中近程無人機(jī)衛(wèi)星導(dǎo)航誘騙及對策

張雄 熊俊 胡峰

摘? 要：GPS和北斗等衛(wèi)星導(dǎo)航在無人機(jī)導(dǎo)航方面的運(yùn)用較為普遍，通過介紹衛(wèi)星定位原理，分析衛(wèi)星定位誤差產(chǎn)生的原因，研究人為制造GPS和北斗衛(wèi)星定位誤差的常規(guī)方法，致使無人機(jī)飛行中定位不準(zhǔn)確。用特定衛(wèi)星導(dǎo)航干擾、誘騙設(shè)備發(fā)射刻意加偏的衛(wèi)星信號，可導(dǎo)致無人機(jī)偏航或被誘騙到他人期望地域。針對以上問題，提出中近程無人機(jī)綜合運(yùn)用無線電導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、圖像匹配、航向航程推算、組合導(dǎo)航等反誘騙方法，提高無人機(jī)在復(fù)雜環(huán)境自主飛行能力。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)? GPS? 北斗? 衛(wèi)星導(dǎo)航? 誘騙? 對策

中圖分類號：V279+. 3 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2021）02（c）-0119-05

Deception and Countermeasures of Satellite Navigation for Medium and Short Range UAV

ZHANG Xiong1? XIONG Jun1? HU Feng2

（1. Unit 77115， PLA， Chengdu， Sichuan Province， 611235 China; 2. Unit 61287， PLA， Chengdu， Sichuan Province， 610036 China）

Abstract： GPS and Beidou satellite navigation are widely used in UAV navigation. This paper introduces the principle of satellite positioning， analyzes the causes of satellite positioning error， and studies the conventional method of artificial GPS and Beidou satellite positioning error， which leads to inaccurate positioning of UAV in flight. Using specific satellite navigation interference and decoy equipment to launch deliberately biased satellite signals can lead to UAV yaw or be lured to other people's desired area. In view of the above problems， this paper puts forward some anti deception methods， such as radio navigation， inertial navigation， image matching， course and range calculation， integrated navigation， etc.， to improve the UAV's autonomous flight ability in complex environment.

Key Words： UAV;GPS; Beidou; Satellite navigation; Deception; Countermeasure

GPS和北斗等衛(wèi)星定位在各個領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，其定位精度高、速度快，設(shè)備精簡、可靠性好，有著其他定位方式無可比擬的優(yōu)越性，在軍民領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用，無人機(jī)主要通過GPS、北斗等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行定位[1]。但是在復(fù)雜電磁環(huán)境中，敵人可能采取各種手段對GPS和北斗衛(wèi)星信號進(jìn)行干擾和定位參數(shù)刻意加偏，導(dǎo)致無人機(jī)GPS或北斗接收的定位數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，從而無人機(jī)不能按預(yù)定航線飛行，甚至被誘騙到不可控地域被捕獲，不能有效完成任務(wù)。針對無人機(jī)新型作戰(zhàn)樣式及戰(zhàn)法研究，已成為一種新的研究方向[2]。當(dāng)前絕大部分無人機(jī)不具備反衛(wèi)星導(dǎo)航干擾、誘騙能力，自主飛行能力較弱。為滿足惡劣的飛行環(huán)境，有必要采取合理技術(shù)方法提高無人機(jī)在緊急情況下自主飛行能力，為完成任務(wù)提供可靠保證。

1? 衛(wèi)星定位原理及誤差

1.1 衛(wèi)星定位原理

以GPS衛(wèi)星定位為例介紹其偽距定位的原理，載波相位定位方式在無人機(jī)導(dǎo)航上運(yùn)用較少不作介紹。GPS衛(wèi)星工作頻率主要為1575.42MHz的L1載波和1227.60MHz的L2載波。在L1載波上主要調(diào)制著C/A碼（粗碼）、星歷等參數(shù)，定位精度較低，供普通用戶使用;L2載波上調(diào)制著P碼（精碼），提供精密定位服務(wù)給有限用戶使用[3]。普通用戶通過接收機(jī)同時接收3顆以上衛(wèi)星廣播的星歷數(shù)據(jù)報文，測量GPS衛(wèi)星發(fā)射偽測距碼和用戶接收到的時間差，從而計算接收機(jī)到衛(wèi)星的距離，根據(jù)瞬時星歷參數(shù)可以計算定位設(shè)備的坐標(biāo)位置。衛(wèi)星位置（xi，yi，zi）由星歷參數(shù)提供為已知，通過測量用戶到3顆衛(wèi)星的偽距列3個方程式，就可以計算出接收機(jī)的位置（x，y，z）。

R2=（x1-x）2+（y1-y）2+（z1-z）2

R2=（x2-x）2+（y2-y）2+（z2-z）2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

R2=（x3-x）2+（y3-y）2+（z3-z）2

（1）式中R為接收機(jī)到衛(wèi)星偽距，衛(wèi)星位置為（xi， yi，zi），接收機(jī)位置為（x，y，z）。測距偽碼通過無線電在空中傳播，由于電離層密度、設(shè)備精度等原因?qū)е聹y量的時間不夠精確，衛(wèi)星發(fā)出信號到達(dá)接收機(jī)收到的時間上有一個延時Δt，只要測出接收機(jī)與第4顆衛(wèi)星的偽距，通過4個方程式，就可以解出4個未知量x、y、z、Δt，即可獲取接收機(jī)的更加精確的位置[3]。那么（1）式就要改為：

R2=（x1-x）2+（y1-y）2+（z1-z）2 +Δt×C

R2=（x2-x）2+（y2-y）2+（z2-z）2 +Δt×C? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

R2=（x3-x）2+（y3-y）2+（z3-z）2 +Δt×C

R2=（x4-x）2+（y4-y）2+（z4-z）2 +Δt×C

（2）式中C為光束。

1.2 衛(wèi)星定位誤差

衛(wèi)星定位是通過無線電在空中傳播定位參數(shù)，接收機(jī)解算獲取位置。用戶在定位時會受到各種不良因素制約，影響用戶定位準(zhǔn)確度。一是電磁波通過太空和大氣層兩種分布不均勻的電離層介質(zhì)傳播過程中會產(chǎn)生電磁波折射效應(yīng)，且由于濕度、溫度和氣壓會影響電磁波傳播速度，造成偽碼接收時間的延遲，從而產(chǎn)生隨機(jī)誤差。二是敵方可能通過地面注入站人為加入星歷誤差，或者通過衛(wèi)星定位偽基站發(fā)送加偏定位參數(shù)，從而導(dǎo)致位置計算產(chǎn)生人為誤差。三是接收機(jī)軟、硬件設(shè)計存在缺陷，影響信號接收、處理精度，軟件算法不夠科學(xué)合理，從而產(chǎn)生系統(tǒng)誤差。四是衛(wèi)星信號發(fā)生部分和接收信號處理部分的隨機(jī)噪聲，或者其它外部某些具有隨機(jī)特性的影響，從而引起的偶然誤差。

2? 衛(wèi)星導(dǎo)航及誘騙攻擊

衛(wèi)星導(dǎo)航是接收導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航定位信號，實(shí)時地測定運(yùn)動載體的在航位置和速度，進(jìn)而完成導(dǎo)航[4]。衛(wèi)星導(dǎo)航定位精準(zhǔn)，受天候影響較小，能全天時提供實(shí)時服務(wù)，衛(wèi)星導(dǎo)航廣泛運(yùn)用于空中和地面快速移動載體的導(dǎo)航。特別是載荷能力較低的無人機(jī)，在沒有外界人為干擾時，衛(wèi)星導(dǎo)航手段是最簡便、穩(wěn)定的導(dǎo)航方式。

由于可能存在人為干預(yù)，使衛(wèi)星定位產(chǎn)生誤差，利用GPS和北斗偽基站發(fā)送延時定位參數(shù)報文，使偽距碼報文收、發(fā)的時間差不正確，從而可以影響的定位坐標(biāo)準(zhǔn)確度。衛(wèi)星偽基站干擾信號幅度大于正常GPS衛(wèi)星信號[5]，無人機(jī)GPS和北斗接收機(jī)更容易鎖定信號較強(qiáng)的偽基站信號，導(dǎo)致定位存在偏差，使無人機(jī)不能按預(yù)定航線飛行，也可能被誘騙到不可控制區(qū)域。早在2008年，德克薩斯州立大學(xué)奧斯汀分校已經(jīng)研發(fā)出GPS誘騙攻擊系統(tǒng)[6]。2011年12月，伊朗宣布誘騙俘獲一架美國最先進(jìn)的RQ-170無人隱身偵察機(jī)[7]。我國的衛(wèi)星定位干擾系統(tǒng)也早已在航空管制中廣泛運(yùn)用。

目前常見的基于GPS和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航誘騙技術(shù)主要原理如下：（1）首先通過雷達(dá)探測車獲取目標(biāo)無人機(jī)速度、航向、地理位置等基本參數(shù)。（2）計算機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)無人機(jī)運(yùn)動參數(shù)、GPS和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)送的導(dǎo)航信息、誘騙目標(biāo)位置，設(shè)定合理誘騙路徑，確定控制策略，控制欺騙誤差，防止被無人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)識別。（3）通過偽衛(wèi)星信號基站發(fā)送誘騙信息，無人機(jī)鎖定誘騙衛(wèi)星信號，使無人機(jī)脫離原始控制，改變飛行姿態(tài)和航跡，最終使無人機(jī)飛至他人期望地域。其基本原理如圖1所示。

3? 誘騙干擾的對策

3.1 誘騙干擾的判定

衛(wèi)星定位誘騙位置如果是發(fā)生躍變，位置偏差突然變化較大很容易判別發(fā)現(xiàn)。但往往是剛開始偏差量很少，在劫持信號后逐步加大偏差量，誘騙在不知不覺中發(fā)生，具有一定的隱蔽性，很難以發(fā)覺。誘騙的判定是防御誘騙干擾的關(guān)鍵，不能及時判定被誘騙，無人機(jī)誤認(rèn)為偽定位數(shù)據(jù)是正常的，就可能被誘騙到不可控地域。無人機(jī)誘騙可通過以下幾種方法判定。一是通過航線航跡比對。飛行中觀察飛行參數(shù)發(fā)現(xiàn)航跡偏差逐步變大，排除自然條件因素外，難以自動糾正航跡偏差且持續(xù)變大，此時可人工判斷衛(wèi)星定位可能被人為加偏，導(dǎo)致定位不準(zhǔn)確。二是通過鎖定衛(wèi)星判別。衛(wèi)星導(dǎo)航正常情況下，鎖定衛(wèi)星數(shù)一般大于4顆。當(dāng)操作員在無人機(jī)飛行中從導(dǎo)航軟件上觀察到鎖定衛(wèi)星數(shù)為0-2顆，且有定位數(shù)據(jù)但疑似存在偏差，短時間不能恢復(fù)，則可能存在衛(wèi)星定位干擾源。通過軟件檢測比對鎖定的衛(wèi)星信號強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)突然有超出常規(guī)信號強(qiáng)度的信號源時，發(fā)出誘騙干擾預(yù)警。三是通過星歷參數(shù)自動驗(yàn)證。導(dǎo)航定位衛(wèi)星廣播發(fā)射的星歷參數(shù)不但有偽距碼，還包含衛(wèi)星軌道信息、姿態(tài)信息。通過判別衛(wèi)星編號（偽隨機(jī)碼PRN碼）、傾角、信號方位等參數(shù)，檢測衛(wèi)星信號發(fā)射的方位，與數(shù)據(jù)庫中真實(shí)星歷參數(shù)比對，可發(fā)現(xiàn)信號源的真?zhèn)巍Ｋ氖窃O(shè)定空域安全邊界管制。根據(jù)地形條件和任務(wù)需要，設(shè)定飛行空域安全范圍，當(dāng)沒有誤操作時無飛機(jī)定位顯示趨向或者超出安全邊界，衛(wèi)星定位顯示的方位、距離和無線電遙測參數(shù)偏差較大，可以判定無人機(jī)遭遇誘騙攻擊。

3.2 誘騙干擾的對策

在復(fù)雜電磁環(huán)境中，在衛(wèi)星導(dǎo)航、無線電導(dǎo)航等被干擾條件下，無人機(jī)可采用慣性導(dǎo)航、衛(wèi)星定位加密、圖像匹配、航向航程導(dǎo)航等引導(dǎo)方式脫離干擾區(qū)，回到安全區(qū)域后可用衛(wèi)星導(dǎo)航、無線電導(dǎo)航等方式進(jìn)行修正，確保任務(wù)順利完成和無人機(jī)飛行安全。

3.2.1 慣性導(dǎo)航

慣性導(dǎo)航的原理是應(yīng)用慣性加速度計，在三個垂直的軸的方向上測出質(zhì)心運(yùn)動的加速度分量，然后用積分裝置將加速度分量積分得到速度分量，再把速度分量積分得到坐標(biāo)分量[8]。慣性導(dǎo)航對外部條件依賴度低可自主導(dǎo)航，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。但是由于慣導(dǎo)系統(tǒng)采集的參數(shù)本身就有誤差，積分計算也有誤差，導(dǎo)致計算坐標(biāo)位置不準(zhǔn)確，推算的后續(xù)坐標(biāo)誤差會不斷積累前面的誤差，誤差量隨時間推移不斷增大。

3.2.2 衛(wèi)星定位加密

北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開通，是我國獨(dú)立自主建設(shè)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，能在全球范圍提供精準(zhǔn)的定位和導(dǎo)航服務(wù)。通過對北斗導(dǎo)航電文加密，接收機(jī)使用特定密鑰才能解碼，導(dǎo)航電文不能被篡改和誘騙，提高衛(wèi)星定位導(dǎo)航的安全性，難以對無人機(jī)實(shí)施誘騙干擾。

3.2.3 無線電導(dǎo)航

通過無線電技術(shù)能對飛行中的無人機(jī)進(jìn)行測向和測距，可以確定飛機(jī)精確位置。無線電導(dǎo)航可分為地面固定導(dǎo)航臺和無人機(jī)地面控制站鏈路導(dǎo)航等方式。地面導(dǎo)航臺在大型有人機(jī)上運(yùn)用較多，導(dǎo)航技術(shù)較為成熟，頻段分布較廣，也可根據(jù)需要在無人機(jī)任務(wù)航線上臨時架設(shè)專用加密導(dǎo)航臺（站）。在無人機(jī)上加裝導(dǎo)航臺無線電設(shè)備，復(fù)雜電磁環(huán)境中，在無人機(jī)地面站鏈路頻段被干擾情況下，通過地面導(dǎo)航臺頻段可以進(jìn)行校正和輔助導(dǎo)航。

3.2.4 圖像匹配導(dǎo)航

圖像匹配主要有地形輪廓匹配和景象匹配等方式。地形匹配是利用機(jī)載雷達(dá)、無線電測高儀、氣壓高度表等實(shí)時采集高度數(shù)據(jù)，計算出航線投影到地面的剖面高程，與機(jī)上預(yù)先存儲的網(wǎng)格化數(shù)字地圖高程數(shù)據(jù)通過批相關(guān)算法比對，從而確定飛行器的位置，適合于起伏明顯的丘陵和山地導(dǎo)航。景象匹配是將事先預(yù)先制作或飛行器實(shí)時采集的可見光、紅外、SAR圖像與機(jī)上存儲的網(wǎng)格化二維數(shù)字影像進(jìn)行相關(guān)計算確定位置，適合的起伏不大的平坦地區(qū)導(dǎo)航。景像匹配導(dǎo)航分辨率高、自主導(dǎo)航、體積小等顯著優(yōu)點(diǎn)在精確導(dǎo)航領(lǐng)域受到越來越多的重視，成為未來無人機(jī)自主導(dǎo)航飛行的最主要方式之一[9]。中國航天科技集團(tuán)公司一院12所通過合成孔徑雷達(dá)景象匹配導(dǎo)航技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)自主航線規(guī)劃和導(dǎo)航。

3.2.5 航向航程導(dǎo)航

磁航向傳感器自主性工作較好，無人機(jī)距地面較高不容易受到大范圍的干擾。當(dāng)無人機(jī)在空中飛行時，及時判定存在衛(wèi)星干擾誘騙、定位失敗等現(xiàn)象后，此刻時間很短，無人機(jī)位置變化不太大，通過定位失效前的坐標(biāo)位置推算出當(dāng)前位置，以當(dāng)前位置和地面站位置計算出方位角和距離。按計算出的方位角、距離和預(yù)先設(shè)定高于區(qū)域內(nèi)障礙物的應(yīng)急安全高度定向飛行，以慣性導(dǎo)航輔助計算速度和航程，直線返航到地面站附近的安全區(qū)域，在空中盤旋等待衛(wèi)星定位和鏈路恢復(fù)，從而控制無人機(jī)繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)或降落。

4? 組合導(dǎo)航設(shè)計

組合導(dǎo)航的精度是導(dǎo)航系統(tǒng)的重要指標(biāo)[10]，衛(wèi)星導(dǎo)航和慣性導(dǎo)航是無人機(jī)常用的組合導(dǎo)航方式，在衛(wèi)星定位和無線電鏈路失效時，慣性導(dǎo)航得不到補(bǔ)償校正，航跡偏差隨著時間推移越來越大。通過增加導(dǎo)航臺站、圖像匹配、航向航程推算等輔助導(dǎo)航方式，可進(jìn)一步增強(qiáng)中近程無人機(jī)在遇到GPS、北斗和無線電干擾情況下自主飛行能力，應(yīng)對未來可能遭遇的衛(wèi)星導(dǎo)航失效或者誘騙。組合導(dǎo)航原理圖如圖2所示。

導(dǎo)航方式優(yōu)先級依次為衛(wèi)星導(dǎo)航、無線電導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、導(dǎo)航臺站導(dǎo)航、圖像匹配導(dǎo)航、航向航程導(dǎo)航。無人機(jī)能夠獲取衛(wèi)星定位、無線電正常工作情況下，通過卡爾漫濾波器反饋校正其它導(dǎo)航模式位置。無線電鏈路和衛(wèi)星導(dǎo)航被干擾后，通過導(dǎo)航臺站、圖像匹配等方式，修正慣性導(dǎo)航，通過超緊組合導(dǎo)航濾波器優(yōu)化設(shè)計[11]成果可以進(jìn)一步提高組合導(dǎo)航精度。在判定無線電鏈路和衛(wèi)星導(dǎo)航被干擾時，達(dá)到預(yù)先設(shè)定時間門限，無人機(jī)立即進(jìn)入應(yīng)急模式自主導(dǎo)航返航，脫離干擾區(qū)域，進(jìn)入安全區(qū)域后，及時嘗試恢復(fù)無線電鏈路和衛(wèi)星導(dǎo)航。應(yīng)急返航可分為按直線和按航線兩種方式返航。從失控點(diǎn)直線返航要考慮航線中的障礙物，需要預(yù)先設(shè)定安全高度。直線返航飛行中姿態(tài)變化少，測定參數(shù)準(zhǔn)備確，誤差較小，適合距離較近情況下采用。航線返航是沿著起飛前設(shè)定航線返回，適合距離較遠(yuǎn)、地形復(fù)雜時采用。

5? 結(jié)語

每一種導(dǎo)航方式都各有優(yōu)缺點(diǎn)，單一的導(dǎo)航方式都存在一定蔽端。無人機(jī)主要運(yùn)用了慣性導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航、無線電導(dǎo)航等方式組合導(dǎo)航，提高無人機(jī)導(dǎo)航穩(wěn)定性和可靠性。當(dāng)遇到誘騙、干擾情況時，目前無人機(jī)自主導(dǎo)航能力普遍較弱，抗干擾能力不強(qiáng)，受外界條件制約較大。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，可將導(dǎo)航臺站、圖像匹配、航向航程導(dǎo)航等自主性較好的導(dǎo)航方式與當(dāng)前常用的衛(wèi)星導(dǎo)航、無線電導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航等模式進(jìn)行組合。以地磁、光學(xué)為基礎(chǔ)的導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展日新月異[12]，光流導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航等技術(shù)日趨成熟完善，為中近程無人機(jī)自主導(dǎo)航方式提供了更多的解決方案。通過多種自主性較強(qiáng)的導(dǎo)航方式組合，中近程無人機(jī)能更加自主、智能應(yīng)對可能存在的衛(wèi)星、無線電等干擾，進(jìn)一步提高中近程無人機(jī)在復(fù)雜電磁和惡劣戰(zhàn)場環(huán)境中的生存能力。

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