战术数据链空时联合抗干扰技术_康荣雷.pdf

DOI:1020079/jissn1001893x210711001引用格式:康荣雷，安毅，班亚龙，等战术数据链空时联合抗干扰技术J 电讯技术，2023，63(2):199205KANG L，AN Y，BAN Y L，et alSpace-time adaptive anti-jamming technique for tactical data link J Telecommunication Engineering，2023，63(2):199205战术数据链空时联合抗干扰技术*康荣雷，安毅，班亚龙，杨少帅康荣雷，安毅，班亚龙，杨少帅(中国西南电子技术研究所，成都 610036)摘要:针对战术数据链在复杂电磁环境下性能受限的问题，提出基于非标准构型阵列天线的战术数据链空时联合抗干扰技术。该技术在常规导向矢量获取方法失效时，通过设计引导信号，结合盲自适应抗干扰算法进行干扰信号的抑制和引导信号的重构，实现对干扰方向调零抑制并保持通信信号的正常接收。仿真结果表明，通信信号经过空时联合抗干扰处理后，在干扰方向形成的零陷超过30 dB，大大抑制了干扰方向的信号，保存了信号方向的信号。关键词:战术数据链;空时自适应抗干扰;引导信号开放科学(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中图分类号:TN973文献标志码:A文章编号:1001893X(2023)02019907Space-Time Adaptive Anti-jamming Technique for Tactical Data LinkKANG onglei，AN Yi，BAN Yalong，YANG Shaoshuai(Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China)Abstract:For the problem that the performance of tactical data link decreases in the complexelectromagnetic environment，a space-time adaptive anti-jamming method is proposed for ultra-short wavedata link with non-regular array antennaIt is difficult to obtain a precise steering vector of non-regulararray antennaTo solve the problem，a guiding signal is developed at transmitter，the jamming signal issuppressed by blind adaptive algorithm and a guiding signal is reconstructed at receiver Then，thecommunication performance is improved under the jamming environment by space-time adaptive processingThe simulation results show that the jamming signal is suppressed by the beam null and the null depthexceeds 30 dB at the direction of the jamming signal，and the communication signal is obtained at thedirection of the signalKey words:tactical data link;space-time adaptive anti-jamming;guiding signal0引言有“数字化战场中枢系统”之称的数据链，是链接指挥控制中心、各级指挥所、各参战部队和武器平台的数据通道，构成空天地海一体化的数字信息系统，实现战场态势共享、作战指令传递、战术信息协同等功能。美军 Link4A、Link11、Link22 等战术数据链都将超短波电台作为战术信息系统中极其重要的组成部分13。尤其对航空平台而言，战术数据链是实现地空组网、机间互联、协同作战的重要数据链路。随着电磁频谱战理论的成熟与实践部署，电磁干扰装备日新月异，衍生的复杂电磁环境对战场信息系统工作效能影响与日俱增，如何提升战术数据链的抗干扰能力是当前航空电子信息系统技术发展991第 63 卷 第 2 期2023 年 2 月电讯技术Telecommunication EngineeringVol63，No2February，2023*收稿日期:20210711;修回日期:20220222基金项目:四川省科技厅高新技术领域重点研发项目(2021YFG0155);中国西南电子技术研究所技术创新基金资助项目(H210042)通信作者:康荣雷的重中之重。目前，战术数据链为对抗电磁干扰所采用的技术手段集中在46:功率域采用自适应功率控制技术;频率域采用跳频技术;时间域采用跳时或猝发通信技术;信息域采用高效高增益编码。但是，随着电磁干扰设备辐射功率的日益提升，以及跟随式跳频干扰技术的成熟应用，上述传统抗干扰手段在电磁频谱战环境下的效能将受到极大的制约。基于阵列天线的空域滤波算法具有较为突出的抗干扰能力，并且在卫星通信与导航领域取得了极其可观的效能710。但超短波频段的战术数据链迄今仍未采用空域抗干扰技术。由于该频段数据链采用的 VHF(108174 MHz)与 UHF(225400 MHz)频段电波信号，基本属于米波范围(075278 m)，传统的半波长间距阵列天线难以部署在机载平台上，而小间距天线耦合特性极强且阵列响应随环境敏感变化，致使利用传统暗室校准参数的空域滤波抗干扰算法失效。本文采用引导信号辅助小间距(d01)天线阵列导向实时计算的方法，融合空域滤波算法中的功率反演(Power Inverse，PI)准则与最小均方误差(Minimum Mean Squared Error，MMSE)准则，结合时域抽头实现空时自适应处理(Space-Time AdaptiveProcessing，STAP)，能够实时进行通信信号的阵列响应校准，实现对多方向干扰信号进行调零抑制的同时保持对通信信号的增益控制，确保在较高干信比环境下的通信能力。1抗干扰系统总体设计本文设计的增配式空时联合抗干扰系统，在原有通信电台与天线之间增加抗干扰处理模块并替换成阵列天线，实现对通信信号的抗干扰处理。增加空时联合抗干扰系统后的超短波战术数据链构成的战术信息系统示意图如图 1 所示。图 1超短波战术数据链战术信息系统示意图空时联合抗干扰系统由空时联合抗干扰处理模块与 VHF/UHF 天线阵两部分组成，其详细的组成与功能框图如图 2 所示。图 2空时联合抗干扰系统组成与功能框图2抗干扰处理算法设计战术数据链空时联合抗干扰系统由通信发送端和接收端设备组成，由于通信系统的对称性，两端的设备构成也是一致的。本文选择 PI 与 MMSE 准则相结合的空时联合自适应处理技术进行融合滤波计算，实现引导信号的抗干扰接收，并使用引导信号作为接收参考信号，实现对通信信号的抗干扰接收。发射端监测数据链电台通信信号的发射状态和信号功率，产生引导信号并与通信信号的发送时隙对齐，实时动态调整引导信号的发射状态和功率，完成对战术数据链原始传输信号的寄生，同时将通信信号和引导信号传输到主用天线阵元实现合成信号002wwwteleonlinecn电讯技术2023 年的发射。接收端完成对战术数据链接收信号和引导信号的阵列同步采样，在 PI 准则空时自适应抗干扰处理后，对引导信号实现捕获、解调和重构，以此实现对非标准构型阵列天线导向矢量的实时计算，再利用MMSE 准则空时自适应处理实现对原始通信信号的抗干扰接收，由数字中频上变频到射频信号后并发送到战术数据链电台。发射端与接收端对抗干扰处理的算法流程如图 3和图 4 所示。图 3抗干扰处理设备发端流程图图 4抗干扰处理设备收端流程图21引导信号设计引导信号是一种隐藏在通信信号之下的寄生性信号，通过扩频码序列实现解扩增益达到信号可解调条件。211对通信信号灵敏度影响分析假设通信信号到达通信目标天线时的信号功率为 Psig，而引导信号 Pcor由于与通信信号带宽重合，通信信道的衰减一致，因此，到达通信目标天线时的信号功率为PsigPcor=10N10Pcor=Psig10N10。(1)数据链电台在进行信号播发时，通信信号比引导信号强 N dB。假设通信信号的接收灵敏度解调门限为D dB，则通信信号功率与噪声功率的关系为PsigPnoise=10D10Pnoise=Psig10D10。(2)在加入引导信号后，信号在灵敏度附近的信噪比关系变化为PsigPcorPnoise+Pcor=PsigPsig10N10Psig10D10+Psig10N10=110N1010D10+10N10。(3)对通信灵敏度的影响为Dert=D10lg(PsigPcorPnoise+Pcor)。(4)假设解调门限为信噪比 35 dB，引导信号比通信信号衰减 1030 dB，计算结果如表 1 所示。表 1引导信号对通信灵敏度影响解调门限/dB通信灵敏度/dB10 dB15 dB20 dB25 dB30 dB312470405012900410013414300471015100480015516500553017800570018综上，当引导信号的功率比通信信号低20 dB左右时，解调门限的灵敏度损失小于018 dB，影响较小。212对通信信号通信距离影响分析战术数据链无线电波的传播存在传播路径损耗，即电波的电磁能量随传播距离的增加而迅速损耗衰减。若电波到达接收天线时其信号强度已低于102第 63 卷康荣雷，安毅，班亚龙，等:战术数据链空时联合抗干扰技术第 2 期接收电台的灵敏度，则不能建立通信。因此，对于一套各项参数均已确定了的战术数据链通信系统，限制其通信距离的重要因素是传播路径损耗。甚高频无线电波的传播路径损耗可按式(5)计算11:PL=20lg f20lg(HTH)+40lg(D)+8811。(5)将式(5)改写为式(6)，即可得到战术数据链的通信距离:D=10(PL+20lg(HTH)20lg f8811)/40。(6)式中:D 为发射天线到接收天线的距离，单位为 km;PL为传播路径损耗，单位为 dBm;f 为天线工作频率，单位为 MHz;HT为发射天线距离地面的高度，单位为 m;H为接收天线距离地面的高度，单位为 m。相互通信的两套战术数据链通信系统之间存在系统所容许的最大的传播路径损耗。若两个系统的距离较近，实际的传播路径损耗低于系统容许的传播路径损耗，则可以建立通信联系。战术数据链通信系统所容许的传播路径损耗取决于发射电台的发射功率、接收电台的接收灵敏度、发射天线和接收天线的增益以及信号通过天线馈线时的损耗。系统容许的传播路径损耗为PL=PT+GT+GCTCPPF。(7)式中:PT为信号发射功率;GT为发射天线增益;G为接收天线增益;CT为发射天线馈线损耗;C为接收天线馈线损耗;P为接收灵敏度;PF为衰减余量。如果在战术数据链中附加引导信号后，根据上节的分析，引导信号会对通信信号接收灵敏度产生影响，影响值为 Dert，因此在 VU 频段数据链中附加引导信号后的通信距离为 D1，则D1=10(PL+20lg(HTH)20lg f8811Dert)/40。(8)因此，在战术数据链中附加引导信号前后，通信距离变化量 D 为D=DD1=D 110(Dert/40)。(9)引导信号对通信距离的影响如表 2 所示。表 2引导信号对通信距离的影响解调门限/dB影响/%10