无人机数据链电磁干扰机理和防护研究

针对无人机在飞行过程中其数据链系统容易受到外界电磁干扰而导致链路中断的问题,以某型无人机数据链系统为研究对象,提出了一种基于前门耦合的电磁敏感度注入效应试验方法。基于该方法开展了某型无人机数据链系统电磁敏感度效应试验,得到了该数据链系统的敏感度阈值曲线,确定了其电磁敏感度阈值,分析了机载数据链接收机射频前端的工作原理和电磁干扰作用下接收机的信号传输过程,揭示了组合频率干扰和带外饱和干扰对无人机机载数据链的作用机理,最后进行了试验验证。在实验研究的基础上,从电磁兼容设计层面和自适应控制策略方面分别有针对性地提出了相应的防护方法。     

无人机定位系统辐照干扰失效全过程与机理分析

定位系统是无人机核心单元中的电磁敏感环节,是无人机电磁防护的重点部位。为了分析电磁干扰效应机理与失效过程,以典型自组装无人机定位系统为目标,通过电磁拓扑模型分析干扰耦合方式,分析不同耦合路径下辐照干扰耦合机理和作用机制。采用GPS增强转发系统在电波暗室内为无人机系统提供正常动态工作环境,并依据标准开展微波辐照干扰效应试验,通过无人机系统固件中的日志记录功能,结合地面站监测实时状态,实现无人机定位系统电磁干扰效应全过程动态特征数据记录与故障机理分析。试验结果表明:无人机接收天线耦合干扰主要发生在定位系统最大接收带宽（200 MHz）之内;线缆耦合干扰主要在1 GHz以下的频段内且在171 MHz和511 MHz附近达到最大值;PCB电路耦合干扰主要在1.24 GHz以上频段,耦合电压波动性随着干扰信号频率增加而变强。     

无人机机载天线高功率微波耦合响应研究

无人机易于受到高功率微波干扰和损伤,无人机机载天线是高功率微波干扰的重要耦合途径。为了研究无人机机载天线高功率微波耦合响应,以数据链天线和导航接收机天线为研究对象,根据无人机实际布局,建立高功率微波辐照下无人机机载天线的耦合模型,通过仿真天线辐射模型远场辐射方向图及S11参数验证天线模型的准确性,得到不同辐照场景和高功率微波辐射场参数下数据链天线和导航接收机天线端口的耦合电压,并进行了典型场景试验验证,结果表明：L波段高功率微波辐照下数据链天线的耦合电压较S、C和X波段更高,相较于水平极化,垂直极化辐射场对无人机数据链的干扰效果更佳,耦合电压与辐射场强成线性关系,受脉宽和前沿的影响较小;空中高功率微波辐照场景下导航接收机天线的耦合电压较地面高功率微波辐照场景更高,该研究将在高功率微波武器打击无人机方面提供理论参考依据。     

某型无人机系统雷电脉冲磁场效应

为检验雷电脉冲磁场辐射环境下无人机系统的安全可靠性,以某型无人机为试验对象,利用亥姆霍兹线圈和雷电浪涌发生器模拟雷电脉冲磁场,开展了无人机雷电脉冲磁场效应试验。实验结果表明,GB50057-94推荐的8/20μs雷电脉冲磁场不会干扰无人机通信而导致数据链失锁,但是机载三轴磁航向传感器受磁场干扰严重,产生零点漂移并造成已知方向上读数偏差,且放电极性决定航向角变化趋势。经过机理分析发现,在线性工作区间内磁航向传感器能够利用各向异性磁阻效应引起电阻阻值变化的规律正常工作,但高峰值雷电脉冲磁场会导致坡莫合金电阻内部磁畴排列紊乱而出现磁化,改变了传感器磁敏感度以及输出特性,且只出现在磁敏感方向上。     

同轴电缆连续波电磁辐照的终端负载响应

为了揭示设备互连电缆在连续波电磁辐照条件下的耦合响应规律,以典型射频同轴电缆为受试对象,将电缆终端连接的设备（系统）等效为负载,通过对其进行连续波电磁辐照效应试验研究,分析了受试电缆长度、终端负载状态等对同轴电缆终端负载响应规律的影响。结果表明:同轴电缆对电磁辐照响应具有选频特性,终端负载响应电压的峰值出现在电缆相对长度为1/2整数倍的频点;同轴电缆受到连续波电磁辐照后,感应皮电流通过转移阻抗转化为芯线与屏蔽层之间的差模感应电压,而这一感应电压源的内阻就是同轴电缆的特性阻抗;同轴电缆终端负载阻值的变化不会对其连续波辐照响应曲线的变化规律产生影响,终端负载与等效感应电压源内阻上的电压响应满足分压原理; 同轴电缆皮电流处于谐振状态时,两波节之间的分布感应电压同向,可等效为一个感应电压源,对同轴电缆终端负载响应起直接作用的电压源是最靠近终端负载的等效感应电压源。     

典型雷达装备带内连续波辐射效应试验研究

为掌握雷达装备在带内连续波辐射下的效应规律、揭示带内连续波对雷达的干扰作用机理,以某型频率步进雷达为受试对象,采用全电平辐照法对其进行电磁辐射效应试验研究。带内单频点电磁辐射效应试验结果表明,受试雷达在带内连续波辐射能量作用下,出现测距不准、目标回波电平受到压制等效应。测距误差随辐射干扰功率的增加不规则地变化,而目标回波电平随辐射功率的增加而逐渐减小。带内单频连续波辐射敏感度试验结果表明,受试雷达对带内电磁辐射能量非常敏感。在给定试验条件下,最小只需要0.32 V/m(频差为-0.1 GHz时)的辐射场强就能对受试雷达造成有效干扰。辐射频差超过±0.16 GHz后,临界干扰场强开始急剧增加,受试雷达的连续波电磁辐射效应表现出明显的选频特性。     

无人机数据链信道编码方法研究

信道编码是提高通信可靠性的重要途径,针对无人机数据链传输遥控/遥测指令时的高可靠性要求,研究了无人机数据链不同码率的卷积码、Turbo码和LDPC码三种信道编码方法,结合无人机信道的特点,仿真验证了无人机数据链的三种信道编码与解码方案;三种编码方式都带来了较大增益,其中LDPC码的性能略优于Turbo码,卷积码性能相比最差,但三种编码方式都可以使数据链的误码率达到了10-5以下,满足了无人机数据链高可靠性要求。     

高功率微波对毫米波引信耦合效应分析

针对高功率微波对毫米波引信的前门耦合效应问题,利用电磁仿真软件对某型毫米波调频连续波引信模型进行辐照试验,并与引信前端限幅电路结合进行联合仿真。在此基础上,继续设计正交试验,对信号参数影响水平进行分析。通过仿真试验发现,在高功率微波信号频率和引信工作频率对准的情况下,辐照场强峰值为60 kV/m时,天线末端耦合电压最大可达188 V;当辐照场强峰值为40 kV/m时,改变辐照信号特征参数,发现长脉宽信号更容易导致限幅器的热击穿效应;信号上升时间会影响天线末端耦合电压波形复杂程度,当信号峰值、脉宽一定时,上升时间为5 ns的输入信号导致的尖峰泄漏电压约为5.94 V,而当上升时间为0.1 ns时,尖峰泄漏电压为18.4 V,并且限幅电路更快达到饱和状态;通过正交试验发现,信号上升时间对尖峰泄漏峰值电压的影响最大,信号峰值对其的影响次之。     

连续波多普勒引信超宽谱高功率微波辐照效应试验

为客观评价超宽谱高功率微波对某型连续波多普勒引信的干扰能力,构建了引信辐照效应试验系统,并开展了辐照效应试验。试验结果表明:受试引信最强能量耦合姿态为引信竖直向上,弹体轴线与辐射场传播方向垂直,三角环天线平面垂直于辐射场传播方向;主要能量耦合通道为弹体;重复频率越高,发火电路端耦合电压越大,且同为82kV/m的辐照场强,单次、10Hz重频、20Hz重频和50Hz重频触发条件下耦合信号电压值分别约为66.5,69.4,71.5,74.6V;在157kV/m干扰场强范围内,超宽谱不会造成引信意外发火,但会影响引信检波电压和工作电流等性能参数。     

连续波多普勒引信雷电电磁脉冲辐照效应

为了研究雷电电磁脉冲场对连续波多普勒引信安全性能的影响,确定引信的能量耦合通道和效应规律,构建了引信雷电电磁脉冲辐照试验系统,并开展了该引信雷电电磁脉冲辐照效应试验。试验结果表明:受试引信最佳能量耦合姿态为引信竖直向上,弹体轴线与辐射场传播方向垂直,三角环天线平面垂直于辐射场传播方向;主要能量耦合通道为弹体;不同辐照波形下引信的临界干扰场强不同,在配用152 mm弹体时,1.2/50,5.4/70,0.25/100和10/350μs波形的临界干扰场强分别约为74,60,65和75kV/m。雷电电磁脉冲对受试引信的作用机理为:辐射能量通过弹体耦合到执行电路输入端,由于感应信号脉冲宽度满足触发脉冲宽度的最低要求,从而推动引信执行电路误动作。     

高功率电磁脉冲对无人飞行器的毁伤破坏

高功率电磁脉冲干扰甚至损毁无人飞行器是应对小型无人飞行器威胁的一种非常有效的办法,高功率电磁脉冲对无人机系统进行干扰和毁伤主要通过前门耦合和后门耦合的方式。完成了高功率电磁脉冲对无人飞行器的毁伤破坏实验,完成了无人机在电磁脉冲源毁伤作用下的目标易损性分析,根据毁伤效果将高频电磁脉冲对无人飞行器毁伤等级分为三级,即干扰级、毁伤级、失效级。分析了电磁脉冲作用的主要目标元件,结果表明,无人飞行器最有可能受干扰的部分为接收机和电子调速器。在相关研究和实际应用时,应着重研究电磁脉冲对无人飞行器的接收机和电子调速器的毁伤破坏,根据接收机和电子调速器内部的电路结构来确定毁伤最佳频率。     

雷电电磁脉冲对典型机载GPS模块的损伤效应研究

为研究雷电电磁脉冲对典型无人机机载GPS模块的损伤效应,通过仿真模拟和试验分析相结合的方法,获取了对GPS模块受雷电电磁脉冲暂态干扰与永久损伤过程的认识,并获得了相应端口的损伤阈值。基于对雷电流特性的分析结果,利用CST仿真模拟了雷击时,无人机内外产生的复杂电磁场环境和GPS模块线缆上耦合产生的感应电压。并对典型机载GPS模块的数据通讯端口进行了雷电脉冲注入试验。研究结果表明:随着雷电脉冲的不断增强,GPS输出波形受到削弱影响的程度不断加重,直至丧失位置信息传输能力并发生物理损伤。GPS数据输入端口的雷电脉冲损伤阈值为314.5 V,GPS数据输出端口的雷电脉冲损伤阈值为235.2 V。     

A survey on UAV placement optimization for UAV-assisted communication in 5G and beyond networks

With the increase in capacity demands and the requirement of ubiquitous coverage in the fifth generation and beyond wireless communications networks, unmanned aerial vehicles (UAVs) have acquired a great attention owing to their outstanding characteristics over traditional base stations and relays. UAVs can be deployed faster and with much lower expenditure than ground base stations. In addition, UAVs can enhance the network performance thanks to their strong line-of-sight link conditions with their associated users and their dynamic nature that adapts to varying network conditions. Optimization of the UAV 3D locations in a UAV-assisted wireless communication network was considered in a large body of research as it is a critical design issue that greatly affects communication performance. Although the topic of UAV placement optimization was considered in few surveys, these surveys reviewed only a small part of the growing literature. In addition, the surveys were brief and did not discuss many important design issues such as the objectives of the optimization problem, the adopted solution techniques, the air-to-ground channel models, the transmission media for access and backhaul links, the limited energy nature of the UAV on-board batteries, co-channel interference and spectrum sharing, the interference management, etc. Motivated by the importance of the topic of UAV placement optimization as well as the need for a detailed review of its recent literature, we survey 100 of the recent research papers and provide in-depth discussion to fill the gaps found in the previous survey papers. The considered research papers are summarized and categorized to highlight the differences in the deployment scenario and system model, the optimization objectives and parameters, the proposed solution techniques, and the decision-making strategies and many other points. We also point to some of the existing challenges and potential research directions that have been considered in the surveyed literature and that requires to be considered     

随机耦合模型复杂腔体电磁耦合效应统计特性

针对微波脉冲激励下复杂屏蔽腔体内部电路耦合电磁量计算的问题,建立了一个微波混沌腔体,通过测试获取了含内部电路的腔体辐射和辐射散射参数,利用随机耦合模型(RCM),对干扰脉冲能量进行了归一化处理,计算分析了微波脉冲宽度、脉冲间隔、脉冲数目以及腔体损耗因子对目标点感应电磁量统计分布的影响。计算结果表明:脉冲干扰下电路目标点耦合电磁量强于功率源激励;在脉冲能量一定的条件下,目标点耦合电磁量与微波脉冲的宽度、间隔和数目的变化均呈现一定的谐振特性,且单脉冲激励对电路的影响明显强于多脉冲。与此同时,实验还研究了电路易受电磁干扰的目标点的确定方法。     

UAV path design with connectivity constraint based on deep reinforcement learning

Cellular networks are expected to communicate effectively with unmanned aerial vehicles (UAVs) and support various applications. However, existing cellular networks are primarily designed to cover users on the ground; thus, coverage holes in the sky will exist. In this paper, we investigate the problem of path design for cellular-connected UAVs, taking into account the interruption performance throughout the UAV mission to minimize the completion time. Two types of connectivity constraints requirements are assumed to be available. The first is defined as the maximum continuous time interval that the UAV loses connection with base stations (BSs) below a predefined threshold. For the second, we consider the sum outage of UAV is limited during the entire UAV mission. The UAV is tasked with flying from a starting location to a final destination while minimization the mission time, satisfying the two constraints, separately. The formulated path design problem which involves continues variables and a dynamic radio environment, is not convex and thus is extremely difficult to solve directly. To tackle this challenge, a deep reinforcement learning (DRL) based trajectory design algorithm is proposed, where the Dueling Double Deep Q Network(Dueling DDQN) with multi-steps learning method is applied. Simulation results demonstrate the effectiveness of the proposed DRL algorithm and achieve a trade-off between the trajectory length of the UAV and connection quality.     

无人机外壳屏蔽效能测试方法

为研究无人机壳体的屏蔽效能,基于数值仿真软件CST建立了无人机外壳的计算模型,分析了电磁波辐照方向、极化方式对无人机壳体内部电磁场分布的影响,得到了无人机壳体的屏蔽效能随壳体材料电磁参数的变化规律。提出了使用频率搅拌混响室测试无人机外壳屏蔽效能的方法,给出了测试流程,构建了测试系统,验证了该方法的有效性。结果表明:混响室频率搅拌方式能够在无人机壳体内部得到统计均匀的电磁场,在1~10 GHz频段壳体屏蔽效能在8~10 dB,不同测量位置得到的屏蔽效能测试结果偏差小于3 dB的概率为94%。