多載波的無人機(jī)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(jī)（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(jì)方法。設(shè)計(jì)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(shí)極化頻率捷變探測波形設(shè)計(jì)。性能仿真結(jié)果驗(yàn)證了多載波探測與同時(shí)極化和頻率捷變技術(shù)聯(lián)合設(shè)計(jì)的可行性，綜合寬帶探測、同時(shí)極化、頻率捷變、多載波通信、自適應(yīng)通信等，在實(shí)現(xiàn)快速高精度探測和高速通信雙任務(wù)的同時(shí)，能滿足無人機(jī)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(jī)；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(jī)的發(fā)展和應(yīng)用。美國空軍PredatorProgram項(xiàng)目給出了無人機(jī)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)?。?shí)際軍事應(yīng)用中，無人機(jī)的功能還可有電子戰(zhàn)、戰(zhàn)斗評(píng)估、通信中繼、指揮控制、協(xié)同作戰(zhàn)等［1］。基于無人機(jī)的自身和功能特點(diǎn)，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(duì)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(shí)域?qū)崿F(xiàn)雜波抑制和目標(biāo)識(shí)別，但頻率脈沖步進(jìn)等寬帶體制處理要求長時(shí)間的脈沖積累才能達(dá)到大帶寬，實(shí)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(shí)現(xiàn)高速信息傳輸和通信，同時(shí)還要考慮多路徑、雜波等惡劣信道的影響；需要多點(diǎn)通信，實(shí)現(xiàn)指令傳輸和協(xié)同作戰(zhàn)。針對(duì)無人機(jī)使用環(huán)境、自身特點(diǎn)和功能需求，可通過探測與通信聯(lián)合設(shè)計(jì)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(diǎn)。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(shí)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(hào)實(shí)現(xiàn)多功能探測通信系統(tǒng)，但由于LFM雷達(dá)信號(hào)會(huì)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(duì)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(bào)導(dǎo)［6－12］。探測與通信系統(tǒng)的聯(lián)合設(shè)計(jì)需綜合考慮探測和通信兩個(gè)方面。對(duì)探測，探測波形設(shè)計(jì)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(duì)通信，在滿足探測需求的同時(shí)，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(jì)中的要點(diǎn)。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(hào)為依據(jù)，對(duì)雷達(dá)探測與通信聯(lián)合設(shè)計(jì)和雷達(dá)探測波形設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。

1雷達(dá)探測與通信聯(lián)合設(shè)計(jì)

1．1功能模塊組成

無人機(jī)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(jī)探測與通信聯(lián)合設(shè)計(jì)有GPS功能、傳感器組、用戶交互接口和中央控制器、發(fā)射機(jī)、信號(hào)處理單元、接收機(jī)、收發(fā)開關(guān)，以及正交極化天線8個(gè)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(jī)獲取自身位置信息。b）傳感器組為無人機(jī)的擴(kuò)展功能，可涉及攝像機(jī)或紅外成像傳感器。c）交互接口和中央控制器為無人機(jī)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(jī)模塊包括GPS信號(hào)處理、傳感器組數(shù)據(jù)處理、MCPC雷達(dá)信號(hào)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(gè)功能部分。其中：GPS信號(hào)處理部分處理由GPS功能模塊獲得的衛(wèi)星信號(hào)，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)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(hào)，送發(fā)射機(jī)打包成數(shù)據(jù)幀傳送；MCPC雷達(dá)信號(hào)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(hào)參數(shù)、極化類型、頻率捷變類型等產(chǎn)生同時(shí)極化頻率捷變MCPC雷達(dá)探測信號(hào)；交互數(shù)據(jù)及指令單元對(duì)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(hào)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(hào)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(hào)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(hào)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(hào)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(hào)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(hào)處理單元包括MCPC雷達(dá)信號(hào)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(hào)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(shí)對(duì)通信目的MCPC雷達(dá)信號(hào)處理模塊又能起到時(shí)間和頻率同步作用，并可實(shí)現(xiàn)信道估計(jì)，提高通信質(zhì)量；交互數(shù)據(jù)處理模塊用于對(duì)接收機(jī)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(shí)別；定位和導(dǎo)航處理模塊在GPS衛(wèi)星信號(hào)較好時(shí)，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(shí)時(shí)導(dǎo)航，在GPS衛(wèi)星信號(hào)較差時(shí)，GPS信息處理模塊無法實(shí)現(xiàn)基站自我定位，則以協(xié)同作戰(zhàn)模式，由其它無人機(jī)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(hào)類型、干擾與信號(hào)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(hào)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(chǔ)網(wǎng)絡(luò)中所有無人機(jī)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(jī)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(hào)極化類型，或在給定的極化類型狀態(tài)下接收信號(hào)。解調(diào)器用于將正交極化天線經(jīng)開關(guān)控制器的信號(hào)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(jī)連接而隔離接收機(jī)，反之在接收狀態(tài)下將天線與接收機(jī)連接而隔離發(fā)射機(jī)。h）正交極化天線用于發(fā)射或接收兩路正交極化信號(hào)。

1．2基本工作方式

無人機(jī)探測與通信聯(lián)合設(shè)計(jì)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(jī)將通信對(duì)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(hào)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(shí)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(hào)質(zhì)量決定定位方案。當(dāng)GPS衛(wèi)星信號(hào)接收良好時(shí)，GPS功能模塊和GPS信號(hào)處理單元實(shí)現(xiàn)自我定位；當(dāng)GPS衛(wèi)星信號(hào)接收不佳時(shí)，需等待接收機(jī)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)定位。發(fā)射信號(hào)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(gè)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(hào)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(shí)，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(jì)；定位信息部分用于存儲(chǔ)基站自身的位置信息和信號(hào)發(fā)射時(shí)間；目標(biāo)信息用于存儲(chǔ)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(hào)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(shí)時(shí)調(diào)整調(diào)制頻率，實(shí)現(xiàn)發(fā)射信號(hào)捷變頻。由調(diào)制器輸出的射頻信號(hào)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(jī)根據(jù)接收信號(hào)的ID碼1部分區(qū)別接收的信號(hào)來自其它無人機(jī)或自身MCPC雷達(dá)探測器的目標(biāo)回波信號(hào)。根據(jù)其它基站發(fā)射的信號(hào)信息，結(jié)合MCPC雷達(dá)探測器的回波信號(hào)，無人機(jī)可確定目標(biāo)信息。在GPS信號(hào)較差時(shí)，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(duì)距離實(shí)現(xiàn)定位。此外接收機(jī)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(jī)狀態(tài)下自適應(yīng)修改發(fā)射信號(hào)極化類型、頻率捷變類型、調(diào)制方式。

1．3同時(shí)極化頻率捷變探測波形設(shè)計(jì)

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(shí)現(xiàn)等可實(shí)現(xiàn)高度統(tǒng)一，達(dá)到系統(tǒng)整合，在實(shí)現(xiàn)通信和探測雙任務(wù)的同時(shí)，能滿足無人機(jī)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(jī)與協(xié)同兩種模式間自由切換。與此同時(shí)，僅就通信而言，OFDM技術(shù)在實(shí)現(xiàn)高速率通信（百兆以上）的同時(shí)，具有對(duì)抗雜波、多路徑效應(yīng)的特點(diǎn)，若結(jié)合自適應(yīng)通信技術(shù)，通過判斷通信信道特征，實(shí)時(shí)改變信號(hào)調(diào)制方式，可很好地滿足無人機(jī)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(shí)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(hào)實(shí)現(xiàn)雜波背景中目標(biāo)的搜索、檢測、識(shí)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(hào)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(gè)脈沖累計(jì)達(dá)到大帶寬，實(shí)現(xiàn)高分辨，耗時(shí)長。此外，線性調(diào)頻信號(hào)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(diǎn)，同時(shí)上述傳統(tǒng)寬帶雷達(dá)信號(hào)均不能與通信較好地結(jié)合。MCPC雷達(dá)信號(hào)結(jié)構(gòu)如圖3所示［14－15］。N!M的MCPC雷達(dá)脈沖信號(hào)由N×M的補(bǔ)碼矩陣同時(shí)調(diào)制N個(gè)相位周期為Mtb的載波生成（此處：tb為單個(gè)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(hào)可利用補(bǔ)碼序列矩陣同時(shí)調(diào)制多個(gè)滿足正交關(guān)系的載波生成。對(duì)一個(gè)由序列長度為M的N個(gè)載波生成的MCPC雷達(dá)脈沖信號(hào)，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(hào)可通過設(shè)置載波數(shù)、載波間隔和碼元寬度的方式實(shí)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(diǎn)。由圖3可知：MCPC雷達(dá)信號(hào)單次發(fā)射信號(hào)的頻率寬度就可達(dá)到NΔf，無需長時(shí)間脈沖積累即可實(shí)現(xiàn)距離高分辨。當(dāng)距離分辨率要求較高時(shí)，可結(jié)合頻率捷變技術(shù)擴(kuò)大頻率帶寬。MCPC雷達(dá)信號(hào)線性頻率捷變?nèi)鐖D4所示。引入同時(shí)極化，結(jié)合多載波相位編碼、捷變頻寬帶、目標(biāo)微動(dòng)特性，用于實(shí)現(xiàn)在強(qiáng)海、地雜波條件下低速目標(biāo)的識(shí)別和跟蹤。頻率捷變技術(shù)可從極化域、時(shí)域和頻域三個(gè)層面增加系統(tǒng)抗干擾能力。

2系統(tǒng)性能仿真

2．1同時(shí)極化性能

本文的探測波形設(shè)計(jì)兼容同時(shí)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(shí)發(fā)射多個(gè)極化信號(hào)，再利用信號(hào)間的獨(dú)立性（I）分離信號(hào)以同時(shí)獲得目標(biāo)各種極化的信息。因此，信號(hào)間的獨(dú)立性是實(shí)現(xiàn)此技術(shù)的關(guān)鍵，而傳統(tǒng)編碼方式很難使信號(hào)的信號(hào)峰值旁瓣比（PSL）和信號(hào)間的獨(dú)立性同時(shí)達(dá)到較高的性能指標(biāo)。文獻(xiàn)［17］的兩個(gè)基于P3序列MCPC雷達(dá)脈沖信號(hào)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(hào)均由連續(xù)的8個(gè)間隔為32tb的8×8的MCPC脈沖組成，兩個(gè)MCPC信號(hào)的PSL均優(yōu)于28dB，I優(yōu)于23dB。欲實(shí)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(shí)測數(shù)據(jù)

文獻(xiàn)［17］給出的對(duì)應(yīng)MCPC雷達(dá)信號(hào)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(hào)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(gè)脈沖單位時(shí)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(shí)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(shí)測頻率捷變MCPC雷達(dá)信號(hào)如圖7所示。

3結(jié)束語

本文對(duì)基于多載波的無人機(jī)探測與高速通信聯(lián)合設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究?；谡活l率復(fù)用技術(shù)，綜合同時(shí)極化、自適應(yīng)通信等技術(shù)，在同時(shí)滿足快速高精度探測和高速通信的同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)無人機(jī)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(jī)電工程研究所