多载波的无人机探测与通信技术思考

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摘要：基于正交频率复用技术，提出了无人机（UAV）多载波雷达探测与正交频率复用高速通信联合设计方法。设计了探测与通信功能模块，阐述了发射和接收状态的工作方式，给出了同时极化频率捷变探测波形设计。性能仿真结果验证了多载波探测与同时极化和频率捷变技术联合设计的可行性，综合宽带探测、同时极化、频率捷变、多载波通信、自适应通信等，在实现快速高精度探测和高速通信双任务的同时，能满足无人机的系统多功能整合、小型化、低功耗、低成本的需求。

关键词：无人机；雷达探测；高速通信；正交频率复用；协同作战

0引言

UAV在阿富汗战场的成功促进了无人机的发展和应用。美国空军PredatorProgram项目给出了无人机在典型战场环境中的任务和功能，包括侦察、监视、目标截获、信息传输等。实际军事应用中，无人机的功能还可有电子战、战斗评估、通信中继、指挥控制、协同作战等［1］。基于无人机的自身和功能特点，可发现：其体积和承载的设备有限，需要装载的设备尽可能地整合功能，体积小、处理速度快，功耗低；因是在高杂波环境中对低速目标进行探测和跟踪，脉冲多普勒体制不一定适用，需应用宽带体制，从时域实现杂波抑制和目标识别，但频率脉冲步进等宽带体制处理要求长时间的脉冲积累才能达到大带宽，实现距离高分辨，故必须采用新的宽带雷达探测波形；由于存在大量的图像等战场环境和态势信息，需要实现高速信息传输和通信，同时还要考虑多路径、杂波等恶劣信道的影响；需要多点通信，实现指令传输和协同作战。针对无人机使用环境、自身特点和功能需求，可通过探测与通信联合设计以降低系统体积、功耗与成本，其中正交频率复用（OFDM）技术成为了研究热点。文献［2］提出将OFDM通信技术用于MIMO雷达，并加入了频率捷变技术以实现频谱共用，但仅给出了将MIMO雷达系统与OFDM结合的大体模型；文献［3］研究了将OFDM通信技术用于雷达网络的可行性，但并不全面；文献［4］提出将OFDM通信与MCPC雷达技术结合用于组建双用的成像雷达和通信系统，但只给出了基于OFDM技术的一般雷达成像结果；文献［5］研究了将LFM信号实现多功能探测通信系统，但由于LFM雷达信号会引起距离多普勒耦合，并非探测系统的首选，在通信领域LFM调制方式也并非通信的理想方案。在国内，多所高校对无线探测网络技术进行了研究，但多以通信协议、定位算法研究为主，未见探测通信体系创新的报导［6－12］。探测与通信系统的联合设计需综合考虑探测和通信两个方面。对探测，探测波形设计决定了探测的精度，以及可否兼容宽带探测、极化等技术满足复杂工作环境的需求；对通信，在满足探测需求的同时，需满足复杂环境中高速通信的要求。两种应用需求的无缝连接是联合设计中的要点。为此，本文基于正交频率复用技术，以多载波相位调制（MCPC）雷达探测信号为依据，对雷达探测与通信联合设计和雷达探测波形设计进行了研究。

1雷达探测与通信联合设计

1．1功能模块组成

无人机功能包括自身定位、环境监测、目标探测和高速通信等。无人机探测与通信联合设计有GPS功能、传感器组、用户交互接口和中央控制器、发射机、信号处理单元、接收机、收发开关，以及正交极化天线8个功能模块，其组成如图1所示。具体如下。a）GPS模块用于无人机获取自身位置信息。b）传感器组为无人机的扩展功能，可涉及摄像机或红外成像传感器。c）交互接口和中央控制器为无人机用户接口，完成相关工作参数设置等，如设定MCPC雷达采用的波形、极化类型、频率捷变的类型与参数，数据通信的调制方式等。d）发射机模块包括GPS信号处理、传感器组数据处理、MCPC雷达信号发生器、交互数据及指令单元、数据打包成帧与自适应调制、极化分路和调制器组7个功能部分。其中：GPS信号处理部分处理由GPS功能模块获得的卫星信号，实现无人机自我定位；传感器组数据处理部分处理由传感器组测得的信号，送发射机打包成数据帧传送；MCPC雷达信号发生器根据用户交互接口和中央控制器设定的MCPC雷达信号参数、极化类型、频率捷变类型等产生同时极化频率捷变MCPC雷达探测信号；交互数据及指令单元对交互接口需要发射的信息或指令进行编码和压缩等处理，用于发射；数据打包成帧与自适应调制部分按帧结构打包输入数据，并由中央控制器采取正交频率复用的方式进行调制，自适应控制调制阶数以备传输之用；极化分路部分将数据打包成帧与自适应调制模块的输出信号分成两路并根据用户交互接口和中央控制器设定的极化类型确定信号间的相位差；调制器组将极化分路模块产生的两路信号直接调制至射频，并传输至开关控制器用于正交极化天线发射［13］。在中央控制器控制下，数据打包成帧与自适应调制部分将GPS信号处理模块的处理结果、传感器组数据处理模块的处理结果、MCPC雷达信号发生器产生的MCPC雷达波形，连同交互数据及指令打包成数据帧结构，并采取自适应调制方式调制，调制结果将根据极化类型，由极化分路部分分成两路，两路信号再由两组调制器直接调制至射频经收发开关传输至正交极化天线发射。e）信号处理单元包括MCPC雷达信号处理、交互数据处理、定位和导航处理、系统工作性能和干扰分析处理、数据库共5部分。其中：MCPC雷达信号处理模块可完成MCPC雷达探测器目标探测，获得目标的距离、速度等信息，同时对通信目的MCPC雷达信号处理模块又能起到时间和频率同步作用，并可实现信道估计，提高通信质量；交互数据处理模块用于对接收机接收到的信息或指令进行解码和解压缩等处理，并转换格式便于用户交互接口识别；定位和导航处理模块在GPS卫星信号较好时，由GPS信息处理模块所得的自身位置信息，结合数据库系统保存的电子地图，根据用户需求选择最优路径并实时导航，在GPS卫星信号较差时，GPS信息处理模块无法实现基站自我定位，则以协同作战模式，由其它无人机得到的信息结合MCPC雷达探测数据确定自身方位，完成导航等功能；系统工作性能和干扰分析处理模块结合极化判别模块分析干扰信号类型、干扰与信号的能量比，以此作为MCPC雷达探测器参数设置和OFDM通信系统信号自适应调制方式设定的依据；数据库用于存储网络中所有无人机的方位和通信记录，探测到目标的距离、速度信息，电子地图等以备查阅使用。f）接收机模块主要由极化判别模块和解调器组组成。极化判别模块用于判断接收信号极化类型，或在给定的极化类型状态下接收信号。解调器用于将正交极化天线经开关控制器的信号直接由射频变为中频，出于小型化的目的，可采用零中频结构。g）收发开关用于系统在发射状态下将天线与发射机连接而隔离接收机，反之在接收状态下将天线与接收机连接而隔离发射机。h）正交极化天线用于发射或接收两路正交极化信号。

1．2基本工作方式

无人机探测与通信联合设计系统交替工作于发射和接收状态。

1．2．1发射状态

发射机将通信对象ID码、自身ID码，经编码和压缩处理的通信信息、传感器组数据处理结果、MCPC雷达信号波形、MCPC雷达探测结果，以及基站自身的方位信息通过数据打包成帧与自适应调制模块打包成帧并实现调制。在获得基站自身方位的过程中，需根据接收到的GPS卫星信号质量决定定位方案。当GPS卫星信号接收良好时，GPS功能模块和GPS信号处理单元实现自我定位；当GPS卫星信号接收不佳时，需等待接收机状态实现定位。发射信号打包成帧后的帧结构如图2所示（其中循环前缀CP未在帧结构中显示）。每个数据帧由ID码1、2，自定位信息，目标信息和交互数据组成。

其中：ID码1、2分别标志信号的反射方和接收方，系统采用余码序列作为ID码，在作为身份标志的同时，可用作MCPC雷达波形和OFDM通信系统的引导码，既用于目标探测，又用于通信系统的帧同步和信道估计；定位信息部分用于存储基站自身的位置信息和信号发射时间；目标信息用于存储MCPC雷达探测器探测到的距离和速度等目标信息；交互信息用于传输探测器组探测到的相关信息。完成数据打包和调制后，根据用户设定的极化类型极化分路模块将信号分成具特定相位差的两路，送至调制器模块调制至射频。调制模块调制过程中，根据用户设定的频率捷变参数实时调整调制频率，实现发射信号捷变频。由调制器输出的射频信号经收发开关传输至正交极化天线发射。

1．2．2接收状态

接收机根据接收信号的ID码1部分区别接收的信号来自其它无人机或自身MCPC雷达探测器的目标回波信号。根据其它基站发射的信号信息，结合MCPC雷达探测器的回波信号，无人机可确定目标信息。在GPS信号较差时，可通过获得的其它基站的方位信息和算得的与其它基站的相对距离实现定位。此外接收机还需分析系统工作性能和外界抗干扰类型用于系统在发射机状态下自适应修改发射信号极化类型、频率捷变类型、调制方式。

1．3同时极化频率捷变探测波形设计

因MCPC雷达探测与4G通信均基于正交频率复用（OFDM）原理，故系统硬件构成、波形生成、软件实现等可实现高度统一，达到系统整合，在实现通信和探测双任务的同时，能满足无人机追求的系统小型化、低功耗、低成本的需求，应用方式也可在单机与协同两种模式间自由切换。与此同时，仅就通信而言，OFDM技术在实现高速率通信（百兆以上）的同时，具有对抗杂波、多路径效应的特点，若结合自适应通信技术，通过判断通信信道特征，实时改变信号调制方式，可很好地满足无人机的使用需求［13］。因低速目标多普勒频率靠近杂波区，用传统脉冲多普勒方式难以实现目标搜索和跟踪，且探测距离精度不高，故需利用宽带雷达信号实现杂波背景中目标的搜索、检测、识别和跟踪，并在特定需求下完成目标和环境成像。传统宽带雷达探测信号有线性调频、脉冲线性调频、脉冲频率步进等，线性调频很难解决收发隔离问题而多采用脉冲线性调频，脉冲线性调频和脉冲频率步进均需多个脉冲累计达到大带宽，实现高分辨，耗时长。此外，线性调频信号模糊函数呈斜刀刃型，脉冲线性调频存在多普勒和距离耦合影响跟踪精度的缺点，同时上述传统宽带雷达信号均不能与通信较好地结合。MCPC雷达信号结构如图3所示［14－15］。N!M的MCPC雷达脉冲信号由N×M的补码矩阵同时调制N个相位周期为Mtb的载波生成（此处：tb为单个调制相位周期），载波间隔Δf为1／tb，载波间满足正交关系。MCPC雷达信号可利用补码序列矩阵同时调制多个满足正交关系的载波生成。对一个由序列长度为M的N个载波生成的MCPC雷达脉冲信号，其距离分辨率为tb／N，多普勒分辨率为1／（Mtb），脉冲压缩比可达NM。MCPC雷达信号可通过设置载波数、载波间隔和码元宽度的方式实现高分辨率，且模糊函数呈图钉型，避免了距离－多普勒耦合，可用数字集成电路通过逆傅里叶变换（IFFT）产生，具控制简单和生成便利等优点。由图3可知：MCPC雷达信号单次发射信号的频率宽度就可达到NΔf，无需长时间脉冲积累即可实现距离高分辨。当距离分辨率要求较高时，可结合频率捷变技术扩大频率带宽。MCPC雷达信号线性频率捷变如图4所示。引入同时极化，结合多载波相位编码、捷变频宽带、目标微动特性，用于实现在强海、地杂波条件下低速目标的识别和跟踪。频率捷变技术可从极化域、时域和频域三个层面增加系统抗干扰能力。

2系统性能仿真

2．1同时极化性能

本文的探测波形设计兼容同时极化技术，可用于干扰、杂波等复杂环境中的探测，能同时发射多个极化信号，再利用信号间的独立性（I）分离信号以同时获得目标各种极化的信息。因此，信号间的独立性是实现此技术的关键，而传统编码方式很难使信号的信号峰值旁瓣比（PSL）和信号间的独立性同时达到较高的性能指标。文献［17］的两个基于P3序列MCPC雷达脉冲信号的归一化自相关函数和归一化互相关函数如图5所示。由图可知：两信号均由连续的8个间隔为32tb的8×8的MCPC脉冲组成，两个MCPC信号的PSL均优于28dB，I优于23dB。欲实现相同的PSL和I，用传统的m序列调制需要的码长达511位［16］。

2．2频率捷变性能仿真和实测数据

文献［17］给出的对应MCPC雷达信号引入频率捷变前后和波形优化后的自相关函数如图6所示。由图可知：采用频率捷变后，MCPC信号的自相关函数主瓣宽度由0．125tb减小至0．0156tb。经子载波加权波形优化后，第一个脉冲单位时间tb内自相关函数旁瓣归一化最大值降至－25dB以下，同时由于子载波权重的调制作用，主瓣宽度略展宽至0．02734tb。实测频率捷变MCPC雷达信号如图7所示。

3结束语

本文对基于多载波的无人机探测与高速通信联合设计进行了研究。基于正交频率复用技术，综合同时极化、自适应通信等技术，在同时满足快速高精度探测和高速通信的同时，可实现无人机的系统多功能整合、小型化、低功耗、低成本。

参考文献

［1］陈迅．无线传感器网络通信协议及定位算法研究［D］．上海：复旦大学，2007．

［2］冯缜．基于区域的无线传感器网络定位算法研究［D］．武汉：华中科技大学，2007．

［3］王伟东．移动传感器网络定位技术研究［D］．成都：电子科技大学，2003．

［4］钱宇．无线传感器网络的传感器定位及其在军事上的应用［D］．杭州：浙江大学，2006．

［5］李莹莹．基于移动传感器网络的分布式节能目标跟踪研究［D］．长沙：国防科学技术大学，2008．

［6］李新．无线传感器网络中节点定位算法的研究［D］．合肥：中国科学技术大学，2008．

［7］王永龙．基于无线传感器网络的目标探测技术研究［D］．太原：中北大学，2008

作者：肖志斌 顾村锋 高帆 王学成 单位：中国人民解放军海军驻上海地区航天系统代表室 上海机电工程研究所