多載波的無人機探測與通信技術思考
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摘要：基于正交頻率復用技術，提出了無人機（UAV）多載波雷達探測與正交頻率復用高速通信聯合設計方法。設計了探測與通信功能模塊，闡述了發射和接收狀態的工作方式，給出了同時極化頻率捷變探測波形設計。性能仿真結果驗證了多載波探測與同時極化和頻率捷變技術聯合設計的可行性，綜合寬帶探測、同時極化、頻率捷變、多載波通信、自適應通信等，在實現快速高精度探測和高速通信雙任務的同時，能滿足無人機的系統多功能整合、小型化、低功耗、低成本的需求。
關鍵詞：無人機；雷達探測；高速通信；正交頻率復用；協同作戰
0引言
UAV在阿富汗戰場的成功促進了無人機的發展和應用。美國空軍PredatorProgram項目給出了無人機在典型戰場環境中的任務和功能，包括偵察、監視、目標截獲、信息傳輸等。實際軍事應用中，無人機的功能還可有電子戰、戰斗評估、通信中繼、指揮控制、協同作戰等［1］?；跓o人機的自身和功能特點，可發現：其體積和承載的設備有限，需要裝載的設備盡可能地整合功能，體積小、處理速度快，功耗低；因是在高雜波環境中對低速目標進行探測和跟蹤，脈沖多普勒體制不一定適用，需應用寬帶體制，從時域實現雜波抑制和目標識別，但頻率脈沖步進等寬帶體制處理要求長時間的脈沖積累才能達到大帶寬，實現距離高分辨，故必須采用新的寬帶雷達探測波形；由于存在大量的圖像等戰場環境和態勢信息，需要實現高速信息傳輸和通信，同時還要考慮多路徑、雜波等惡劣信道的影響；需要多點通信，實現指令傳輸和協同作戰。針對無人機使用環境、自身特點和功能需求，可通過探測與通信聯合設計以降低系統體積、功耗與成本，其中正交頻率復用（OFDM）技術成為了研究熱點。文獻［2］提出將OFDM通信技術用于MIMO雷達，并加入了頻率捷變技術以實現頻譜共用，但僅給出了將MIMO雷達系統與OFDM結合的大體模型；文獻［3］研究了將OFDM通信技術用于雷達網絡的可行性，但并不全面；文獻［4］提出將OFDM通信與MCPC雷達技術結合用于組建雙用的成像雷達和通信系統，但只給出了基于OFDM技術的一般雷達成像結果；文獻［5］研究了將LFM信號實現多功能探測通信系統，但由于LFM雷達信號會引起距離多普勒耦合，并非探測系統的首選，在通信領域LFM調制方式也并非通信的理想方案。在國內，多所高校對無線探測網絡技術進行了研究，但多以通信協議、定位算法研究為主，未見探測通信體系創新的報導［6－12］。探測與通信系統的聯合設計需綜合考慮探測和通信兩個方面。對探測，探測波形設計決定了探測的精度，以及可否兼容寬帶探測、極化等技術滿足復雜工作環境的需求；對通信，在滿足探測需求的同時，需滿足復雜環境中高速通信的要求。兩種應用需求的無縫連接是聯合設計中的要點。為此，本文基于正交頻率復用技術，以多載波相位調制（MCPC）雷達探測信號為依據，對雷達探測與通信聯合設計和雷達探測波形設計進行了研究。
1雷達探測與通信聯合設計
1．1功能模塊組成
無人機功能包括自身定位、環境監測、目標探測和高速通信等。無人機探測與通信聯合設計有GPS功能、傳感器組、用戶交互接口和中央控制器、發射機、信號處理單元、接收機、收發開關，以及正交極化天線8個功能模塊，其組成如圖1所示。具體如下。a）GPS模塊用于無人機獲取自身位置信息。b）傳感器組為無人機的擴展功能，可涉及攝像機或紅外成像傳感器。c）交互接口和中央控制器為無人機用戶接口，完成相關工作參數設置等，如設定MCPC雷達采用的波形、極化類型、頻率捷變的類型與參數，數據通信的調制方式等。d）發射機模塊包括GPS信號處理、傳感器組數據處理、MCPC雷達信號發生器、交互數據及指令單元、數據打包成幀與自適應調制、極化分路和調制器組7個功能部分。其中：GPS信號處理部分處理由GPS功能模塊獲得的衛星信號，實現無人機自我定位；傳感器組數據處理部分處理由傳感器組測得的信號，送發射機打包成數據幀傳送；MCPC雷達信號發生器根據用戶交互接口和中央控制器設定的MCPC雷達信號參數、極化類型、頻率捷變類型等產生同時極化頻率捷變MCPC雷達探測信號；交互數據及指令單元對交互接口需要發射的信息或指令進行編碼和壓縮等處理，用于發射；數據打包成幀與自適應調制部分按幀結構打包輸入數據，并由中央控制器采取正交頻率復用的方式進行調制，自適應控制調制階數以備傳輸之用；極化分路部分將數據打包成幀與自適應調制模塊的輸出信號分成兩路并根據用戶交互接口和中央控制器設定的極化類型確定信號間的相位差；調制器組將極化分路模塊產生的兩路信號直接調制至射頻，并傳輸至開關控制器用于正交極化天線發射［13］。在中央控制器控制下，數據打包成幀與自適應調制部分將GPS信號處理模塊的處理結果、傳感器組數據處理模塊的處理結果、MCPC雷達信號發生器產生的MCPC雷達波形，連同交互數據及指令打包成數據幀結構，并采取自適應調制方式調制，調制結果將根據極化類型，由極化分路部分分成兩路，兩路信號再由兩組調制器直接調制至射頻經收發開關傳輸至正交極化天線發射。e）信號處理單元包括MCPC雷達信號處理、交互數據處理、定位和導航處理、系統工作性能和干擾分析處理、數據庫共5部分。其中：MCPC雷達信號處理模塊可完成MCPC雷達探測器目標探測，獲得目標的距離、速度等信息，同時對通信目的MCPC雷達信號處理模塊又能起到時間和頻率同步作用，并可實現信道估計，提高通信質量；交互數據處理模塊用于對接收機接收到的信息或指令進行解碼和解壓縮等處理，并轉換格式便于用戶交互接口識別；定位和導航處理模塊在GPS衛星信號較好時，由GPS信息處理模塊所得的自身位置信息，結合數據庫系統保存的電子地圖，根據用戶需求選擇最優路徑并實時導航，在GPS衛星信號較差時，GPS信息處理模塊無法實現基站自我定位，則以協同作戰模式，由其它無人機得到的信息結合MCPC雷達探測數據確定自身方位，完成導航等功能；系統工作性能和干擾分析處理模塊結合極化判別模塊分析干擾信號類型、干擾與信號的能量比，以此作為MCPC雷達探測器參數設置和OFDM通信系統信號自適應調制方式設定的依據；數據庫用于存儲網絡中所有無人機的方位和通信記錄，探測到目標的距離、速度信息，電子地圖等以備查閱使用。f）接收機模塊主要由極化判別模塊和解調器組組成。極化判別模塊用于判斷接收信號極化類型，或在給定的極化類型狀態下接收信號。解調器用于將正交極化天線經開關控制器的信號直接由射頻變為中頻，出于小型化的目的，可采用零中頻結構。g）收發開關用于系統在發射狀態下將天線與發射機連接而隔離接收機，反之在接收狀態下將天線與接收機連接而隔離發射機。h）正交極化天線用于發射或接收兩路正交極化信號。
1．2基本工作方式
無人機探測與通信聯合設計系統交替工作于發射和接收狀態。
1．2．1發射狀態
發射機將通信對象ID碼、自身ID碼，經編碼和壓縮處理的通信信息、傳感器組數據處理結果、MCPC雷達信號波形、MCPC雷達探測結果，以及基站自身的方位信息通過數據打包成幀與自適應調制模塊打包成幀并實現調制。在獲得基站自身方位的過程中，需根據接收到的GPS衛星信號質量決定定位方案。當GPS衛星信號接收良好時，GPS功能模塊和GPS信號處理單元實現自我定位；當GPS衛星信號接收不佳時，需等待接收機狀態實現定位。發射信號打包成幀后的幀結構如圖2所示（其中循環前綴CP未在幀結構中顯示）。每個數據幀由ID碼1、2，自定位信息，目標信息和交互數據組成。
其中：ID碼1、2分別標志信號的反射方和接收方，系統采用余碼序列作為ID碼，在作為身份標志的同時，可用作MCPC雷達波形和OFDM通信系統的引導碼，既用于目標探測，又用于通信系統的幀同步和信道估計；定位信息部分用于存儲基站自身的位置信息和信號發射時間；目標信息用于存儲MCPC雷達探測器探測到的距離和速度等目標信息；交互信息用于傳輸探測器組探測到的相關信息。完成數據打包和調制后，根據用戶設定的極化類型極化分路模塊將信號分成具特定相位差的兩路，送至調制器模塊調制至射頻。調制模塊調制過程中，根據用戶設定的頻率捷變參數實時調整調制頻率，實現發射信號捷變頻。由調制器輸出的射頻信號經收發開關傳輸至正交極化天線發射。
1．2．2接收狀態
接收機根據接收信號的ID碼1部分區別接收的信號來自其它無人機或自身MCPC雷達探測器的目標回波信號。根據其它基站發射的信號信息，結合MCPC雷達探測器的回波信號，無人機可確定目標信息。在GPS信號較差時，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距離實現定位。此外接收機還需分析系統工作性能和外界抗干擾類型用于系統在發射機狀態下自適應修改發射信號極化類型、頻率捷變類型、調制方式。
1．3同時極化頻率捷變探測波形設計
因MCPC雷達探測與4G通信均基于正交頻率復用（OFDM）原理，故系統硬件構成、波形生成、軟件實現等可實現高度統一，達到系統整合，在實現通信和探測雙任務的同時，能滿足無人機追求的系統小型化、低功耗、低成本的需求，應用方式也可在單機與協同兩種模式間自由切換。與此同時，僅就通信而言，OFDM技術在實現高速率通信（百兆以上）的同時，具有對抗雜波、多路徑效應的特點，若結合自適應通信技術，通過判斷通信信道特征，實時改變信號調制方式，可很好地滿足無人機的使用需求［13］。因低速目標多普勒頻率靠近雜波區，用傳統脈沖多普勒方式難以實現目標搜索和跟蹤，且探測距離精度不高，故需利用寬帶雷達信號實現雜波背景中目標的搜索、檢測、識別和跟蹤，并在特定需求下完成目標和環境成像。傳統寬帶雷達探測信號有線性調頻、脈沖線性調頻、脈沖頻率步進等，線性調頻很難解決收發隔離問題而多采用脈沖線性調頻，脈沖線性調頻和脈沖頻率步進均需多個脈沖累計達到大帶寬，實現高分辨，耗時長。此外，線性調頻信號模糊函數呈斜刀刃型，脈沖線性調頻存在多普勒和距離耦合影響跟蹤精度的缺點，同時上述傳統寬帶雷達信號均不能與通信較好地結合。MCPC雷達信號結構如圖3所示［14－15］。N!M的MCPC雷達脈沖信號由N×M的補碼矩陣同時調制N個相位周期為Mtb的載波生成（此處：tb為單個調制相位周期），載波間隔Δf為1／tb，載波間滿足正交關系。MCPC雷達信號可利用補碼序列矩陣同時調制多個滿足正交關系的載波生成。對一個由序列長度為M的N個載波生成的MCPC雷達脈沖信號，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NM。MCPC雷達信號可通過設置載波數、載波間隔和碼元寬度的方式實現高分辨率，且模糊函數呈圖釘型，避免了距離－多普勒耦合，可用數字集成電路通過逆傅里葉變換（IFFT）產生，具控制簡單和生成便利等優點。由圖3可知：MCPC雷達信號單次發射信號的頻率寬度就可達到NΔf，無需長時間脈沖積累即可實現距離高分辨。當距離分辨率要求較高時，可結合頻率捷變技術擴大頻率帶寬。MCPC雷達信號線性頻率捷變如圖4所示。引入同時極化，結合多載波相位編碼、捷變頻寬帶、目標微動特性，用于實現在強海、地雜波條件下低速目標的識別和跟蹤。頻率捷變技術可從極化域、時域和頻域三個層面增加系統抗干擾能力。
2系統性能仿真
2．1同時極化性能
本文的探測波形設計兼容同時極化技術，可用于干擾、雜波等復雜環境中的探測，能同時發射多個極化信號，再利用信號間的獨立性（I）分離信號以同時獲得目標各種極化的信息。因此，信號間的獨立性是實現此技術的關鍵，而傳統編碼方式很難使信號的信號峰值旁瓣比（PSL）和信號間的獨立性同時達到較高的性能指標。文獻［17］的兩個基于P3序列MCPC雷達脈沖信號的歸一化自相關函數和歸一化互相關函數如圖5所示。由圖可知：兩信號均由連續的8個間隔為32tb的8×8的MCPC脈沖組成，兩個MCPC信號的PSL均優于28dB，I優于23dB。欲實現相同的PSL和I，用傳統的m序列調制需要的碼長達511位［16］。
2．2頻率捷變性能仿真和實測數據
文獻［17］給出的對應MCPC雷達信號引入頻率捷變前后和波形優化后的自相關函數如圖6所示。由圖可知：采用頻率捷變后，MCPC信號的自相關函數主瓣寬度由0．125tb減小至0．0156tb。經子載波加權波形優化后，第一個脈沖單位時間tb內自相關函數旁瓣歸一化最大值降至－25dB以下，同時由于子載波權重的調制作用，主瓣寬度略展寬至0．02734tb。實測頻率捷變MCPC雷達信號如圖7所示。
3結束語
本文對基于多載波的無人機探測與高速通信聯合設計進行了研究?；谡活l率復用技術，綜合同時極化、自適應通信等技術，在同時滿足快速高精度探測和高速通信的同時，可實現無人機的系統多功能整合、小型化、低功耗、低成本。
參考文獻
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作者：肖志斌 顧村鋒 高帆 王學成 單位：中國人民解放軍海軍駐上海地區航天系統代表室 上海機電工程研究所