無人機(jī)欺騙干擾源設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

楊再秀，柳亞川

（中國電子科技集團(tuán) 第五十四研究所，石家莊 050000）

0 引言

當(dāng)前，無人機(jī)技術(shù)日趨成熟，無人機(jī)在民用方向的應(yīng)用迅速增加，帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，給人們生活工作提供了便利。與此同時，由于無人機(jī)操作簡單、價格低廉，使用群體逐漸面向普通民眾；而當(dāng)下無人機(jī)黑飛事件頻發(fā)，影響了人們正常的生活工作秩序，因此需要針對無人機(jī)開展行之有效的管控。無人機(jī)欺騙干擾源，可模擬真實(shí)衛(wèi)星信號生成欺騙信號，通過功率優(yōu)勢俘獲無人機(jī)，實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)的誘導(dǎo)管制，是當(dāng)下無人機(jī)管控技術(shù)的研究熱點(diǎn)[1-4]。

本文針對無人機(jī)欺騙干擾源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)展開研究。無人機(jī)欺騙干擾源由個人計(jì)算機(jī)（personal,computer,PC）端的控制軟件與導(dǎo)航誘騙設(shè)備2 個部分組成：控制軟件負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)運(yùn)行與人機(jī)交互；導(dǎo)航誘騙設(shè)備中數(shù)仿與信息處理模塊采用數(shù)字信號處理器（digital signal processor,DSP）/現(xiàn)場可編程門陣列（field programmable gate array,FPGA）的架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對信號參數(shù)計(jì)算和基帶信號生成，并通過射頻模塊實(shí)現(xiàn)射頻信號的輸出。此外針對欺騙信號俘獲無人機(jī)的方法做出分析。最終，研制出一款小型化無人機(jī)欺騙干擾源，可在非授權(quán)無人機(jī)進(jìn)入特定空域前進(jìn)行管控，避免對授權(quán)用戶的影響。

1 小型化欺騙干擾源設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

1.1 欺騙信號模型

在全球定位系統(tǒng)（global positioning system,GPS）系統(tǒng)時t時刻的欺騙信號計(jì)算公式[5-9]為

式中：j為仿真的第j顆衛(wèi)星；N(t)為系統(tǒng)時t時刻目標(biāo)處可見星顆數(shù)；為所仿真衛(wèi)星信號功率；Cj[t?τj(t)]為所仿真衛(wèi)星的偽隨機(jī)碼；τj(t)為所仿真衛(wèi)星到目標(biāo)處的偽碼傳播延時；D j[t?τ j(t)]為所仿真衛(wèi)星的導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)；φj(t)為所仿真衛(wèi)星載波相位；n(t)為隨機(jī)噪聲。

所仿真欺騙信號功率計(jì)算方法為

真實(shí)信號到目標(biāo)處的偽碼傳播延時計(jì)算方法如下：

式中：c為光速；為系統(tǒng)時所仿真的衛(wèi)星位置；pu(t+τsu)為GPS 時（GPS time,GPST）（t+τsu）時刻目標(biāo)位置；為干擾源到目標(biāo)處的傳播延時；及為電離層延遲、對流層延遲和相對論效應(yīng)引起的延遲。式（3）中第1 個等式代表真實(shí)衛(wèi)星信號的傳播延時，第2 個等式代表欺騙信號仿真時刻與真實(shí)衛(wèi)星信號系統(tǒng)時之差。

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

欺騙干擾源總體設(shè)計(jì)如圖1 所示，包括導(dǎo)航誘騙設(shè)備、運(yùn)行在PC 端的控制軟件、接收天線與發(fā)射天線。

圖1 欺騙干擾源組成

控制軟件運(yùn)行在外部PC 端，負(fù)責(zé)調(diào)控設(shè)備的運(yùn)行、人機(jī)交互，與探測設(shè)備交互獲取無人機(jī)位置速度信息。

導(dǎo)航誘騙設(shè)備包含數(shù)仿與信息處理模塊、內(nèi)置接收模塊、收發(fā)天線和射頻模塊。

1.2.1 內(nèi)置接收模塊

欺騙干擾源中內(nèi)置一個授時型接收機(jī)，通過串口與DSP 連接，授時型接收機(jī)使用接收天線接收真實(shí)衛(wèi)星信號，獲取當(dāng)前的時間信息、星歷等信息；接收機(jī)輸出經(jīng)馴服后的秒脈沖（pulse per second,PPS）和10 MHz 時鐘信號，用于本地鐘與系統(tǒng)時的同步；此外接收機(jī)提供接收天線位置，接收天線與欺騙干擾源位置較近，可用于估計(jì)欺騙干擾源與目標(biāo)處的距離。

1.2.2 數(shù)仿與信息處理模塊

數(shù)仿與信息處理模塊采用 DSP+FPGA的架構(gòu)，如圖2 所示。考慮到DSP 處理速度和資源余量，本設(shè)計(jì)采用2 塊DSP，分為控制DSP 和計(jì)算DSP。控制DSP 負(fù)責(zé)與控制軟件和FPGA 完成控制命令交互和數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)對干擾源硬件設(shè)備的控制；同時控制DSP 與內(nèi)置的接收機(jī)通過串口連接，讀取接收機(jī)上傳的時間、星歷、位置等信息，完成信號參數(shù)計(jì)算、電文生成、數(shù)據(jù)打包等工作。計(jì)算DSP 需要根據(jù)控制DSP 計(jì)算的信號參數(shù)，推算載波數(shù)字控制振蕩器（numerically controlled oscillator,NCO）和碼NCO 控制字及初相、當(dāng)前電文比特，并將計(jì)算的參數(shù)傳遞給FPGA 用于基帶信號生成。FPGA 根據(jù)DSP 下發(fā)的參數(shù)完成基帶信號生成，對電文進(jìn)行調(diào)制，多路信號合路后發(fā)后端數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（digital to analog converter,DAC）處理，生成模擬信號。

圖2 數(shù)仿與信息處理模塊

1）本設(shè)計(jì)中控制DSP 采用多線程結(jié)構(gòu)，包含命令線程、下發(fā)線程、接收線程、數(shù)據(jù)處理線程、數(shù)據(jù)回傳線程，處理來自電腦端控制軟件的數(shù)據(jù)和來自內(nèi)置接收機(jī)上傳的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)與計(jì)算DSP的交互。控制DSP 功能包括控制軟件交互、接收機(jī)交互、參數(shù)計(jì)算、電文編排、誤差仿真。

2）計(jì)算DSP 接收來自控制DSP的信號參數(shù)、偽距、時間信息，需要精確推算仿真時間的電文比特、載波NCO 與碼NCO 控制字、初相，然后下發(fā)給FPGA，生成多路中頻信號。

載波控制字計(jì)算中，考慮衛(wèi)星和無人機(jī)之間的速度和加速度，暫不考慮加加速度的影響，由此可得

式中：R代表偽距；v代表速度；a代表加速度；v(t)代表t時刻衛(wèi)星和無人機(jī)的相對速度；d(t)代表t時刻衛(wèi)星和無人機(jī)的距離。

無人機(jī)與衛(wèi)星之間的相對運(yùn)動會引起多普勒效應(yīng)，載波多普勒的計(jì)算公式為

式中：下標(biāo)d 代表多普勒；f為信號頻率。

欺騙信號t時刻的相位計(jì)算公式為

對連續(xù)信號采樣，實(shí)現(xiàn)離散化，可得

式中：fn為采樣頻率；n為離散化后采樣點(diǎn)；第1 項(xiàng)為由當(dāng)前偽距引起固定相移；第2 項(xiàng)為無人機(jī)與衛(wèi)星之間的相對速度造成的多普勒頻移；第3 項(xiàng)為無人機(jī)和衛(wèi)星之間的相對加速度造成的相移。因此載波的數(shù)字控制振蕩器采用2 階高階直接數(shù)字頻率合成（direct digital synthesis,DDS）生成載波相位為

φ2(n+1)中同樣含有乘法運(yùn)算，同樣由遞推公式表示為

式中：a2=b1?c1；b2=2c1。

當(dāng)n=0 時，由式（13）計(jì)算得

當(dāng)n=-1 時，由式（14）計(jì)算得

由式（15）及式（16）得

因此相位φ(n)須用2 個累加器級連，如圖3所示。

圖3 2 級DDS 示意

圖中：b2=2c1；φ2(? 1)=b1?3c1；φ(? 1)=a1?b1+c1；z?1代表前一個時鐘值。以每個時鐘遞推得到該時刻的φ(n)。

碼速率與載波頻率相同，無人機(jī)與衛(wèi)星之間的相對運(yùn)動也會產(chǎn)生多普勒頻移，而碼速率與載波速率的比例關(guān)系為

式中：fRF為信號載波頻率；fdopp為速度引起的載波多普勒頻移；f0為碼基準(zhǔn)速率；fcode為增加了碼多普勒頻移后的碼速率。

碼速率NCO 控制字的計(jì)算公式為

式中：fc為采樣時鐘頻率；n0為量化位數(shù)。

碼相位的精確控制是實(shí)現(xiàn)欺騙信號與真實(shí)衛(wèi)星信號同步的關(guān)鍵，因此需要精確計(jì)算欺騙信號仿真時刻所需的偽碼相位。首先需要計(jì)算信號仿真時刻t時刻的衛(wèi)星位置，再根據(jù)主控軟件下發(fā)的無人機(jī)位置推算二者之間的偽距ρ，由此來計(jì)算得出衛(wèi)星到無人機(jī)之間信號的傳播延時

GPS L1 C/A 偽碼的周期為Tc=1 ms，碼速率為1.023 MHz，可得到1 個周期碼片數(shù)N=1 023。首先求解傳播時延τ中不足1 ms 剩余的碼片數(shù)M為

式中mod 表示取余。

隨后求解偽碼發(fā)生器移位寄存器的初始碼片值

對V取整，即移位寄存器的初始值，而小數(shù)部分是相位累加器的初始值

式中：floor 表示向下取整；L為累加器的位寬。

3）FPGA 需要和DSP 交互，獲取載波NCO 和碼NCO 控制字及相位、當(dāng)前時刻的電文比特、信號參數(shù)等信息；根據(jù)當(dāng)前時間選取要發(fā)送的電文比特，并根據(jù)控制字推動生成偽碼序列和載波，再對數(shù)據(jù)比特進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制和BPSK 調(diào)制，生成單路的中頻信號，然后對多路信號合成，生成合路信號。

1.2.3 射頻模塊

射頻模塊需要完成2 個功能，包括：①上變頻生成射頻信號，將中頻信號調(diào)制到1 575.42 MHz；②生成誘騙設(shè)備需要的多種頻率源[10]。

上變頻設(shè)計(jì)框圖如圖4 所示。

圖4 上變頻模塊

輸入的中頻信號先需要通過低通濾波器進(jìn)行濾波，然后上變頻，隨后經(jīng)程控衰減，實(shí)現(xiàn)對射頻功率的控制。

此外，射頻模塊還需要生成多種頻率源，包括一路327.36 MHz 和二路10.23 MHz，用于數(shù)仿與信息處理模塊使用。

1.3 本地時與系統(tǒng)時同步設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)中，由本地接收機(jī)提供與系統(tǒng)時同步的PPS 信號和10 MHz 時鐘，同步本地時鐘與系統(tǒng)時鐘；依據(jù)前文的信號模型，精確計(jì)算所需生成的欺騙信號的各狀態(tài)參數(shù)，通過高階DDS 技術(shù)生成參數(shù)精確的欺騙信號，使欺騙信號在目標(biāo)處與真實(shí)衛(wèi)星信號狀態(tài)一致。此時欺騙信號能夠在不被識別的前提下，進(jìn)入目標(biāo)跟蹤環(huán)路。設(shè)備能夠根據(jù)當(dāng)前的時鐘源狀態(tài)自主切換合適的時鐘：當(dāng)能夠接收外部信號時，會鎖定外部時鐘；當(dāng)外部時鐘缺失時，設(shè)備自動切換到內(nèi)部時鐘，以保持設(shè)備的正常運(yùn)行。

內(nèi)置接收機(jī)輸出的外部時鐘源10 MHz 時鐘在接入射頻模塊后，與本地時鐘源通過鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)同步，然后產(chǎn)生多路頻率源，如圖5 所示。

圖5 本地時鐘馴服環(huán)路

1.4 功率入侵方法

欺騙信號針對目標(biāo)源的誘導(dǎo)可分為 2 個階段：第1 階段輸出的欺騙信號和衛(wèi)星信號的狀態(tài)同步[11]；第2 階段是動態(tài)調(diào)整階段，欺騙信號需要逐步引導(dǎo)目標(biāo)源的位置速度信息，完成對目標(biāo)源的誘導(dǎo)控制[12-14]。本文中，根據(jù)欺騙信號功率調(diào)整策略，分為低功率和高功率調(diào)整策略。

1.4.1 欺騙信號低功率調(diào)整策略

欺騙信號低功率調(diào)整策略：在狀態(tài)同步階段，欺騙信號功率較低，不超過衛(wèi)星信號，而欺騙信號的信號參數(shù)與真實(shí)衛(wèi)星信號誤差能夠控制在滿足要求的范圍內(nèi)；欺騙信號在不被識別的前提下，潛入無人機(jī)的跟蹤環(huán)路，然后在動態(tài)調(diào)整階段增加欺騙信號輸出功率；當(dāng)欺騙信號輸出功率高于衛(wèi)星信號功率后[15]，欺騙信號將獲得目標(biāo)源的主導(dǎo)權(quán)，隨后根據(jù)設(shè)定的欺騙軌跡逐步調(diào)整欺騙信號的信號狀態(tài)，完成對目標(biāo)源的俘獲控制。調(diào)整過程如圖6 所示。

圖6 欺騙信號低功率調(diào)整示意圖

1.4.2 欺騙信號高功率調(diào)整策略

高功率欺騙信號調(diào)整策略：第1 階段發(fā)射高功率欺騙信號，高于衛(wèi)星信號功率，由于欺騙信號與真實(shí)衛(wèi)星信號的載波相位難以精確同步，因此高功率調(diào)整可以避免在欺騙信號與真實(shí)衛(wèi)星信號功率一致時，載波相位反向引起的環(huán)路失鎖問題；第2 階段，同低功率調(diào)整策略調(diào)整方法一致，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)源的誘導(dǎo)控制。高功率控制策略如圖7 所示。

圖7 欺騙信號高功率調(diào)整示意圖

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 欺騙信號功率調(diào)整策略測試

使用一款商業(yè)接收機(jī)測試2 種策略。

2.1.1 欺騙信號低功率調(diào)整策略

欺騙信號低功率調(diào)整策略：在狀態(tài)同步階段，誘騙位置與真實(shí)位置一致，速度和加速度為0；初始輸出低功率的欺騙信號，隨后在第5 秒開始增大欺騙信號功率，讀取接收機(jī)載噪比輸出值。選取其中的22、32 二顆衛(wèi)星的載噪比值，如圖8 所示。

圖8 低功率欺騙信號調(diào)整策略載噪比測試結(jié)果

由圖可知：在前4 秒，接收機(jī)鎖定衛(wèi)星信號，輸出衛(wèi)星信號的載噪比；從第5 秒開始，逐步增大欺騙信號功率；從第7 秒開始，接收機(jī)輸出的載噪比值逐步增大，欺騙信號在功率占優(yōu)時，即可進(jìn)入跟蹤環(huán)路，使接收機(jī)鎖定欺騙信號。

2.1.2 欺騙信號高功率調(diào)整策略測試

欺騙信號高功率調(diào)整策略：開始不發(fā)射欺騙信號時，接收機(jī)鎖定衛(wèi)星信號；隨后進(jìn)入動態(tài)調(diào)整階段，根據(jù)誘導(dǎo)策略調(diào)整所仿真的欺騙信號位置速度狀態(tài)。

在前3 秒不輸出欺騙信號，接收機(jī)鎖定真實(shí)衛(wèi)星信號，記錄接收機(jī)輸出的可見星載噪比值；從第4 秒開始，輸出高功率欺騙信號，高于衛(wèi)星信號的功率15 dB。選取22、32 二顆衛(wèi)星的記錄，如圖9所示。

圖9 高功率欺騙信號調(diào)整策略載噪比測試結(jié)果

由圖可知：在前3 秒接收機(jī)輸出的載噪比值趨于穩(wěn)定；在第4 秒發(fā)射欺騙信號后，接收機(jī)輸出的載噪比值迅速增加，此時接收機(jī)鎖定欺騙信號，欺騙信號在功率占優(yōu)時，即可進(jìn)入跟蹤環(huán)路，接收機(jī)成功被誘導(dǎo)。

2.2 接收機(jī)定位測速誘騙實(shí)驗(yàn)

第1 階段調(diào)整策略為欺騙信號高功率調(diào)整策略；在第2 階段逐步調(diào)整欺騙信號所仿真的位置速度狀態(tài)，從第 5 秒開始，在地心地固（earthcentered earth-fixed,ECEF）坐標(biāo)系下，設(shè)定欺騙信號加速度0.1 m/s2，初始速度為0，加速度持續(xù)時間為10 s，接收機(jī)定位結(jié)果、真實(shí)軌跡與規(guī)劃軌跡的誤差結(jié)果如圖10 所示，接收機(jī)被成功誘騙，輸出了規(guī)劃的位置速度信息。

圖10 接收機(jī)定位測速結(jié)果與預(yù)設(shè)軌跡速度的比較

2.3 無人機(jī)誘騙測試

針對商業(yè)無人機(jī)展開測試，使用同接收機(jī)實(shí)驗(yàn)相同的誘導(dǎo)策略。首先使無人機(jī)鎖定真實(shí)衛(wèi)星信號，并輸出定位位置（39.978 63°N，116.344 35°E），然后打開欺騙源，發(fā)射欺騙信號，隨后調(diào)整欺騙信號所仿真的位置速度狀態(tài)，欺騙信號加速度0.1 m/s2，初始速度為0，加速度持續(xù)時間為10 s，讀取無人機(jī)的位置速度信息，與所仿真的位置速度信息做對比。如圖11 所示。

圖11 軌跡和偏離起始點(diǎn)的距離

由圖可知，無人機(jī)在初始階段鎖定真實(shí)衛(wèi)星信號，輸出真實(shí)位置，從第15 秒開始輸出欺騙信號，并逐步改變欺騙信號所仿真的位置速度狀態(tài)，無人機(jī)定位位置發(fā)生變化，輸出規(guī)劃的位置信息，無人機(jī)鎖定欺騙信號，無人機(jī)誘導(dǎo)成功。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了針對無人機(jī)管控的欺騙干擾源，給出了生成式欺騙干擾源的信號模型，并分析了參數(shù)的具體計(jì)算方法；給出了硬件設(shè)計(jì)方案，并通過接收機(jī)和無人機(jī)驗(yàn)證了欺騙干擾源的信號模型的正確性以及干擾源的功能完備性。

給出了本地時鐘與系統(tǒng)時同步的具體設(shè)計(jì)方案，通過一款授時型接收機(jī)，提供馴服后的PPS 信號和10 MHz 時鐘信號，實(shí)現(xiàn)了本地時鐘與真實(shí)衛(wèi)星系統(tǒng)時的同步，可精確控制信號仿真時間，用于信號狀態(tài)參數(shù)的計(jì)算。并給出了2 種欺騙信號控制策略，對2 種控制策略進(jìn)行了定性分析，最后針對2 種調(diào)整策略進(jìn)行了測試。

本文設(shè)計(jì)的無人機(jī)欺騙干擾源，針對接收機(jī)和無人機(jī)的誘騙實(shí)驗(yàn)都能夠?qū)崿F(xiàn)誘騙俘獲；但由于無人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)較為復(fù)雜，包含多個導(dǎo)航系統(tǒng)，因此目前尚未實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)的定點(diǎn)誘騙，后續(xù)須針對定點(diǎn)誘騙展開進(jìn)一步研究。此外無人機(jī)誘騙需要對無人機(jī)的控制環(huán)路進(jìn)行切斷，使無人機(jī)處于自主控制狀態(tài)，才能通過誘騙實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)的控制。