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    基于分布式技术的微波中继通信的干扰方法研究

    2006-02-25 深圳市研祥智能科技股份有限公司evoc

    摘要:本文讨论了利用分布式技术干扰微波中继通信的方法,阐述了分布式干扰的特点,分析了对于给定参数的通信线路,可以计算出干扰资源的要求和配置,结果表明该方法有着广泛的应用前景。 
    关键词:分布式  干扰  微波中继通信
    Abstract:The paper discusses the method of microwave relay communication jamming by distributed technique, introduces the characteristics of distributed jamming, analyses for the definite communication lines, we can deduces the needed jamming resources, the result indicates that the method has abroad application prospect. 
    Key words:distributed  jamming  microwave relay communication
     
     
    1.       引言
           微波通信是利用频率在300MHz到300GHz范围内的电磁波作为射频载波的通信方式。是现代通信传输的重要手段之一。它在微波中继通信、移动通信、广播电视通信、卫星通信等一系列领域得到了广泛的发展。现今,微波中继通信已经成为各国干线的主要通信手段。
           在民用方面,作为日本全国50%的长途电话和几乎100%的电视节目都采用微波中继系统,这其中20%的长途传输系统采用数字微波。美国长途电信70%采用微波中继系统,光是AT&T公司的6GHz微波站在全国就有3000多个。在欧洲,微波中继系统占全部电信业务的20——50%,而数字微波则占其中的20%。
           在军用方面,美国非常重视微波中继通信在军事上的应用与发展,美国国防通信系统中目前约有700多条微波中继线路。在美国本土、西欧及太平洋地区的宽带通信网中,微波中继线路也是美国通信的主要手段。军用微波通信占美国整个国防通信的54%。美国的微波中继通信普遍采用了保密通信技术,例如跳频、扩频、猝发通信、毫米波通信等防探测和防截获技术、数字保密通信防破译技术和计算机保密通信技术等。美军在通信网中广泛采用了微波中继通信设备.
           可以说,研究对微波中继通信线路实施有效干扰,是具有很重要的现实意义的。
     
    2.       分布式干扰技术
           分布式干扰是在无人机机载和气球载干扰机等形式上发展起来的电子对抗设备,通常是为了掩护特定区域的目标或在某一地区内制造假的进攻态势,将众多体积小、质量轻、价格便宜的小型干扰源散布在接近被干扰目标的空域、地域上,自动地或受控地对选定的军事电子设备进行干扰。其重量通常为千克量级,体积为拳头大小。分布式干扰既可用来自卫,也可用来建立掩护干扰以保护群目标。
    2.1    可行性分析
    (1)技术条件已经成熟。微波集成电路、高速数字电路及专用集成电路的迅速发展和计算机辅助设计 (CAD)的广泛应用,使得微波、毫米波段固态器件的功率/带宽能力大大改善,而且GaAs单片集成、制造技术的发展也使得目前能以较好的效费比生产这些器件。因此,我们可以利用这些技术来研制分布式干扰机。
    (2)抗干扰技术的发展对分布式干扰的需求:1预警机以其超低旁瓣、旁瓣匿影、旁瓣对消技术大大抑制了主要靠旁瓣起作用的远距离支援干扰,空间选择性抗干扰措施的实施,使大功率集中式干扰机的效能大大降低,空间选择性抗干扰所采取的超低副瓣天线、副瓣对消、波瓣自适应零点控制等干扰措施使副瓣干扰异常困难,应用少量干扰机已难以掩护大区域内的作战目标,只有使用众多的主瓣干扰机,才易掩护大区域内的作战目标;2新型雷达和通信台的组网使用,加强了信息的互连互通和抗毁性,使传统的“一对一”点源干扰失效,常规的集中式干扰面临巨大的挑战,必须发展“面对面”的干扰。分布式干扰是实现“面对面”干扰比较经济、现实的途径。
    (3)分布式干扰的优势。1造价低、效费比高。造价是分布式干扰机的基本指标,研制大型的电子干扰系统虽然很必要,但是其造价昂贵、生产周期长、技术难度大。相比之下,分布式干扰机则小巧灵活、成本低,比较经济现实,现代微波集成电路和高能电池的发展为研制一次性使用干扰机提供了技术基础,亦可进行批量生产,有利于进一步降低生产成本;2可重复利用。分布式干扰机在平时训练时,可回收、多次重复使用,其平台可根据使用要求选择,如降落伞、气球、遥控飞行器或其它合适的载体;3解决传统的干扰效果不佳的问题。由于现代雷达常采用相控阵体制,雷达组网技术和空间选择抗干扰方法,使大功率集中式干扰机的效能大大降低。像“爱国者”、“C 300”等现代探测跟踪雷达,主瓣增益高,副瓣电平低,加上采用旁瓣对消技术(对消比大于20dB),使进入副瓣的干扰大大减弱。组网技术应用通信链路将多个设备连接起来,信息共享,使传统的点源干扰失效。通过把小型干扰机按一定的方式分布在需要的空域,可实施主瓣干扰和多方向干扰,能挫败敌方的低副瓣天线技术、副瓣对消技术、波瓣自适应调零等抗干扰措施以及雷达组网技术。当干扰机距敌雷达距离减小10倍,则干扰强度增加100倍。若干扰源分布较密,可对雷达实施主瓣干扰或高副瓣区干扰,使干扰效果提高40~60dB。
    2.2    分布式干扰的特点
           分布式干扰具有使用灵活、干扰效果好、可对付多种雷达等特点,从其设备的研制生产来说,讲究费效比、军事科技支撑、难度较大,存在工作的稳定性、隔离度和增益等问题。(1)小型化。分布式干扰的一个关键技术是要求干扰机小型化,即尺寸小、质量轻,这样才能在作战时灵活使用。在干扰机较小的空间内能同时装下发射机、接收机、天线、信号处理等单元,必须充分考虑电磁兼容,采用单片集成、MMIC技术及高性能的电源模块等。
    (2)供电方式。对分布式干扰机,设计师的任务是解决由于设备体积小以及电量有限而引发的严重的问题,而这些问题多半属于弹药设计师而非电子设计师所要解决的,供电方式可采用高性能的电池,甚至可以研制使用太阳能电池或者利用风能发电等。
    (3)敌我识别与保密通信。根据战术使用需要,应当对分布式干扰机提出较高的要求,如能够进行敌我识别、干扰控制与遥控等功能时,必须采用加密通信方式,有效防止敌方对控制指令的干扰,保证定时器可靠启动干扰程序,以及根据专门的程序启动电源等。
    (4)可靠性、一致性和免维护。分布式干扰机用于实战时,必须有极高的可靠性,经受得住发射冲力并在几十秒甚至更长时间的有效寿命内正常工作。为了在作战中大量使用,可进行批量生产,并且一旦由制造商装配好,具有自备电池的干扰源必须有很长的存贮寿命,以后可能不再对它们进行测试和修理了。分布式干扰目前的主要问题是降低成本,确保足够长的安全存储期限并将其功能延伸到MMW波段,另外还有多频率/多方向干扰技术以及分布式干扰机群之间的电磁兼容技术。
     
    3.       干扰资源的要求与配置
    要实现对目标的有效干扰就必须考虑两个重要的因素:干扰功率和干扰信号的样式。没有达到所需要的功率,则对敌方通信的压制和欺骗就无从谈起;即使达到了所需要的干扰功率,如果没有选择到合适的干扰信号样式,或者说所发射的干扰信号容易被通信接收机通过各种方式滤除,或者被减弱到低于所需要的功率,则还是达不到预期的干扰效果。因此,下面就从干扰资源的需求和干扰信号的选择这两个方面加以讨论。
    首先计算干扰资源需求及配置。要强调的一点是,这里所做的假设是为了计算干扰机群的分布与干扰资源需求的一种关系。假设,干扰机群是随机均匀分布的,且分布于高为50m,直径为100m的圆柱内(实际情况当然不可能绝对在这样一个圆柱以内,但是在概率上出了这个范围的很少),工作频率为1GHz,通信发射功率为35dBm,通信双方距离为50km,通信接收和发射天线主瓣宽度为1度,主瓣增益为40dB,第一副瓣增益为10dB,干扰机的天线为全向天线,设干扰总资源Pj定义为所有干扰机在接收天线处的合成干扰功率。因为接收天线的主瓣在空间上看是一个圆锥,如果干扰机群距离太近则必然有一批干扰机进入不了主瓣,如果干扰机群距离太远则相对于通信发射端来说就没有或减少了距离上的优势,因此,随着干扰机群距离接收天线的距离不断增大,进入接收天线主瓣的比例也相应增大,但是,传输损耗也不断增大,下面就分析一下怎样才能取得一个相对最佳的距离。
    在这里不考虑地面效应、平衰落和频率选择性衰落对通信信号和干扰信号的影响,这是因为在这些效应和衰落中,距离对它们不产生影响或产生的影响较小。
    自由空间传输损耗的公式:Ls=92.4+20lgf(GHz)+20lgd(km)dB;
    大气吸收衰减:对于12GHz以下的频率,大气吸收衰减小于0.015dB/km,即使对于通信信号的50km传播距离下总衰减也小于0.75dB,和自由空间传输损耗相比,可以忽略不计。
    雨雾衰减:一般来说,在10GHz以下的频段,雨雾的散射衰减并不显得特别严重,通常只有几分贝。而在10GHz以上的频段,中继间隔则主要受到降雨衰减的限制。现有的中继通信的频率大部分都低于10GHz,而且相对于自由空间传输损耗也比较小,因此,为分析简便也不考虑雨雾衰减。
    根据干扰机群被接收天线主瓣所切割的形状的不同分别计算,分成三种情况:
    1.         干扰机群被切割为一个圆台
     图2   干扰机群被切割示意图
           进入接收天线主瓣的部分就是被接收天线主瓣所截取的干扰机群分布的区域,它实际上是一个上底和下底都是曲面的圆台,由于上底往上凸下底也是往上凸,且它们的曲率相对都很小,因此,可以近似认为它们是平面,然后计算它的体积。设干扰机群中心与接收天线之间的距离约为x m,则该圆台高100m,上底直径是(x-50)*tan0.5°m,下底直径是(x+50)* tan0.5°m,所截取的圆台体积可以用大圆锥的体积减去小圆锥的体积,即:

    通信信号的传输损耗为Ls = 92.4+0+20lg50 dB = 126.38dB,则其通信信号的等效辐射功率EIRP = 35+40+40-126.38 dBm = -11.38dBm。一般来说,当干扰功率高于信号功率的6dB以上就可以称为有效干扰。所以,干扰信号的传输损耗为Lj = 92.4+0+20lg(x/1000) dB = 92.4dB,假设未进入主瓣的干扰机都进入了第一副瓣,因此根据有效干扰的准则,得到如下的方程:v/392699*(Pj-92.4+20lg(x/1000)+40) +(1-v/392699)*(Pj-92.4++10)= -11.38+6,解得  Pj = 74.8-0.000001827x2+20lg(x/1000) dBm。
    在这一段距离以内,在接收天线附近所需要的干扰功率从零附近急剧上升,达到一个顶峰之后就下降,因此,在这一段距离以内,可以将干扰机群布置于接收天线的附近,但不能距离太远。
     
    2.         干扰机群被切割成一个不规则形状
    分布区域的左右面被圆锥切成圆弧状,为了计算方便,将左右侧面当作平面计算,设干扰机群中心与接收天线之间的距离约为x m,可以算出该图形的面积是 平方米。
    干扰信号的传输损耗为:
    Lj=92.4+0+20lg(x/1000) dB,v*(Pj-101.65+40)/392699+(1-v/ 392699)*(Pj-101.65+10) =-11.38+6,解得:
    Pj=47.02+3000/392699(2500arccos(xsin0.5/50)-xsin0.5sqrt(2500-(xsin0.5)^2))+20lg(x/1000) dBm。
           在这一段距离以内,随着距离的增大所需要的干扰继续减小,在到达五千米到六千米之间达到最小,然后继续攀升。因此,在干扰机群的布置上,要尽量使其布置于这个最小点附近。
    3.         干扰机群配置于能使其全部包含于接收天线主瓣内
     图3   干扰机群被切割示意图
     
           设这时设干扰机群中心与接收天线之间的距离为x m。干扰信号的传输损耗为Lj=92.4+0+20lg(x/1000)dB,则Pj-(92.4+0+20lg(x/1000))=-11.38+6,解得 Pj =47.02 +20lg(x/1000) dBm。
    综上所述,干扰机群与接收天线之间的距离与干扰资源Pj之间的关系如图所示。由图可以看出,距离接收天线200m以内时,需要的干扰资源是很少的,但是其具有很大的不稳定性,当干扰机群位置稍有移动时,所需要的干扰资源就会很大(往远离接收天线的方向飘移),或者无法干扰(飘移到接收天线的后方)。因此在实际运用中,应尽量将干扰机群配置于距离接收天线5000m至6000m之间,这时所需要的干扰资源最少。
    4.       结束语
           分布式干扰具有自身的优势,是对付雷达、通信等空间选择性抗干扰措施的有效手段,将在未来电子对抗中起到重要作用。对广大的电子对抗工作者来说,研制适应未来信息化战场和提高部队整体作战能力的兵器非常重要。本文介绍了利用分布式干扰的方法干扰微波中继通信,并就干扰资源的要求与配置加以讨论,得到一些初步的结论。但是其中还有很多实际问题需要解决,比如分布式干扰机的实现问题,装载平台的选择问题等,需要进一步的研究和探索。
    参考文献:
    【1】       侯印鸣等. 综合电子战—现代战争的杀手锏[M]. 北京:国防工业出版社,2000.
    【2】       田波,张永顺. 发展中的分布式干扰技术. 航天电子对抗,2004.
    【3】       邵国培. 电子对抗作战效能分析. 解放军出版社,1998.
    【4】       杨家成,曹达仲. 微波通信. 西安电子科技大学出版社,1989.
    作者简介:
    范俊(1982——),硕士研究生在读,现就读于电子工程学院装备技术中心,地址:合肥解放军电子工程学院装备技术中心,电话:0581-67426(军),0551-5767426(民)。
    联系方式:  
    =================================  
    公司名称:研祥智能科技股份有限公司  
    联系人:王玉林  
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