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    基于分布式技術的微波中繼通信的干擾方法研究

    2006-02-25 深圳市研祥智能科技股份有限公司evoc

    摘要:本文討論了利用分布式技術干擾微波中繼通信的方法,闡述了分布式干擾的特點,分析了對于給定參數的通信線路,可以計算出干擾資源的要求和配置,結果表明該方法有著廣泛的應用前景。 
    關鍵詞:分布式  干擾  微波中繼通信
    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
           微波通信是利用頻率在300MHz到300GHz范圍內的電磁波作為射頻載波的通信方式。是現代通信傳輸的重要手段之一。它在微波中繼通信、移動通信、廣播電視通信、衛星通信等一系列領域得到了廣泛的發展。現今,微波中繼通信已經成為各國干線的主要通信手段。
           在民用方面,作為日本全國50%的長途電話和幾乎100%的電視節目都采用微波中繼系統,這其中20%的長途傳輸系統采用數字微波。美國長途電信70%采用微波中繼系統,光是AT&T公司的6GHz微波站在全國就有3000多個。在歐洲,微波中繼系統占全部電信業務的20——50%,而數字微波則占其中的20%。
           在軍用方面,美國非常重視微波中繼通信在軍事上的應用與發展,美國國防通信系統中目前約有700多條微波中繼線路。在美國本土、西歐及太平洋地區的寬帶通信網中,微波中繼線路也是美國通信的主要手段。軍用微波通信占美國整個國防通信的54%。美國的微波中繼通信普遍采用了保密通信技術,例如跳頻、擴頻、猝發通信、毫米波通信等防探測和防截獲技術、數字保密通信防破譯技術和計算機保密通信技術等。美軍在通信網中廣泛采用了微波中繼通信設備.
           可以說,研究對微波中繼通信線路實施有效干擾,是具有很重要的現實意義的。
     
    2.       分布式干擾技術
           分布式干擾是在無人機機載和氣球載干擾機等形式上發展起來的電子對抗設備,通常是為了掩護特定區域的目標或在某一地區內制造假的進攻態勢,將眾多體積小、質量輕、價格便宜的小型干擾源散布在接近被干擾目標的空域、地域上,自動地或受控地對選定的軍事電子設備進行干擾。其重量通常為千克量級,體積為拳頭大小。分布式干擾既可用來自衛,也可用來建立掩護干擾以保護群目標。
    2.1    可行性分析
    (1)技術條件已經成熟。微波集成電路、高速數字電路及專用集成電路的迅速發展和計算機輔助設計 (CAD)的廣泛應用,使得微波、毫米波段固態器件的功率/帶寬能力大大改善,而且GaAs單片集成、制造技術的發展也使得目前能以較好的效費比生產這些器件。因此,我們可以利用這些技術來研制分布式干擾機。
    (2)抗干擾技術的發展對分布式干擾的需求:1預警機以其超低旁瓣、旁瓣匿影、旁瓣對消技術大大抑制了主要靠旁瓣起作用的遠距離支援干擾,空間選擇性抗干擾措施的實施,使大功率集中式干擾機的效能大大降低,空間選擇性抗干擾所采取的超低副瓣天線、副瓣對消、波瓣自適應零點控制等干擾措施使副瓣干擾異常困難,應用少量干擾機已難以掩護大區域內的作戰目標,只有使用眾多的主瓣干擾機,才易掩護大區域內的作戰目標;2新型雷達和通信臺的組網使用,加強了信息的互連互通和抗毀性,使傳統的“一對一”點源干擾失效,常規的集中式干擾面臨巨大的挑戰,必須發展“面對面”的干擾。分布式干擾是實現“面對面”干擾比較經濟、現實的途徑。
    (3)分布式干擾的優勢。1造價低、效費比高。造價是分布式干擾機的基本指標,研制大型的電子干擾系統雖然很必要,但是其造價昂貴、生產周期長、技術難度大。相比之下,分布式干擾機則小巧靈活、成本低,比較經濟現實,現代微波集成電路和高能電池的發展為研制一次性使用干擾機提供了技術基礎,亦可進行批量生產,有利于進一步降低生產成本;2可重復利用。分布式干擾機在平時訓練時,可回收、多次重復使用,其平臺可根據使用要求選擇,如降落傘、氣球、遙控飛行器或其它合適的載體;3解決傳統的干擾效果不佳的問題。由于現代雷達常采用相控陣體制,雷達組網技術和空間選擇抗干擾方法,使大功率集中式干擾機的效能大大降低。像“愛國者”、“C 300”等現代探測跟蹤雷達,主瓣增益高,副瓣電平低,加上采用旁瓣對消技術(對消比大于20dB),使進入副瓣的干擾大大減弱。組網技術應用通信鏈路將多個設備連接起來,信息共享,使傳統的點源干擾失效。通過把小型干擾機按一定的方式分布在需要的空域,可實施主瓣干擾和多方向干擾,能挫敗敵方的低副瓣天線技術、副瓣對消技術、波瓣自適應調零等抗干擾措施以及雷達組網技術。當干擾機距敵雷達距離減小10倍,則干擾強度增加100倍。若干擾源分布較密,可對雷達實施主瓣干擾或高副瓣區干擾,使干擾效果提高40~60dB。
    2.2    分布式干擾的特點
           分布式干擾具有使用靈活、干擾效果好、可對付多種雷達等特點,從其設備的研制生產來說,講究費效比、軍事科技支撐、難度較大,存在工作的穩定性、隔離度和增益等問題。(1)小型化。分布式干擾的一個關鍵技術是要求干擾機小型化,即尺寸小、質量輕,這樣才能在作戰時靈活使用。在干擾機較小的空間內能同時裝下發射機、接收機、天線、信號處理等單元,必須充分考慮電磁兼容,采用單片集成、MMIC技術及高性能的電源模塊等。
    (2)供電方式。對分布式干擾機,設計師的任務是解決由于設備體積小以及電量有限而引發的嚴重的問題,而這些問題多半屬于彈藥設計師而非電子設計師所要解決的,供電方式可采用高性能的電池,甚至可以研制使用太陽能電池或者利用風能發電等。
    (3)敵我識別與保密通信。根據戰術使用需要,應當對分布式干擾機提出較高的要求,如能夠進行敵我識別、干擾控制與遙控等功能時,必須采用加密通信方式,有效防止敵方對控制指令的干擾,保證定時器可靠啟動干擾程序,以及根據專門的程序啟動電源等。
    (4)可靠性、一致性和免維護。分布式干擾機用于實戰時,必須有極高的可靠性,經受得住發射沖力并在幾十秒甚至更長時間的有效壽命內正常工作。為了在作戰中大量使用,可進行批量生產,并且一旦由制造商裝配好,具有自備電池的干擾源必須有很長的存貯壽命,以后可能不再對它們進行測試和修理了。分布式干擾目前的主要問題是降低成本,確保足夠長的安全存儲期限并將其功能延伸到MMW波段,另外還有多頻率/多方向干擾技術以及分布式干擾機群之間的電磁兼容技術。
     
    3.       干擾資源的要求與配置
    要實現對目標的有效干擾就必須考慮兩個重要的因素:干擾功率和干擾信號的樣式。沒有達到所需要的功率,則對敵方通信的壓制和欺騙就無從談起;即使達到了所需要的干擾功率,如果沒有選擇到合適的干擾信號樣式,或者說所發射的干擾信號容易被通信接收機通過各種方式濾除,或者被減弱到低于所需要的功率,則還是達不到預期的干擾效果。因此,下面就從干擾資源的需求和干擾信號的選擇這兩個方面加以討論。
    首先計算干擾資源需求及配置。要強調的一點是,這里所做的假設是為了計算干擾機群的分布與干擾資源需求的一種關系。假設,干擾機群是隨機均勻分布的,且分布于高為50m,直徑為100m的圓柱內(實際情況當然不可能絕對在這樣一個圓柱以內,但是在概率上出了這個范圍的很少),工作頻率為1GHz,通信發射功率為35dBm,通信雙方距離為50km,通信接收和發射天線主瓣寬度為1度,主瓣增益為40dB,第一副瓣增益為10dB,干擾機的天線為全向天線,設干擾總資源Pj定義為所有干擾機在接收天線處的合成干擾功率。因為接收天線的主瓣在空間上看是一個圓錐,如果干擾機群距離太近則必然有一批干擾機進入不了主瓣,如果干擾機群距離太遠則相對于通信發射端來說就沒有或減少了距離上的優勢,因此,隨著干擾機群距離接收天線的距離不斷增大,進入接收天線主瓣的比例也相應增大,但是,傳輸損耗也不斷增大,下面就分析一下怎樣才能取得一個相對最佳的距離。
    在這里不考慮地面效應、平衰落和頻率選擇性衰落對通信信號和干擾信號的影響,這是因為在這些效應和衰落中,距離對它們不產生影響或產生的影響較小。
    自由空間傳輸損耗的公式:Ls=92.4+20lgf(GHz)+20lgd(km)dB;
    大氣吸收衰減:對于12GHz以下的頻率,大氣吸收衰減小于0.015dB/km,即使對于通信信號的50km傳播距離下總衰減也小于0.75dB,和自由空間傳輸損耗相比,可以忽略不計。
    雨霧衰減:一般來說,在10GHz以下的頻段,雨霧的散射衰減并不顯得特別嚴重,通常只有幾分貝。而在10GHz以上的頻段,中繼間隔則主要受到降雨衰減的限制。現有的中繼通信的頻率大部分都低于10GHz,而且相對于自由空間傳輸損耗也比較小,因此,為分析簡便也不考慮雨霧衰減。
    根據干擾機群被接收天線主瓣所切割的形狀的不同分別計算,分成三種情況:
    1.         干擾機群被切割為一個圓臺
     圖2   干擾機群被切割示意圖
           進入接收天線主瓣的部分就是被接收天線主瓣所截取的干擾機群分布的區域,它實際上是一個上底和下底都是曲面的圓臺,由于上底往上凸下底也是往上凸,且它們的曲率相對都很小,因此,可以近似認為它們是平面,然后計算它的體積。設干擾機群中心與接收天線之間的距離約為x m,則該圓臺高100m,上底直徑是(x-50)*tan0.5°m,下底直徑是(x+50)* tan0.5°m,所截取的圓臺體積可以用大圓錐的體積減去小圓錐的體積,即:

    通信信號的傳輸損耗為Ls = 92.4+0+20lg50 dB = 126.38dB,則其通信信號的等效輻射功率EIRP = 35+40+40-126.38 dBm = -11.38dBm。一般來說,當干擾功率高于信號功率的6dB以上就可以稱為有效干擾。所以,干擾信號的傳輸損耗為Lj = 92.4+0+20lg(x/1000) dB = 92.4dB,假設未進入主瓣的干擾機都進入了第一副瓣,因此根據有效干擾的準則,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。
    在這一段距離以內,在接收天線附近所需要的干擾功率從零附近急劇上升,達到一個頂峰之后就下降,因此,在這一段距離以內,可以將干擾機群布置于接收天線的附近,但不能距離太遠。
     
    2.         干擾機群被切割成一個不規則形狀
    分布區域的左右面被圓錐切成圓弧狀,為了計算方便,將左右側面當作平面計算,設干擾機群中心與接收天線之間的距離約為x m,可以算出該圖形的面積是 平方米。
    干擾信號的傳輸損耗為:
    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。
           在這一段距離以內,隨著距離的增大所需要的干擾繼續減小,在到達五千米到六千米之間達到最小,然后繼續攀升。因此,在干擾機群的布置上,要盡量使其布置于這個最小點附近。
    3.         干擾機群配置于能使其全部包含于接收天線主瓣內
     圖3   干擾機群被切割示意圖
     
           設這時設干擾機群中心與接收天線之間的距離為x m。干擾信號的傳輸損耗為Lj=92.4+0+20lg(x/1000)dB,則Pj-(92.4+0+20lg(x/1000))=-11.38+6,解得 Pj =47.02 +20lg(x/1000) dBm。
    綜上所述,干擾機群與接收天線之間的距離與干擾資源Pj之間的關系如圖所示。由圖可以看出,距離接收天線200m以內時,需要的干擾資源是很少的,但是其具有很大的不穩定性,當干擾機群位置稍有移動時,所需要的干擾資源就會很大(往遠離接收天線的方向飄移),或者無法干擾(飄移到接收天線的后方)。因此在實際運用中,應盡量將干擾機群配置于距離接收天線5000m至6000m之間,這時所需要的干擾資源最少。
    4.       結束語
           分布式干擾具有自身的優勢,是對付雷達、通信等空間選擇性抗干擾措施的有效手段,將在未來電子對抗中起到重要作用。對廣大的電子對抗工作者來說,研制適應未來信息化戰場和提高部隊整體作戰能力的兵器非常重要。本文介紹了利用分布式干擾的方法干擾微波中繼通信,并就干擾資源的要求與配置加以討論,得到一些初步的結論。但是其中還有很多實際問題需要解決,比如分布式干擾機的實現問題,裝載平臺的選擇問題等,需要進一步的研究和探索。
    參考文獻:
    【1】       侯印鳴等. 綜合電子戰—現代戰爭的殺手锏[M]. 北京:國防工業出版社,2000.
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    【3】       邵國培. 電子對抗作戰效能分析. 解放軍出版社,1998.
    【4】       楊家成,曹達仲. 微波通信. 西安電子科技大學出版社,1989.
    作者簡介:
    范俊(1982——),碩士研究生在讀,現就讀于電子工程學院裝備技術中心,地址:合肥解放軍電子工程學院裝備技術中心,電話:0581-67426(軍),0551-5767426(民)。
    聯系方式:  
    =================================  
    公司名稱:研祥智能科技股份有限公司  
    聯系人:王玉林  
    聯系電話:0755-85255652  
    傳真號碼:0755-86255686  
    聯系地址:深圳市南山區高新中四道31號研祥科技大廈  
    郵政編碼:518057  
    電子郵箱:[email protected]  
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    股票代碼:8285(HK)  
    Evoc Technology Building, No.31 Gaoxinzhongsi Road, Nanshan Disctrict, Shenzhen, China   
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