基于無線電的“低慢小”無人機(jī)反制技術(shù)

吳永欣 廖有幸

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所 河南省鄭州市 450047）

隨著飛行高度低、體積小、速度慢的無人機(jī)（下文簡稱“低慢小無人機(jī)”）購買渠道日趨方便，越來越多的“黑飛”嚴(yán)重影響了公共安全，危及核電站、監(jiān)獄和要地安全，此類無人機(jī)也被不法分子用于販槍投毒，造成了重大的社會(huì)危害。

常規(guī)的防空武器都面臨費(fèi)效比低、使用有局限等問題，相比之下，無線電干擾反制無“低慢小”人機(jī)是最實(shí)用、最經(jīng)濟(jì)的方法，受到了廣泛的關(guān)注[1]。

1 無線電干擾原理

目前幾乎所有的“低慢小”無人機(jī)都使用了無線電技術(shù)來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位、遙控遙測和圖像傳輸?shù)裙δ?，利用這一點(diǎn)就可以對“低慢小”無人機(jī)使用的無線電信號進(jìn)行干擾，達(dá)到反制效果。利用無線電干擾對“低慢小”無人機(jī)進(jìn)行反制主要有遙控鏈路壓制和衛(wèi)星導(dǎo)航誘騙兩種方式[2]。

1.1 遙控鏈路壓制

遙控鏈路壓制是在無人機(jī)的遙控信號工作頻段上發(fā)射大功率的干擾信號，提升無人機(jī)上接收設(shè)備接收的噪聲電平，使信噪比低于其捕獲跟蹤門限，破壞接收設(shè)備的跟蹤環(huán)路，使遙控器和無人機(jī)不能正常通信，從而觸發(fā)無人機(jī)的保護(hù)策略，迫使無人機(jī)自主返航或降落。

無人機(jī)的遙控鏈路大多使用跳頻的通信方式，其通信頻點(diǎn)在帶寬范圍內(nèi)按一定的規(guī)則跳動(dòng)，帶寬較寬。跳頻信號帶寬越大、速率越塊，增益就越高，抗干擾能力相應(yīng)的越強(qiáng)[3]。如圖1 所示。

要想達(dá)到較好的干擾效果，干擾信號需要在頻域、時(shí)域等多個(gè)空間對遙控信號進(jìn)行遮蓋。要實(shí)現(xiàn)對跳頻信號的有效干擾，需要滿足以下條件：

（1）頻域上，干擾信號帶寬要覆蓋跳頻信號帶寬，而且干擾信號的頻譜特征與跳頻信號的頻譜特征相匹配(頻域波形相關(guān))；

（2）時(shí)域上，干擾信號存在時(shí)間要覆蓋跳頻信號存在的時(shí)間，且干擾信號的時(shí)域特征與遙控信號的時(shí)域特征相匹配(即時(shí)域波形相關(guān))；

（3）功率域上，干擾信號功率密度要大于跳頻信號的功率密度。對跳頻通信常用的干擾方式有全頻段干擾、部分頻段干擾、梳狀譜干擾和掃頻干擾等。

1.2 衛(wèi)星導(dǎo)航誘騙

“低慢小”無人機(jī)穩(wěn)定懸停和自動(dòng)巡航都是依靠衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的，衛(wèi)星導(dǎo)航終端持續(xù)接收解算導(dǎo)航衛(wèi)星的定位信息，將無人機(jī)與大地坐標(biāo)的相對位置和速度傳遞給飛控，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的定位、增穩(wěn)、導(dǎo)航等操作。

衛(wèi)星導(dǎo)航誘騙是通過將虛假位置的導(dǎo)航信號發(fā)射到指定區(qū)域，阻塞真實(shí)的導(dǎo)航衛(wèi)星信號，將虛假位置信息注入到衛(wèi)星接收器，從而無人機(jī)就會(huì)定位到指定位置，實(shí)現(xiàn)位置欺騙。將位置信號疊加上一定的速度發(fā)射到指定區(qū)域，無人機(jī)定位后，就會(huì)判斷無人機(jī)存在隨風(fēng)漂移，根據(jù)飛控系統(tǒng)增穩(wěn)策略，飛控會(huì)立即下發(fā)向反方向修正漂移的指令，無人機(jī)就會(huì)按一定速度的向指定的方向飛行，從而實(shí)現(xiàn)了“低慢小”無人機(jī)的航跡誘騙。如圖2 所示。

圖1：跳頻通信示意圖

圖2

圖3

圖4

2 壓制干擾信號源設(shè)計(jì)

壓制干擾信號源采用通用化、模塊化設(shè)計(jì)，采用軟件無線電思想在通用電路結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生各種干擾信號。干擾源為統(tǒng)一的電路，由電源模塊、控制模塊（MCU）、基帶信號模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊（DAC）以及射頻信號模塊組成，根據(jù)外部控制指令，采用直接正交上變頻技術(shù)將基帶干擾信號上變頻到需要的頻率范圍，得到最大信號帶寬干擾信號。干擾源的總體框圖如圖3 所示。

2.1 控制模塊

干擾源與上位機(jī)通過RS-232 協(xié)議進(jìn)行串口通信?？刂颇K（MCU）外部接口豐富，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的串口通信，靈活配置基帶信號模塊、射頻信號模塊的使用方式。

2.2 基帶信號模塊

基帶信號模塊主要包括FPGA 芯片。基帶信號模塊用于產(chǎn)生不同帶寬的基帶數(shù)字干擾信號。由于干擾源輸出信號具有不同帶寬，產(chǎn)生的基帶數(shù)字干擾信號也要具有多種帶寬，且具備不同干擾樣式。

2.3 數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊

數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊主要由DAC 組成，完成基帶數(shù)字信號到基帶模擬信號的轉(zhuǎn)換。

2.4 射頻信號模塊

射頻信號模塊主要由頻綜電路、調(diào)制電路、放大電路組成。頻綜電路具備大帶寬輸出，覆蓋400MHz ～6GHz 頻率范圍；調(diào)制電路將數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊（DAC）的兩路輸出信號正交調(diào)制到需要的頻率范圍，形成的調(diào)制信號通過放大電路得到指定頻率的射頻干擾信號。射頻信號模塊的信號流程如圖4 所示。

3 導(dǎo)航誘騙干擾機(jī)設(shè)計(jì)

“低慢小”無人機(jī)使用的都是民用的導(dǎo)航信號，碼型和導(dǎo)航電文都是公開的，可以使用生成式的欺騙干擾來誘騙“低慢小”無人機(jī)，生成式干擾誘騙實(shí)現(xiàn)方式如圖5 所示。

圖5：生成式干擾誘騙方案

圖6

圖7：壓制干擾效果圖

圖8：導(dǎo)航誘騙干擾效果圖

衛(wèi)星導(dǎo)航欺騙干擾源由仿真控制單元、數(shù)學(xué)仿真單元、信號生成單元、功率控制單元四個(gè)功能單元組成，系統(tǒng)組成框圖如圖6 所示[4]。

3.1 仿真控制單元

仿真控制單元是整個(gè)設(shè)備的核心，用于實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航信號產(chǎn)生速率控制、參數(shù)協(xié)調(diào)管理等。

3.2 數(shù)學(xué)仿真單元

數(shù)學(xué)仿真單元完成衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的空間位置、信號傳播路徑、用戶數(shù)據(jù)生成的仿真建模，能夠仿真用戶機(jī)不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)條件下天線口面接收到的衛(wèi)星的各類觀測數(shù)據(jù)。

觀測數(shù)據(jù)仿真要求能夠根據(jù)衛(wèi)星位置、用戶軌跡、衛(wèi)星鐘差、傳播附加時(shí)延等模擬模型，生成多星座多頻點(diǎn)的偽距、偽距變化率、載波相位等觀測數(shù)據(jù)。計(jì)算或設(shè)置導(dǎo)航電文中衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星鐘差、歷書參數(shù)、電離層參數(shù)、廣域差分參數(shù)等，生成導(dǎo)航電文。

3.3 信號生成單元

信號生成單元主要功能是把仿真的導(dǎo)航數(shù)據(jù)精確地轉(zhuǎn)化為射頻模擬信號。主要由控制模塊、基帶模塊、射頻模塊和頻綜模塊組成。信號生成單元在設(shè)計(jì)上采用數(shù)字基帶合成技術(shù)來完成多星的基帶信號合成，基帶模塊和射頻模塊的時(shí)鐘均由頻綜模塊提供。導(dǎo)航信號仿真需要支持多星座、多頻點(diǎn)、多通道同時(shí)進(jìn)行仿真，而且各個(gè)通道的信號功率以及相位等能夠可控。

3.4 功率控制單元

信號功率控制單元包括數(shù)字功率控制和射頻模擬信號功率控制兩部分。

數(shù)字功率控制主要任務(wù)是根據(jù)軟件界面設(shè)定的衛(wèi)星功率，在數(shù)字基帶部分完成衛(wèi)星信號功率的控制，從而滿足用戶對衛(wèi)星功率進(jìn)行指定的測試需求。

4 干擾效果

利用研制的通用干擾源配合功率放大器和天線對大疆無人機(jī)實(shí)施了干擾測試，干擾效果如下，對遙控鏈路干擾時(shí)，無人機(jī)無法接收到遙控信號，觸發(fā)保護(hù)機(jī)制，主動(dòng)選擇返航或降落；對衛(wèi)星導(dǎo)航信號進(jìn)行干擾時(shí)，無人機(jī)不能利用導(dǎo)航信號修正自身位置，無法穩(wěn)定的懸停，干擾效果如圖7 所示。

生成式欺騙干擾測試時(shí)，模擬了一個(gè)禁飛區(qū)的位置，讓無人機(jī)誤認(rèn)為進(jìn)入了禁飛區(qū)域，觸發(fā)其自主強(qiáng)制降落策略。如圖8 所示。

5 結(jié)論

通過干擾試驗(yàn)，驗(yàn)證了遙控鏈路壓制和衛(wèi)星導(dǎo)航欺騙對“低慢小”無人機(jī)的反制效果，無線電手段反制“低慢小”無人機(jī)效果明顯，經(jīng)濟(jì)性高，應(yīng)用前景廣泛。