一、引言

1.1 研究背景與意義

隨著科技的飛速發展，小型無人機憑借其體積小巧、操作靈活、成本較低等顯著優勢，在軍事、民用等領域得到了廣泛的應用。在軍事領域，小型無人機可執行偵察、監視、目標定位、火力引導等任務，為作戰決策提供重要情報支持，提升作戰效能。例如在局部沖突中，小型無人機能夠深入敵方陣地，獲取實時的戰場態勢信息，為己方部隊的行動提供精準的目標指引。在民用領域，小型無人機在物流配送、農業植保、測繪航拍、應急救援等方面發揮著越來越重要的作用。在物流配送中，小型無人機可以實現“最后一公里” 的快速投遞，提高配送效率；在農業植保中，無人機能夠高效地完成農藥噴灑和農田監測任務，節省人力成本并提高作業精度；在測繪航拍中，無人機可以獲取高分辨率的影像資料，為城市規劃、地理信息測繪等提供數據支持；在應急救援中，無人機能夠快速抵達受災現場，進行災情偵察和物資投遞，為救援工作爭取寶貴時間。

然而，小型無人機的廣泛應用也帶來了一系列問題，其中通信鏈路面臨的掃頻噪聲干擾問題尤為突出。在復雜的電磁環境中，小型無人機的通信鏈路極易受到各種干擾源的影響，掃頻噪聲干擾便是其中一種具有較強破壞力的干擾形式。掃頻噪聲干擾是指干擾信號的頻率在一定范圍內按照特定規律進行掃描變化，其能量分布在較寬的頻帶內。這種干擾方式能夠有效地覆蓋無人機通信鏈路所使用的頻段，對通信信號產生嚴重的干擾，導致通信質量下降，甚至通信中斷。當小型無人機在城市環境中執行任務時，周圍存在大量的通信基站、無線設備以及其他電子設備，這些設備產生的電磁信號相互交織，形成復雜的電磁環境。掃頻噪聲干擾可能來自惡意的電子對抗設備，也可能是由于其他無意的電磁干擾源產生。在軍事對抗中，敵方可能會故意發射掃頻噪聲干擾信號，破壞我方小型無人機的通信鏈路，使其失去控制，從而無法完成偵察、攻擊等任務，影響作戰計劃的順利實施。在民用領域，掃頻噪聲干擾也可能導致無人機在物流配送過程中丟失包裹、在農業植保中出現作業失誤、在測繪航拍中獲取的數據不準確等問題，給相關行業帶來經濟損失和安全隱患。

因此，研究小型無人機通信鏈路應對掃頻噪聲干擾的抗干擾策略具有重要的現實意義。從軍事角度來看，有效的抗干擾策略能夠確保小型無人機在復雜的戰場電磁環境中穩定可靠地通信，提高其戰場生存能力和作戰效能，為作戰勝利提供有力支持。在現代戰爭中，制電磁權已成為決定戰爭勝負的關鍵因素之一，小型無人機作為信息化作戰的重要裝備，其通信鏈路的抗干擾能力直接關系到作戰部隊的信息獲取和指揮控制能力。從民用角度來看，抗干擾策略的研究有助于推動小型無人機在各個領域的更廣泛應用，提高其應用的安全性和可靠性。隨著小型無人機在民用領域的應用越來越普及，人們對其通信穩定性和可靠性的要求也越來越高。通過研究抗干擾策略，可以降低掃頻噪聲干擾對無人機通信的影響，減少事故發生的概率，保障人員和財產的安全，促進相關產業的健康發展。

1.2 國外研究現狀

在小型無人機通信鏈路研究方面，國內外學者和研究機構都取得了一定的成果。國內的一些科研團隊針對無人機通信鏈路的特點，深入研究了通信協議的優化、信號傳輸的穩定性以及多鏈路融合技術等方面。有研究團隊通過改進通信協議，提高了數據傳輸的效率和可靠性，降低了通信延遲。在信號傳輸穩定性方面，采用了自適應調制解調技術，根據信道質量動態調整調制方式和編碼速率，以適應復雜的電磁環境。多鏈路融合技術則是將不同頻段、不同類型的通信鏈路進行整合，實現了通信鏈路的冗余備份和帶寬擴展，提高了通信的可靠性和抗干擾能力。在物流配送無人機中，通過多鏈路融合技術，可確保在城市復雜電磁環境下也能穩定傳輸數據，避免因信號中斷而導致配送失誤。

國外在小型無人機通信鏈路研究方面也有很多進展，尤其是在通信技術的創新應用和通信系統的集成優化方面。美國的一些研究機構將軟件定義無線電（SDR）技術應用于無人機通信鏈路，實現了通信系統的靈活配置和功能擴展，能夠根據不同的任務需求和電磁環境快速調整通信參數。歐洲的一些研究團隊則注重通信系統的集成優化，通過對通信硬件、軟件和算法的協同設計，提高了通信系統的整體性能和可靠性。將先進的天線技術與高效的信號處理算法相結合，提升了信號的接收靈敏度和抗干擾能力。

現有的抗干擾策略大多是針對單一干擾場景或特定干擾類型設計的，缺乏對復雜多變電磁環境中多種干擾并存情況的綜合考慮。在實際應用中，小型無人機可能同時面臨掃頻噪聲干擾、窄帶干擾、多徑干擾等多種干擾，現有的抗干擾策略難以有效應對這種復雜的干擾環境，導致通信鏈路的可靠性和穩定性受到嚴重影響。對小型無人機通信鏈路在掃頻噪聲干擾下的性能評估還不夠全面和準確，現有的評估指標和方法不能充分反映通信鏈路在實際干擾環境中的真實性能。目前的評估指標主要側重于通信誤碼率、信號強度等傳統指標，而對于通信延遲、數據丟失率、通信中斷時間等影響無人機實際應用的關鍵指標關注不夠，無法為抗干擾策略的優化和改進提供準確的依據。此外，在抗干擾技術的工程實現方面，還存在一些技術難題和成本問題需要解決。一些先進的抗干擾技術雖然在理論上具有良好的性能，但由于實現復雜度高、成本昂貴，難以在小型無人機上廣泛應用，限制了抗干擾技術的實際推廣和應用效果。

1.3 研究目標與方法

本研究旨在深入剖析小型無人機通信鏈路遭受掃頻噪聲干擾的內在機理，精準評估干擾對通信性能的影響程度，并在此基礎上提出一系列行之有效、針對性強的抗干擾策略，以顯著提升小型無人機通信鏈路在掃頻噪聲干擾環境下的可靠性和穩定性。通過對掃頻噪聲干擾的特性、產生機制以及與無人機通信鏈路相互作用的原理進行深入研究，揭示干擾對通信信號傳輸、數據完整性和通信連續性的影響規律，為后續抗干擾策略的制定提供堅實的理論基礎。從通信協議、信號處理、硬件設計等多個層面出發，探索并提出創新的抗干擾技術和方法，結合小型無人機的實際應用場景和需求，優化抗干擾策略，確保其在復雜電磁環境下能夠有效抵御掃頻噪聲干擾，保障通信鏈路的穩定運行。

為了實現上述研究目標，本研究將綜合運用理論分析、仿真實驗和實際測試相結合的研究方法。在理論分析方面，深入研究掃頻噪聲干擾的數學模型和特性，建立小型無人機通信鏈路的信號傳輸模型，運用通信理論、信號處理理論等相關知識，分析掃頻噪聲干擾對通信鏈路的影響機制，為抗干擾策略的設計提供理論依據。在仿真實驗方面，利用專業的通信仿真軟件，搭建小型無人機通信鏈路和掃頻噪聲干擾的仿真平臺，模擬不同強度、不同頻率特性的掃頻噪聲干擾環境，對提出的抗干擾策略進行仿真驗證，通過對比分析不同策略下通信鏈路的性能指標，如誤碼率、信噪比、通信中斷概率等，評估抗干擾策略的有效性和優越性，優化策略參數，提高抗干擾性能。在實際測試方面，搭建實際的小型無人機通信實驗系統，在實驗室環境和實際應用場景中，引入掃頻噪聲干擾源，對小型無人機通信鏈路的抗干擾性能進行實地測試，驗證仿真結果的可靠性，進一步改進和完善抗干擾策略，確保其在實際應用中的可行性和有效性。

二、小型無人機通信鏈路與掃頻噪聲干擾概述2.1 小型無人機通信鏈路2.1.1 通信鏈路組成與工作原理

小型無人機通信鏈路主要由機載通信設備、地面通信設備以及無線信道三部分組成。機載通信設備通常包括無線通信模塊、數傳電臺、高清圖傳模塊、衛星導航系統和多頻段天線系統等。無線通信模塊負責接收地面遙控指令，數傳電臺用于傳輸飛行狀態、傳感器數據等遙測信息，高清圖傳模塊實現實時視頻傳輸，衛星導航系統提供定位信息，多頻段天線系統則負責信號的發射和接收。地面通信設備包括地面數據終端、天線以及相關的控制和處理設備，用于與機載通信設備進行數據交互和對無人機的遠程控制。

小型無人機通信鏈路的工作原理是基于無線信號傳輸。無人機將采集到的各種信息，如飛行姿態、位置、圖像等，通過機載通信設備轉換為高頻電磁波信號，然后通過天線發射出去。這些信號在無線信道中傳播，受到各種因素的影響，如地形、地物、大氣環境以及電磁干擾等。地面通信設備通過接收天線捕獲這些信號，并進行解調、解碼等處理，將其還原為原始的信息，供操作人員進行監控和決策。反之，操作人員通過地面通信設備發送控制指令，這些指令同樣以無線信號的形式傳輸到無人機，無人機接收到指令后進行相應的動作執行。

不同類型的通信鏈路在小型無人機系統中具有不同的特點和作用。控制鏈路主要負責傳輸地面控制站對無人機的飛行控制指令，如起飛、降落、懸停、航線規劃等，對實時性和可靠性要求極高，一旦控制鏈路出現故障，無人機可能會失去控制，導致嚴重的后果。數傳鏈路用于傳輸無人機的飛行狀態、傳感器數據等遙測信息，使地面控制站能夠實時了解無人機的工作狀態，為操作人員提供決策依據，對數據傳輸的準確性和穩定性有較高要求。圖傳鏈路則主要用于傳輸無人機拍攝的實時視頻圖像，廣泛應用于航拍、偵察等任務中，對數據傳輸的帶寬和低延遲性要求較高，以保證圖像的清晰和流暢。

2.1.2 常見通信頻段與協議

小型無人機常用的通信頻段有 2.4GHz ISM 頻段、5.8GHz 頻段和 900MHz 頻段等。2.4GHz ISM 頻段具有較高的傳輸速率和較強的抗干擾能力，能夠支持較多的信道，可同時容納多個設備進行通信而互不干擾 ，信號波長較短，繞射能力相對較弱，但在視距范圍內的傳輸效果較好，因此是目前無人機遙控器和接收機最常用的工作頻率之一，廣泛應用于各種類型的民用無人機，如航拍無人機、競技無人機等。5.8GHz 頻段的傳輸速率更高，可支持更清晰、更流暢的圖像傳輸和更復雜的數據交互，但信號的傳播損耗較大，穿透能力相對較弱，對傳輸距離和環境要求較高，常用于需要高速數據傳輸和高清圖像實時回傳的無人機，如專業影視拍攝無人機，在一些無人機競速比賽中也有應用。900MHz 頻段的信號波長較長，繞射能力強，傳播損耗相對較小，能夠實現較遠的傳輸距離，但傳輸速率相對較低，可利用的帶寬有限，適用于對傳輸距離要求較高、對數據傳輸速率要求不特別高的無人機，如一些用于農業植保、測繪的無人機。

在通信協議方面，常見的有 PPM 協議、SBUS 協議和 CRSF 協議等。PPM 協議將多個通道的控制信號按照一定的時間順序和編碼方式，組合成一個脈沖序列信號進行傳輸，每個通道的控制信息通過脈沖的寬度或位置來表示。該協議簡單，實現成本低，但傳輸的通道數有限，抗干擾能力相對較弱，精度也相對較低，常見于一些簡單的玩具無人機或對控制精度要求不高的小型無人機。SBUS 協議采用 11 位數據位和 2 位停止位的串口通信格式，以特定的波特率進行數據傳輸，能夠將多個通道的控制信息打包成一個串行數據流進行發送。它可傳輸多個通道的控制信息，傳輸速率較高，抗干擾能力較強，具有一定的錯誤檢測和糾正功能，廣泛應用于中高端無人機，能夠滿足多通道、高精度的控制需求，如專業航拍無人機、工業巡檢無人機等。CRSF 協議是一種開源的高速串行通信協議，基于 SPI 接口進行數據傳輸，采用了高效的數據編碼和傳輸方式，能夠快速、準確地傳輸遙控器的控制指令和接收機的反饋信息。該協議具有高速、高效、靈活的特點，支持多種設備之間的通信，可擴展性強，能夠實現雙向數據傳輸，方便進行設備間的交互和配置，在一些開源無人機項目和穿越機等對實時性和靈活性要求較高的無人機中應用較為廣泛。

2.2 掃頻噪聲干擾2.2.1 干擾產生機制

掃頻噪聲干擾的產生基于特定的電子設備和信號生成原理。常見的干擾源包括專門設計的電子對抗設備、一些大功率的通信發射裝置以及工業生產中的某些電磁設備等。電子對抗設備通常利用信號發生器產生噪聲信號，再通過頻率控制電路使其頻率在一定范圍內按照特定規律進行掃描變化，從而形成掃頻噪聲干擾信號。這種干擾信號的產生過程涉及到多個關鍵技術環節。在信號發生器部分，通過噪聲產生電路生成具有一定頻譜特性的噪聲信號，該噪聲信號的功率譜密度相對均勻地分布在一定的頻率范圍內。然后，頻率控制電路依據預先設定的掃頻模式，如線性掃頻、對數掃頻或隨機掃頻等，對噪聲信號的頻率進行精確控制，使其在指定的頻率區間內以特定的速率進行掃描。在線性掃頻模式下，干擾信號的頻率隨時間呈線性變化，即頻率變化率保持恒定；在對數掃頻模式下，頻率以對數規律變化，能夠在較寬的頻率范圍內快速覆蓋；隨機掃頻模式則是頻率在一定范圍內隨機跳躍，增加了干擾的隨機性和不可預測性。通過功率放大器將掃頻噪聲信號放大到足夠的功率水平，以便在發射后能夠對目標通信鏈路產生有效的干擾。

2.2.2 干擾特性分析

掃頻噪聲干擾具有一系列獨特的特性，這些特性對小型無人機通信鏈路有著重要的影響。其頻率范圍較為廣泛，通常能夠覆蓋小型無人機常用的通信頻段，如 2.4GHz、5.8GHz 等。這意味著干擾信號可以在無人機通信信號的工作頻帶內產生作用，對通信信號造成嚴重的干擾。干擾信號的功率分布也是一個關鍵特性，它決定了干擾的強度和效果。一般來說，掃頻噪聲干擾的功率在其掃頻范圍內并非均勻分布，可能會在某些頻率點或頻率段上出現功率峰值，這些峰值區域對通信鏈路的影響更為嚴重，容易導致通信信號的失真、誤碼率增加甚至通信中斷。

掃頻速度是掃頻噪聲干擾的另一個重要特性。掃頻速度指的是干擾信號頻率在掃頻范圍內變化的快慢程度，通常用頻率變化率來表示。不同的掃頻速度會對通信鏈路產生不同的影響。當掃頻速度較慢時，通信鏈路有相對較長的時間來適應干擾信號的變化，可能會通過一些自適應的抗干擾措施來減輕干擾的影響。但如果掃頻速度過快，通信鏈路可能來不及做出有效的響應，導致通信質量急劇下降。例如，在一些高速掃頻噪聲干擾的情況下，通信信號可能會被快速變化的干擾信號完全淹沒，使得接收機無法正確解調信號，從而造成通信中斷。此外，掃頻噪聲干擾還可能具有一定的隨機性和周期性。隨機性使得干擾信號的出現更加難以預測，增加了抗干擾的難度；周期性則可能導致通信鏈路在特定的時間間隔內反復受到干擾，對通信的穩定性產生持續的影響。

2.2.3 對小型無人機通信鏈路的影響

掃頻噪聲干擾對小型無人機通信鏈路會產生諸多嚴重的問題，直接影響無人機的正常運行和任務執行。干擾可能導致通信中斷，當干擾信號的強度足夠大且頻率與通信信號重疊時，通信鏈路中的信號會被干擾信號淹沒，使無人機與地面控制站之間的通信連接突然中斷。在一次無人機的測繪任務中，由于受到附近電子對抗設備發射的掃頻噪聲干擾，無人機與地面控制站的通信在幾分鐘內完全中斷，無人機失去了控制，無法按照預定的航線進行飛行，最終導致測繪任務失敗，并且無人機在失控狀態下存在墜毀的風險。

干擾還會導致數據傳輸錯誤。掃頻噪聲干擾會使通信信號產生失真，接收機在解調信號時會出現誤碼，從而導致傳輸的數據出現錯誤。在無人機傳輸飛行狀態數據和圖像數據時，誤碼可能會使飛行參數出現偏差，影響操作人員對無人機狀態的準確判斷；圖像數據中的誤碼則會導致圖像出現模糊、花屏等問題，降低圖像的質量和可用性，無法為后續的分析和決策提供準確的信息。此外，控制指令丟失也是掃頻噪聲干擾常見的影響之一。地面控制站發送給無人機的控制指令在傳輸過程中可能會受到干擾而丟失，無人機無法接收到正確的控制指令，就無法執行相應的動作，如改變飛行姿態、調整飛行速度等，嚴重影響無人機的操控性能和任務執行能力。在軍事應用中，控制指令丟失可能導致無人機無法及時對戰場情況做出響應，錯過最佳的作戰時機，甚至可能被敵方利用，造成嚴重的后果。

三、現有抗干擾技術分析3.1 擴頻技術3.1.1 直接序列擴頻（DSSS）3.1.2 跳頻擴頻（FHSS）

3.2 自適應天線技術

3.2.1 自適應陣處理原理

3.2.2 算法與實現方式

3.3 編碼與交織技術

3.3.1 前向糾錯編碼（FEC）

3.3.2 交織技術

3.4 現有技術在應對掃頻噪聲干擾時的局限性

四、新型抗干擾策略研究

4.1 基于機器學習的干擾識別與自適應抗干擾策略4.1.1 干擾識別模型構建

4.1.2 自適應抗干擾策略實施

4.2 多鏈路協同抗干擾策略

4.2.1 多鏈路通信系統架構設計

4.2.2 鏈路切換與數據融合機制

4.3 智能功率控制抗干擾策略

4.3.1 功率控制算法研究

4.3.2 實驗驗證與效果分析

五、案例分析與實驗驗證

5.1 案例選取與實驗環境搭建5.1.1 典型應用場景案例選取

5.1.2 實驗平臺搭建與參數設置

5.2 實驗過程與數據采集

5.2.1 不同干擾條件下的實驗測試

5.2.2 抗干擾策略性能指標監測

5.3 實驗結果分析與討論

5.3.1 實驗數據對比分析

5.3.2 策略有效性與可行性探討

六、結論與展望

6.1 研究成果總結

6.2 研究不足與未來展望

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