一种基于无人飞行器的多目标通信干扰方法

技术领域

本发明属于通信对抗技术领域，主要应用于电子对抗战中的电子干扰，更具体地，涉及一种基于无人飞行器的多目标通信干扰方法。

背景技术

电子对抗战(Electronic countermeasures，ECM)，又称电子战。电子战定义为利用电磁能确定、剥夺、削弱或者防止雷达使用电磁频谱的军事行动。电子战由两大部分构成：电子支援措施(Electronic Support Measures，ESM)和电子干扰措施(ElectronicCounter Measures，ECM)。

在现代战争中，电子对抗战已经成为战争的一个重要组成部分。电子对抗战可以通过控制电磁频谱来干扰敌方的无线通信和无线探测设备，从而瓦解敌方的通信能力，进而实现战术成果。

一般在发现敌方的军事单位后，需要对敌方军事单位进行通信的电子干扰，这种干扰一般通过大功率的发射电磁干扰信号来降低敌方通信设备的信噪比，从而实现切断敌方通信设备通信的功能。在复杂的战场环境中，受制于设备数量和设备的干扰范围，常常需要使用一台干扰设备对尽可能多的干扰目标进行电磁信号干扰。然而，在实际的战场应用环境中，直接使用地面干扰设备会遇到干扰范围有限，干扰效果差，信号被地面起伏遮挡的情况，由于干扰设备的空间位置和空间姿态会显著影响对干扰目标的干扰效果，因此需要干扰设备具有较好的机动性。同时对于干扰设备的最佳干扰坐标和最佳干扰姿态的解算和优化也对干扰效果有较大的提升。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种基于无人飞行器的多目标通信干扰方法，将干扰设备与无人飞行器结合可以使干扰设备具有较好的机动性，引入非线形优化算法对于最佳干扰坐标和最佳干扰姿态进行优化和解算可以提高干扰信号对于目标设备的覆盖效果，尽可能多的干扰更多的目标设备。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于无人飞行器的多目标通信干扰方法，包括：

飞行控制器控制无人飞行器携带探测设备与干扰设备升空巡航，在巡航阶段打开探测设备探测空间内存在的干扰目标并存储干扰目标的坐标；

在完成探测后，机载计算机通过非线形优化算法对干扰目标的坐标进行求解得到进行通信干扰的最佳干扰坐标和最佳干扰姿态；

求解后通过飞行控制器将无人飞行器悬停于最佳干扰坐标处并打开干扰设备，设置干扰设备的干扰信号俯仰角为最佳干扰姿态，以实现对尽可能多的干扰目标的通信干扰。

在一些可选的实施方案中，通过非线形优化算法对干扰目标的坐标进行求解得到进行通信干扰的最佳干扰坐标和最佳干扰姿态，包括：

从一个干扰目标的干扰场景开始考虑，如果该干扰目标被成功干扰，则干扰设备需要与该干扰目标之间的距离小于一个预设阈值，假设该预设阈值为R，则干扰设备能够对该干扰目标形成干扰的范围就是以该干扰目标为球心，以R为半径的一个球面内的空间；

若在空间中有多个干扰目标，则这些干扰目标各自被干扰到的空间都是以各干扰目标为球心的球面内的空间，所有球面内的空间的交集作为干扰设备的最佳干扰坐标集，将对最佳干扰坐标集的求解转化为求解三元不等式组，在三元不等式组中加入对角度的约束；

选用空间网格法进行三元不等式组求解，若三元不等式组的解不存在，则使用试探法来舍弃个别地面电台，使得三元不等式组存在解。

在一些可选的实施方案中，角度约束要求干扰设备和任意两个干扰目标之前的夹角要小于干扰电磁波的最大波束角。

在一些可选的实施方案中，在巡航阶段打开探测设备探测空间内存在的干扰目标，包括：

每一架无人飞行器都需要干扰至少一个目标，首先无人飞行器确定需要干扰的目标，同时干扰多个目标需要满足两个约束条件：(1)目标的频率相近，极差在2MHz以内；(2)目标的位置相近，均处于无人飞行器的干扰范围内。

在一些可选的实施方案中，将电台的频率分配问题抽象为：有一个任意的数组，和N个长度为预设值的区间，使得这N个区间能够容纳数组里的数最多，针对此问题采用如下递归方式：

Step 1：选出频率相近且数量最多的目标集合；

Step2：根据约束条件来判断所选择的目标集合是否存在坐标满足同时被干扰的条件，此处判定坐标是否存在采用暴力网格法；

Step3：若不存在坐标来满足目标集合同时被干扰的条件，删去目标集合中在位置上离其他目标最远的目标，转至Step 2，直到存在坐标满足条件，进入Step 4；

Step4：输出满足条件的坐标点和频带，从全部目标中删去在以上步骤中被判断满足同时被干扰条件的目标集合，转至Step 1；

上述过程重复N次即完成针对N架无人飞行器的干扰目标分配。

在一些可选的实施方案中，总电源从无人机的动力电池中取电，动力电池直供电机调速器和无刷直流电机，动力电池电源经过一级DC-DC变换器后降压为12V为机载计算机供电，12V电源再经LDO降压至5V为飞行控制器供电，动力电池电源经过一级DC-DC变换器后降压为36V为探测设备和干扰设备供电。

在一些可选的实施方案中，无人飞行器的控制信号从飞行控制器输出后，使用高速光电耦合器进行隔离后，输出至电机调速器。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明使用无人飞行器搭载干扰设备在空中进行发射干扰电磁波对干扰目标进行通信干扰，这样干扰可以有效的提高干扰信号被地形干扰。同时在面对较多的干扰目标时，往往需要进行干扰位姿的优化，使得尽可能多的干扰更多的设备，提高干扰设备的干扰效率，发挥干扰设备的最大效果，本发明针对干扰位姿的优化提出了解决方案，通过上述的方法，可以有效提升电磁通信干扰设备的作战效果和作战范围，降低维持战场电磁压制态势的设备成本。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种干扰空间示意图；

图2是本发明实施例提供的一种基于无人飞行器的多目标通信干扰方法的实现示意图；

图3是本发明实施例提供的一种系统电路框图；

图4是本发明实施例提供的一种LDO稳压电路图；

图5是本发明实施例提供的一种DC-DC变换器元件参数图；

图6是本发明实施例提供的一种高速光电耦合器工作示意图；

图7是本发明实施例提供的一种位姿解算流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明实施例中，干扰设备与无人飞行器结合方案如下所述：使用无人飞行器携带探测设备与干扰设备升空巡航，在巡航阶段打开探测设备探测空间内存在的干扰目标并将干扰目标的坐标存储于计算机系统中；完成探测后，通过非线形优化算法求解可以实现对尽可能多的干扰目标进行通信干扰的最佳干扰坐标和最佳干扰姿态；求解后将飞行器悬停于最佳干扰坐标处并打开干扰设备，设置干扰设备的干扰信号俯仰角为最佳干扰姿态，实现对尽可能多的干扰目标的通信干扰。

在本发明实施例中，最佳干扰坐标与最佳干扰姿态的解算与优化方案按照下述思路进行设计：首先从一个干扰目标的干扰场景开始考虑，如果该目标被成功干扰，那么意味着干扰设备(即干扰源)需要与该干扰目标之间的距离小于一个预设阈值，假设该预设阈值为R，则干扰设备能够对该干扰目标形成干扰的范围就是以该干扰目标为球心，以R为半径的一个球面内的空间，理论上如果干扰设备在这个范围内都能对干扰目标形成有效的干扰；

如果在空间中有多个干扰目标，则这些干扰目标各自被干扰到的空间都是以各干扰目标为球心的球面内的空间，这些球面内的空间的交集就是干扰源的最佳干扰坐标集，理论上如果干扰源在这个区域内，就能对这些干扰目标形成有效干扰，则问题转化为求解三元不等式组问题；

同时由于干扰设备的干扰信号发射存在方向性，所以需要在这个三元不等式组中加入对角度的约束，也即干扰设备的坐标和任何两个干扰目标之间所形成的角需要小于无人机发射干扰信号的最大波束角；

上述不等式由于并不是一个线性的不等式约束，因此选用空间网格法进行不等式求解，如果上述不等式的解不存在，可以使用试探法来舍弃个别地面电台，使得不等式存在解。

如图1所示，每个小方块代表一个干扰目标，灰色的透明半球内部为可以对单个干扰目标形成干扰的空间集合，中间的空间为能够同时对三个干扰目标同时起到干扰作用的空间范围。列举出三个灰色透明半球内坐标所对应的不等式组，求解该不等式组即可得到中间相交区域的坐标范围，也即同时对三个干扰目标同时起到干扰作用的空间范围。

如图2所示，本发明的基于无人飞行器的多目标通信干扰方法的实现如下：包括硬件部分实现和软件部分实现。

硬件部分包括无人飞行器、飞行控制器、探测设备和干扰设备四个部分。无人飞行器提供设备载具功能，携带探测设备和干扰设备在空间中运动和悬停。飞行控制器是一种实时控制微计算机系统，负责收集无人飞行器飞行过程中的各个传感器的参数信息，并利用反馈控制原理控制飞行器飞行姿态的稳定，同时接收计算机系统设定的飞行航迹并将航迹信息转换成为直接控制飞机飞行的飞行控制参数。探测设备和干扰设备安置于无人飞行器的载荷仓中并从无人飞行器的电气系统获取电力。探测设备可以探测一定范围内的通信设备并测量其空间坐标。干扰设备可以向指定方向发射干扰电磁信号，干扰一定范围内的电磁波通信。

在本发明实施例中，系统总电源管理方案如图3所示：系统总电源从无人机的动力电池中取电，动力电池直供电机调速器和无刷直流电机。动力电池电源经过一级DC-DC变换器后降压为12V为机载计算机供电。12V电源再经LDO降压至5V为飞行控制器供电。动力电池电源经过一级DC-DC变换器后降压为36V为探测设备和干扰设备供电。如图4所示，为本发明实施例提供的一种LDO稳压电路图。

在本发明实施例中，干扰设备的电源输入方案如图5所示：无人飞行器的动力电池在电力输出至电调之前，使用一DC-DC变换器从动力电池降压一36V电源供探测设备和干扰设备使用。DC-DC变换器用于隔绝动力电池电压输出波动，为干扰设备提供稳定的电源。

在本发明实施例中，干扰设备与无人飞行器的控制线路接驳方案如图6所示：无人飞行器的控制信号从飞行控制器输出后，使用高速光电耦合器进行隔离后，输出至电机调速器。光电耦合器用于隔离无刷电机启动和制动所产生的电磁脉冲侵入入机载计算机导致设备损毁。

在本发明实施例中，软件部分包含探测软件、数据库、位姿解算软件、飞行控制软件、干扰设备控制软件。探测软件用于接受探测设备传输回的目标信息并将这些信息进行解析，然后存入数据库。数据库主要用于存储其他软件需要使用的目标信息和设备参数信息。目标数据库存储目标的坐标、通信频段参数信息，设备参数数据库存储本设备本身的探测距离、飞行速度、飞行时间、干扰性能等参数。位姿解算软件用于解算最佳干扰位姿，该软件从目标数据库和设备参数数据库中查询计算所必须的计算数据，通过网格法求解非线性规划不等式最终获得最佳位姿。飞行控制软件从位姿解算软件所提供的最佳位姿数据中提取出最佳干扰坐标信息并传输给飞行控制器，进而控制飞行器的飞行。干扰设备控制软件从位姿解算软件所提供的最佳位姿数据中提取出最佳干扰姿态，并将最佳干扰姿态数据传输给干扰设备，控制干扰设备发射的干扰信号朝向。

具体干扰流程如下所示，每一架无人飞行器都需要干扰至少一个目标，那么首先就需要给无人飞行器分配需要干扰的目标，要同时干扰多个目标就需要满足两个约束条件：(1)目标的频率相近，即极差在2MHz以内；(2).目标的位置相近，即均处于无人机的干扰范围内。

针对电台的频率进行分配，问题可抽象为：有一个任意的数组，和N个长度为2的区间，使得这N个区间能够容纳数组里的数最多。

针对此问题采用递归的方式解决。

Step 1：选出频率相近且数量最多的目标集合；

Step2：根据约束条件来判断所选择的目标集合是否存在坐标满足同时被干扰的条件，此处判定坐标是否存在采用暴力网格法；

Step3：若不存在坐标来满足目标集合同时被干扰的条件，删去目标集合中在位置上离其他目标最远的目标，转至Step 2，直到存在坐标满足条件，进入Step 4；

Step4：输出满足条件的坐标点和频带，从全部目标中删去在以上步骤中被判断满足同时被干扰条件的目标集合，转至Step 1；

上述过程重复N次即完成针对N架无人飞行器的干扰目标分配。

位姿解算流程图如图7所示。程序开始时，软件从数据库载入需要干扰的目标坐标数据以及干扰设备的最大干扰距离和干扰波束最大波束角。获得这些数据后，将这些数据带入空间约束不等式和角度约束不等式，获得一个不等式组。使用空间网格法来求解该不等式组的解集即为所需的最佳位姿数据。空间网格法将空间划分为一个一个的小网格，选取每个网格的中心点作为数据代表来带入不等式组进行验算，遍历空间中所有的小网格之后，所有符合能够让不等式组成立的小网格即为该不等式组的近似解集。如果该解集为空集的话，舍弃一个或多个目标信息，再行求解，直到解集不为空集为止。如果解集不为空集的话，就可以将解集作为最佳位姿输出到相应的控制软件作为控制目标。程序结束。

其中，约束不等式主要对空间距离和角度进行约束，空间距离约束要求各干扰目标和干扰设备的距离要在有效干扰距离内，角度约束要求干扰设备和任意两个干扰目标之前的夹角要小于干扰电磁波的最大波束角。

其中，空间距离约束不等式如下所示：

(x

上述不等式中，干扰设备坐标为(x

因此对于所有干扰目标的约束不等式组为：

上述不等式中，G(x,y)表示坐标(x,y)处的地面海拔。

干扰设备(即干扰源)与干扰目标之间的距离需小于的一个阈值R。R的计算公式如下所示，干扰目标的频点分布在30MHz～80MHz之间。为达成干扰的条件，无人飞行器与干扰目标之间需满足以下条件：

P

P

G

d

P

G

d

R取d

R＝max(d

角度约束不等式如下所示：

假设干扰设备坐标为(x

最终的约束不等式如下所示，其中∠F表示干扰设备干扰电磁波的最大波束角：

通过上述约束不等式可以进行角度约束的解算，但是考虑到上述不等式一共有

X＝x

Y＝y

Z＝z

L＝(E(X)，E(Y)，E(Z)) (10)

近似约束不等式则化为下面形式：

不难发现，若公式(11)成立时，公式(6)一定成立。

需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。