無人機防誘騙防捕獲技術(shù)研究

馬傳焱

(中國人民解放軍32180部隊，北京 100012)

0 引言

近年來，美國和以色列等國多型先進無人機相繼被誘騙、捕獲在世界范圍內(nèi)引起了極大反響，耗時多年苦心研制隱身設(shè)計、氣動布局、數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)和導(dǎo)航系統(tǒng)等機密信息面臨著技術(shù)泄露和擴散的巨大風(fēng)險，單架無人機被俘潛在威脅著整個無人機序列的運行[1]。

2011年12月，伊朗采用電子戰(zhàn)手段近似完整無損的俘獲了美過RQ-170無人機[2]。資料顯示，伊朗利用了RQ-170無人機導(dǎo)航系統(tǒng)的弱點，通過在通信數(shù)據(jù)鏈中設(shè)置電磁阻塞，迫使無人機進入自動駕駛狀態(tài)，然后重新設(shè)置無人機GPS導(dǎo)航的參數(shù)，使其誤以為在阿富汗的美軍基地著落，而實際上它在伊朗境內(nèi)著陸。

2012年12月，一架美國“掃描鷹”無人機在海灣上空飛行時闖入伊朗領(lǐng)空，被伊朗捕獲，資料顯示無人機同樣是近乎完整的被俘。而后，在2018年11月伊朗又成功俘獲了一架美國MQ-9“捕食者B”無人機。MQ-9無人機從2007年服役以來，已在包括阿富汗、伊拉克和也門等全球熱點地區(qū)經(jīng)過數(shù)千次“定點清除”行動，是目前美國執(zhí)行全球偵察監(jiān)視和“定點清除”行動的“頂梁柱”機型?！皰呙楮棥焙蚆Q-9被伊朗的捕獲對美國造成了沉重打擊，令美國引以為傲的明星機型再次落入伊朗手中。據(jù)推測，這兩型無人機的捕獲同樣基于電子對抗手段。

另外，在伊拉克，伊方人員曾使用疑似來自俄羅斯的GPS干擾機對付使用GPS衛(wèi)星導(dǎo)航的無人機和精確制導(dǎo)武器，致使多起美國無人機迷航，飛到土耳其和伊朗境內(nèi)，同時精確制導(dǎo)武器頻頻打偏，隨后美國不得不采用地毯式轟炸，清除所有干擾裝置后才按照既定計劃繼續(xù)進行。

伊朗和伊拉克多次成功誘騙無人機系統(tǒng)的事實表明，通信數(shù)據(jù)鏈和導(dǎo)航系統(tǒng)是整個無人機系統(tǒng)防欺騙、防捕獲的薄弱環(huán)節(jié)。針對通信數(shù)據(jù)鏈和導(dǎo)航系統(tǒng)的電子戰(zhàn)手段與其他硬殺傷手段相比具有更高的效費比，在平時戰(zhàn)時對無人機威脅都很大[3]。

首當(dāng)其沖的是無人機任務(wù)能力下降和自身安全威脅。硬殺傷手段往往會造成不必要的政治和外交壓力且效費比差，因此，選擇隱蔽性更強的電子對抗手段成為擾亂無人機正常任務(wù)的主要手段。無人機面對強大的電子對抗裝備時，通信鏈路的中斷將導(dǎo)致無人機不受控制，導(dǎo)航系統(tǒng)受干擾將造成飛機自主返航或迷航被俘，因此若無人機被干擾、誘騙，輕則導(dǎo)致任務(wù)可靠性將急劇下降乃至失敗[4]，重則招致無人機墜毀或被俘獲，威脅無人機自身安全。

更為嚴重的是，無人機被俘獲還面臨著無人機技術(shù)的擴散和通信、導(dǎo)航等機密信息被破解的巨大風(fēng)險，不僅會將己方苦心研制的多項技術(shù)展示與人遭受逆向仿制，還面臨著己方通信、導(dǎo)航和加密等機密信息的漏洞被利用的風(fēng)險，給后續(xù)無人機型號帶來了巨大隱患。目前，伊朗在捕獲美國無人機后進行了大量的仿制，逆向研制生產(chǎn)了多款“山寨”武器，給美國造成了物質(zhì)層面和心理層面的雙重打擊。同時，在挖掘美國無人機薄弱環(huán)節(jié)和漏洞基礎(chǔ)上，伊朗的反無人機技術(shù)也在飛速提升，使得美國無人機面臨伊朗時變得更加脆弱。

本文將從時序角度描述無人機的誘捕機理，并從抗偵收、抗干擾和反誘捕3個方面對無人機防誘捕問題進行論述和研究，研究成果對我無人機發(fā)揮作戰(zhàn)效能具有重要意義。

1 無人機誘捕機理

與有人機相比，無人機的基本特征是“機上無人，地面有人”。在手動控制模式下，后方的地面控制站通過遠程遙控執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)；在程控模式下，地面控制站主要對無人機進行狀態(tài)監(jiān)控。2種控制模式下，無人機與地面站間必須通過測控鏈路進行交聯(lián)，通過上行鏈路傳輸操控人員的遙控指令，下行鏈路傳輸無人機的狀態(tài)參數(shù)和實時偵察信息。出于安全考慮，無人機的飛行控制策略之一是確保測控鏈路暢通并在地面人員監(jiān)控之下完成作戰(zhàn)任務(wù)。上行鏈路中斷導(dǎo)致“失控”后，無人機一般將進入自主程控返航模式，利用定位導(dǎo)航按照預(yù)設(shè)航線自動返航、降落至指定地點。在運用過程中，無人機抵近前言陣地或深入戰(zhàn)線腹地執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)，相對己方無人機地面站，另一方在空間位置上具有明顯的距離優(yōu)勢。正是基于以上原理和流程，針對無人機進行近距離偵收探測、電磁干擾和導(dǎo)航欺騙成為無人機誘騙、捕獲最有效的手段[5]。

根據(jù)上文對誘捕無人機技術(shù)手段的分析，從時序角度看，無人機誘騙、捕獲過程包含偵收探測、干擾壓制和欺騙捕獲3個步驟，覆蓋了發(fā)現(xiàn)、識別和實施3個過程。

在偵收探測階段，主動探測的雷達設(shè)備和光電設(shè)備、電子偵察設(shè)備等其他被動探測的無源探測、偵收設(shè)備首先對時域、頻域、空域或圖像等進行聯(lián)合搜索和檢測，檢測到異常后，對目標進行空間定位，同時開始對信號特征進行識別和分選，并與特征數(shù)據(jù)庫進行匹配，獲取無人機的身份信息、數(shù)據(jù)鏈通信特征和地理位置信息，發(fā)出預(yù)警信息并保持跟蹤狀態(tài)。

隨后電磁干擾壓制設(shè)備啟動，干擾波形控制器根據(jù)目標位置和目標數(shù)據(jù)鏈工作狀態(tài)，按照一定的策略和算法，產(chǎn)生有效的干擾波形。干擾波形經(jīng)功率放大后，由指向目標的定向天線發(fā)射，高強度的電磁干擾會直接使無人機接收通道飽和，壓制地面站控制信號，造成通信誤碼或鏈路中斷，切斷無人機與后方地面站之間的聯(lián)系，無人機被迫終止執(zhí)行任務(wù)，隨后進入自主返航階段。

欺騙捕獲階段，無人機在GPS等精確導(dǎo)航設(shè)備輔助下進行返航、降落。欺騙設(shè)備可模擬衛(wèi)星導(dǎo)航信號，位于地面的虛假信號在強度上可輕易壓制衛(wèi)星導(dǎo)航信號，向無人機發(fā)射錯誤的導(dǎo)航坐標或持續(xù)發(fā)射誘偏信號使無人機逐漸偏離返航航線，最終致使其降落在錯誤位置，完成捕獲。

上述可見，誘騙、捕獲過程的3個階段在時間上具有先后順序，但3個階段危害程度依次遞增。目前，針對無人機防誘捕研究主要圍繞上述3個方面內(nèi)容開展，分別包含抗偵收、抗干擾和反欺騙3類技術(shù)。

2 抗偵收技術(shù)

抗偵收技術(shù)是通過無人機射頻隱身技術(shù)，使偵收方無法偵收到己方無人機的輻射信號，或即使偵收到但無法判斷己方通信參數(shù)或無人機的確切位置等。有效的抗偵收技術(shù)是實現(xiàn)防誘捕最理想的技術(shù)手段，但技術(shù)挑戰(zhàn)性較大。目前偵收主要針對具有電磁輻射特性的數(shù)據(jù)鏈設(shè)備，因此隱身數(shù)據(jù)鏈技術(shù)成為抗偵收技術(shù)的主要手段。隱身數(shù)據(jù)鏈技術(shù)通過對通信設(shè)備和波形進行射頻隱身設(shè)計，使無人機平臺上的數(shù)據(jù)鏈、雷達等主動輻射源被偵收、被截獲概率大大降低。

隱身數(shù)據(jù)鏈技術(shù)是涵蓋時域、頻域和空域等多維域的綜合隱身技術(shù)[6]。目前，隱身數(shù)據(jù)鏈主要的技術(shù)手段包括：

2.1 輻射時間控制技術(shù)

控制數(shù)據(jù)鏈終端在不確定的時間以猝發(fā)方式進行功率輻射，其發(fā)射起始時間和發(fā)射時長均可變化，消除時域波形發(fā)射規(guī)律，避免在時域被控守偵收或截獲。

2.2 輻射功率控制技術(shù)

通過對數(shù)據(jù)鏈終端的輻射源進行輻射功率管理和高性能天線設(shè)計，依據(jù)傳輸距離要求精確控制輻射功率，降低輻射功率譜密度，使得無人機工作在盡可能低的功率水平，降低偵收接收機接收的電磁波能量，提高電磁輻射裝備隱身性能。

2.3 數(shù)據(jù)鏈波形隱身

先進的隱身數(shù)據(jù)鏈設(shè)計包括完成其一體化通信任務(wù)而采用的傳輸、交換以及抗干擾、抗截獲的信號處理技術(shù)的總和，包含信道編碼、調(diào)制、擴頻和跳頻處理等一系列技術(shù)，具有低功率譜和隱蔽特性，難以被發(fā)覺。例如將信號拓展超寬時頻資源上進行傳輸，降低信號在單位時頻資源上的能量，將信號隱匿在自然噪聲或民用移動通信或衛(wèi)星通信電平下實現(xiàn)隱蔽傳輸效果。

2.4 定向天線技術(shù)

定向天線技術(shù)是在調(diào)整信號空域分布基礎(chǔ)上實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈隱身的技術(shù)。定向天線技術(shù)通過控制天線方向圖的輻射方向，實現(xiàn)合作目標方向能量集中其他方向能量削減目的，達到空域隔離效果，在定向天線基礎(chǔ)上對方向圖進行優(yōu)化，增大主瓣增益、降低副瓣增益可進一步提升定向天線的空域隔離效果，提高數(shù)據(jù)鏈隱蔽傳輸性能。

2.5 信號不確定化技術(shù)

信號不確定化技術(shù)要求系統(tǒng)的輻射信號參數(shù)不確定，使偵收方偵察設(shè)備無法預(yù)估。該策略利用信號時域、頻域和空域的特殊設(shè)計，使信號的發(fā)射時刻、工作頻率、信號波形及輻射方向具有不確定性，提高偵收截獲通信參數(shù)和通信信號識別分選的困難程度。

3 抗干擾技術(shù)

無人機誘捕主要針對數(shù)據(jù)鏈和導(dǎo)航系統(tǒng)進行攻擊，因此抗干擾技術(shù)也主要圍繞測控數(shù)據(jù)鏈和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)防護兩類技術(shù)展開。

3.1 數(shù)據(jù)鏈抗干擾技術(shù)

無人機測控數(shù)據(jù)鏈抗干擾技術(shù)應(yīng)使無人機數(shù)據(jù)鏈路具備以下能力：① 廣泛的頻率管理、分配能力，可以在任意區(qū)域、任意時間對無人機動態(tài)分配可用的頻譜資源；② 解決因信息遠距離傳輸而造成的信號電平大幅度衰減的能力；③ 抵抗惡意干擾、壓制的能力。

根據(jù)以上需求，無人機測控數(shù)據(jù)鏈抗干擾技術(shù)主要分為提高測控數(shù)據(jù)鏈可靠性和有效性的相關(guān)技術(shù)和基于認知無線電的抗干擾技術(shù)等。

提高通信可靠性和有效性的無人機數(shù)據(jù)鏈相關(guān)抗干擾技術(shù)可在時域、頻域、空域等多個域進行，主要包括隨機序列擴頻技術(shù)、高速跳頻跳時技術(shù)、高增益低旁瓣定向天線技術(shù)、干擾對消技術(shù)，通過時域、頻域和空域等聯(lián)合手段降低蓄意干擾和自然干擾進入己方接收機的功率電平，進而提高數(shù)據(jù)鏈抗干擾性能[7-9]。

此外，為進一步提高無人機在頻域抗干擾性能，還可通過無人機頻譜感知和重構(gòu)無線電技術(shù)為無人機測控提供可選解決方案，即提高了測控鏈路抗干擾能力，又解決了頻譜資源短缺和隨著無人機廣泛使用的頻譜管理難度增加問題。例如，采用支持向量機與功率準則的預(yù)測評估方法進行無人機數(shù)據(jù)鏈的重構(gòu)；設(shè)計和利用認知引擎，將信噪比、信道估計結(jié)果、頻譜感知結(jié)果和多普勒頻移等作為輸入，通過認知引擎，進行無人機測控數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)重構(gòu)等[10]。

3.2 衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾技術(shù)

衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾技術(shù)主要包括濾波技術(shù)和波束形成技術(shù)兩類。濾波抗干擾技術(shù)主要包括單天線的濾波技術(shù)和基于陣列天線的濾波技術(shù)2種。主要從時域濾波、頻域濾波、空域濾波和時空二維濾波入手，能夠有效地抑制窄帶和寬帶衛(wèi)星導(dǎo)航定位干擾源。波束成形技術(shù)利用陣列天線形成指向衛(wèi)星方向的波束，而在干擾方向進行增益調(diào)零，提高衛(wèi)星信號的增益，并在其他方向抑制干擾[11-13]。

4 反誘騙技術(shù)

無人機誘騙技術(shù)與干擾壓制作用機理不同，誘騙技術(shù)通過發(fā)射虛假導(dǎo)航信號，依靠功率優(yōu)勢誘導(dǎo)接收機對其進行捕獲跟蹤，解算出錯誤的定位結(jié)果。而無人機反誘騙技術(shù)主要通過識別和檢測衛(wèi)星導(dǎo)航、測控鏈路等手段對無人機的欺騙行為意圖，有針對性地采取必要的誘騙防范技術(shù)措施。主要分為誘騙檢測技術(shù)、衛(wèi)星導(dǎo)航與測控數(shù)據(jù)鏈防誘騙技術(shù)等。

4.1 誘騙檢測技術(shù)

誘騙檢測是無人機抗誘捕技術(shù)研究的首要步驟，也是非常關(guān)鍵的一步。誘騙檢測技術(shù)主要針對衛(wèi)星導(dǎo)航定位狀態(tài)和測控數(shù)據(jù)鏈狀態(tài)等進行持續(xù)監(jiān)測，能夠檢測和識別異常信息并判斷是否處于誘騙狀態(tài)。例如，對數(shù)據(jù)鏈誘騙檢測技術(shù)主要建立在功率檢測、身份鑒權(quán)和基于時間窗口的檢測方法上。對衛(wèi)星導(dǎo)航利用基于信號功率異常檢測(PTD)和基于多普勒頻移檢測(DOD)的檢測算法，實現(xiàn)衛(wèi)導(dǎo)接收機在信號跟蹤階段的誘騙檢測；通過與機載慣性導(dǎo)航、慣性航姿測量等定位和航姿信息比對的方法辨別衛(wèi)星導(dǎo)航的大幅度誘發(fā)式定位跳變等[14]。

4.2 數(shù)據(jù)鏈防誘騙技術(shù)

在測控鏈路多冗余基礎(chǔ)上，采用混沌擴頻技術(shù)、長周期跳時和跳頻技術(shù)等措施，使得誘騙方無法預(yù)估我方信號特征和變化規(guī)律；采用時間戳、幀計數(shù)校驗技術(shù)和多相關(guān)峰檢測技術(shù)防止誘騙方轉(zhuǎn)發(fā)式干擾，對時間窗外信號直接濾除，對不連續(xù)幀計數(shù)進行時序與數(shù)值匹配計算判斷信號是否由我方地面站發(fā)出；采用信號電平與航程推算聯(lián)合檢測，主動識別認知誘騙方大功率干擾，避免鎖定到大功率干擾信號上；采用測控鏈路加裝密碼機的方式，避免誘騙方從偵收信號中獲得有用信息，進而無法獲取誘騙無人機的信息格式。

4.3 衛(wèi)星導(dǎo)航防誘騙技術(shù)

衛(wèi)星導(dǎo)航是無人機誘捕所針對的重點方向，主要采取的是衛(wèi)星信號生成式欺騙和轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙2種方式。針對這2種方式欺騙可采用下面3種手段或途徑。

(1) 衛(wèi)星導(dǎo)航加密技術(shù)

為使誘騙方無法準確掌握我方導(dǎo)航衛(wèi)星定位通信協(xié)議，采用衛(wèi)星導(dǎo)航加密技術(shù)能夠有效地防范信號生成式欺騙。例如，美軍采用的軍用P碼通信；以及我國采用的北斗加密芯片等。

(2) 慣性導(dǎo)航等多維導(dǎo)航技術(shù)

利用慣性傳感器技術(shù)所具備的無源、獨立、穩(wěn)定和可靠等優(yōu)勢，采用高精度慣性導(dǎo)航技術(shù)可減少無人機對衛(wèi)星導(dǎo)航定位的依賴；通過慣導(dǎo)、無線電、航姿測量和航程推算等組合導(dǎo)航技術(shù)、信息融合技術(shù)等手段，提高無人機防誘騙能力。

(3) 自主導(dǎo)航技術(shù)

由于衛(wèi)星通信、導(dǎo)航與定位的固有缺陷，采用天文、視覺、圖像匹配和地形匹配等非傳統(tǒng)導(dǎo)航定位方式可提高無人機導(dǎo)航定位的冗余度和可靠性；同時，先進的微電子、微機電、冷原子和量子學(xué)等導(dǎo)航技術(shù)的研究和工程化應(yīng)用，可實現(xiàn)導(dǎo)航層面難以被欺騙和干擾。

5 結(jié)束語

無人機防誘騙防捕獲技術(shù)關(guān)鍵在于提升測控數(shù)據(jù)鏈和導(dǎo)航系統(tǒng)的抗偵收、抗干擾和反誘騙能力。通過對誘捕機理剖析和各項關(guān)鍵技術(shù)研究得知，抗偵收技術(shù)主要目的是降低自身電磁頻譜特性，提高通信波形的復(fù)雜度，降低誘捕方感知測控數(shù)據(jù)鏈的敏感性；抗干擾各項措施主要是降低干擾方蓄意干擾信號進入我方接收機的能量，使接收通道能夠正常工作；反誘騙技術(shù)是采用各種檢測和防范技術(shù)識別誘騙方誘騙行為并排除誘騙信號影響，降低誘騙方實施誘騙的成功概率。無人機防誘騙防捕獲研究必須同時從以上3個方面入手，夯實測控數(shù)據(jù)鏈和導(dǎo)航系統(tǒng)在各個環(huán)節(jié)中的戰(zhàn)技性能。