无人机数据链中混沌扩频通信的运用范文

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《飞航导弹杂志》2016年第9期

摘要：

未来信息化战场环境错综复杂，将混沌扩频体制应用到无人机数据链中可以有效提高通信链路的保密性和安全性。对混沌扩频通信应用于无人机数据链的关键性技术进行了阐述，并对其未来研究方向进行了展望。

关键词：

混沌通信；无人机；数据链

引言

直接序列扩频(DSSS)技术是一种最常见的应用在无人机数据链中的抗截获、抗干扰技术，扩频序列的性质将直接影响扩频通信系统的性能［1］。传统直扩系统中所采用的伪随机序列普遍存在着数量有限、复杂度低、保密性不高的缺点，使得系统性能存在一定缺陷。随着信号检测技术的发展，直接序列扩频通信系统面临着严重的威胁。混沌序列具有很多优良的性质，将混沌序列作为扩频码使用在理论上可极大地提高无人机数据链路的抗截获、抗干扰和安全保密能力，是未来无人机抗截获、抗干扰数据链发展最有前途的方向之一。

1混沌扩频通信概述

混沌理论被认为是20世纪物理学三大成就之一，混沌理论指出具有混沌特性的信号是不可预测的，这种不可预测性就是其保密性、安全性、抗截获性的理论基础［2］。按目前国内的研究水平，将混沌通信划分为混沌扩频、混沌键控、混沌参数调制、混沌掩盖四大类。前三类属于混沌数字通信，最后一类属于混沌模拟通信。在这四大类混沌通信体制中，混沌扩频占有重要的地位，目前已经提出了有关混沌扩频的初步理论和实现方法，将混沌扩频应用到无人机数据链的研究尚处于起步阶段。混沌扩频的核心是通过混沌序列对传输的数据进行扩频调制。混沌序列非随机却类似随机，具有复杂性和不可预测性，非常适用于保密通信，同时与常规的伪随机序列如m序列、Gold序列等相比，混沌序列还有很多优良的性质。其特性对比如表1所示。基于混沌扩频的无人机数据链的基本原理与传统的无人机扩频数据链类似，只是将伪码换成混沌序列。其原理是将待传输的数据用混沌序列进行扩频调制，调制之后频谱被扩展，接收端则采用相同混沌序列进行解扩，以恢复数据，同时实现多普勒测速和测距。其方框图如图1所示。

2关键技术

无人机数据链是整个无人机系统的神经中枢，是连接无人机和地面控制站的生命线，需要极高的安全性［3］。混沌扩频可以有效提高无人机数据链的抗干扰能力和抗截获能力。将混沌扩频通信体制应用到无人机数据链中，需要攻破混沌序列构造方案、优选方法和同步技术等难题。

2．1混沌序列构造方案

混沌序列作为遥控遥测信息的载体，其性能将直接影响到无人机数据链的安全性和可靠性。混沌序列是由混沌映射方程经过数值量化后生成，常见的混沌映射有Logisitc混沌映射、Chebyshev混沌映射、Tent映射等，但上述混沌映射均为一维单级映射，结构简单，生成的混沌序列复杂度不够高，通过相空间重构和反向迭代等方法破译的可能性较大。因此，需要寻找能够构造更加复杂混沌序列的方案［4］。

1)组合混沌映射。组合混沌映射是指将不同混沌映射模型通过加法运算或乘法运算组合构造出新型混沌映射模型的一种方案，组合混沌映射可以有效提高混沌系统的复杂度，大幅增加候选混沌序列的数量，扩展混沌系统密钥空间。

2)高维混沌映射。高维混沌映射相比于一维混沌映射拥有更加优良的动力学特性，其吸引子结构呈现出更高的复杂度，且不具备任何规律，可以有效降低通过相空间重构法破译扩频序列的可能性，更适用于混沌保密通信。

3)自编码序列和混沌序列相复合。自编码直扩是一种跳码方案，其优点是可以实现扩频码伴随传输的数据时刻变化，将自编码序列和混沌序列相复合可以有效提高直扩通信系统的抗截获能力，更有利于实现无人机数据链在未来军事环境中信息对抗的需求［5］。复合扩频码产生原理如图2所示。

2．2混沌序列优选方法

为了进一步提高无人机数据链的抗干扰、抗截获性能，需要对得到的混沌扩频序列进行优选。优选过程考虑到混沌序列的平衡性、自相关特性和互相关特性等因素。混沌序列的平衡性主要影响载波抑制度，不平衡的序列会增大直扩系统的载漏，降低无人机数据链的抗截获能力;混沌序列的自相关性能主要影响无人机数据链的抗多径干扰能力，互相关性能影响无人机数据链的抗多址干扰能力［6］。对混沌扩频序列进行优选，首先选取序列初始值，经过混沌映射迭代得到混沌序列，依次利用上述的平衡性、自相关性、互相关性准则，逐级筛选，若优选产生的混沌序列达到一定的数量要求，就可判断完成了优选过程;否则，需要改变迭代的初值，重复优选流程，直至序列数能够满足要求为止。上述混沌扩频序列优选过程的流程图如图3所示。

2．3混沌扩频序列同步技术

无人机数据链路能否可靠有效地工作，很大程度上依赖于直扩系统的同步能力。同步的重点是要求地面站数据终端和无人机机载数据终端接收到的信号在频率和相位上保持一致，这样才能正确地解调出遥控遥测信息。传统同步技术捕获速度慢、精度差，难以满足长周期混沌扩频序列在无人机数据链中的应用需求，下面介绍几种新型快速捕获算法。

1)辅助引导捕获。对长周期混沌扩频调制信号的捕获可以采用短码引导的方式，由于接收信号中不但携带需要捕获的长周期混沌码，还可能携带短周期混沌码，考虑到短周期码周期较短，容易捕获的特性，同时利用长周期混沌码与短周期混沌码的相位一致性，从而实现混沌扩频序列的快速同步。

2)循环相关捕获。为了进一步提高处理速度，提出了基于FFT的循环相关捕获技术。其基本思想是利用信号在时频域上的变换关系，计算接收信号与本地信号在频域上的乘积，再将结果进行FFT反变换，得到相关值后进行捕获判决［7］。这种方法不同于产同滑动相关法的逐次移位，只需要进行两次FFT，一次逐点相乘和一次IFFT即可实现，大大减少了运算量，提高了同步速度。运算量对比如图4所示。

3)XFAST(扩展复制重叠)捕获算法。XFAST捕获算法主要依靠混沌扩频序列优良的相关特性，其基本原理是将一个很长的混沌码分为M个子段，并将各子段对应的位置进行算数叠加［8］。原来未叠加的码片和从其它区段叠加过来的码片互相关性很小，产生很小的背景噪声，通过XFAST捕获算法可以将运算量减小M倍，其算法功能如图5所示。

3未来研究方向

混沌扩频通信在无人机数据链中的应用还处于起步阶段，在理论上和工程上都还有很多难题亟待解决，未来将重点解决以下3个问题:

1)无限长混沌序列的生成和同步。目前研究的混沌扩频序列一般要经过截短处理，经过截短处理后的混沌序列会损失部分混沌特性，导致性能下降。从某种意义上讲，只有无限长的混沌序列才能充分体现混沌信号的优良特性，才是真正的非周期性序列，才能更好地发挥出混沌信号优良的抗截获性能。但是，无限长混沌码的序列生成和同步等问题还有待于做进一步研究。

2)无人机混合扩谱体制研究。直扩体制和跳频体制有各自的优缺点，将两者合并得到的混合扩谱体制可以充分结合两者的优势。混沌序列不仅可以应用在直扩系统中，同样可以控制跳频系统的跳码图案，将混沌序列应用到混合扩谱体制中可以进一步提高无人机数据链抗干扰、抗截获能力。

3)无人机“多站多机”技术。鉴于频段使用的日渐复杂，传统的“单站单机”模式已经无法满足未来信息化战争的需求，由多个地面站控制多架无人机的“多站多机”模式具有更强的生命力，可以对一片区域内的所有装备进行组网，实现战场网络化，同时整个体系的抗干扰、抗侦察能力也会大幅提升。混沌序列由于其优良的特性，可以提供大量互不相关的混沌序列做扩频码，可以极大地提高无人机数据链系的多址性能，将混沌通信技术和“多站多机”技术结合将成为未来研究的热点问题。

4结束语

为了适应未来信息化电子对抗作战的需要，无人机数据链必须具备很强的抗干扰、抗截获能力，将混沌扩频通信体制引入无人机数据链中具有很大的优越性，研究混沌扩频通信的关键技术，对提高无人机数据链的安全性、保密性具有重要的意义。

参考文献：

［1］王俊，周树道，程龙，等．无人机数据链关键技术与发展趋势．飞航导弹，2011(3)

［2］刘嘉兴，何世彪．混沌测控的概念、特性与实现．飞行器测控学报，2011(1)

［3］杨海东，于宏坤，赵鹏．无人机数据链的未来发展和组网通信关键技术．2014年(第5届)中国无人机大会论文集，2014

［4］李双鑫，王驰，李广喆，等．一种新型的二级分段Lo-gistic混沌映射及其性能分析．东北师大学报(自然科学版)，2014(4)

［5］张晓蓉，吴成茂，李文学．基于混沌与自编码相融合的扩频码构造方法．计算机科学，2015，4(3)

［6］陈晓萍，胡建平，刘嘉兴．应用于测控系统的混沌码产生与同步技术．电讯技术，2013(11)

［8］唐小妹，庞晶，黄仰博，等．XFAST长码直捕算法参数优化设计．中南大学学报(自然科学版)，2014(4）

作者:于一丁 王永川 王长龙 单位:军械工程学院