無(wú)人機(jī)定向干擾攔截技術(shù)及設(shè)備解析

李牧 相里曉軍 邵繼強(qiáng) 郝尚輿

1. 公安部第一研究所 2. 公安部特種警用裝備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心3. 新疆維吾爾自治區(qū)公安廳特警總隊(duì)訓(xùn)練基地排爆實(shí)驗(yàn)中心 4. 北京華勢(shì)天承科技有限公司

一、無(wú)人機(jī)危害及攔截必要性

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)正以空前的速度普及，這主要?dú)w功于近年來(lái)多旋翼無(wú)人機(jī)的發(fā)展。多旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)通常具有易于控制、隨處懸停、成本低廉等優(yōu)勢(shì)，可由地面遙控操作實(shí)現(xiàn)拍照、噴灑、拋投、竊聽(tīng)、拋撒和懸掛等功能，因此大規(guī)模進(jìn)入民用和軍用市場(chǎng)。因?yàn)闊o(wú)人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，極大降低了該類(lèi)產(chǎn)品的使用門(mén)檻，加之現(xiàn)有管控手段不夠成熟，隨之引發(fā)的安全威脅日益增多[1]。

2017年2月，伊拉克反政府武裝利用中國(guó)產(chǎn)的普通民用無(wú)人機(jī)搭載自制炸彈將政府軍的悍馬裝甲車(chē)精確炸毀。

2017年4月14日至21日成都雙流國(guó)際機(jī)場(chǎng)共計(jì)遭遇4架“黑飛”無(wú)人機(jī)干擾，導(dǎo)致58個(gè)航班備降西安、重慶、貴陽(yáng)和綿陽(yáng)機(jī)場(chǎng)，4架飛機(jī)返航，超1萬(wàn)旅客出行受阻被滯留機(jī)場(chǎng)。

2017年底ISIS組織聲稱(chēng)其在過(guò)去的12個(gè)月內(nèi)，對(duì)其組織內(nèi)成員公開(kāi)進(jìn)行無(wú)人機(jī)恐襲培訓(xùn)，通過(guò)將爆炸物掛載于無(wú)人機(jī)上，前后針對(duì)當(dāng)?shù)卣姾兔儡姷裙灿?jì)實(shí)施200余次襲擊。

以上案例揭示了無(wú)人機(jī)對(duì)國(guó)家安全和社會(huì)穩(wěn)定的威脅，在當(dāng)前國(guó)際政治形勢(shì)復(fù)雜多變和全球反恐的嚴(yán)峻形勢(shì)下，國(guó)內(nèi)外不法分子利用民用無(wú)人機(jī)的威脅，主要體現(xiàn)在以下幾方面[2-4]：

（1）拍照與遠(yuǎn)程竊聽(tīng)泄密?，F(xiàn)在的無(wú)人機(jī)都可掛載航拍攝像機(jī)，一個(gè)價(jià)值幾千元的普通民用無(wú)人機(jī)都可掛載防抖云臺(tái)和高分辨率的高清攝像頭，在無(wú)人察覺(jué)的數(shù)百米高空拍攝到地面人員、車(chē)輛的清晰圖片，使政府機(jī)構(gòu)和重要軍事場(chǎng)所內(nèi)部結(jié)構(gòu)和設(shè)施沒(méi)有任何保密而言，如若加裝遠(yuǎn)程高靈敏度定向拾音麥克風(fēng)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程竊聽(tīng)。

（2）投擲危險(xiǎn)物品。無(wú)人機(jī)根據(jù)自重不同可以搭載幾十至幾百千克的物品，例如可以攜帶小型炸彈、燃燒彈、燃燒瓶、危險(xiǎn)化學(xué)品等。

（3）拋撒和懸掛反動(dòng)宣傳品。激進(jìn)分子在極端情緒影響下利用民用無(wú)人機(jī)的掛載能力進(jìn)行非理智行為，對(duì)重要場(chǎng)所播撒傳單和懸掛反動(dòng)宣傳標(biāo)語(yǔ)、橫幅等，嚴(yán)重影響社會(huì)正常秩序乃至國(guó)家形象。

（4）走私、販毒。通過(guò)遠(yuǎn)程操縱無(wú)人機(jī)攜帶貨物甚至毒品跨越國(guó)境線(xiàn)販賣(mài)，會(huì)極大威脅邊境秩序和穩(wěn)定，而且會(huì)對(duì)國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)秩序造成沖擊，威脅到人民群眾生命健康。

（5）影響民航正常飛行。近年來(lái)頻發(fā)的無(wú)人機(jī)黑飛事件導(dǎo)致我國(guó)航線(xiàn)安全頻頻面臨挑戰(zhàn)，無(wú)人機(jī)不僅會(huì)破壞正常飛行秩序，還可能造成客機(jī)機(jī)身?yè)p壞，威脅乘客和機(jī)組人員的生命。

二、無(wú)人機(jī)壓制式干擾攔截原理

目前，對(duì)無(wú)人機(jī)的干擾攔截通常使用無(wú)線(xiàn)電壓制技術(shù)，通過(guò)向目標(biāo)無(wú)人機(jī)發(fā)射干擾壓制信號(hào)，對(duì)其鏈路進(jìn)行壓制，迫使無(wú)人機(jī)失去正常工作能力。

一般來(lái)說(shuō)，一套完整的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)通常具有表1所示的三類(lèi)無(wú)線(xiàn)電鏈路。

從表1可以看出，若要實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)無(wú)人機(jī)的干擾攔截，僅需對(duì)導(dǎo)航、數(shù)傳、圖傳三類(lèi)鏈路進(jìn)行壓制式干擾即可實(shí)現(xiàn)。

（一）無(wú)人機(jī)導(dǎo)航頻率

國(guó)際上現(xiàn)有的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）可分為北斗（中國(guó)）導(dǎo)航、GPS（美國(guó)）導(dǎo)航、伽利略（Galileo，歐洲）導(dǎo)航、Glonass（俄羅斯）導(dǎo)航、QZSS（日本）導(dǎo)航、IRNSS（印度）導(dǎo)航共六類(lèi)，其對(duì)應(yīng)頻率如下表所示[8,9]。

?

目前北斗導(dǎo)航在我國(guó)及我周邊國(guó)家應(yīng)用最為廣泛，而GPS導(dǎo)航則是目前全球應(yīng)用最廣泛的導(dǎo)航系統(tǒng)。此外，伽利略、Glonass、QZSS和IRNSS導(dǎo)航的主要應(yīng)用區(qū)域與其維護(hù)國(guó)家（組織）直接相關(guān)。

我國(guó)市場(chǎng)上銷(xiāo)售的消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)（大疆、零度等）以及工業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)，通常采用GPS L1頻段（頻率1575.42MHz）進(jìn)行飛行定位。值得注意的是，因?yàn)闊o(wú)人機(jī)的導(dǎo)航鏈路在作用時(shí)，僅需接收地球同步軌道上實(shí)時(shí)下發(fā)的定位數(shù)據(jù)，所以對(duì)無(wú)人機(jī)導(dǎo)航鏈路的干擾通常不需要很大功率的壓制干擾即可實(shí)現(xiàn)。

（二）無(wú)人機(jī)數(shù)傳和圖傳頻率

無(wú)人機(jī)在執(zhí)行飛行任務(wù)時(shí)，不僅要依靠衛(wèi)星信號(hào)對(duì)其位置進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，還需要配合機(jī)身飛控和機(jī)載攝像機(jī)等完成對(duì)飛行姿態(tài)的控制，以及現(xiàn)場(chǎng)圖像的回傳。

根據(jù)我國(guó)工信部于2016年發(fā)布的《中華人民共和國(guó)無(wú)線(xiàn)電頻率劃分規(guī)定》，限定840.5～845MHz、1430～1444MHz和2408～2440MHz頻段用于我國(guó)無(wú)人機(jī)數(shù)傳和圖傳鏈路，其中1430～1438MHz頻段用于警用無(wú)人機(jī)。值得注意的是，我國(guó)現(xiàn)有無(wú)人機(jī)數(shù)傳/圖傳頻率除在前文工信部規(guī)定的三個(gè)頻段之外，還存在5.725～5850GHz、328～352MHz、433MHz、560～760MHz、915MHz、933MHz、1.2G等頻段的無(wú)人機(jī)產(chǎn)品。

（三）無(wú)人機(jī)壓制式干擾原理

無(wú)人機(jī)鏈路壓制式干擾的原理，即是通過(guò)產(chǎn)生與無(wú)人機(jī)正常通信信號(hào)同頻但信號(hào)強(qiáng)度較大的壓制式干擾信號(hào)，達(dá)到抑制無(wú)人機(jī)正常功能的目的[6]。

如圖1所示，當(dāng)圖中所示紅色區(qū)域的壓制式干擾信號(hào)強(qiáng)度大于無(wú)人機(jī)通信信號(hào)強(qiáng)度，并且其頻率范圍大于等于無(wú)人機(jī)通信信號(hào)頻率范圍時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)有效的壓制式干擾。

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，為了計(jì)算無(wú)人機(jī)壓制式干擾設(shè)備的有效攔截距離，通常需要引入干信比（J/S，Jammer-to-Signal Ratio）的概念。干信比即是干擾信號(hào)和通信信號(hào)之間的比值，其單位通常用dB來(lái)表示。

對(duì)無(wú)人機(jī)而言，因其絕大多數(shù)都是裝載全向信號(hào)接收天線(xiàn)，因此一般采用簡(jiǎn)化的J/S方程[5,7]：

其中：

J/S為干擾壓制信號(hào)功率和通信信號(hào)功率在無(wú)人機(jī)接收端的比值（單位dB）；

ERPJ為干擾設(shè)備發(fā)射的等效輻射功率（單位dBm）；

ERPS為通信信號(hào)發(fā)射的等效輻射功率（單位dBm）；

LJ為干擾設(shè)備到無(wú)人機(jī)的傳播損耗（單位dB）；

LS為通信信號(hào)到無(wú)人機(jī)的傳播損耗（單位dB）。

根據(jù)公式（1）不難看出，只有當(dāng)J/S≥0時(shí)，無(wú)人機(jī)才能受到有效的壓制式干擾。

針對(duì)前文提到的無(wú)人機(jī)導(dǎo)航、數(shù)傳、圖傳三類(lèi)鏈路，一般來(lái)說(shuō)導(dǎo)航信號(hào)在無(wú)人機(jī)端的等效輻射功率最小，因此也最易實(shí)施有效干擾，而數(shù)傳和圖傳因?yàn)橥ǔ＞嚯x無(wú)人機(jī)較近，因此對(duì)干擾源的發(fā)射功率要求較高。

（四）無(wú)人機(jī)受干擾狀態(tài)飛行工況

無(wú)人機(jī)導(dǎo)航、數(shù)傳、圖傳三類(lèi)鏈路分別或同時(shí)受到壓制式干擾時(shí)，無(wú)人機(jī)通常會(huì)有四種典型壓制干擾工況：直接墜落、自動(dòng)返航、自動(dòng)下降或空中懸停。

直接墜落：一般來(lái)說(shuō)，出現(xiàn)直接墜落的無(wú)人機(jī)大多是因?yàn)轱w控程序中沒(méi)有失控保護(hù)算法，當(dāng)無(wú)人機(jī)部分或全部鏈路中斷時(shí)，因?yàn)槌绦蛐藻e(cuò)誤導(dǎo)致飛機(jī)直接墜落，此種情況多見(jiàn)于智能化程度較低的航模型無(wú)人機(jī)或技術(shù)不完善的工業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)。

自動(dòng)返航：對(duì)于受到干擾后自動(dòng)返航的無(wú)人機(jī)而言，因?yàn)槠淇梢园凑罩坝涗浀钠痫w點(diǎn)自動(dòng)精準(zhǔn)返回，所以通常導(dǎo)航鏈路通信仍然正常，受到干擾的是數(shù)傳、圖傳鏈路。同時(shí)，此類(lèi)無(wú)人機(jī)飛控算法中都會(huì)設(shè)置為無(wú)人機(jī)失去控制后自動(dòng)返航，因此無(wú)人機(jī)可以按照程序預(yù)設(shè)完成返航操作（界面樣例見(jiàn)圖2）。

自動(dòng)下降：無(wú)人機(jī)受干擾后實(shí)現(xiàn)自動(dòng)下降通常需具備兩個(gè)條件，首先是無(wú)人機(jī)飛控算法中設(shè)置為無(wú)人機(jī)失去控制后自動(dòng)返航或降落，其次是其導(dǎo)航鏈路也受到了干擾影響。

空中懸停：無(wú)人機(jī)飛控中如果設(shè)置其在受到干擾后繼續(xù)滯空，則無(wú)人機(jī)在受到壓制式干擾后會(huì)保持在空中懸停的動(dòng)作。值得注意的是，如果此時(shí)無(wú)人機(jī)導(dǎo)航鏈路也受到了干擾，則無(wú)人機(jī)因?yàn)闊o(wú)法定位，通常表現(xiàn)出的飛行工況是隨風(fēng)漂移。

三、無(wú)人機(jī)定向壓制式干擾設(shè)備解析

目前國(guó)內(nèi)外使用最廣泛的無(wú)人機(jī)攔截設(shè)備當(dāng)屬定向壓制式干擾設(shè)備，該類(lèi)設(shè)備在全世界各地應(yīng)用尤為廣泛，在戰(zhàn)場(chǎng)及社會(huì)公共安全領(lǐng)域發(fā)揮了極其重要的作用。對(duì)于該類(lèi)設(shè)備而言，通常是針對(duì)所應(yīng)用市場(chǎng)無(wú)人機(jī)頻率范圍進(jìn)行調(diào)研，然后定制化開(kāi)發(fā)針對(duì)指定幾個(gè)頻段的壓制式干擾設(shè)備。

以我國(guó)市場(chǎng)為例，市場(chǎng)上大多數(shù)無(wú)人機(jī)使用頻率不超過(guò)1575MHz± 10MHz， 2408～ 2440MHz、 5.725～ 5.850GHz（5725～5850MHz）這三個(gè)頻段，因此市場(chǎng)上幾乎所有的無(wú)人機(jī)定向壓制式干擾產(chǎn)品都包含這三個(gè)頻段。

圖4是筆者對(duì)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)主流的45類(lèi)無(wú)人機(jī)定向壓制干擾設(shè)備的頻段統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。不難看出，幾乎所有設(shè)備都涵蓋了1.5GHz（ 1575MHz± 10MHz） 、 2.4GHz（ 2408～2440MHz）、5.8GHz（5725～5850MHz）這三個(gè)頻段，因此可以對(duì)我國(guó)市場(chǎng)上主流的無(wú)人機(jī)實(shí)施壓制式干擾攔截。除此之外，還有部分設(shè)備涵蓋了1.2GHz、900MHz、433MHz等非主流無(wú)人機(jī)導(dǎo)航和控制頻段，這部分設(shè)備通?？梢詳r截含有以上頻段的更多類(lèi)型無(wú)人機(jī)，因此包含此類(lèi)頻段的設(shè)備通常也具有更好的攔截效果。

以采用1.5GHz、2.4GHz、5.8GHz三個(gè)干擾頻段的定向壓制式干擾設(shè)備為例，其設(shè)備結(jié)構(gòu)通常如圖5所示。

對(duì)圖5所示結(jié)構(gòu)的設(shè)備，為了方便操作者使用，通常會(huì)對(duì)頻段的發(fā)射進(jìn)行預(yù)先設(shè)置，一般會(huì)分為“返航”和“迫降”兩種發(fā)射模式，前者通常是對(duì)2408～2440MHz、5.725～5.850GHz（5725～5850MHz）這兩個(gè)頻段開(kāi)啟干擾，而后者通常是開(kāi)啟所有三個(gè)頻段的干擾。需要注意的是，兩種模式僅僅是為了方便操作者而標(biāo)注的不同發(fā)射模式，并不能百分百確保無(wú)人機(jī)的有效返航或迫降攔截。

四、設(shè)備結(jié)構(gòu)對(duì)比與使用局限性

（一）兩種常見(jiàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)對(duì)比

無(wú)人機(jī)定向壓制式干擾設(shè)備通常可具有兩類(lèi)外形結(jié)構(gòu)，一類(lèi)是將設(shè)備所有部分集成為一個(gè)便攜性主體，具有結(jié)構(gòu)緊湊、操作便攜的特點(diǎn)，如圖6所示。

另一類(lèi)是將電源、控制單元、干擾源、射頻功率放大器等集成在一起，而將指向性天線(xiàn)單獨(dú)通過(guò)饋線(xiàn)連接，形成由兩部分構(gòu)成的設(shè)備結(jié)構(gòu)，如圖7所示。

一般來(lái)說(shuō)，圖6所示的集成便攜式無(wú)人機(jī)定向壓制式干擾設(shè)備具有更高的集成度和便攜性，因此也是目前該類(lèi)設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)，如圖8所示的現(xiàn)有市場(chǎng)占比情況也證明了這一觀點(diǎn)。

（二）設(shè)備局限性

一般來(lái)說(shuō)，無(wú)人機(jī)定向壓制式干擾設(shè)備具有價(jià)格低廉、使用便攜等顯著特點(diǎn)，然而在實(shí)際操作過(guò)程中此類(lèi)設(shè)備也具有一定的局限性。

首先，該類(lèi)設(shè)備在沒(méi)有探測(cè)設(shè)備配合的情況下，通常需要人眼目視對(duì)無(wú)人機(jī)目標(biāo)進(jìn)行搜尋。對(duì)于小型消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)目標(biāo)而言，人眼的識(shí)別距離一般不超過(guò)300m，識(shí)別距離過(guò)短會(huì)局限該類(lèi)設(shè)備的使用效果。

其次，現(xiàn)有設(shè)備大多僅包含國(guó)內(nèi)無(wú)人機(jī)常用的1.5GHz（ 1575MHz± 10MHz） 、 2.4GHz（ 2408～2440MHz）、5.8GHz（5725～5850MHz）三個(gè)頻段，在實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用中黑飛無(wú)人機(jī)往往不僅局限于以上三個(gè)頻段，因此需要對(duì)采用諸如1.2GHz、900MHz、433MHz等非主流頻段控制的無(wú)人機(jī)也具備相應(yīng)的攔截能力。

最后，筆者在對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，部分設(shè)備因發(fā)射功率較大，對(duì)操作人員的輻射超出了GB 8702-2014《電磁輻射防護(hù)規(guī)定》標(biāo)準(zhǔn)，因此在使用操作過(guò)程中應(yīng)該盡量避免設(shè)備的持續(xù)發(fā)射，以及發(fā)射方向直接指向人體，以免造成不必要的電磁輻射傷害。

五、結(jié)論與展望

通過(guò)文中數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，該類(lèi)設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)是一體化和小型化。同時(shí)，該類(lèi)技術(shù)需要跟無(wú)人機(jī)探測(cè)技術(shù)相結(jié)合以發(fā)揮設(shè)備優(yōu)勢(shì)。再者，現(xiàn)有設(shè)備大多僅包含國(guó)內(nèi)主流無(wú)人機(jī)1.5GHz、2.4GHz、5.8GHz三個(gè)頻段，在實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用中黑飛無(wú)人機(jī)往往不僅局限于以上三個(gè)頻段，因此需要對(duì)采用諸如1.2GHz、900MHz、433MHz等非主流頻段控制的無(wú)人機(jī)也具備相應(yīng)的攔截能力。最后，設(shè)備的安全性也是國(guó)內(nèi)廣大技術(shù)人員和廠家需要重點(diǎn)考慮的一個(gè)問(wèn)題，只有不斷降低設(shè)備輻射危害，才能更好地發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢(shì)，為低空公共安全提供保障。