多載波的無人機探測與通信技術(shù)思考

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摘要：基于正交頻率復(fù)用技術(shù)，提出了無人機（UAV）多載波雷達(dá)探測與正交頻率復(fù)用高速通信聯(lián)合設(shè)計方法。設(shè)計了探測與通信功能模塊，闡述了發(fā)射和接收狀態(tài)的工作方式，給出了同時極化頻率捷變探測波形設(shè)計。性能仿真結(jié)果驗證了多載波探測與同時極化和頻率捷變技術(shù)聯(lián)合設(shè)計的可行性，綜合寬帶探測、同時極化、頻率捷變、多載波通信、自適應(yīng)通信等，在實現(xiàn)快速高精度探測和高速通信雙任務(wù)的同時，能滿足無人機的系統(tǒng)多功能整合、小型化、低功耗、低成本的需求。

關(guān)鍵詞：無人機；雷達(dá)探測；高速通信；正交頻率復(fù)用；協(xié)同作戰(zhàn)

0引言

UAV在阿富汗戰(zhàn)場的成功促進(jìn)了無人機的發(fā)展和應(yīng)用。美國空軍PredatorProgram項目給出了無人機在典型戰(zhàn)場環(huán)境中的任務(wù)和功能，包括偵察、監(jiān)視、目標(biāo)截獲、信息傳輸?shù)取嶋H軍事應(yīng)用中，無人機的功能還可有電子戰(zhàn)、戰(zhàn)斗評估、通信中繼、指揮控制、協(xié)同作戰(zhàn)等［1］?；跓o人機的自身和功能特點，可發(fā)現(xiàn)：其體積和承載的設(shè)備有限，需要裝載的設(shè)備盡可能地整合功能，體積小、處理速度快，功耗低；因是在高雜波環(huán)境中對低速目標(biāo)進(jìn)行探測和跟蹤，脈沖多普勒體制不一定適用，需應(yīng)用寬帶體制，從時域?qū)崿F(xiàn)雜波抑制和目標(biāo)識別，但頻率脈沖步進(jìn)等寬帶體制處理要求長時間的脈沖積累才能達(dá)到大帶寬，實現(xiàn)距離高分辨，故必須采用新的寬帶雷達(dá)探測波形；由于存在大量的圖像等戰(zhàn)場環(huán)境和態(tài)勢信息，需要實現(xiàn)高速信息傳輸和通信，同時還要考慮多路徑、雜波等惡劣信道的影響；需要多點通信，實現(xiàn)指令傳輸和協(xié)同作戰(zhàn)。針對無人機使用環(huán)境、自身特點和功能需求，可通過探測與通信聯(lián)合設(shè)計以降低系統(tǒng)體積、功耗與成本，其中正交頻率復(fù)用（OFDM）技術(shù)成為了研究熱點。文獻(xiàn)［2］提出將OFDM通信技術(shù)用于MIMO雷達(dá)，并加入了頻率捷變技術(shù)以實現(xiàn)頻譜共用，但僅給出了將MIMO雷達(dá)系統(tǒng)與OFDM結(jié)合的大體模型；文獻(xiàn)［3］研究了將OFDM通信技術(shù)用于雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)的可行性，但并不全面；文獻(xiàn)［4］提出將OFDM通信與MCPC雷達(dá)技術(shù)結(jié)合用于組建雙用的成像雷達(dá)和通信系統(tǒng)，但只給出了基于OFDM技術(shù)的一般雷達(dá)成像結(jié)果；文獻(xiàn)［5］研究了將LFM信號實現(xiàn)多功能探測通信系統(tǒng)，但由于LFM雷達(dá)信號會引起距離多普勒耦合，并非探測系統(tǒng)的首選，在通信領(lǐng)域LFM調(diào)制方式也并非通信的理想方案。在國內(nèi)，多所高校對無線探測網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行了研究，但多以通信協(xié)議、定位算法研究為主，未見探測通信體系創(chuàng)新的報導(dǎo)［6－12］。探測與通信系統(tǒng)的聯(lián)合設(shè)計需綜合考慮探測和通信兩個方面。對探測，探測波形設(shè)計決定了探測的精度，以及可否兼容寬帶探測、極化等技術(shù)滿足復(fù)雜工作環(huán)境的需求；對通信，在滿足探測需求的同時，需滿足復(fù)雜環(huán)境中高速通信的要求。兩種應(yīng)用需求的無縫連接是聯(lián)合設(shè)計中的要點。為此，本文基于正交頻率復(fù)用技術(shù)，以多載波相位調(diào)制（MCPC）雷達(dá)探測信號為依據(jù)，對雷達(dá)探測與通信聯(lián)合設(shè)計和雷達(dá)探測波形設(shè)計進(jìn)行了研究。

1雷達(dá)探測與通信聯(lián)合設(shè)計

1．1功能模塊組成

無人機功能包括自身定位、環(huán)境監(jiān)測、目標(biāo)探測和高速通信等。無人機探測與通信聯(lián)合設(shè)計有GPS功能、傳感器組、用戶交互接口和中央控制器、發(fā)射機、信號處理單元、接收機、收發(fā)開關(guān)，以及正交極化天線8個功能模塊，其組成如圖1所示。具體如下。a）GPS模塊用于無人機獲取自身位置信息。b）傳感器組為無人機的擴展功能，可涉及攝像機或紅外成像傳感器。c）交互接口和中央控制器為無人機用戶接口，完成相關(guān)工作參數(shù)設(shè)置等，如設(shè)定MCPC雷達(dá)采用的波形、極化類型、頻率捷變的類型與參數(shù)，數(shù)據(jù)通信的調(diào)制方式等。d）發(fā)射機模塊包括GPS信號處理、傳感器組數(shù)據(jù)處理、MCPC雷達(dá)信號發(fā)生器、交互數(shù)據(jù)及指令單元、數(shù)據(jù)打包成幀與自適應(yīng)調(diào)制、極化分路和調(diào)制器組7個功能部分。其中：GPS信號處理部分處理由GPS功能模塊獲得的衛(wèi)星信號，實現(xiàn)無人機自我定位；傳感器組數(shù)據(jù)處理部分處理由傳感器組測得的信號，送發(fā)射機打包成數(shù)據(jù)幀傳送；MCPC雷達(dá)信號發(fā)生器根據(jù)用戶交互接口和中央控制器設(shè)定的MCPC雷達(dá)信號參數(shù)、極化類型、頻率捷變類型等產(chǎn)生同時極化頻率捷變MCPC雷達(dá)探測信號；交互數(shù)據(jù)及指令單元對交互接口需要發(fā)射的信息或指令進(jìn)行編碼和壓縮等處理，用于發(fā)射；數(shù)據(jù)打包成幀與自適應(yīng)調(diào)制部分按幀結(jié)構(gòu)打包輸入數(shù)據(jù)，并由中央控制器采取正交頻率復(fù)用的方式進(jìn)行調(diào)制，自適應(yīng)控制調(diào)制階數(shù)以備傳輸之用；極化分路部分將數(shù)據(jù)打包成幀與自適應(yīng)調(diào)制模塊的輸出信號分成兩路并根據(jù)用戶交互接口和中央控制器設(shè)定的極化類型確定信號間的相位差；調(diào)制器組將極化分路模塊產(chǎn)生的兩路信號直接調(diào)制至射頻，并傳輸至開關(guān)控制器用于正交極化天線發(fā)射［13］。在中央控制器控制下，數(shù)據(jù)打包成幀與自適應(yīng)調(diào)制部分將GPS信號處理模塊的處理結(jié)果、傳感器組數(shù)據(jù)處理模塊的處理結(jié)果、MCPC雷達(dá)信號發(fā)生器產(chǎn)生的MCPC雷達(dá)波形，連同交互數(shù)據(jù)及指令打包成數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，并采取自適應(yīng)調(diào)制方式調(diào)制，調(diào)制結(jié)果將根據(jù)極化類型，由極化分路部分分成兩路，兩路信號再由兩組調(diào)制器直接調(diào)制至射頻經(jīng)收發(fā)開關(guān)傳輸至正交極化天線發(fā)射。e）信號處理單元包括MCPC雷達(dá)信號處理、交互數(shù)據(jù)處理、定位和導(dǎo)航處理、系統(tǒng)工作性能和干擾分析處理、數(shù)據(jù)庫共5部分。其中：MCPC雷達(dá)信號處理模塊可完成MCPC雷達(dá)探測器目標(biāo)探測，獲得目標(biāo)的距離、速度等信息，同時對通信目的MCPC雷達(dá)信號處理模塊又能起到時間和頻率同步作用，并可實現(xiàn)信道估計，提高通信質(zhì)量；交互數(shù)據(jù)處理模塊用于對接收機接收到的信息或指令進(jìn)行解碼和解壓縮等處理，并轉(zhuǎn)換格式便于用戶交互接口識別；定位和導(dǎo)航處理模塊在GPS衛(wèi)星信號較好時，由GPS信息處理模塊所得的自身位置信息，結(jié)合數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)保存的電子地圖，根據(jù)用戶需求選擇最優(yōu)路徑并實時導(dǎo)航，在GPS衛(wèi)星信號較差時，GPS信息處理模塊無法實現(xiàn)基站自我定位，則以協(xié)同作戰(zhàn)模式，由其它無人機得到的信息結(jié)合MCPC雷達(dá)探測數(shù)據(jù)確定自身方位，完成導(dǎo)航等功能；系統(tǒng)工作性能和干擾分析處理模塊結(jié)合極化判別模塊分析干擾信號類型、干擾與信號的能量比，以此作為MCPC雷達(dá)探測器參數(shù)設(shè)置和OFDM通信系統(tǒng)信號自適應(yīng)調(diào)制方式設(shè)定的依據(jù)；數(shù)據(jù)庫用于存儲網(wǎng)絡(luò)中所有無人機的方位和通信記錄，探測到目標(biāo)的距離、速度信息，電子地圖等以備查閱使用。f）接收機模塊主要由極化判別模塊和解調(diào)器組組成。極化判別模塊用于判斷接收信號極化類型，或在給定的極化類型狀態(tài)下接收信號。解調(diào)器用于將正交極化天線經(jīng)開關(guān)控制器的信號直接由射頻變?yōu)橹蓄l，出于小型化的目的，可采用零中頻結(jié)構(gòu)。g）收發(fā)開關(guān)用于系統(tǒng)在發(fā)射狀態(tài)下將天線與發(fā)射機連接而隔離接收機，反之在接收狀態(tài)下將天線與接收機連接而隔離發(fā)射機。h）正交極化天線用于發(fā)射或接收兩路正交極化信號。

1．2基本工作方式

無人機探測與通信聯(lián)合設(shè)計系統(tǒng)交替工作于發(fā)射和接收狀態(tài)。

1．2．1發(fā)射狀態(tài)

發(fā)射機將通信對象ID碼、自身ID碼，經(jīng)編碼和壓縮處理的通信信息、傳感器組數(shù)據(jù)處理結(jié)果、MCPC雷達(dá)信號波形、MCPC雷達(dá)探測結(jié)果，以及基站自身的方位信息通過數(shù)據(jù)打包成幀與自適應(yīng)調(diào)制模塊打包成幀并實現(xiàn)調(diào)制。在獲得基站自身方位的過程中，需根據(jù)接收到的GPS衛(wèi)星信號質(zhì)量決定定位方案。當(dāng)GPS衛(wèi)星信號接收良好時，GPS功能模塊和GPS信號處理單元實現(xiàn)自我定位；當(dāng)GPS衛(wèi)星信號接收不佳時，需等待接收機狀態(tài)實現(xiàn)定位。發(fā)射信號打包成幀后的幀結(jié)構(gòu)如圖2所示（其中循環(huán)前綴CP未在幀結(jié)構(gòu)中顯示）。每個數(shù)據(jù)幀由ID碼1、2，自定位信息，目標(biāo)信息和交互數(shù)據(jù)組成。

其中：ID碼1、2分別標(biāo)志信號的反射方和接收方，系統(tǒng)采用余碼序列作為ID碼，在作為身份標(biāo)志的同時，可用作MCPC雷達(dá)波形和OFDM通信系統(tǒng)的引導(dǎo)碼，既用于目標(biāo)探測，又用于通信系統(tǒng)的幀同步和信道估計；定位信息部分用于存儲基站自身的位置信息和信號發(fā)射時間；目標(biāo)信息用于存儲MCPC雷達(dá)探測器探測到的距離和速度等目標(biāo)信息；交互信息用于傳輸探測器組探測到的相關(guān)信息。完成數(shù)據(jù)打包和調(diào)制后，根據(jù)用戶設(shè)定的極化類型極化分路模塊將信號分成具特定相位差的兩路，送至調(diào)制器模塊調(diào)制至射頻。調(diào)制模塊調(diào)制過程中，根據(jù)用戶設(shè)定的頻率捷變參數(shù)實時調(diào)整調(diào)制頻率，實現(xiàn)發(fā)射信號捷變頻。由調(diào)制器輸出的射頻信號經(jīng)收發(fā)開關(guān)傳輸至正交極化天線發(fā)射。

1．2．2接收狀態(tài)

接收機根據(jù)接收信號的ID碼1部分區(qū)別接收的信號來自其它無人機或自身MCPC雷達(dá)探測器的目標(biāo)回波信號。根據(jù)其它基站發(fā)射的信號信息，結(jié)合MCPC雷達(dá)探測器的回波信號，無人機可確定目標(biāo)信息。在GPS信號較差時，可通過獲得的其它基站的方位信息和算得的與其它基站的相對距離實現(xiàn)定位。此外接收機還需分析系統(tǒng)工作性能和外界抗干擾類型用于系統(tǒng)在發(fā)射機狀態(tài)下自適應(yīng)修改發(fā)射信號極化類型、頻率捷變類型、調(diào)制方式。

1．3同時極化頻率捷變探測波形設(shè)計

因MCPC雷達(dá)探測與4G通信均基于正交頻率復(fù)用（OFDM）原理，故系統(tǒng)硬件構(gòu)成、波形生成、軟件實現(xiàn)等可實現(xiàn)高度統(tǒng)一，達(dá)到系統(tǒng)整合，在實現(xiàn)通信和探測雙任務(wù)的同時，能滿足無人機追求的系統(tǒng)小型化、低功耗、低成本的需求，應(yīng)用方式也可在單機與協(xié)同兩種模式間自由切換。與此同時，僅就通信而言，OFDM技術(shù)在實現(xiàn)高速率通信（百兆以上）的同時，具有對抗雜波、多路徑效應(yīng)的特點，若結(jié)合自適應(yīng)通信技術(shù)，通過判斷通信信道特征，實時改變信號調(diào)制方式，可很好地滿足無人機的使用需求［13］。因低速目標(biāo)多普勒頻率靠近雜波區(qū)，用傳統(tǒng)脈沖多普勒方式難以實現(xiàn)目標(biāo)搜索和跟蹤，且探測距離精度不高，故需利用寬帶雷達(dá)信號實現(xiàn)雜波背景中目標(biāo)的搜索、檢測、識別和跟蹤，并在特定需求下完成目標(biāo)和環(huán)境成像。傳統(tǒng)寬帶雷達(dá)探測信號有線性調(diào)頻、脈沖線性調(diào)頻、脈沖頻率步進(jìn)等，線性調(diào)頻很難解決收發(fā)隔離問題而多采用脈沖線性調(diào)頻，脈沖線性調(diào)頻和脈沖頻率步進(jìn)均需多個脈沖累計達(dá)到大帶寬，實現(xiàn)高分辨，耗時長。此外，線性調(diào)頻信號模糊函數(shù)呈斜刀刃型，脈沖線性調(diào)頻存在多普勒和距離耦合影響跟蹤精度的缺點，同時上述傳統(tǒng)寬帶雷達(dá)信號均不能與通信較好地結(jié)合。MCPC雷達(dá)信號結(jié)構(gòu)如圖3所示［14－15］。N!M的MCPC雷達(dá)脈沖信號由N×M的補碼矩陣同時調(diào)制N個相位周期為Mtb的載波生成（此處：tb為單個調(diào)制相位周期），載波間隔Δf為1／tb，載波間滿足正交關(guān)系。MCPC雷達(dá)信號可利用補碼序列矩陣同時調(diào)制多個滿足正交關(guān)系的載波生成。對一個由序列長度為M的N個載波生成的MCPC雷達(dá)脈沖信號，其距離分辨率為tb／N，多普勒分辨率為1／（Mtb），脈沖壓縮比可達(dá)NM。MCPC雷達(dá)信號可通過設(shè)置載波數(shù)、載波間隔和碼元寬度的方式實現(xiàn)高分辨率，且模糊函數(shù)呈圖釘型，避免了距離－多普勒耦合，可用數(shù)字集成電路通過逆傅里葉變換（IFFT）產(chǎn)生，具控制簡單和生成便利等優(yōu)點。由圖3可知：MCPC雷達(dá)信號單次發(fā)射信號的頻率寬度就可達(dá)到NΔf，無需長時間脈沖積累即可實現(xiàn)距離高分辨。當(dāng)距離分辨率要求較高時，可結(jié)合頻率捷變技術(shù)擴大頻率帶寬。MCPC雷達(dá)信號線性頻率捷變?nèi)鐖D4所示。引入同時極化，結(jié)合多載波相位編碼、捷變頻寬帶、目標(biāo)微動特性，用于實現(xiàn)在強海、地雜波條件下低速目標(biāo)的識別和跟蹤。頻率捷變技術(shù)可從極化域、時域和頻域三個層面增加系統(tǒng)抗干擾能力。

2系統(tǒng)性能仿真

2．1同時極化性能

本文的探測波形設(shè)計兼容同時極化技術(shù)，可用于干擾、雜波等復(fù)雜環(huán)境中的探測，能同時發(fā)射多個極化信號，再利用信號間的獨立性（I）分離信號以同時獲得目標(biāo)各種極化的信息。因此，信號間的獨立性是實現(xiàn)此技術(shù)的關(guān)鍵，而傳統(tǒng)編碼方式很難使信號的信號峰值旁瓣比（PSL）和信號間的獨立性同時達(dá)到較高的性能指標(biāo)。文獻(xiàn)［17］的兩個基于P3序列MCPC雷達(dá)脈沖信號的歸一化自相關(guān)函數(shù)和歸一化互相關(guān)函數(shù)如圖5所示。由圖可知：兩信號均由連續(xù)的8個間隔為32tb的8×8的MCPC脈沖組成，兩個MCPC信號的PSL均優(yōu)于28dB，I優(yōu)于23dB。欲實現(xiàn)相同的PSL和I，用傳統(tǒng)的m序列調(diào)制需要的碼長達(dá)511位［16］。

2．2頻率捷變性能仿真和實測數(shù)據(jù)

文獻(xiàn)［17］給出的對應(yīng)MCPC雷達(dá)信號引入頻率捷變前后和波形優(yōu)化后的自相關(guān)函數(shù)如圖6所示。由圖可知：采用頻率捷變后，MCPC信號的自相關(guān)函數(shù)主瓣寬度由0．125tb減小至0．0156tb。經(jīng)子載波加權(quán)波形優(yōu)化后，第一個脈沖單位時間tb內(nèi)自相關(guān)函數(shù)旁瓣歸一化最大值降至－25dB以下，同時由于子載波權(quán)重的調(diào)制作用，主瓣寬度略展寬至0．02734tb。實測頻率捷變MCPC雷達(dá)信號如圖7所示。

3結(jié)束語

本文對基于多載波的無人機探測與高速通信聯(lián)合設(shè)計進(jìn)行了研究?；谡活l率復(fù)用技術(shù)，綜合同時極化、自適應(yīng)通信等技術(shù)，在同時滿足快速高精度探測和高速通信的同時，可實現(xiàn)無人機的系統(tǒng)多功能整合、小型化、低功耗、低成本。

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作者：肖志斌 顧村鋒 高帆 王學(xué)成 單位：中國人民解放軍海軍駐上海地區(qū)航天系統(tǒng)代表室 上海機電工程研究所