無人機蜂群電磁抗干擾研究

劉杰 匡文娟 李向遠

摘? 要：無人機蜂群作戰(zhàn)是無人作戰(zhàn)體系中的典型手段，極可能對傳統(tǒng)作戰(zhàn)方式產(chǎn)生顛覆性影響，無人機作戰(zhàn)與反無人機作戰(zhàn)一直都是研究熱點。無人作戰(zhàn)模式是軍事作戰(zhàn)發(fā)展的重要方向，無人作戰(zhàn)在抵近偵查、忠誠僚機、集群飽和攻擊、無人機長時間察打一體值班巡邏方面具備極為顯著的作戰(zhàn)優(yōu)勢，特別是無人機蜂群作戰(zhàn)，有著飽和式攻擊力和復雜地型適應能力的特點，應用場景廣闊，配合正在興起的人工智能技術，成為目前無人作戰(zhàn)技術研究的重中之重。本文介紹了無人機蜂群的作戰(zhàn)特點及無人機蜂群通信系統(tǒng)的發(fā)展情況，分析了無人機現(xiàn)有通信手段的抗干擾技術，結合未來無人機蜂群通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，提出了未來無人機蜂群通信抗干擾的技術方向，為后續(xù)抗干擾路線的選擇提供參考。

關鍵詞：無人機蜂群 無線通信網(wǎng) 電磁抗干擾 研究

中圖分類號：TN91? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）06（a）-0055-03

Research on electromagnetic anti-interference of UAV swarm

LIU Jie? KUANG Wenjuan? ?LI Xiangyuan

（722 Institute of China Shipbuilding Group， Wuhan， Hubei Province， 430079 China）

Abstract： UAV swarm operation （UAV swarm） is a typical means of unmanned combat system， which is very likely to have a subversive impact on traditional combat methods. UAV combat and anti-UAV combat have always been studied in hot spots. Unmanned combat mode is an important direction of the development of military operations. Unmanned combat has extremely significant operational advantages in approach detection， loyal wingman， cluster saturation attack， and long-term observation and combat integrated patrol of UAV. In particular， UAV bee colony combat has the characteristics of saturation attack power and complex terrain adaptability， and has broad application scenarios， Cooperating with the emerging artificial intelligence technology has become the top priority of unmanned combat technology research. This paper introduces the operational characteristics of UAV swarm and the development of UAV swarm communication system， analyzes the anti-interference technology of existing UAV communication means， combines the development trend of future UAV swarm communication system， and puts forward the technical direction of future UAV swarm communication to provide reference for the selection of subsequent anti-interference route.

Key Words： UAV swarm; Wireless communication network; Electromagnetic anti-interference; Research

無人作戰(zhàn)模式是軍事作戰(zhàn)發(fā)展的重要方向，無人作戰(zhàn)在抵近偵查、忠誠僚機、集群飽和攻擊、無人機長時間察打一體值班巡邏方面具備極為顯著的作戰(zhàn)優(yōu)勢，特別是無人機蜂群作戰(zhàn)，有著飽和式攻擊力和復雜地型適應能力的特點，應用場景廣闊，配合正在興起的人工智能技術，成為目前無人作戰(zhàn)技術研究的重中之重。作戰(zhàn)與反作戰(zhàn)是永遠分不開的兩面，在反無人機作戰(zhàn)技術方面電磁干擾作戰(zhàn)是重要的發(fā)展方向，無人機蜂群通信抗干擾技術成為一個無法避開的研究課題。

1? 無人機蜂群技術概況

1.1 無人機蜂群作戰(zhàn)

蜂群最顯著的特征就是數(shù)量龐大，無人機蜂群的作戰(zhàn)模式體現(xiàn)了蜂群系統(tǒng)中這一顯著特點，憑借獨特的優(yōu)勢，以靈活便捷的投送方式、多元化的投送平臺，短時間內集結到指定區(qū)域并開展飽和化軍事攻擊任務，該類微型、小型無人機均具備低成本特點。

1.1.1 部署迅速、方式多樣

因便捷的投送方式，無人機蜂群在各個類型的發(fā)射平臺都可以便捷發(fā)射。上至航空母艦、大型運輸機，下至小型護衛(wèi)艦、輪式機動車載平臺;發(fā)射方式包括彈射（包括正在積極發(fā)展的艦載、車載電磁彈射技術）、火箭助推、空中滑翔投放與自行跑道起飛，部分直升機飛行器或其他類型旋翼飛行器可自行垂直起飛;均可保障無人機蜂群在各中地形、各種平臺、多種方式，在短時間內，在指定空域內批量集結。

1.1.2 成本低廉、效費比高

微小型無人機作為新興科技產(chǎn)品，制造成本比其他高性能的高科技武裝設備低很多，可在短時間內大量生產(chǎn)，形成數(shù)量優(yōu)勢。在實際戰(zhàn)爭中，無人機蜂群使用便捷，無其他高性能設備使用時的各種限制因素。無人機蜂群技術無論是在制造還是實戰(zhàn)過程中，都具有一定優(yōu)勢，適合大力發(fā)展。

1.1.3 大規(guī)模飽和式攻擊

無人機蜂群戰(zhàn)術最大震懾力在于通過龐大數(shù)量，飽和式攻擊，在指定區(qū)域形成巨大殺傷力。無人機蜂群典型作戰(zhàn)模式中，通過在有限區(qū)域內布置海量無人機，超過防御方防空火力，以不怕?lián)p毀的作戰(zhàn)方式快速摧毀對方防空力量，取得制空權;缺少防空力量的地面武裝在批量無人機壓制下，基本難以發(fā)揮戰(zhàn)力。

1.1.4 作戰(zhàn)半徑相對較近

根據(jù)無人機蜂群作戰(zhàn)模式，蜂群的作戰(zhàn)模式就是抵近快速投放集結，無需很大的作戰(zhàn)半徑;相對于大型無人機平臺，無人機蜂群作戰(zhàn)平臺體積小，受載油量較小，作戰(zhàn)半徑有限。

1.2 無人機蜂群通信技術

蜂群這一物種一般采取群體作戰(zhàn)的方式，而無人機蜂群就是借用了蜂群的作戰(zhàn)思維，拓展出了一種新型集群作戰(zhàn)行動，其通信技術最關鍵的點在于集群，集群通信的典型模式包括分布式和主從模式，主從模式在主節(jié)點出現(xiàn)損毀狀況時，整個網(wǎng)絡將無法運行，顯然不太符合無人機蜂群的典型特點：抗摧毀性強，因此未來無人機蜂群通信組網(wǎng)技術必然是無中心的分布式組網(wǎng)模式。

分布式無中心組網(wǎng)系統(tǒng)最顯著特點就是沒有基站交換控制中心的集中控制，是一種由各分布式節(jié)點自行設定通信鏈路，采取分散控制的組網(wǎng)系統(tǒng)。各分布式組網(wǎng)節(jié)點進行數(shù)據(jù)傳輸時，信道選擇分配，呼叫建立，拆鏈等動作都由各分布式組網(wǎng)節(jié)點自動控制完成。分布式組網(wǎng)主要特性如下。

1.2.1 均等性

每個節(jié)點在自組網(wǎng)中，所具有的權限是均等的，沒有高低之分，消息互通性強，不需要通過中心控制節(jié)點進行控制轉發(fā)。

1.2.2 便捷性

一個無中心的網(wǎng)絡可由各個分布式組網(wǎng)節(jié)點隨時進行自由組合，無需提前做任何準備，無任何基礎設施要求。

1.2.3 獨立性

各個節(jié)點在自組織網(wǎng)中都具有獨立性，可以根據(jù)實際情況，進行自主調整，網(wǎng)絡的計算、構建過程也不需要外界的干預，內部運行存在獨立性。

1.2.4 抗毀性強

受到均等性、便捷性、獨立性的影響，自組網(wǎng)受到外部攻擊時，可以立即重組，在確保通訊順暢的情況下，各個節(jié)點自行加入或脫離自組網(wǎng)，維持基本通信能力。

2? 無人機蜂群電磁抗干擾

無人機蜂群區(qū)別于其他無人平臺的一個顯著特征是無人機蜂群平臺多為微型、小型飛機，承載通信設備數(shù)量及重量有限;第二個顯著特征就是在有限區(qū)域內集結數(shù)量多?；谏鲜?種基本特征，無人機蜂群進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕侄尉捅容^有限，主要為小型化衛(wèi)星通信道、微波信道和超短波信道，還有一種就是目前正在快速發(fā)展的無線紫外光通信技術。

2.1 衛(wèi)星信道抗干擾

衛(wèi)星信道是無人機平臺遠距離通信最佳信道，全球范圍內具備實時互通能力，信道數(shù)據(jù)速率高，時延相對較低，穩(wěn)定性也非常不錯，但現(xiàn)有的無人蜂群均未批量加裝，最重要的原因在于衛(wèi)星信道通道數(shù)量有限，很難在有限的區(qū)域內提供大量數(shù)據(jù)通道，目前的無人機蜂群衛(wèi)星系統(tǒng)基本還是以使用導航定位系統(tǒng)為主，遠距離數(shù)據(jù)傳輸會考慮通過專業(yè)通信節(jié)點飛機進行中繼轉發(fā)。

2.2 微波信道抗干擾

云計算的發(fā)展為靶場環(huán)境的創(chuàng)新型建設提供了便利條件，可以建設一個易于管理、便于拓展的網(wǎng)絡安全技術研究場所。事實證明，新型靶場環(huán)境的建設需要以傳統(tǒng)靶場建設為基礎，保持原有的關注點，著力于減少投入，降低經(jīng)濟成本。云計算技術可以提供OpenStack等開源或免費的云解決方案，將網(wǎng)絡空間靶場的建設實現(xiàn)提上日程。利用云計算在網(wǎng)絡中進行有效的數(shù)據(jù)運算，將需要的信息數(shù)據(jù)進行計算規(guī)劃，制定出合理的建設方案，讓虛擬主機在網(wǎng)絡空間靶場中進行演練，降低成本及破壞性，完成傳統(tǒng)靶場環(huán)境向新型靶場環(huán)境的轉化。在實驗計劃初級階段，方案目標保留在虛擬主機建設中。

2.3 超短波信道抗干擾

超短波信道憑借遠優(yōu)于短波信道的帶寬及時延，在各軍兵種均大量配備使用，在軍事通信領域具有不可或缺的地位。超短波電臺發(fā)展起步早，規(guī)模龐大，干擾與抗干擾技術一直在不斷發(fā)展，且應用廣泛，主流的抗干擾技術就是直接序列擴頻和跳頻兩個路徑，以及目前正在發(fā)展的混合擴頻通信技術。

利用偽隨機序列拓寬頻段，讓數(shù)據(jù)流通范圍加大，讓數(shù)據(jù)在可接收到的頻段上進行傳輸，這就是直接序列擴頻。接收到變化后的信息之后，根據(jù)變化規(guī)律將信息數(shù)據(jù)轉化變化前，就可以還原出擴頻前的原始信號信息，然后解調翻譯出原始數(shù)據(jù)。

利用偽隨機序列對載波頻率進行更改的是跳頻擴頻技術，在寬廣的頻帶范圍中，偽隨機序列偽隨機地控制載波頻率，在頻帶范圍中不斷移動、變化混淆視線，將所控制載波中的信息傳遞出去。電臺接收消息到消息后可以通過反向操作，根據(jù)變化規(guī)律獲取變化前的原始信息數(shù)據(jù)。實際應用時電臺內存儲多個跳頻頻率表，然后根據(jù)偽隨機系列數(shù)字，在頻率表中挑選頻率，在一個較大頻段范圍內不斷隨機調整收發(fā)頻率，達到信道抗干擾的效果。

跳時擴頻是利用偽隨機序列來調控信號發(fā)送的時間，在改變信號發(fā)送時長后，實現(xiàn)信號傳輸。跳時擴頻與跳頻擴頻二者運用一個控制載波頻率進行信息傳遞，一個控制載波信息的發(fā)送時長，最終實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息傳遞。偽隨機序列控制載波信息發(fā)送時間段后，將有選擇性地在若干時間段中挑選某一時間段將數(shù)據(jù)信息傳遞出來，載波發(fā)送消息的時長也受到偽隨機序列的控制，為數(shù)據(jù)信息接收提供便利。

2.4 混合擴頻技術

簡單來講，混合擴頻技術就是上述幾種抗干擾的技術組合使用，常見的有DS/FH、DS/TH、FH/TH等，抗寬帶干擾和大功率窄帶干擾的能力強。

3? 無人機蜂群抗干擾的發(fā)展方向

研究無人機蜂群的電磁抗干擾發(fā)展方向，首先要確定的是無人機蜂群未來的主流通信手段?？稍谖磥?，無人機蜂群最主要的通信手段將會包括新一代的全球導航定位系統(tǒng)，提供實時導航定位信息;以美國星鏈（SpaceX和NASA正在建設）為代表的低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)（或者稱為6G衛(wèi)星網(wǎng)）。

全球導航定位系統(tǒng)抗干擾技術一直以來都是熱點，未來將持續(xù)成為無人機蜂群電磁抗干擾的重點發(fā)展方向，鑒于混合擴頻技術使頻率功率譜密度接近底噪聲的情況下，個人認為未來抗干擾將會偏向于智能天線多集接收與高效的糾錯編碼技術方向上發(fā)展。

4? 結語

隨著越來越多的無人機參與作戰(zhàn)，無人機蜂群的實戰(zhàn)運用將會快速來臨，根據(jù)目前反無人機技術的發(fā)展趨勢，接下來的發(fā)展重點在于電磁干擾技術方面的突破。根據(jù)無人機蜂群戰(zhàn)術發(fā)展趨勢，自組織組網(wǎng)與智能化協(xié)同作戰(zhàn)都對蜂群間無線通信提出較高要求，新型作戰(zhàn)模式對無線網(wǎng)絡依賴性越強，抗干擾性要求就越高，提前進行無人機蜂群抗干擾研究極為必要。在可以預見的將來，在無人機蜂群參加的戰(zhàn)爭中，抗干擾技術與干擾技術之間的斗爭將會愈演愈烈。

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