一種小型無人機(jī)干擾器設(shè)計(jì)

黃志忠，梁桂全

（桂林航天工業(yè)學(xué)院，廣西 桂林 541004）

0 引言

無人機(jī)融合了傳統(tǒng)飛行器和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的諸多特點(diǎn)［1］，然而無人機(jī)的泛濫帶來了許多安全隱患。在監(jiān)管部門對無人機(jī)進(jìn)行政策限制的情況下，為了盡可能減少無人機(jī)非法入侵造成的安全隱患，反無人機(jī)成為迫在眉睫的任務(wù)。在無人機(jī)容易闖入且會(huì)引發(fā)信息泄露的地區(qū)，或者容易造成安全隱患的敏感地區(qū)（如政治中心、首腦機(jī)關(guān)、軍事要地、邊境、港口、監(jiān)獄、化工廠、機(jī)場、體育館、核電站、別墅區(qū)及靶場等），必須配備反無人機(jī)設(shè)備［2］，以及時(shí)攔截和打擊非法入侵的無人機(jī)，保證地區(qū)安全。

反無人機(jī)的方法主要包括物理攔截、射頻干擾及復(fù)合探測3 種［3］。

（1）物理攔截。小型無人機(jī)飛行高度較低、速度較慢，當(dāng)靠近敏感地區(qū)時(shí)，安全巡邏人員在視線識(shí)別距離內(nèi)通過操作更大的無人機(jī)或采用其他發(fā)射設(shè)備對威脅無人機(jī)進(jìn)行撒網(wǎng)抓捕。

（2）射頻干擾。無人機(jī)飛行需依靠操作者的遙控信號(hào)和GPS 導(dǎo)航定位信號(hào)［4］，因此如果對該頻段的信號(hào)實(shí)施壓制性或欺騙性干擾，將會(huì)導(dǎo)致無人機(jī)失控而無法自動(dòng)返航。

（3）復(fù)合探測。系統(tǒng)主要由對空雷達(dá)、光電跟蹤識(shí)別器以及定向射頻抑制/干擾器組成［5］。對空雷達(dá)對幾千米范圍內(nèi)的空中目標(biāo)進(jìn)行探測和跟蹤，在發(fā)現(xiàn)可疑目標(biāo)時(shí)，通過光電跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行目標(biāo)確認(rèn)和精確跟蹤，之后啟動(dòng)定向干擾器干擾或攻擊無人機(jī)。

本干擾器設(shè)計(jì)采用射頻干擾的方式，控制壓控振蕩器產(chǎn)生覆蓋無人機(jī)遙控信號(hào)帶寬的掃頻信號(hào)，然后經(jīng)過功率放大器模塊放大，再通過有向天線輻射實(shí)施干擾。

1 無人機(jī)遙控信號(hào)分析

圖1 為實(shí)采某型號(hào)無人機(jī)遙控信號(hào)的片段?？梢?，該信號(hào)具有明顯的周期性或準(zhǔn)周期性。

一個(gè)完整的遙控信號(hào)持續(xù)時(shí)間為3 265 μs，其中前半部分為1 050 μs，后半部分為2 175μs，中間間隔40 μs。

對遙控信號(hào)進(jìn)行頻譜分析可以發(fā)現(xiàn)，前半部分是單載頻信號(hào)，不存在任何調(diào)制，而后半部分頻譜分析如圖2 和圖3 所示。信號(hào)是QPSK 信號(hào)，碼元速率約為24 kb/s。從調(diào)制規(guī)律來看，遙控信號(hào)從2.40～2.48 GHz 依次輪詢掃描發(fā)射。

2 干擾器設(shè)計(jì)

2.1 方案設(shè)計(jì)

掃頻式干擾可以直接覆蓋遙控信號(hào)的整個(gè)頻段，使干擾對象無法正確接收遙控信號(hào)，而發(fā)射的干擾信號(hào)頻率要與無人機(jī)工作頻率一致。根據(jù)分析結(jié)果和相關(guān)資料可知，無人機(jī)的工作頻段一般為2.4 GHz 和5.8 GHz，頻段內(nèi)發(fā)射功率均未超過1 W。本干擾器以2.4 GHz 為參考進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。設(shè)計(jì)方案總體架構(gòu)如圖4 所示。

表1 干擾器設(shè)計(jì)主要技術(shù)指標(biāo)

2.2 信號(hào)產(chǎn)生模塊

信號(hào)產(chǎn)生電路工作于2.4 GHz 頻段，具有掃頻功能。綜合考慮設(shè)計(jì)成本和電路復(fù)雜程度，選用集成壓控振蕩器模塊作為信號(hào)發(fā)生器。

KVCO-2400 壓控振蕩器的原理是輸入電壓控制輸出頻率。當(dāng)輸入端的控制電壓在0.1～4.0 V 時(shí)，輸出頻率范圍為2.28～2.68 GHz，滿足產(chǎn)生2.4 GHz 射頻干擾信號(hào)的需求。該模塊功耗低、相噪低且輸出穩(wěn)定，主要參數(shù)如表2 所示。

表2 信號(hào)產(chǎn)生模塊主要參數(shù)

2.3 功放模塊

功率放大器的性能一般由工作頻段、增益、效率、1 dB功率壓縮點(diǎn)以及幅度失真等技術(shù)指標(biāo)決定，在一定頻帶范圍內(nèi)滿足效率、輸出功率等各項(xiàng)指標(biāo)。設(shè)計(jì)的功率放大電路輸出功率達(dá)到了+20 dBm@1 dB 壓縮點(diǎn)，放大器增益為40 dB。

2.4 天 線

天線選用八木天線定向天線。該類型天線結(jié)構(gòu)簡單、增益高、駐波小，可以水平或垂直極化，在測向和遠(yuǎn)距離通信領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

2.5 掃頻電壓控制模塊

用單片機(jī)控制的pcf8591D/A 模塊輸出一個(gè)鋸齒波，控制壓控振蕩器產(chǎn)生2 400～2 500 MHz 的輸出頻率。

3 系統(tǒng)測試

用單片機(jī)控制D/A 模塊輸出掃頻調(diào)諧電壓，控制壓控振蕩器輸出掃頻信號(hào)，通過頻譜儀觀測輸出信號(hào)。頻譜儀實(shí)測結(jié)果如圖5 所示，輸出信號(hào)掃頻范圍為2 400～2 490 MHz，帶內(nèi)平坦度小于1 dB，滿足設(shè)計(jì)要求。

將壓控振蕩器輸出信號(hào)連接至功率放大器，通過饋線連接發(fā)射天線。外場試驗(yàn)過程中，放飛一架小型無人機(jī)，現(xiàn)場如圖6 所示。此外，干擾器距離無人機(jī)20～200 m。干擾器發(fā)射干擾信號(hào)時(shí)，飛手的遙控器無法對無人機(jī)實(shí)施控制，即無人機(jī)處于失控狀態(tài)。

4 結(jié)語

介紹目前無人機(jī)的遙控信號(hào)參數(shù)，確定干擾系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，結(jié)果顯示設(shè)計(jì)的干擾方案簡單，容易實(shí)現(xiàn)，能夠達(dá)到預(yù)期的效果。為了達(dá)到更好的干擾效果，還可以在干擾系統(tǒng)中加入與無人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)參數(shù)相關(guān)的干擾頻率，從而降低無人機(jī)的導(dǎo)航性能。此外，可以改進(jìn)該干擾系統(tǒng)的供電模塊，使系統(tǒng)供電更加穩(wěn)定、安全與可靠。