专利名称：一种高速跳频无人机数据链同步方法
技术领域：
本发明涉及一种高速跳频无人机数据链同步方法，属于无人机通信工程领域。
背景技术：
无人驾驶飞行器(UAV)，简称无人机是一种以无线电遥控或自身程序控制为主的无人驾驶飞行器，诞生于20世纪初期，但其真正兴起是在第二次世界大战之后。经过近百年的发展，无人机在军事、国民经济与科学研究等领域得到了广泛的应用。当代无人机肩负着地面监测、目标跟踪、军事打击等任务，因其自身具备体积小、灵活性强等优点，在军事、民用领域扮演着极为重要的角色。无人机数据链的性能直接决定了无人机执行任务的安全性和飞行效能，是无人机的大脑和眼睛。 无人机数据链最主要的性能要求就是保密性能好和抗干扰能力强，现阶段有些无人机上行链路采用跳频技术来实现抗干扰、抗截获的要求，跳频通信是现代通信领域中一种有效的抗干扰通信手段，但是随着电子信息技术的发展，各国电子对抗能力的提高，现阶段跳频无人机数据链已经暴露出很多问题 目前无人机数据链大都使用跳频速率几百跳/秒的中低速跳频通信，对于这种中低速跳频通信数据链，敌方可以采用跟踪式干扰或转发式干扰进行破坏，一种有效的对抗这种干扰措施的方法就是提高跳频速率，从而获得更好的抗干扰能力。但是高速跳频通信虽然有着良好的抗跟踪、抗干扰能力，但其实现过程也存在着一系列的技术难题，如快速同步、组网问题等。跳频速率越快、带宽越宽，同步技术难度越大，因此，系统在反窃取和抗干扰性能上的提高主要靠跳频同步系统性能指标的提高，同步系统是此类跳频通信的核心，对跳频同步技术的研究十分重要。
发明内容
本发明的目的是为了解决现阶段无人机上行链路存在的问题，提出一种高速跳频无人机数据链的同步方法。
—种高速跳频无人机数据链的同步方法，其特征在于，包括以下几个步骤
步骤一 设定发射机组帧结构； 发射机组帧的每一帧包括初始同步头和有效信息，其中初始同步头包括M个初始同步信息分帧，有效信息包括N个有效信息分帧，则每一帧包括M+N个分帧；
初始同步信息分帧包含特征码、网号、地址码、低位T0D信息和初始跳频控制序列；有效信息分帧包含特征码和信息码； 特征码用于接收机的检测；网号用来组网，进入指定网络；地址码是标识指定的终端；低位T0D信息用来纠正本地时间信息使得跳频起始时间与发射机一致；初始跳频控制序列初始化跳频控制器，控制频率生成器产生的频率；信息码为要传输的有用信息的编码； 步骤二 接收机扫描发射机初始同步频率并捕获初始同步信息分帧；
发射机从发射机全部n个跳变频率中任意选取m个频率点组成初始同步频率(f^
fS2 U ，并进行M次重复跳变，其跳变顺序为 fsl、 fs," fSni ;fsl、 fs," fSnl ;".共M次，其中M > m+1 ; 接收机在发射机发送的m个初始同步频率上进行扫描，扫描速率为发射机跳频速率 的1/(m+l)，则接收机接收初始同步信息分帧M/(m+l)次，捕获M/(m+l)次初始同步信息分帧；
步骤三调整本地TOD和初始跳频控制序列； 接收机完成扫描并捕获到初始同步信息分帧后，接收机接收到了初始同步信息分
帧中包含的低位TOD信息和初始跳频控制序列； 低位TOD信息调整接收机时钟使其与发射机TOD同步； 初始跳频控制序列作为接收机跳频控制器的初始值； 步骤四发射机和接收机正常通信； 当M个初始同步信息分帧发射完后，发射机用初始跳频控制序列对发射机跳频控 制器进行初始化，控制发射机频率合成器进行高速跳频，发送N个有效信息分帧；
接收机也同时用相同的初始跳频控制序列对跳频控制器进行初始化，控制接收机 频率合成器进行同步跳频，最后接收到发射机发送的N个有效信息分帧，实现发射机与接 收机正常通信； 接收机对特征码不停地进行相关运算，得到相关值，采用超前滞后法将相关值与 期望峰值进行比较，得到相关值与期望峰值的差，设定差值对应的调整跳频切换位置的范 围，根据差值调整后续跳的跳频切换位置，使接收机与发射机跳频切换时间重新对齐。
本发明的优点在于 (1)本发明的同步采用同步字头法，相对于其它同步方案可以在最短的时间内实 现跳频同步； (2)本发明的初始同步头采用直接序列扩频进行处理，使之避免了一般同步字头 法同步信息隐蔽性差的问题，从而进一步提高系统抗干扰性能； (3)本发明的初始同步信息分帧采用特征码作分帧头，可以利用特征码自相关性 好的特点，方便接收机的检测，提高接收机抗干扰能力； (4)本发明的有效信息分帧采用特征码作分帧头，利用特征码的相关特性可以实 现正常通信过程中的同步微调，起到勤务同步的作用； (5)本发明的发射机组帧结构的每一帧都包含有初始同步头，这样方便了迟入网 用户的同步，方便用户网络接入。
图l是本发明的流程图；
图2是本发明发射机组帧结构图；
图3是本发明初始同步信息分帧结构图；
图4是本发明有效信息分帧结构图。
具体实施例方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
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本发明的一种高速跳频无人机数据链的同步方法，流程如图1所示，包括以下几个步骤 步骤一 设定发射机组帧结构； 发射机组帧如图2所示，每一帧包括初始同步头和有效信息，其中初始同步头包括M个初始同步信息分帧，有效信息包括N个有效信息分帧，则每一帧包括M+N个分帧。
初始同步信息分帧如图3所示，包含特征码、网号、地址码、低位T0D(Time of Day)信息和初始跳频控制序列，初始同步信息分帧都是经过直接序列扩频编码的，这样使得重要的同步信息不容易被敌方截获和干扰； 有效信息分帧如图4所示，包含特征码和信息码；有效信息分帧采用特征码作为分帧帧头。 其中特征码可以选择自相关性突出的伪随机码，便于接收机的检测；网号用来组网，进入指定网络；地址码是标识指定的终端；低位TOD信息用来纠正本地时间信息使得跳频起始时间与发射机一致；初始跳频控制序列用来初始化跳频控制器然后生成伪随机序列，保证跳频的随机性增强系统抗干扰能力，该序列控制频率生成器产生的频率；信息码为要传输的有用信息的编码。
步骤二 接收机扫描发射机初始同步频率并捕获初始同步信息分帧； 首先发射机从发射机全部n个跳变频率中任意选取m个频率点组成初始同步频率
{fsl、 fS2 U ，并进行M次重复跳变，其跳变顺序为 fsl、 fs," fSni ;fsl、 fs," fSni ;…共M次，其中M > m+1 。 接收机在发射机发送的m个初始同步频率上进行扫描，扫描速率为发射机跳频速率的1/(m+l)，则接收机接收初始同步信息分帧M/(m+l)次，捕获了M/(m+l)次初始同步信息分帧。接收机接收到初始同步信息分帧的次数越多对本地时钟调整的越准确，但是接收次数的增加挤占了有效信号的功率，接收初始同步信息分帧的次数根据需要设置，通常m取值为3 5。 为了提高同步抗干扰性能，初始同步频率{fsl、 fS2 fSm}不是一成不变的，而是隔一定的时间进行周期变换，这样可以降低被敌方破解及干扰的可能，增加系统可靠性。
步骤三调整本地TOD和初始跳频控制序列； 接收机完成扫描并捕获到初始同步信息分帧后，接收机就接收到了初始同步信息分帧中包含的低位TOD信息和初始跳频控制序列。 低位TOD信息调整接收机时钟使其与发射机TOD同步，这样就保证了发射机和接
收机在同时进行频率切换，因为发射机和接收机的最大时差不会很大，所以只发送TOD的
低位信息，这样即保证了频率的同步切换又避免了使用完整TOD所造成的有效性降低。 初始跳频控制序列作为接收机跳频控制器的初始值，那么发射机和接收机就具有
相同的跳频控制序列，保证了发射机和接收机具有相同的跳频频率集合和跳频顺序，最终
实现接收机对发射机的跳频跟踪。 步骤四发射机和接收机正常通信； 当M个初始同步信息分帧发射完后，发射机用初始跳频控制序列对发射机跳频控
制器进行初始化，控制发射机频率合成器进行高速跳频，发送N个有效信息分帧； 因为接收机完成了和发射机TOD的同步，所以接收机也同时用相同的初始跳频控器进行初始化，控制接收机频率合成器进行同步跳频，最后接收到发射 机发送的N个有效信息分帧，实现发射机与接收机正常通信。 进入正常通信后，由于系统时钟的漂移，可能造成接收机与发射机的跳频时钟出 现偏差，使得接收机产生的跳频频率与接收到的发端载波频率在每一跳上不能完全对齐。 虽然在一跳内产生的偏差可以用扩频相关来处理，但随着时间该误差会累积存在，使得每 跳接收的数据出现混淆。如收发双方跳频时钟偏差大于每跳换频时间长度，则接收机不能 完全解调出该跳发送的数据。 因为每个有效信息分帧中都包含有特征码，所以接收机通过对特征码不停地进行 相关运算，得到相关值，然后采用超前滞后法将相关值与期望峰值进行比较，得到相关值与 期望峰值的差，设定差值对应的调整跳频切换位置的范围，根据差值调整后续跳的跳频切 换位置，使接收机与发射机跳频切换时间重新对齐，从而保持发射机和接收机的同步。其中 期望峰值为接收机与发射机跳频切换时间完全对齐时对特征码进行相关运算得到的相关 值。为了保证接收机调整的可靠性，可根据得到的多次相关值与期望峰值之差的平均值进 行调整，同时限定每一跳可调整的范围。
权利要求
一种高速跳频无人机数据链的同步方法，其特征在于，包括以下几个步骤步骤一设定发射机组帧结构；发射机组帧的每一帧包括初始同步头和有效信息，其中初始同步头包括M个初始同步信息分帧，有效信息包括N个有效信息分帧，则每一帧包括M+N个分帧；初始同步信息分帧包含特征码、网号、地址码、低位TOD信息和初始跳频控制序列；有效信息分帧包含特征码和信息码；特征码用于接收机的检测；网号用来组网，进入指定网络；地址码是标识指定的终端；低位TOD信息用来纠正本地时间信息使得跳频起始时间与发射机一致；初始跳频控制序列初始化跳频控制器，控制频率生成器产生的频率；信息码为要传输的有用信息的编码；步骤二接收机扫描发射机初始同步频率并捕获初始同步信息分帧；发射机从发射机全部n个跳变频率中任意选取m个频率点组成初始同步频率{fS1、fS2…fSm}，并进行M次重复跳变，其跳变顺序为fS1、fS2…fSm；fS1、fS2…fSm；…共M次，其中M＞m+1；接收机在发射机发送的m个初始同步频率上进行扫描，扫描速率为发射机跳频速率的1/(m+1)，则接收机接收初始同步信息分帧M/(m+1)次，捕获M/(m+1)次初始同步信息分帧；步骤三调整本地TOD和初始跳频控制序列；接收机完成扫描并捕获到初始同步信息分帧后，接收机接收到了初始同步信息分帧中包含的低位TOD信息和初始跳频控制序列；低位TOD信息调整接收机时钟使其与发射机TOD同步；初始跳频控制序列作为接收机跳频控制器的初始值；步骤四发射机和接收机正常通信；当M个初始同步信息分帧发射完后，发射机用初始跳频控制序列对发射机跳频控制器进行初始化，控制发射机频率合成器进行高速跳频，发送N个有效信息分帧；接收机也同时用相同的初始跳频控制序列对跳频控制器进行初始化，控制接收机频率合成器进行同步跳频，最后接收到发射机发送的N个有效信息分帧，实现发射机与接收机正常通信；接收机对特征码不停地进行相关运算，得到相关值，采用超前滞后法将相关值与期望峰值进行比较，得到相关值与期望峰值的差，设定差值对应的调整跳频切换位置的范围，根据差值调整后续跳的跳频切换位置，使接收机与发射机跳频切换时间重新对齐。
2. 根据权利要求1所述的一种高速跳频无人机数据链的同步方法，其特征在于，初始 同步信息分帧为直接序列扩频编码。
3. 根据权利要求1所述的一种高速跳频无人机数据链的同步方法，其特征在于，特征 码为自相关性突出的伪随机码。
4. 根据权利要求1所述的一种高速跳频无人机数据链的同步方法，其特征在于，有效 信息分帧采用特征码作为分帧帧头。
5. 根据权利要求1所述的一种高速跳频无人机数据链的同步方法，其特征在于，其特 征在于，接收机接收初始同步信息分帧的次数根据需要设置，m取值为3 5 ;
6. 根据权利要求1所述的一种高速跳频无人机数据链的同步方法，其特征在于，初始同歩频率{fsl、fsr.fs J的选取以周期变换。
7.根据权利要求1所述的一种高速跳频无人机数据链的同步方法，其特征在于，对多 次得到的相关值与期望峰值的差进行平均值运算，根据平均值调整后续跳的跳频切换位置。
全文摘要
本发明公开了一种高速跳频无人机数据链的同步方法，包括以下几个步骤步骤一、设定发射机组帧结构；步骤二、接收机扫描发射机初始同步频率并捕获初始同步信息分帧；步骤三、调整本地TOD和初始跳频控制序列；步骤四、发射机和接收机正常通信；本发明的同步采用同步字头法，相对于其它同步方案可以在最短的时间内实现跳频同步；本发明的初始同步头采用直接序列扩频进行处理，使之避免了一般同步字头法同步信息隐蔽性差的问题，从而进一步提高系统抗干扰性能；本发明的初始同步信息分帧采用特征码作分帧头，可以利用特征码自相关性好的特点，方便接收机的检测，提高接收机抗干扰能力。
文档编号H04B7/26GK101753201SQ20091024178
公开日2010年6月23日 申请日期2009年12月11日 优先权日2009年12月11日
发明者杨丁, 杨永强, 熊小军 申请人:北京航空航天大学