反无人机教学实训系统
为积极响应总书记关于加强军事训练的要求,实现强化战训一致,坚持以战领训、以训促战,做到按实战要求训练,实现作战和训练一体化的训练目标。
针对日趋严峻的无人机威胁,珞光电子在基于USRP通用软件无线电平台对无人机侦察、无人机导航压制干扰、无人机数传压制干扰等反无人机的技术基础上,构建了反无人机实训系统平台。
系统概述
反无人机实训系统包括无人机侦察分系统、无人机压制干扰分系统以及无人机电子对抗管控分系统,可用于开展对无人机侦察定向、无人机GPS干扰压制、无人机控制信号干扰压制、无人机电子对抗演练的功能。
方案硬件基于USRP通用软件无线电平台,具备良好的开源特性,可作为反无人机教学演示以及反无人机系列产品原型的开发基础;方案软件基于MATLAB、GNU Radio及Qt等开源软件,使用Python和C++编程语言,具有很高的可移植性,能适应不同的系统使用环境。
技术参数
无人机侦察分系统
无人机压制干扰分系统
系统组成
反无人机教学实训系统硬件由两根测向天线、USRP-LW X310(搭配两张UBX-LW 160射频子板)及工控机组成,软件由无人机侦察分系统、无人机压制干扰分系统以及无人机电子对抗管控分系统3个分系统组成。
珞光电子反无人机实训系统基于USRP通用软件无线电平台,采取模块化、构件化及开源化的系统构架,具备二次开发功能,能够实现反无人机电子侦察、反无人机数据链压制干扰、反无人机导航链路压制干扰等功能,无人机电子对抗管控分系统可完成对反无人机行动策略验证实验,具备灵活配置的功能,还可在此基础上进一步拓展其功能,具备良好的适用性和升级能力。
反无人机教学实训系统全功能视图如下:
分系统详细说明
无人机侦察分系统
无人机侦察分系统主要用于开展无人机数传或图传等遥测链路信号侦察实验,实现遥测信号侦察、分析,并采用双通道相位干涉仪体制对目标实施测向,从而为后续有效开展反无人机作战提供目标指示。分系统主要包括电子对抗侦察设备、无人机遥测信号侦察控制软件等组成。其中,电子对抗侦察设备主要通过自行组装的方式进行配备,包括侦察测向天线、USRP软件无线电平台及工控机等模块组成,主要负责对无人机遥测信号的侦察、截获并对无人机遥测信号的分析,实现测向。
无人机遥控信号常出现的2个中心频率(2.44GHz、5.775GHz),带宽约为100MHz。USRP X310实时带宽大于100MHz,USRP B210实时带宽为56MHz,可控制USRP X310在2.44GHz或者5.775GHz实时监测感知信号(USRP B210可扫频)。如有信号出现,触发USRP接收信号并进行后续识别。基于时频分析的分选方法可以区分以上信号,时频分析方法是通过分析时间、频率的二维函数来分析非平稳信号,是一种行之有效的方法。由于不同的信号有着自己独特的特征,我们可以根据这些特征来区分不同信号。定频信号在一个频率点附近连续出现,信号频率不随时间的推移而变化,在时频分析图上是一条直线的形式;跳频信号是指信号频率随时间进行周期性变化,每个频点上的持续时间是相同的,在时频分析图上表现为一系列相同长度的短直线,且时间上相互连接;噪声信号是指不同的信道噪声和空间干扰噪声,在时域、频域范围覆盖十分广泛,且幅度一般小于目标信号,在时频分析图上表现为杂乱的点。根据不同信号的时频域特征,通过设置阈值分选信号。
主流无人机的图传信号都是采用OFDM调制,中心频率大约为2476.5MHz或者5722MHZ,带宽为9.5MHz,本方案主要针对OFDM调制的图传信号进行识别。根据中心频率与带宽几乎可以识别图传信号。当识别到无人机图传信号,便可进行测向。由于主流无人机图传信号是定频信号,且不测俯仰角,只需测方位角,因此可采用两通道相位干涉仪体制测向。系统结构如图3,两测向天线连接到USRP X310两通道,工控机控制USRP X310接收信号并信号处理。图3是双通道相位干涉仪测向图,d表示两天线之间距离,根据不同频率信号选择合适的距离,若两天线与两通道幅相特性完全一致,由两天线接收信号相位差,便可以测量天线方位角。
实际实验测量表明,USRP X310作为接收机的两通道相位干涉仪可以达到本方案要求的测向精度。
无人机压制干扰分系统
GPS压制干扰
GPS压制干扰实验设备主要采取预先定向或全向压制的方式,向周围辐射相应频段的噪声信号,使无人机卫星导航设备无法有效接收卫星导航信号,从而造成位置信息解算误差增大或位置信息丢失。
遥控链路压制干扰
遥控链路压制干扰实现方式同GPS的压制相同,需要考虑USRP和功放和定向天线的配合。遥控发射机已经普遍采用跳频、扩频技术,而且跳频参数还可以自适应,具有一定的抗干扰能力。在计算需要的干扰大小时,必须已知跳频、扩频的参数才能得到准确的结果。不过我们依然可以知道所需干扰的大致范围。如果遥控信号存在跳频措施,而干扰者除了频带范围之外,并不知道这些措施的任何参数,只能用噪声进行全频带暴力覆盖,那么所需功率将有所提高。压制实现过程使用USRP-LW X310产生宽带干扰信号,该信号为高斯白噪声或扩频干扰信号和模拟WLAN802.11标准格式信号,实现对飞控信道的全覆盖,同时配合2.4GHz 100W大功率功放和2.4GHz对数周期或八木天线,实现定向干扰压制。
无人机电子对抗管控分系统
反无人机电子对抗综合管控分系统主要用于开展对反无人机电子对抗行动策略验证实验。分系统主要包括系统管理、态势显示及复盘分析等模块,使用无线或有线等通信方式,实现与“反无人机侦察分系统”和“反无人机压制干扰分系统”数据实时交互和系统综合管控,并具备系统管理、台式显示和复盘分析功能。
反无人机电子对抗综合管控分系统以C++为开发语言,面向对象设计,基于Qt5.15.2软件实现。
分系统软件平台以GUI界面方式呈现。
训练端GUI界面:
教师端GUI界面:
从软件需求分解出方案框图:
硬件平台
USRP-LW X310
USRP-LW X310是一款性能卓越,定位于高端的,服务于下一代软件无线电设计和开发的软件无线电设备。
Xilinx Kintex-7 410T作为USRP-LW X310的数字处理核心提供了包括射频前端,DDR3以及主机接口在内的主要元器件的高速连接。FPGA默认提供了所有UHD用于控制数字下变频和数字上变频,精细的频率调谐以及一些其他的DSP功能模块。用户可以利用资源丰富的Kintex-7 FPGA的空余空间,加上USRP支持的RFNoC开发框架,开发实现自己的DSP处理模块。
UBX-LW 160射频子板
USRP-LW X310 支持两个扩展带宽的子板插槽,用户可根据需求更换子板,灵活适配不同频段和功能。本方案搭配两张UBX-LW 160射频子板。
UBX-LW 160MHz是一款全双工宽带收发器,覆盖10 MHz至6 GHz的频段,瞬时带宽为160 MHz;多个UBX子板的相干和相位对齐操作使用户能够探索MIMO和测向应用。