CN105119683B - 一种基于实时嵌入式控制系统的无人机通信干扰对抗方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于实时嵌入式控制系统的无人机通信干扰对抗方法，属于无人机通信对抗技术领域。本发明包括步骤：S1：构建无人机天线模型；S2：利用时域有限差分法分析天线特性；S3：求取固定于坐标系中天线在远区某一距离球面上的电场分布；S4：再利用坐标变换，将上面求得的值转换为天线处于任意姿态时的电场分布；S5：最后将球面上的电场分布转换到地面，得出地面坐标与有效干扰功率的对应关系；S6：调节无人机飞行姿态进行地面通信干扰。本发明可以有效准确的调节无人机飞行姿态，以实现无人机对地面通信系统干扰效果的最大化，有效的避免了传统地面通信对抗的弊端，在无人机通信对抗领域有着较高的应用价值。

Description

一种基于实时嵌入式控制系统的无人机通信干扰对抗方法

技术领域

本发明涉及一种基于实时嵌入式控制系统的无人机通信干扰对抗方法，属于无人机通信对抗技术领域。

背景技术

通信对抗是电子对抗的重要组成部分。无线电通信干扰是针对对方无线电通信而采取的干扰措施。由于无线电通信的媒介--电磁波具有一个特性：当两个或多个相同频率的电磁波共同工作时，接收设备将收到这两个或多个信号的迭加，从而使接收信号模糊不清。利用电磁波的这个特性，通过无线电干扰设备发射与对方电子信号频率相同的干扰信号，可以使对方的无线电接收设备失灵。通信干扰通常包括掩盖真信息和制造假信息两个方面。通信干扰是通信对抗领域中使用最广泛、作用最大的电子进攻手段。实施有效的通信对抗，可降低敌方的通信、指挥效能。

传统的通信对抗主要着眼于地面的电子通信对抗，其局限性在现代通信战争中愈发明显，传统地面通信对抗技术一直存在干扰敌我双方通信的矛盾问题，而且地面通信干扰，采用的天线要按需调节。当定向侦察时使用定向天线。在短波波段,天线尺寸较大，菱形和对数周期天线在固定台中使用较为普遍；但在移动使用时，就很难实现，只能以鞭状天线为主。在超短波、微波波段，抛物面反射体天线和对数周期天线应用广泛。使用定向天线，可以增加天线的增益，改善接收效果，但在方向上有局限性，有时只能使用低增益的全向天线，因此其天线调节工序复杂，无法达到无人机高空电波传播的升空增益。

发明内容

本发明提供了一种基于实时嵌入式控制系统的无人机通信干扰对抗方法，以用于解决传统地面通信对抗技术干扰敌我双方，天线调节工序复杂，以及无法达到高空电波传播增益的问题。

本发明所述基于实时嵌入式控制系统的无人机通信干扰对抗方法的具体步骤如下：

Step1、构建无人机天线模型：利用无人机侧翼本身的大尺寸构成共形阵天线来作为无人机天线模型；由于常规的VNF干扰天线在无人机机体上安装比较困难，因此采用共形阵天线，即利用无人机侧翼本身的大尺寸构成共形阵天线，有效的增大辐射面积，提高天线效率；

Step2、利用时域有限差分法分析天线特性：

Step3、求取固定于坐标系中天线在远区某一距离球面上的电场分布：对于某一时刻的与机体相牵连的地面坐标系S_g中处于任意姿态的无人机天线，它在机体坐标系S_b中的位置是固定的，因此在机体坐标系中用时域有限差分法计算得到它在某一工作频率下的远区球面上的电场分布；

Step4、再利用坐标变换，将上面求得的值转换为天线处于任意姿态时的电场分布：

其中，前提是定义地面坐标系Ox_g’y_g’z_g(S_g’)和机体坐标系O_bx_by_bz_b(S_b)，将OX_g′、OY_g′平移至O_bX_g、O_bY_g得到与机体相牵连的地面坐标系为O_bX_gY_gZ_g(S_g)，则O_bX_gY_gZ_g(S_g)与O_bx_by_bz_b(S_b)两个坐标系之间的关系由无人机三个飞行姿态来确定：偏航角α、俯仰角β和滚转角γ，其方向都以沿相应坐标右旋转为正，记以上三个姿态角变换所对应的基元旋转矩阵分别为L_gbz(α)、L_gby(β)和L_gbx(γ),则从机体坐标系S_b到与机体相牵连的地面坐标系S_g的坐标变换矩阵Lgb(α，β，γ)为：

L_gb(α,β,γ)＝L_gbz(α)L_gby(β)L_gbx(γ)

根据上面的坐标变换公式，即能求得无人机天线在任意姿态时的电场分布；

Step5、最后将球面上的电场分布转换到地面，得出地面坐标与有效干扰功率的对应关系：在地面坐标系S_g中，N点为远区球面电场上的一点，N点的坐标为(x_g,y_g,z_g)，记O_bN与地面的交点N₀坐标为(x_g0,y_g0,z_g0)，则有z_g0＝-h，h为无人机飞行高度，根据三角形等比关系得：

由于地空之间的电波传播方式视为自由空间传播，远区电场与传播距离成反比，根据这个关系将N点的电场转换到N₀点，其分量列阵为(E₀)_g有：

通过上述变换，求得与机体相牵连的地面坐标系S_g中z为地面上x_g0和y_g0与电场E₀的对应关系，即得到了地面上的场强分布；

其中：地面坐标系为OX_g′Y_g′Z_g(S_g′)，机体坐标系为O_bX_bY_bZ_b(S_b),将OX_g′、OY_g′平移至O_bX_g、O_bY_g得到与机体相牵连的地面坐标系为O_bX_gY_gZ_g(S_g)；

E₀是N点映射到N₀点的电场；E是原点O处的电场；(E)_g为原点O处的电场E对应的电场矢量的分量列阵；

Step6、调节无人机飞行姿态进行地面通信干扰：根据地面接收天线的方向性，结合上面计算得到的地面上的场强分布，用于调节无人机飞行姿态，进行有效、最大化的干扰敌方通信系统。

所述步骤Step2中，利用时域有限差分法分析天线特性的具体步骤为：

Step2.1、利用共形网格技术对天线边界时域有限差分网格不重合部分进行修正；

Step2.2、利用细导线时域有限差分法对加载细线部分进行处理；

Step2.3、激励源设置采用附加激励的缝隙馈电法；

Step2.4、在有限区域内进行递推计算，采用Berenger完全匹配层吸收边界条件；

Step2.5、计算天线辐射方向图。

本发明的有益效果是：本发明采用时域有限差分法，结合天线不对称性，针对构建的无人机天线模型进行分析、处理和计算，得出天线最大辐射方向为长臂一端，再根据坐标变换将天线处于任意姿态时的电场分布转换到地面，从而可以有效准确的调节无人机飞行姿态，以实现无人机对地面通信系统干扰效果的最大化，有效的避免了传统地面通信对抗的弊端，在无人机通信对抗领域有着较高的应用价值。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的无人机天线模型图；

图3为本发明的无人机坐标系图。

具体实施方式

实施例1：如图1-3所示，一种基于实时嵌入式控制系统的无人机通信干扰对抗方法，所述基于实时嵌入式控制系统的无人机通信干扰对抗方法的具体步骤如下：

Step1、构建无人机天线模型：利用无人机侧翼本身的大尺寸构成共形阵天线来作为无人机天线模型；由于常规的VNF干扰天线在无人机机体上安装比较困难，因此采用共形阵天线，即利用无人机侧翼本身的大尺寸构成共形阵天线，有效的增大辐射面积，提高天线效率；

Step2、利用时域有限差分法分析天线特性：

Step3、求取固定于坐标系中天线在远区某一距离球面上的电场分布：对于某一时刻的与机体相牵连的地面坐标系S_g中处于任意姿态的无人机天线，它在机体坐标系S_b中的位置是固定的，因此在机体坐标系中用时域有限差分法计算得到它在某一工作频率下的远区球面上的电场分布；

Step4、再利用坐标变换，将上面求得的值转换为天线处于任意姿态时的电场分布：

其中，前提是定义地面坐标系Ox_g’y_g’z_g(S_g’)和机体坐标系O_bx_by_bz_b(S_b)，将OX_g′、OY_g′平移至O_bX_g、O_bY_g得到与机体相牵连的地面坐标系为O_bX_gY_gZ_g(S_g)，则O_bX_gY_gZ_g(S_g)与O_bx_by_bz_b(S_b)两个坐标系之间的关系由无人机三个飞行姿态来确定：偏航角α、俯仰角β和滚转角γ，其方向都以沿相应坐标右旋转为正，记以上三个姿态角变换所对应的基元旋转矩阵分别为L_gbz(α)、L_gby(β)和L_gbx(γ),则从机体坐标系S_b到与机体相牵连的地面坐标系S_g的坐标变换矩阵Lgb(α，β，γ)为：

L_gb(α,β,γ)＝L_gbz(α)L_gby(β)L_gbx(γ)

根据上面的坐标变换公式，即能求得无人机天线在任意姿态时的电场分布；

Step5、最后将球面上的电场分布转换到地面，得出地面坐标与有效干扰功率的对应关系：在地面坐标系S_g中，N点为远区球面电场上的一点，N点的坐标为(x_g,y_g,z_g)，记O_bN与地面的交点N₀坐标为(x_g0,y_g0,z_g0)，则有z_g0＝-h，h为无人机飞行高度，根据三角形等比关系得：

由于地空之间的电波传播方式视为自由空间传播，远区电场与传播距离成反比，根据这个关系将N点的电场转换到N₀点，其分量列阵为(E₀)_g有：

通过上述变换，求得与机体相牵连的地面坐标系S_g中z为地面上x_g0和y_g0与电场E₀的对应关系，即得到了地面上的场强分布；

其中：地面坐标系为OX_g′Y_g′Z_g(S_g′)，机体坐标系为O_bX_bY_bZ_b(S_b),将OX_g′、OY_g′平移至O_bX_g、O_bY_g得到与机体相牵连的地面坐标系为O_bX_gY_gZ_g(S_g)；

E₀是N点映射到N₀点的电场；E是原点O处的电场；(E)_g为原点O处的电场E对应的电场矢量的分量列阵；

Step6、调节无人机飞行姿态进行地面通信干扰：根据地面接收天线的方向性，结合上面计算得到的地面上的场强分布，用于调节无人机飞行姿态，进行有效、最大化的干扰敌方通信系统。

所述步骤Step2中，利用时域有限差分法分析天线特性的具体步骤为：

Step2.1、利用共形网格技术对天线边界时域有限差分网格不重合部分进行修正；

Step2.2、利用细导线时域有限差分法对加载细线部分进行处理；

Step2.3、激励源设置采用附加激励的缝隙馈电法；

Step2.4、在有限区域内进行递推计算，采用Berenger完全匹配层吸收边界条件；

Step2.5、计算天线辐射方向图。

实施例2：如图1-3所示，一种基于实时嵌入式控制系统的无人机通信干扰对抗方法，所述基于实时嵌入式控制系统的无人机通信干扰对抗方法的具体步骤如下：

Step1、构建无人机天线模型：利用无人机侧翼本身的大尺寸构成共形阵天线来作为无人机天线模型；由于常规的VNF干扰天线在无人机机体上安装比较困难，因此采用共形阵天线，即利用无人机侧翼本身的大尺寸构成共形阵天线，有效的增大辐射面积，提高天线效率；

Step2、利用时域有限差分法分析天线特性：

Step3、求取固定于坐标系中天线在远区某一距离球面上的电场分布：对于某一时刻的地面坐标系S_g中处于任意姿态的无人机天线，它在机体坐标系S_b中的位置是固定的，因此在机体坐标系中用时域有限差分法计算得到它在某一工作频率下的远区球面上的电场分布；

Step4、再利用坐标变换，将上面求得的值转换为天线处于任意姿态时的电场分布：

其中，前提是定义地面坐标系Ox_g’y_g’z_g(S_g’)和机体坐标系O_bx_by_bz_b(S_b)，将OX_g′、OY_g′平移至O_bX_g、O_bY_g得到与机体相牵连的地面坐标系为O_bX_gY_gZ_g(S_g)，则O_bX_gY_gZ_g(S_g)与O_bx_by_bz_b(S_b)两个坐标系之间的关系由无人机三个飞行姿态来确定：偏航角α、俯仰角β和滚转角γ，其方向都以沿相应坐标右旋转为正，记以上三个姿态角变换所对应的基元旋转矩阵分别为L_gbz(α)、L_gby(β)和L_gbx(γ),则从机体坐标系S_b到与机体相牵连的地面坐标系S_g的坐标变换矩阵Lgb(α，β，γ)为：

L_gb(α,β,γ)＝L_gbz(α)L_gby(β)L_gbx(γ)

根据上面的坐标变换公式，即能求得无人机天线在任意姿态时的电场分布；

Step5、最后将球面上的电场分布转换到地面，得出地面坐标与有效干扰功率的对应关系：在地面坐标系S_g中，N点为远区球面电场上的一点，N点的坐标为(x_g,y_g,z_g)，记O_bN与地面的交点N₀坐标为(x_g0,y_g0,z_g0)，则有z_g0＝-h，h为无人机飞行高度，根据三角形等比关系得：

由于地空之间的电波传播方式视为自由空间传播，远区电场与传播距离成反比，根据这个关系将N点的电场转换到N₀点，其分量列阵为(E₀)_g有：

通过上述变换，求得与机体相牵连的地面坐标系S_g中z为地面上x_g0和y_g0与电场E₀的对应关系，即得到了地面上的场强分布；

其中：地面坐标系为OX_g′Y_g′Z_g(S_g′)，机体坐标系为O_bX_bY_bZ_b(S_b),将OX_g′、OY_g′平移至O_bX_g、O_bY_g得到与机体相牵连的地面坐标系为O_bX_gY_gZ_g(S_g)；

E₀是N点映射到N₀点的电场；E是原点O处的电场；(E)_g为原点O处的电场E对应的电场矢量的分量列阵；

Step6、调节无人机飞行姿态进行地面通信干扰：根据地面接收天线的方向性，结合上面计算得到的地面上的场强分布，用于调节无人机飞行姿态，进行有效、最大化的干扰敌方通信系统。

所述步骤Step2中，利用时域有限差分法分析天线特性的具体步骤为：

Step2.1、利用共形网格技术对天线边界时域有限差分网格不重合部分进行修正；

Step2.2、利用细导线时域有限差分法对加载细线部分进行处理；

Step2.3、激励源设置采用附加激励的缝隙馈电法；

Step2.4、在有限区域内进行递推计算，采用Berenger完全匹配层吸收边界条件；

Step2.5、计算天线辐射方向图。

所述方法的具体实施步骤为：

步骤s1：构建无人机天线模型。

由于常规的VNF干扰天线在无人机机体上安装比较困难，因此采用共形阵天线，即利用无人机侧翼本身的大尺寸构成共形阵天线，有效的增大辐射面积，提高天线效率。天线模型图如图2所示，其是一个平面型的不对称振子，工作频率为20-100MHz。无人机侧翼由中翼、中外翼和外翼组成，在一侧中翼和中外翼下表面按照一定的形状粘贴铜箔构成天线的两极。

步骤s2：利用时域有限差分法分析天线特性。

1、利用共形网格技术对天线边界时域有限差分网格不重合部分进行修正，计算时考虑机翼金属框架和介质材料对天线特性的影响，从而达到天线真实的工作环境；

2、利用细导线时域有限差分法对加载细线部分进行处理；

3、激励源设置采用附加激励的缝隙馈电法。为了能通过一次计算得到天线的宽带特性，激励信号采用微分高斯脉冲，其计算公式为：

其中n△t为脉冲宽度；π为圆周率值，t0、τ为常数，分别决定了脉冲的零点和宽度。

4、由于计算容量的限制，在有限区域内进行递推计算；为了能模拟开域的天线辐射过程，需要在计算区域的截断边界处设置吸收边界条件。即采用Berenger完全匹配层吸收边界条件；

5、计算天线辐射方向图，为了节省计算量，首先将脉冲激励下得到的输出边界瞬态电场和磁场分量进行Fourier变换得到频域值，然后再在相应频率点上进行频域远近场外推求出远区场。

步骤s3：求取固定于坐标系中天线在远区某一距离球面上的电场分布。

对于某一时刻的地面坐标系S_g中处于任意姿态的无人机天线，它在机体坐标系S_b中的位置是固定的，因此在机体坐标系中用时域有限差分法计算得到它在某一工作频率下的远区球面上的电场分布，即为其中M为球面上一点，θ为O_bM与y_b轴的夹角，为O_bM在z_bO_bx_b平面投影与z_b轴的夹角。

步骤s4：再利用坐标变换，将上面求得的值转换为天线处于任意姿态时的电场分布：

其中，前提是定义地面坐标系Ox_g’y_g’z_g(S_g’)和机体坐标系O_bx_by_bz_b(S_b)，将OX_g′、OY_g′平移至O_bX_g、O_bY_g得到与机体相牵连的地面坐标系为O_bX_gY_gZ_g(S_g)，则O_bX_gY_gZ_g(S_g)与O_bx_by_bz_b(S_b)两个坐标系之间的关系由无人机三个飞行姿态来确定：偏航角α、俯仰角β和滚转角γ，其方向都以沿相应坐标右旋转为正，无人机坐标轴图如图3所示。记以上三个姿态角变换所对应的基元旋转矩阵分别为L_gbz(α)、L_gby(β)和L_gbx(γ),则从机体坐标系S_b到与机体相牵连的地面坐标系S_g的坐标变换矩阵L_gb(α，β，γ)为：

L_gb(α,β,γ)＝L_gbz(α)L_gby(β)L_gbx(γ)

根据上面的坐标变换公式，即能求得无人机天线在任意姿态时的电场分布。

步骤s5：最后将球面上的电场分布转换到地面，得出地面坐标与有效干扰功率的对应关系：

在地面坐标系S_g中，N点为远区球面电场上的一点，N点的坐标为(x_g,y_g,z_g)，记ON与地面的交点N₀坐标为(x_g0,y_g0,z_g0)，则有z_g0＝-h(h为无人机飞行高度)，根据三角形等比关系得：

由于地空之间的电波传播方式视为自由空间传播，远区电场与传播距离成反比，根据这个关系将N点的电场转换到N₀点，其分量列阵为(E₀)_g有：

通过上述变换，求得与机体相牵连的地面坐标系S_g中z为地面上x_g0和y_g0与电场E₀的对应关系，即得到了地面上的场强分布。由于接收天线的方向性，有用的干扰场强只是E₀的某一分量E₀’，所以干扰有效区域就是地面上E₀’大于一定值的区域。

模拟实验设定地面接收机为垂直极化天线，无人机采用图2设计的共形阵天线模型，其飞行高度为2500m，天线输入功率为110W，工作频率为60MHz，无人机以不同姿态对正下方的地面接收机进行通信干扰的数据如表1所示：

表1无人机通信干扰实验结果

通过以上的实验和实例数据分析，可以看出当无人机飞行姿态不同，其通信干扰半径也不同，当左倾斜飞行进行通信干扰时，干扰的通信半径最大，平飞次之，右倾斜飞行最差。

其中地面坐标系Ox_g’y_g’z_g(S_g’)是根据图3中的字母表示进行表示，其中Ox_g’y_g’z_g是三维坐标，(S_g’)表示地面坐标系代号，g代表地面，对应的(S_b)是机体坐标系代号，b代表机体；分量列阵为(E₀)g，其中E₀是电场代号，(E₀)g表示电场矢量的分量列阵。

图3中定义地面坐标系Ox_g’y_g’z_g(S_g’)和机体坐标系O_bx_by_bz_b(S_b)，将Ox_g’、Oy_g’平移到O_bx_g、O_by_b，从而得到与机体相牵连的地面坐标系O_bx_gy_gz_g(S_g)。设O_bx_b在x_gO_by_g平面的投影为O_bx_b’，O_bz_b在x_gO_bz_g平面的投影为O_bz_b’，O_bX_gY_gZ_g(S_g)与O_bx_by_bz_b(S_b)两个坐标系之间的关系可以由无人机三个飞行姿态来确定：偏航角α、俯仰角β和滚转角γ，其方向都以沿相应坐标右旋转为正，M₀点为远区球面上假设点。

上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (2)

1.一种基于实时嵌入式控制系统的无人机通信干扰对抗方法，其特征在于：所述基于实时嵌入式控制系统的无人机通信干扰对抗方法的具体步骤如下：

Step1、构建无人机天线模型：利用无人机侧翼本身的大尺寸构成共形阵天线来作为无人机天线模型；

Step2、利用时域有限差分法分析天线特性：

Step3、求取固定于坐标系中天线在远区某一距离球面上的电场分布：对于某一时刻的与机体相牵连的地面坐标系S_g中处于任意姿态的无人机天线，它在机体坐标系S_b中的位置是固定的，因此在机体坐标系中用时域有限差分法计算得到它在某一工作频率下的远区球面上的电场分布；

Step4、再利用坐标变换，将上面求得的值转换为天线处于任意姿态时的电场分布：

其中，前提是定义地面坐标系Ox_g’y_g’z_g(S_g’)和机体坐标系O_bx_by_bz_b(S_b)，将OX_g′、OY_g′平移至O_bX_g、O_bY_g得到与机体相牵连的地面坐标系为O_bX_gY_gZ_g(S_g)，则O_bX_gY_gZ_g(S_g)与O_bx_by_bz_b(S_b)两个坐标系之间的关系由无人机三个飞行姿态来确定：偏航角α、俯仰角β和滚转角γ，其方向都以沿相应坐标右旋转为正，记以上三个姿态角变换所对应的基元旋转矩阵分别为L_gbz(α)、L_gby(β)和L_gbx(γ),则从机体坐标系S_b到与机体相牵连的地面坐标系S_g的坐标变换矩阵Lgb(α，β，γ)为：

L_gb(α,β,γ)＝L_gbz(α)L_gby(β)L_gbx(γ)

根据上面的坐标变换公式，即能求得无人机天线在任意姿态时的电场分布；

Step5、最后将球面上的电场分布转换到地面，得出地面坐标与有效干扰功率的对应关系：在地面坐标系S_g中，N点为远区球面电场上的一点，N点的坐标为(x_g,y_g,z_g)，记O_bN与地面的交点N₀坐标为(x_g0,y_g0,z_g0)，则有z_g0＝‐h，h为无人机飞行高度，根据三角形等比关系得：

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由于地空之间的电波传播方式视为自由空间传播，远区电场与传播距离成反比，根据这个关系将N点的电场转换到N₀点，其分量列阵为(E₀)_g有：

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通过上述变换，求得与机体相牵连的地面坐标系S_g中z为地面上x_g0和y_g0与电场E₀的对应关系，即得到了地面上的场强分布；

其中：地面坐标系为OX_g′Y_g′Z_g(S_g′)，机体坐标系为O_bX_bY_bZ_b(S_b),将OX_g′、OY_g′平移至O_bX_g、O_bY_g得到与机体相牵连的地面坐标系为O_bX_gY_gZ_g(S_g)；

E₀是N点映射到N₀点的电场；E是原点O处的电场；(E)_g为原点O处的电场E对应的电场矢量的分量列阵；

Step6、调节无人机飞行姿态进行地面通信干扰：根据地面接收天线的方向性，结合上面计算得到的地面上的场强分布，用于调节无人机飞行姿态，进行有效、最大化的干扰敌方通信系统。

2.根据权利要求1所述的基于实时嵌入式控制系统的无人机通信干扰对抗方法，其特征在于：所述步骤Step2中，利用时域有限差分法分析天线特性的具体步骤为：

Step2.1、利用共形网格技术对天线边界时域有限差分网格不重合部分进行修正；

Step2.2、利用细导线时域有限差分法对加载细线部分进行处理；

Step2.3、激励源设置采用附加激励的缝隙馈电法；

Step2.4、在有限区域内进行递推计算，采用Berenger完全匹配层吸收边界条件；

Step2.5、计算天线辐射方向图。