無人機數(shù)據(jù)鏈中混沌擴頻通信的運用范文

本站小編為你精心準備了無人機數(shù)據(jù)鏈中混沌擴頻通信的運用參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發(fā)您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

《飛航導(dǎo)彈雜志》2016年第9期

摘要：

未來信息化戰(zhàn)場環(huán)境錯綜復(fù)雜，將混沌擴頻體制應(yīng)用到無人機數(shù)據(jù)鏈中可以有效提高通信鏈路的保密性和安全性。對混沌擴頻通信應(yīng)用于無人機數(shù)據(jù)鏈的關(guān)鍵性技術(shù)進行了闡述，并對其未來研究方向進行了展望。

關(guān)鍵詞：

混沌通信；無人機；數(shù)據(jù)鏈

引言

直接序列擴頻(DSSS)技術(shù)是一種最常見的應(yīng)用在無人機數(shù)據(jù)鏈中的抗截獲、抗干擾技術(shù)，擴頻序列的性質(zhì)將直接影響擴頻通信系統(tǒng)的性能［1］。傳統(tǒng)直擴系統(tǒng)中所采用的偽隨機序列普遍存在著數(shù)量有限、復(fù)雜度低、保密性不高的缺點，使得系統(tǒng)性能存在一定缺陷。隨著信號檢測技術(shù)的發(fā)展，直接序列擴頻通信系統(tǒng)面臨著嚴重的威脅。混沌序列具有很多優(yōu)良的性質(zhì)，將混沌序列作為擴頻碼使用在理論上可極大地提高無人機數(shù)據(jù)鏈路的抗截獲、抗干擾和安全保密能力，是未來無人機抗截獲、抗干擾數(shù)據(jù)鏈發(fā)展最有前途的方向之一。

1混沌擴頻通信概述

混沌理論被認為是20世紀物理學三大成就之一，混沌理論指出具有混沌特性的信號是不可預(yù)測的，這種不可預(yù)測性就是其保密性、安全性、抗截獲性的理論基礎(chǔ)［2］。按目前國內(nèi)的研究水平，將混沌通信劃分為混沌擴頻、混沌鍵控、混沌參數(shù)調(diào)制、混沌掩蓋四大類。前三類屬于混沌數(shù)字通信，最后一類屬于混沌模擬通信。在這四大類混沌通信體制中，混沌擴頻占有重要的地位，目前已經(jīng)提出了有關(guān)混沌擴頻的初步理論和實現(xiàn)方法，將混沌擴頻應(yīng)用到無人機數(shù)據(jù)鏈的研究尚處于起步階段。混沌擴頻的核心是通過混沌序列對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行擴頻調(diào)制。混沌序列非隨機卻類似隨機，具有復(fù)雜性和不可預(yù)測性，非常適用于保密通信，同時與常規(guī)的偽隨機序列如m序列、Gold序列等相比，混沌序列還有很多優(yōu)良的性質(zhì)。其特性對比如表1所示。基于混沌擴頻的無人機數(shù)據(jù)鏈的基本原理與傳統(tǒng)的無人機擴頻數(shù)據(jù)鏈類似，只是將偽碼換成混沌序列。其原理是將待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)用混沌序列進行擴頻調(diào)制，調(diào)制之后頻譜被擴展，接收端則采用相同混沌序列進行解擴，以恢復(fù)數(shù)據(jù)，同時實現(xiàn)多普勒測速和測距。其方框圖如圖1所示。

2關(guān)鍵技術(shù)

無人機數(shù)據(jù)鏈是整個無人機系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，是連接無人機和地面控制站的生命線，需要極高的安全性［3］。混沌擴頻可以有效提高無人機數(shù)據(jù)鏈的抗干擾能力和抗截獲能力。將混沌擴頻通信體制應(yīng)用到無人機數(shù)據(jù)鏈中，需要攻破混沌序列構(gòu)造方案、優(yōu)選方法和同步技術(shù)等難題。

2．1混沌序列構(gòu)造方案

混沌序列作為遙控遙測信息的載體，其性能將直接影響到無人機數(shù)據(jù)鏈的安全性和可靠性。混沌序列是由混沌映射方程經(jīng)過數(shù)值量化后生成，常見的混沌映射有Logisitc混沌映射、Chebyshev混沌映射、Tent映射等，但上述混沌映射均為一維單級映射，結(jié)構(gòu)簡單，生成的混沌序列復(fù)雜度不夠高，通過相空間重構(gòu)和反向迭代等方法破譯的可能性較大。因此，需要尋找能夠構(gòu)造更加復(fù)雜混沌序列的方案［4］。

1)組合混沌映射。組合混沌映射是指將不同混沌映射模型通過加法運算或乘法運算組合構(gòu)造出新型混沌映射模型的一種方案，組合混沌映射可以有效提高混沌系統(tǒng)的復(fù)雜度，大幅增加候選混沌序列的數(shù)量，擴展混沌系統(tǒng)密鑰空間。

2)高維混沌映射。高維混沌映射相比于一維混沌映射擁有更加優(yōu)良的動力學特性，其吸引子結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出更高的復(fù)雜度，且不具備任何規(guī)律，可以有效降低通過相空間重構(gòu)法破譯擴頻序列的可能性，更適用于混沌保密通信。

3)自編碼序列和混沌序列相復(fù)合。自編碼直擴是一種跳碼方案，其優(yōu)點是可以實現(xiàn)擴頻碼伴隨傳輸?shù)臄?shù)據(jù)時刻變化，將自編碼序列和混沌序列相復(fù)合可以有效提高直擴通信系統(tǒng)的抗截獲能力，更有利于實現(xiàn)無人機數(shù)據(jù)鏈在未來軍事環(huán)境中信息對抗的需求［5］。復(fù)合擴頻碼產(chǎn)生原理如圖2所示。

2．2混沌序列優(yōu)選方法

為了進一步提高無人機數(shù)據(jù)鏈的抗干擾、抗截獲性能，需要對得到的混沌擴頻序列進行優(yōu)選。優(yōu)選過程考慮到混沌序列的平衡性、自相關(guān)特性和互相關(guān)特性等因素。混沌序列的平衡性主要影響載波抑制度，不平衡的序列會增大直擴系統(tǒng)的載漏，降低無人機數(shù)據(jù)鏈的抗截獲能力;混沌序列的自相關(guān)性能主要影響無人機數(shù)據(jù)鏈的抗多徑干擾能力，互相關(guān)性能影響無人機數(shù)據(jù)鏈的抗多址干擾能力［6］。對混沌擴頻序列進行優(yōu)選，首先選取序列初始值，經(jīng)過混沌映射迭代得到混沌序列，依次利用上述的平衡性、自相關(guān)性、互相關(guān)性準則，逐級篩選，若優(yōu)選產(chǎn)生的混沌序列達到一定的數(shù)量要求，就可判斷完成了優(yōu)選過程;否則，需要改變迭代的初值，重復(fù)優(yōu)選流程，直至序列數(shù)能夠滿足要求為止。上述混沌擴頻序列優(yōu)選過程的流程圖如圖3所示。

2．3混沌擴頻序列同步技術(shù)

無人機數(shù)據(jù)鏈路能否可靠有效地工作，很大程度上依賴于直擴系統(tǒng)的同步能力。同步的重點是要求地面站數(shù)據(jù)終端和無人機機載數(shù)據(jù)終端接收到的信號在頻率和相位上保持一致，這樣才能正確地解調(diào)出遙控遙測信息。傳統(tǒng)同步技術(shù)捕獲速度慢、精度差，難以滿足長周期混沌擴頻序列在無人機數(shù)據(jù)鏈中的應(yīng)用需求，下面介紹幾種新型快速捕獲算法。

1)輔助引導(dǎo)捕獲。對長周期混沌擴頻調(diào)制信號的捕獲可以采用短碼引導(dǎo)的方式，由于接收信號中不但攜帶需要捕獲的長周期混沌碼，還可能攜帶短周期混沌碼，考慮到短周期碼周期較短，容易捕獲的特性，同時利用長周期混沌碼與短周期混沌碼的相位一致性，從而實現(xiàn)混沌擴頻序列的快速同步。

2)循環(huán)相關(guān)捕獲。為了進一步提高處理速度，提出了基于FFT的循環(huán)相關(guān)捕獲技術(shù)。其基本思想是利用信號在時頻域上的變換關(guān)系，計算接收信號與本地信號在頻域上的乘積，再將結(jié)果進行FFT反變換，得到相關(guān)值后進行捕獲判決［7］。這種方法不同于產(chǎn)同滑動相關(guān)法的逐次移位，只需要進行兩次FFT，一次逐點相乘和一次IFFT即可實現(xiàn)，大大減少了運算量，提高了同步速度。運算量對比如圖4所示。

3)XFAST(擴展復(fù)制重疊)捕獲算法。XFAST捕獲算法主要依靠混沌擴頻序列優(yōu)良的相關(guān)特性，其基本原理是將一個很長的混沌碼分為M個子段，并將各子段對應(yīng)的位置進行算數(shù)疊加［8］。原來未疊加的碼片和從其它區(qū)段疊加過來的碼片互相關(guān)性很小，產(chǎn)生很小的背景噪聲，通過XFAST捕獲算法可以將運算量減小M倍，其算法功能如圖5所示。

3未來研究方向

混沌擴頻通信在無人機數(shù)據(jù)鏈中的應(yīng)用還處于起步階段，在理論上和工程上都還有很多難題亟待解決，未來將重點解決以下3個問題:

1)無限長混沌序列的生成和同步。目前研究的混沌擴頻序列一般要經(jīng)過截短處理，經(jīng)過截短處理后的混沌序列會損失部分混沌特性，導(dǎo)致性能下降。從某種意義上講，只有無限長的混沌序列才能充分體現(xiàn)混沌信號的優(yōu)良特性，才是真正的非周期性序列，才能更好地發(fā)揮出混沌信號優(yōu)良的抗截獲性能。但是，無限長混沌碼的序列生成和同步等問題還有待于做進一步研究。

2)無人機混合擴譜體制研究。直擴體制和跳頻體制有各自的優(yōu)缺點，將兩者合并得到的混合擴譜體制可以充分結(jié)合兩者的優(yōu)勢。混沌序列不僅可以應(yīng)用在直擴系統(tǒng)中，同樣可以控制跳頻系統(tǒng)的跳碼圖案，將混沌序列應(yīng)用到混合擴譜體制中可以進一步提高無人機數(shù)據(jù)鏈抗干擾、抗截獲能力。

3)無人機“多站多機”技術(shù)。鑒于頻段使用的日漸復(fù)雜，傳統(tǒng)的“單站單機”模式已經(jīng)無法滿足未來信息化戰(zhàn)爭的需求，由多個地面站控制多架無人機的“多站多機”模式具有更強的生命力，可以對一片區(qū)域內(nèi)的所有裝備進行組網(wǎng)，實現(xiàn)戰(zhàn)場網(wǎng)絡(luò)化，同時整個體系的抗干擾、抗偵察能力也會大幅提升。混沌序列由于其優(yōu)良的特性，可以提供大量互不相關(guān)的混沌序列做擴頻碼，可以極大地提高無人機數(shù)據(jù)鏈系的多址性能，將混沌通信技術(shù)和“多站多機”技術(shù)結(jié)合將成為未來研究的熱點問題。

4結(jié)束語

為了適應(yīng)未來信息化電子對抗作戰(zhàn)的需要，無人機數(shù)據(jù)鏈必須具備很強的抗干擾、抗截獲能力，將混沌擴頻通信體制引入無人機數(shù)據(jù)鏈中具有很大的優(yōu)越性，研究混沌擴頻通信的關(guān)鍵技術(shù)，對提高無人機數(shù)據(jù)鏈的安全性、保密性具有重要的意義。

參考文獻：

［1］王俊，周樹道，程龍，等．無人機數(shù)據(jù)鏈關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展趨勢．飛航導(dǎo)彈，2011(3)

［2］劉嘉興，何世彪．混沌測控的概念、特性與實現(xiàn)．飛行器測控學報，2011(1)

［3］楊海東，于宏坤，趙鵬．無人機數(shù)據(jù)鏈的未來發(fā)展和組網(wǎng)通信關(guān)鍵技術(shù)．2014年(第5屆)中國無人機大會論文集，2014

［4］李雙鑫，王馳，李廣喆，等．一種新型的二級分段Lo-gistic混沌映射及其性能分析．東北師大學報(自然科學版)，2014(4)

［5］張曉蓉，吳成茂，李文學．基于混沌與自編碼相融合的擴頻碼構(gòu)造方法．計算機科學，2015，4(3)

［6］陳曉萍，胡建平，劉嘉興．應(yīng)用于測控系統(tǒng)的混沌碼產(chǎn)生與同步技術(shù)．電訊技術(shù)，2013(11)

［8］唐小妹，龐晶，黃仰博，等．XFAST長碼直捕算法參數(shù)優(yōu)化設(shè)計．中南大學學報(自然科學版)，2014(4）

作者:于一丁 王永川 王長龍 單位:軍械工程學院