無人機(jī)電磁域安全策略研究

楊建永，邸成良，龐驥庭

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.西安愛生技術(shù)集團(tuán)公司，陜西 西安 710065)

0 引言

海灣戰(zhàn)爭(zhēng)以來，無人機(jī)作為新興武器裝備投入戰(zhàn)場(chǎng)所取得的卓越戰(zhàn)績(jī)引起了世界各國的極大關(guān)注[1]。與有人機(jī)相比，無人機(jī)裝備具有“飛行員”零傷亡、長(zhǎng)航時(shí)、低成本和可消耗等突出優(yōu)勢(shì)，適合執(zhí)行枯燥、骯臟和危險(xiǎn)的任務(wù)[2]，特別是在情報(bào)偵察等多個(gè)領(lǐng)域大有替代有人機(jī)的趨勢(shì)。從世界各軍事強(qiáng)國的應(yīng)用情況來看，無人機(jī)正在逐步從早期的輔助作戰(zhàn)裝備向主戰(zhàn)裝備發(fā)展。

無人機(jī)一般是在后方控制站的遠(yuǎn)程操控下抵近目標(biāo)區(qū)域執(zhí)行各種任務(wù)，在使用模式上具有“敵近我遠(yuǎn)”的特征[3]。同時(shí)，也正是由于無人機(jī)距離目標(biāo)區(qū)域較近，在執(zhí)行任務(wù)過程中面臨著各種各樣的戰(zhàn)場(chǎng)威脅，不僅受到導(dǎo)彈、防空火炮等傳統(tǒng)火力威脅[4]，還受到各類軟殺傷威脅[5-7]，如針對(duì)測(cè)控鏈路的偵收干擾、針對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)的干擾欺騙等。此類軟殺傷手段不僅服務(wù)于戰(zhàn)時(shí)反無人機(jī)作戰(zhàn)，更能在無人機(jī)執(zhí)行日常偵察、巡邏任務(wù)時(shí)“悄無聲息”地進(jìn)行，比硬殺傷手段更具威脅力，對(duì)無人機(jī)的任務(wù)可靠度及自身安全性造成極大影響。針對(duì)電磁域軟殺傷手段的各類防護(hù)措施已引起相關(guān)機(jī)構(gòu)和學(xué)者的高度重視[8-12]。

目前，針對(duì)無人機(jī)電磁域安全防護(hù)的研究大多從單項(xiàng)技術(shù)角度切入，專注于提升無人機(jī)單項(xiàng)安全能力。例如，有研究將無人機(jī)防誘騙防捕獲劃分為抗偵收、抗干擾和反誘騙3類技術(shù)[13]，然后分別通過采用輻射時(shí)間控制技術(shù)、輻射功率控制技術(shù)、數(shù)據(jù)鏈波形隱身、定向天線和信號(hào)不確定化技術(shù)提升無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的抗偵收能力；通過擴(kuò)頻、跳頻、干擾濾波和空域限零等技術(shù)提高數(shù)據(jù)鏈和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的抗干擾能力；通過誘騙檢測(cè)、數(shù)據(jù)鏈和衛(wèi)星導(dǎo)航防誘騙技術(shù)提升無人機(jī)反誘騙能力。從技術(shù)角度看，無人機(jī)安全能力的提升無疑是建立在上述各種抗偵收、抗干擾和反誘騙技術(shù)的基礎(chǔ)之上。

然而，無人機(jī)作為一類復(fù)雜的信息化裝備，其安全性涉及多個(gè)子系統(tǒng)/模塊，各子系統(tǒng)/模塊間不僅有前后銜接(信息相互識(shí)別與過濾)關(guān)系，又具有信息功能互備份關(guān)系。提升無人機(jī)系統(tǒng)的安全性，不僅僅在于單項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的研究，更在于各個(gè)子系統(tǒng)/模塊間如何協(xié)同配合、互相備份和增強(qiáng)冗余，達(dá)到單模塊功能喪失不必然造成無人機(jī)失控被俘的后果，即從系統(tǒng)運(yùn)用的角度研究無人機(jī)的安全邏輯和安全策略問題。

為建立無人機(jī)安全策略，首先建立了各子系統(tǒng)/模塊間的耦合安全模型，然后對(duì)各種情況下安全策略的運(yùn)行邏輯進(jìn)行分解和分析，最后給出相應(yīng)的安全應(yīng)對(duì)策略，寄希望于進(jìn)一步夯實(shí)無人機(jī)系統(tǒng)安全性。

1 無人機(jī)安全模型

與無人機(jī)電磁域安全相關(guān)的子系統(tǒng)/模塊包括無人機(jī)隱身設(shè)計(jì)模塊、數(shù)據(jù)鏈子系統(tǒng)、導(dǎo)航子系統(tǒng)和無人機(jī)飛行控制子系統(tǒng)等，如圖1所示。

圖1 無人機(jī)電磁域安全模型

圖1中，隱身設(shè)計(jì)模塊、數(shù)據(jù)鏈子系統(tǒng)和導(dǎo)航子系統(tǒng)3部分是電磁域反無人機(jī)任務(wù)的主要對(duì)象，直接面臨各種探測(cè)、干擾和誘騙手段的威脅；無人機(jī)飛行控制子系統(tǒng)是無人機(jī)機(jī)上控制管理與風(fēng)險(xiǎn)決策的中心，其輸出結(jié)果將決定無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)過程的安全等級(jí)。

無人機(jī)隱身設(shè)計(jì)涵蓋外形隱身、數(shù)據(jù)鏈射頻隱身、可見光/紅外隱身以及低噪聲聲學(xué)隱身等能力，主要是通過降低無人機(jī)自身的各類主/被動(dòng)特征，達(dá)到隱身目的。無人機(jī)在執(zhí)行任務(wù)過程中會(huì)受到雷達(dá)、無源偵聽設(shè)備、光學(xué)傳感器和聲學(xué)傳感器的主/被動(dòng)探測(cè)。若被探測(cè)到，將會(huì)暴露位置信息，經(jīng)過進(jìn)一步的電磁頻譜分析及各類特征分析還有可能泄露數(shù)據(jù)鏈的波形參數(shù)、機(jī)型等信息。

數(shù)據(jù)鏈子系統(tǒng)主要完成無人機(jī)的遠(yuǎn)程遙控、遙測(cè)、信息傳輸、跟蹤定位和測(cè)角任務(wù)，是與后方控制站之間的信息橋梁，負(fù)責(zé)傳輸各類指揮控制信息和任務(wù)信息，是無人機(jī)系統(tǒng)的中樞神經(jīng)。在執(zhí)行任務(wù)過程中會(huì)首當(dāng)其沖受到干擾，使鏈路中斷，切斷無人機(jī)與控制站之間的聯(lián)系，更為甚者還可能破譯整個(gè)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的協(xié)議、波形和加密系統(tǒng)，進(jìn)而達(dá)到對(duì)無人機(jī)的捕獲劫持。

導(dǎo)航子系統(tǒng)主要完成無人機(jī)自身的定位數(shù)據(jù)、航向和航速等數(shù)據(jù)測(cè)量，引導(dǎo)無人機(jī)按預(yù)定航線進(jìn)行自主飛行，是飛行控制的重要參考數(shù)據(jù)。目前幾乎所有無人機(jī)都使用了BDS，GPS等衛(wèi)星導(dǎo)航手段，在任務(wù)過程中會(huì)受到蓄意干擾和欺騙，使無人機(jī)無法定位或者被欺騙到錯(cuò)誤的坐標(biāo)位置上偏離航線，威脅到飛行安全。

飛行控制子系統(tǒng)則是無人機(jī)機(jī)上控制管理及決策的中心，通過處理數(shù)據(jù)鏈子系統(tǒng)的測(cè)控信息和導(dǎo)航子系統(tǒng)的定位信息及其工作狀態(tài)，綜合評(píng)估無人機(jī)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，決策無人機(jī)如何執(zhí)行下一步任務(wù)。完備全面的安全策略是保證無人機(jī)安全的根基，是本文關(guān)注的重點(diǎn)。

無人機(jī)飛行控制子系統(tǒng)應(yīng)對(duì)潛在風(fēng)險(xiǎn)的決策輸出結(jié)果可分為5個(gè)等級(jí)。

等級(jí)1：無人機(jī)的各類子系統(tǒng)/模塊能夠抵抗蓄意干擾，或者某些子系統(tǒng)/模塊喪失功能但該部分功能還具有冗余備份能力，可繼續(xù)正常執(zhí)行任務(wù)，如無人機(jī)雖然被雷達(dá)或無源定位裝置發(fā)現(xiàn)，但數(shù)據(jù)鏈和導(dǎo)航子系統(tǒng)可正常工作抵御干擾。

等級(jí)2：部分子系統(tǒng)/模塊受到敵方破壞手段的影響，但通過組合配置或模式切換等手段，在任務(wù)效果降級(jí)情況下仍可以繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)。例如，數(shù)據(jù)鏈路受到干擾后可從寬帶傳輸模式切換為窄帶傳輸模式以提高抗干擾能力，保證關(guān)鍵信息和狀態(tài)正常傳輸，若降速后可以達(dá)到抗干擾目的，則可以降級(jí)執(zhí)行任務(wù)。

等級(jí)3：無人機(jī)子系統(tǒng)/模塊受到了較為嚴(yán)重的影響，子系統(tǒng)/模塊的部分功能喪失或無人機(jī)處于高度風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，則需要完成返航動(dòng)作，以規(guī)避相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)。如測(cè)控鏈路中斷后無人機(jī)一般會(huì)自主進(jìn)入返航程序。

等級(jí)4：無人機(jī)部分子系統(tǒng)/模塊喪失功能且無法靠自身完成返航，進(jìn)而可能導(dǎo)致無人機(jī)墜毀，但飛控子系統(tǒng)仍可以確保在墜毀之前通過預(yù)設(shè)的安全策略，在自身各種傳感器數(shù)據(jù)的輔助下完成機(jī)上關(guān)鍵設(shè)備(如加密模塊)的自毀，保證關(guān)鍵信息不泄露。

等級(jí)5：無人機(jī)按照對(duì)方意圖降落在預(yù)設(shè)區(qū)域且機(jī)上關(guān)鍵信息失控。無人機(jī)安全策略應(yīng)極力避免此類安全事故的發(fā)生。

無人機(jī)電磁域安全策略主要研究飛行控制子系統(tǒng)如何利用數(shù)據(jù)鏈和導(dǎo)航子系統(tǒng)的各類狀態(tài)制定應(yīng)對(duì)措施，使無人機(jī)處于更優(yōu)的安全等級(jí)。

2 無人機(jī)安全策略研究

進(jìn)行安全策略研究前，先假定無人機(jī)系統(tǒng)的測(cè)控?cái)?shù)據(jù)鏈和導(dǎo)航系統(tǒng)基本配置如下：

測(cè)控系統(tǒng)具有冗余鏈路設(shè)置，以主/副鏈路設(shè)置為例，2條鏈路均具有一定的抗偵收、抗干擾設(shè)計(jì)，主鏈路可傳輸遙控、遙測(cè)及寬帶任務(wù)載荷信息，并具有無人機(jī)授時(shí)、測(cè)角測(cè)距功能；副鏈路作為備份鏈路，主要傳輸遙控、遙測(cè)等窄帶信息，并具有授時(shí)和測(cè)距功能。導(dǎo)航系統(tǒng)采用慣性導(dǎo)航和衛(wèi)星導(dǎo)航相結(jié)合的綜合導(dǎo)航方式，可為無人機(jī)提供精確的位置、授時(shí)、航向和航速等數(shù)據(jù)。

2.1 抗偵收安全策略

無人機(jī)電磁域抗偵收能力主要體現(xiàn)在測(cè)控鏈路的隱蔽性上，綜合時(shí)域猝發(fā)通信、頻域擴(kuò)/跳頻、空域定向天線隔離及能量域的精確輻射功率控制等手段可提高無人機(jī)的抗偵收能力。在無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)過程中一般時(shí)域、頻域和空域的抗偵收設(shè)計(jì)已經(jīng)固化，無人機(jī)操作手可控的部分主要為能量域的功率控制，在任務(wù)過程中若主/副鏈路均能正常鎖定時(shí)應(yīng)選擇低功率工作模式，使數(shù)據(jù)鏈接收機(jī)始終工作在靈敏度附近，最大限度降低數(shù)據(jù)鏈電磁波輻射進(jìn)入對(duì)方接收機(jī)的能量水平。

若抗偵收設(shè)計(jì)和能力超越對(duì)方探測(cè)能力，則后續(xù)數(shù)據(jù)鏈子系統(tǒng)和導(dǎo)航子系統(tǒng)可免受干擾或欺騙，無人機(jī)可正常執(zhí)行任務(wù)。此類情況是無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)的理想狀態(tài)，是無人機(jī)系統(tǒng)安全性的發(fā)展目標(biāo)，難度較大。

若無人機(jī)被對(duì)方各種手段探測(cè)到，后續(xù)針對(duì)測(cè)控?cái)?shù)據(jù)鏈子系統(tǒng)和導(dǎo)航子系統(tǒng)的干擾誘騙要分情況制定安全策略。

2.2 測(cè)控?cái)?shù)據(jù)鏈和導(dǎo)航子系統(tǒng)安全策略研究

無人機(jī)被偵收探測(cè)后，測(cè)控?cái)?shù)據(jù)鏈子系統(tǒng)和導(dǎo)航子系統(tǒng)將面臨蓄意干擾或欺騙。導(dǎo)航子系統(tǒng)抗干擾、抗欺騙一般為固化狀態(tài)，而測(cè)控?cái)?shù)據(jù)鏈在使用模式上具有一定的可配置性。在使用策略上，通過綜合分析，比如信道電平異常飽和、鏈路頻繁閃斷、異常中斷、誤碼率升高甚至出現(xiàn)異常指令等，說明無人機(jī)鏈路可能已經(jīng)受到干擾，此時(shí)無人機(jī)已處于被發(fā)現(xiàn)狀態(tài)，則無需考慮抗偵收能力，數(shù)據(jù)鏈終端應(yīng)采用高功率工作模式以提高己方接收機(jī)的入口電平，同時(shí)通過機(jī)上頻譜感知手段探測(cè)干擾情況，通過切換工作頻率等手段躲避干擾。此外，結(jié)合任務(wù)需要，還可采用降低傳輸速率的方式提高數(shù)據(jù)鏈的抗干擾能力。

(1)若任務(wù)過程中主鏈路遭受干擾中斷，副鏈路和導(dǎo)航子系統(tǒng)均正常工作時(shí)，安全策略如圖2所示。此時(shí)，無人機(jī)喪失了主鏈路寬帶信息傳輸能力和外部跟蹤測(cè)角能力，飛行控制子系統(tǒng)的決策結(jié)果有3種：① 若無人機(jī)執(zhí)行非實(shí)時(shí)寬帶偵察類任務(wù)，則可依賴副鏈路的窄帶遙控遙測(cè)信息繼續(xù)正常執(zhí)行任務(wù)；② 若無人機(jī)執(zhí)行偵察類任務(wù)，可以選擇將寬帶偵察數(shù)據(jù)先存儲(chǔ)在機(jī)上，落地后再進(jìn)行分析處理，即無人機(jī)可降級(jí)執(zhí)行任務(wù)；③ 若寬帶傳輸能力喪失，對(duì)無人機(jī)任務(wù)有極大影響，可通過副鏈路發(fā)送返航指令，返航過程依賴導(dǎo)航子系統(tǒng)提供的精確位置信息和副鏈路提供的各類狀態(tài)監(jiān)控信息。

圖2 安全策略模式1

(2)若任務(wù)過程中副鏈路遭受干擾中斷，主鏈路和導(dǎo)航子系統(tǒng)均正常工作時(shí)，安全策略如圖3所示。此時(shí)，無人機(jī)喪失了副鏈路的備份傳輸能力，但主鏈路和導(dǎo)航子系統(tǒng)的功能仍可支持無人機(jī)完成所有任務(wù)，即無人機(jī)可正常執(zhí)行任務(wù)。

圖3 安全策略模式2

(3)若任務(wù)過程中導(dǎo)航子系統(tǒng)中的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)被干擾阻塞或誘騙，主鏈路和副鏈路均正常工作時(shí)，安全策略如圖4所示。此時(shí)，無人機(jī)喪失精確的位置信息，但依據(jù)內(nèi)置的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)仍可在一段時(shí)間維持導(dǎo)航精度，同時(shí)利用無人機(jī)主鏈路的測(cè)角、測(cè)距功能也可以提供一定精度的位置信息，飛行控制子系統(tǒng)的決策結(jié)果有2種：① 若無人機(jī)處于安全空域，且任務(wù)對(duì)精確定位要求較低，可通過測(cè)角測(cè)距和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)提供的定位數(shù)據(jù)繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)，即無人機(jī)降級(jí)執(zhí)行任務(wù)；② 若無人機(jī)處于危險(xiǎn)區(qū)域且執(zhí)行的任務(wù)依賴高精度衛(wèi)星定位，任務(wù)可靠性將無法保證，則通過主/副鏈路發(fā)送返航指令，返航過程中無人機(jī)粗略位置參考主鏈路提供的測(cè)角、測(cè)距信息，精確位置參考鏈路測(cè)角、測(cè)距外部測(cè)量數(shù)據(jù)和高度表、空速表等自身傳感器修正后的慣性導(dǎo)航數(shù)據(jù)，完成返航。

圖4 安全策略模式3

(4)若任務(wù)過程中導(dǎo)航子系統(tǒng)中的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)被干擾阻塞或誘騙且主鏈路被干擾中斷，僅副鏈路可正常工作時(shí)，安全策略如圖5所示。此時(shí)，無人機(jī)喪失精確的位置信息，且外部測(cè)角信息也丟失，僅具有副鏈路的測(cè)距能力，則飛控子系統(tǒng)的決策結(jié)果為無人機(jī)返航。在返航過程中，可通過外部的鏈路測(cè)距粗略修正慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的參數(shù)，但由于缺乏鏈路測(cè)角能力，修正結(jié)果與(3)相比精度有所下降，但無人機(jī)返航的大致路線和方位可以保證。

圖5 安全策略模式4

(5)若任務(wù)過程中導(dǎo)航子系統(tǒng)中的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)被干擾阻塞或誘騙且副鏈路被干擾中斷，僅主鏈路可正常工作，如圖6所示。則安全策略與(3)相同。

圖6 安全策略模式5

(6)若任務(wù)過程中主/副測(cè)控?cái)?shù)據(jù)鏈、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)均被壓制干擾或誘騙，則飛行控制子系統(tǒng)將失去所有的外部測(cè)距、測(cè)角信息和精確的位置信息，安全策略如圖7所示。

圖7 安全策略模式6

此時(shí)無人機(jī)飛控子系統(tǒng)的決策結(jié)果有2種：① 依靠慣性導(dǎo)航系統(tǒng)按照飛行前預(yù)設(shè)的應(yīng)急返航線路進(jìn)行返航，期望脫離對(duì)方干擾區(qū)后數(shù)據(jù)鏈和衛(wèi)星導(dǎo)航子系統(tǒng)恢復(fù)正常工作，但該決策結(jié)果有一定的失敗概率，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在長(zhǎng)時(shí)間獨(dú)立工作時(shí)產(chǎn)生的累計(jì)誤差可能導(dǎo)致返航失??；② 返航過程中飛控子系統(tǒng)應(yīng)實(shí)時(shí)結(jié)合高度表、空速表及航程推算等信息判斷無人機(jī)是否脫離返航任務(wù)剖面，若判斷無人機(jī)已脫離返航任務(wù)剖面則應(yīng)自主完成機(jī)上關(guān)鍵信息自毀，用物理或化學(xué)方式銷毀機(jī)上存儲(chǔ)、處理機(jī)密信息的模塊。

總體而言，上述所有安全措施綜合利用了無人機(jī)各子系統(tǒng)/模塊的信息，最大限度地規(guī)避無人機(jī)受到電磁域干擾后的安全風(fēng)險(xiǎn)，避免出現(xiàn)無人機(jī)被俘的嚴(yán)重后果。

3 結(jié)束語

具體的單項(xiàng)抗偵收、抗干擾技術(shù)手段可提升無人機(jī)子系統(tǒng)或模塊的安全性，但從無人機(jī)系統(tǒng)安全角度來看，各子系統(tǒng)或模塊間在功能設(shè)計(jì)上往往具有互補(bǔ)和相互備份關(guān)系，綜合利用測(cè)控?cái)?shù)據(jù)鏈、導(dǎo)航系統(tǒng)和飛行控制系統(tǒng)等各個(gè)子系統(tǒng)/模塊之間的信息互聯(lián)，制定系統(tǒng)安全策略，提高無人機(jī)系統(tǒng)在電磁域干擾下的安全性。在為無人機(jī)增設(shè)新的冗余鏈路或?qū)Ш皆O(shè)備時(shí)也應(yīng)注重與其他子系統(tǒng)/模塊之間的信息互聯(lián)、信息共享和聯(lián)合安全策略制定，以提高無人機(jī)的系統(tǒng)安全性。