一种复杂电磁干扰环境下数据链路仿真方法与流程

本发明属于计算机仿真与无人机通信抗干扰评估领域，具体是一种复杂电磁干扰环境下数据链路仿真方法。

背景技术：

1、无人机数据链路是无人机与地面控制站之间进行遥控指令传输和遥测数据回传的核心通信通道，其可靠性直接决定无人机的飞行安全与任务执行能力。在复杂电磁干扰环境下，数据链路可能面临来自多个干扰源的多种样式干扰，包括宽带噪声压制式干扰、扫频式干扰和欺骗式干扰，这些干扰信号经过空间传播后与有用信号在无人机接收端混叠，严重影响链路的通信质量。

2、真实飞行测试是评估数据链路抗干扰性能的直接手段，但存在测试成本高、试验风险大、电磁环境不可复现等局限性。计算机仿真方法能够在虚拟环境中模拟数据链路在各种电磁干扰条件下的工作状态，具有成本低、可重复、参数可控的优点，已成为抗干扰评估的重要工具。

3、构建高精度的无人机数据链路仿真方法需要解决三个关键技术环节。一是如何对多个干扰源与有用信号共同经历的空间传播信道进行统一建模，以准确反映干扰信号受多径、多普勒效应和天线方向图调制的影响。二是如何从复杂的信道响应中快速准确地计算链路误包率等性能指标，建立干扰作用与链路质量之间的量化映射关系。三是如何在仿真中模拟无人机在链路质量劣化后的策略性行为响应，以再现真实对抗场景中干扰效果与平台行为之间的动态耦合关系。

4、现有技术中存在以下问题：

5、在现有仿真方法中，空间几何参数的计算通常采用预设的固定位置点或简化的运动模型，未考虑无人机和干扰源在实际运动过程中空间位置的动态连续变化，导致仿真时刻的空间几何关系与实际飞行状态存在偏差；

6、传统仿真方法将通信信道冲击响应和干扰信道冲击响应分别独立生成后简单叠加，未能将全部干扰信道冲击响应在时延域对齐至统一时间基准后再进行叠加；由于各干扰源与地面控制站的空间位置不同，各干扰信号到达无人机接收端的时延存在差异，未对齐直接叠加会导致信干信道冲击响应矩阵中各干扰成分的时延关系失真，无法准确反映干扰信号在时延多普勒平面上的真实能量分布；

7、现有仿真方法通常基于信干噪比门限进行误包率估计，或通过大量波形级蒙特卡洛仿真获取统计误包率；信干噪比门限法无法反映干扰信号在时延多普勒平面上的精细结构与接收机解调过程的相互作用，评估精度低；蒙特卡洛仿真计算量大，难以满足动态仿真对实时性的要求；现有方法缺少从物理信道响应到链路误包率的解析映射手段；

8、现有仿真方法中无人机航迹通常预先固化或按脚本执行，不模拟链路质量恶化时无人机依据自身保护逻辑做出的自主行为调整，导致仿真结果无法反映真实对抗中干扰作用、性能劣化与平台行为响应之间的动态因果链。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一；为此，本发明提出了一种复杂电磁干扰环境下数据链路仿真方法，用于解决上述的技术问题。

2、本发明的第一方面提供了一种复杂电磁干扰环境下数据链路仿真方法，包括以下步骤：

3、s1：配置无人机数据链路仿真的初始参数，初始参数为无人机的预设航路点序列与姿态参数、无人机机载数据链路终端的天线方向图参数、地面控制站的位置与天线方向图参数、至少两个干扰源的预设运动路径及其天线方向图参数与干扰样式、数据链路所采用的调制方式、无人机行为策略模型，以及预设的仿真总时长与时间步进间隔；

4、s2：启动所述无人机数据链路仿真的时间步进循环，在每一个仿真时刻，基于所述无人机的预设航路点序列、所述地面控制站的位置、所述干扰源的预设运动路径，计算出所述地面控制站至所述无人机的视线距离与到达角、各所述干扰源至所述无人机的视线距离与到达角，以及各链路相对径向速度，作为空间几何参数；

5、s3：基于所述空间几何参数、所述无人机机载数据链路终端的天线方向图参数、所述地面控制站的天线方向图参数与各所述干扰源的天线方向图参数，采用自由空间传播模型与统计多径模型相结合的方法，生成所述地面控制站至所述无人机的通信信道冲击响应与每一个所述干扰源至所述无人机的干扰信道冲击响应，将全部干扰信道冲击响应在时延域对齐后与通信信道冲击响应叠加，形成信干信道冲击响应矩阵；

6、s4：对所述信干信道冲击响应矩阵中的干扰成分进行时频变换，得到能量分布密度；将所述数据链路所采用的调制方式产生的发送符号序列中每一个发送符号的时延多普勒分辨特性函数，与所述通信信道冲击响应经傅里叶变换得到的通信信道散射函数进行卷积，得到信号可分离度函数；将能量分布密度与信号可分离度函数在每一个发送符号的时频区域内进行积分卷积，将全部发送符号的积分结果连乘，得到当前仿真时刻所述无人机数据链路的误包率；

7、s5：将所述误包率与预设的第一误包率阈值和预设的第二误包率阈值进行比较；当所述误包率超过第一误包率阈值时，触发所述无人机行为策略模型模拟链路丢失保护行为与强制返航行为，当所述误包率超过第二误包率阈值时，触发所述无人机行为策略模型模拟任务载荷自适应行为，根据所模拟的行为更新所述无人机的空间位置与姿态参数。

8、优选的，所述s1中，所述干扰源的干扰样式包括宽带噪声压制式干扰、扫频式干扰和欺骗式干扰；其中，宽带噪声压制式干扰的配置参数包括噪声带宽和功率谱密度；扫频式干扰的配置参数包括扫频起始频率、扫频终止频率、扫频周期和扫频方式；欺骗式干扰采用与所述数据链路相同的调制方式，其配置参数包括同步参数和欺骗数据内容；

9、无人机行为策略模型以条件动作对的形式存储行为规则，其中，条件由误包率阈值和持续时间构成，动作由飞控指令和任务载荷指令构成。

10、优选的，所述s2，包括以下步骤：

11、根据所述无人机的预设航路点序列，通过插值计算得到当前仿真时刻所述无人机的空间位置；根据所述干扰源的预设运动路径，通过插值计算得到当前仿真时刻各所述干扰源的空间位置；

12、到达角包括方位角和俯仰角；其中，方位角以正北方向为零度基准，顺时针方向计量；俯仰角以当地水平面为零度基准，向上为正；

13、所述各链路相对径向速度，为所述无人机的速度矢量与对应链路另一端的速度矢量之差在两者视线方向上的投影，相对距离减小时相对径向速度为正，相对距离增大时相对径向速度为负。

14、优选的，所述s3中，所述生成所述地面控制站至所述无人机的通信信道冲击响应与每一个所述干扰源至所述无人机的干扰信道冲击响应，包括以下步骤：

15、基于所述地面控制站至所述无人机的视线距离与到达角，根据所述视线距离计算自由空间路径损耗；同时根据所述到达角查询所述无人机机载数据链路终端的天线方向图参数和所述地面控制站的天线方向图参数，获取接收天线增益和发送天线增益；基于自由空间路径损耗、发送天线增益和接收天线增益，形成通信视线路径分量；

16、基于各所述干扰源至所述无人机的视线距离与到达角，根据所述视线距离计算自由空间路径损耗；同时根据所述到达角查询所述无人机机载数据链路终端的天线方向图参数和该干扰源的天线方向图参数，获取接收天线增益和发送天线增益；基于自由空间路径损耗、发送天线增益和接收天线增益，形成干扰视线路径分量；

17、在通信视线路径分量以及干扰视线路径分量之外，根据预设的多径信道模型生成多径分量；

18、对于通信视线路径分量、干扰视线路径分量和多径分量中的每一径分量，根据所述空间几何参数中对应链路的相对径向速度计算多普勒频移，作为该径分量的多普勒频移；

19、将通信视线路径分量及其多径分量在时延域排列，形成通信信道冲击响应；将干扰视线路径分量及其多径分量在时延域排列，形成干扰信道冲击响应。

20、优选的，所述s3中，所述将全部干扰信道冲击响应在时延域对齐后与通信信道冲击响应叠加，形成信干信道冲击响应矩阵，包括以下步骤：

21、将全部所述干扰信道冲击响应的时延零点统一至所述地面控制站发射信号的起始时刻，完成时延域对齐；

22、在对齐后的每一个时延抽头位置，将所述通信信道冲击响应在该时延抽头的复数值与各所述干扰信道冲击响应在该时延抽头的复数值相加，得到该时延抽头的叠加复数值；

23、将全部时延抽头的叠加复数值排列，构成信干信道冲击响应矩阵。

24、优选的，所述s4中，所述信号可分离度函数的公式为：

25、

26、其中，τ和v为信号可分离度函数的自变量，分别表示时延和多普勒频率，和为τ和v的积分变量；为所述发送符号的时延多普勒分辨特性函数在积分位置处的值，为通信信道散射函数在积分位置处的值，t为当前仿真时刻。

27、优选的，所述s4中，所述当前仿真时刻所述无人机数据链路的误包率per(t)，包括以下步骤：

28、

29、其中，为所述能量分布密度，为第m个发送符号在时延多普勒平面上的检测区域，m为发送符号总数。

30、优选的，所述s5，包括以下步骤：

31、当所述误包率超过第一误包率阈值时，触发链路丢失保护行为；链路丢失保护行为包括放弃当前航路点任务、以当前空间位置为中心沿预设盘旋路径飞行，并启动链路丢失计时器；

32、在链路丢失计时器达到预设的最大容忍时长之前，若所述误包率回落至第一误包率阈值以下，则解除链路丢失保护行为并恢复执行所述预设航路点序列中的后续航路点任务；若链路丢失计时器达到最大容忍时长时所述误包率仍未回落至第一误包率阈值以下，则触发强制返航行为，强制返航行为包括沿预设返航路径飞向预设返航点；

33、当所述误包率超过第二误包率阈值时，触发任务载荷自适应行为；任务载荷自适应行为包括将视频编码码率降低至预设的低码率档位的方式，以及将通信模式切换至预设的抗干扰通信模式的方式；

34、当所述误包率回落至第二误包率阈值以下并持续预设的恢复时长后，解除任务载荷自适应行为并恢复至正常码率以及正常通信模式。

35、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

36、本发明通过基于预设航路点序列和预设运动路径的插值计算，在每个仿真时刻根据时间区间查找和线性插值动态计算无人机和各干扰源的空间位置，同时计算视线距离、方位角、俯仰角和相对径向速度作为空间几何参数，保证了仿真过程中空间几何关系的动态连续性和计算精度；

37、本发明通过时延域对齐操作，将全部干扰信道冲击响应的时延零点统一至地面控制站发射信号的起始时刻，各干扰源根据其与地面控制站至无人机视线距离的差值计算时延偏移量并平移对齐，对齐后与通信信道冲击响应在每个时延抽头位置进行复数叠加，形成物理上统一的信干信道冲击响应矩阵，保证了干扰成分在时延多普勒平面上能量分布的真实性；

38、本发明通过以发送符号的时延多普勒分辨特性函数与通信信道散射函数进行二维卷积构造信号可分离度函数，再将能量分布密度与信号可分离度函数在每个发送符号的检测区域内进行积分卷积并连乘，以解析方式直接计算误包率，无需逐波形仿真，实现了从物理信道响应到链路误包率的快速精确映射；

39、本发明通过将误包率与预设的第一误包率阈值和第二误包率阈值进行比较，当超过第一误包率阈值时触发链路丢失保护行为与强制返航行为，当超过第二误包率阈值时触发任务载荷自适应行为，根据所模拟的行为更新无人机的空间位置与姿态参数并反馈至下一仿真时刻，实现了干扰作用、性能劣化与平台行为响应之间的动态闭环仿真。