的灵敏度，并将生成的干扰信号施加到无人机的天线端口，再对接收机干扰信号的输出功率进行调节[6]。干扰信号的输出功率值应从干扰功率和信号功率值相同的情况下开始调节，直至误码率超出最低性能指标，此时记录加载到无人机接收机天线输入端的干扰功率，该功率即为干扰抑制度。4）将干扰信号功率提高5dB，重复操作三，以测试在不同信号功率条件下无人机接收机的干扰抑制度。5）更换干扰源的类型，重复操作三和操作四，对所有不同干扰源类型下的干扰抑制度进行测量，并记录测量得出的数据。

5.结束语：

综上所述，面对日趋复杂的电磁环境，无人机数据链通信的质量也面临严重挑战，。随着科学技术的不断发展，无人机通信将会被广泛应用于社会生产和生活的各个领域中，要想实现无人机通信的安全、稳定运行，就需要提高无人机通信系统在面对复杂电磁环境以及恶意干扰情况下的抗干扰能力。

参考文献：

[1]闫云斌，崔雪炜，王永川，等.无人机数据链系统抗干扰性能评估方法研究[J].海军工程大学学报，2017，29（5）：92-96.

[2]闫云斌，田庆民，王永川，等.无人机数据链系统抗干扰性能评估指标及其测试方法[J].计算机测量与控制，2015，23（12）：3925-3928.

[3]王桂胜，任清华，刘洋，等.基于干扰模型的变换域优选算法研究[J].计算机仿真，2017，34（4）：66-71.

[4]颜振亚，邬诚，陈新年，等.基于梳状谱调制的相参多假目标干扰技术研究[J].现代雷达，2017，39（5）：85-88.