数学建模 河北杯 无人机侦听与反制问题问题2.1:在已知周期和跳频频率大小的情况下的解决思路

本文详细阐述了在已知和未知无人机飞控信号跳频周期的情况下,如何利用干扰机进行无人机信号的反制。通过调整干扰机的采样频率和频率,成功捕获无人机的飞控信号,并迫使无人机发出SOS信号进行降落。实验结果显示,提高干扰机的调频频率能显著缩短反制时间。

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4.1解题思路
4.1.1若已知周期和跳频频率大小

若干扰机已知无人机飞控信号跳频频率以及跳频周期,但不知具体跳频图样,迫降旋翼无人机的方法为:设置干扰机采样频率及最大采样时间,在干扰时间内通过调整干扰机频率来寻找无人机飞控跳频频率,干扰机干扰信号功率与噪声功率 的比值高于门限 (约为 5 dB)时,无人机发出 NACK(重传请求)信号,即无人机受到干扰,此时干扰机干扰频率即为无人机的飞控频率。这样便可设置下一个周期的此时间点也为该频率,即f(i+T)=f(i)。若保持对一个周期内的飞控信号的跳频时刻对其干扰,无人机即发出SOS信号并自行降落,此时对无人机反制成功。
即以下流程图所示:
图表 4.1已知周期和跳频频率的情况下,推测飞控信号跳频图样流程图
图表 4.1已知周期和跳频频率的情况下,推测飞控信号跳频图样流程图

4.1.2若仅知道跳频时飞控信号频率是不变的

若干扰机未知无人机飞控信号跳频周期,仅知道每个跳频时刻飞控信号只在一个频率传输,设置干扰机采样/跳频频率及可调频率频宽,当无人机发出NACK(重传信号)时,记录下当前干扰信号频率 ,保持干扰机干扰信号频率 不变。当不能捕获到NACK信号的时候,记录上一个采样点,即最后一点能够接收到NACK信号的时刻为 ,同样保持干扰机干扰信号频率不变,当干扰机接收到下一次NACK(重传信号)的结束时候记录,此时记为 ,此时取t_n-t_m-1为模拟的跳频周期。此时,通过前述问题的求解方法即可求得在一个周期内飞控信号并对无人机进行成功反制。
其中,周期的推定如以下流程图所示:
图表 4.2 在未知周期仅知道跳频时保持同一个频率的情况下,获取周期的流程图

图表 4.2 在未知周期仅知道跳频时保持同一个频率的情况下,获取周期的流程图

在推算出飞控信号跳频周期之后,便可用4.1.1的思路继续,至于干扰机的可调频频宽,设置为数倍的无人机飞控信号频宽即可。

4.2模型构建
4.2.1 已知调频周期

由于干扰机开始干扰无人机时的时间节点是未知的,即并不能知道无人机是哪一个时刻进入干扰机的干扰范围的,因此对无人机的飞控信号的开始干扰的时候的时刻是未知的。因此需要在时间上加上一个随机的相位差来实现。
首先定义相关变量及参数:一个周期内无人机的飞控信号频率raw=[5,1,4,2,3,6],通过在t时刻加上一个随机数phase来实现无人机飞控信号相位差,定义无人机每秒钟跳频频率freq=217,飞控信号一个周期内跳频次数num=6,设置干扰机调频/采样频率samp_freq=1000,干扰机最大采样时间samp_t=100,最大采样次数max=samp_freq*samp_t,干扰机信号频率矩阵f_simu=zeros(max,1),设置无人机飞控信号频率矩阵f_real=zeros(max,1),一个飞控信号周期的采样次数T=⌊num*samp_freq/freq⌋,一次跳频区间的采样次数T0=⌊samp_freq/freq⌋,初始化发出NACK信号次数nack_count=0,初始化NACK信号的位置nack_index=1,初始化发出NACK信号时的频率nack_freq=0
构造发出NACK信号的函数,发出SOS信号的函数以及能够返回实时的飞控信号频率的函数。
编写程序,设置干扰机调频/采样频率samp_freq=1000,结果如下图所示:
图表 4.3周期已知的情况下,干扰机跳频/采样频率为1000时,无人机发出SOS时的哪一个周期的图样

图表 4.3周期已知的情况下,干扰机跳频/采样频率为1000时,无人机发出SOS时的哪一个周期的图样

反制成功所花费的时间为:0.138秒。

调整参数,设置干扰机调频/采样频率samp_freq=2000,仿真结果如下图所示:
图表 4.4 周期已知的情况下,干扰机跳频/采样频率为2000时,无人机发出SOS时的哪一个周期的图样

图表 4.4 周期已知的情况下,干扰机跳频/采样频率为2000时,无人机发出SOS时的哪一个周期的图样

此参数下,反制成功所花费的时间为:0.029(s)。可以看出来明显短了很多。

将两种参数,各仿真20次,取平均值,表格如下所示:
调频频率 1000 2000

调频频率10002000
10.0640.027
20.1380.0255
30.0590.0235
40.1110.0275
50.0720.028
60.0860.0285
70.0850.0275
80.0720.028
90.0780.024
100.1230.0295
110.0550.0295
120.0880.0285
130.0730.0245
140.0940.025
150.0820.03
160.0660.031
170.0790.0285
180.0780.032
190.0770.0285
200.0490.03
平均时间0.081450.027825

图表 4.5 仿真20次的反制无人机所花时间表以及平均时间
可以发现,平均时间而言,干扰器调频频率越大,则反制时间越短,即收敛越快。
代码在此:
https://github.com/jaykwok/HeBeiCup2020-F
链接:https://pan.baidu.com/s/17pJYwRs5Um5BzDM7uDruHw
提取码:2333

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