一種民用無人機反制系統(tǒng)的設計

摘 要：本文設計了一種民用無人機反制系統(tǒng)，用于保護重點區(qū)域的低空空域安全。系統(tǒng)基于軟件無線電理念設計：軟件平臺使用GUN Radio，硬件平臺使用Hack RF。文章分析了驅離迫降民用無人機的原理，詳細闡述了模擬GPS信號和產生寬帶噪聲信號的方法，通過理論計算推斷系統(tǒng)的輸出功率，系統(tǒng)理論上可對100 m范圍內的民用無人機進行反制。經驗證，系統(tǒng)可實現(xiàn)對無人機的驅離迫降，達到反制效果。系統(tǒng)方案簡潔、成本低，可推廣至類似的項目研究領域，具有較高的研究價值。

關鍵詞：無人機反制；GUN Radio；Hack RF；GPS信號模擬；信號壓制；寬帶梳狀譜

中圖分類號：TP39；TN972 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）04-0-03

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.04.029

0 引 言

近年來，無人機行業(yè)發(fā)展迅速，民用無人機進入大眾消費市場，截至2022年底，中國無人機注冊數(shù)量達到118.6萬架。在快速崛起的產業(yè)背后，民用無人機帶來的安全問題也在迅速發(fā)酵。對此，國家制訂了法律法規(guī)，限制無人機的“黑飛”行為，將機場、火車站等區(qū)域設置為無人機禁飛區(qū)。但仍存在不法之徒利用無人機成本低廉、操控簡單、攜帶方便等特點，進行非法活動，給社會安全帶來隱患。

“無人機反制”是社會對非法無人機管理的必要手段，常見的無人機反制系統(tǒng)通過摧毀、捕捉、干擾等手段對無人機進行反制[1-5]。但是上述反制方法對民用無人機的反制效果有限：摧毀、捕捉等反制手段會使無人機墜落，進而對公共區(qū)域造成二次破壞；單一的無線電干擾對處于定航飛行的無人機作用有限。

本文設計了一種新型無人機反制系統(tǒng)，系統(tǒng)通過導航欺騙、導航信號壓制、控制信號切斷等方式對“黑飛”民用無人機進行反制驅離。

1 反制原理

本文設計的無人機反制系統(tǒng)對常見的民用無人機進行驅離、迫降等。

1.1 驅離原理

無人機飛行時的軌跡、速度、角度等均由地面遙控實現(xiàn)，大部分民用無人機的遙控頻率為ISM 2.4 GHz頻段。當飛行中的無人機監(jiān)測不到遙控信號時，無人機的操作系統(tǒng)會命令無人機立即返航。根據(jù)上述特點，設計反制系統(tǒng)驅離無人機的原理：系統(tǒng)以寬帶功率信號定向輻射處于飛行狀態(tài)的無人機，使無人機無法正常解調地面臺的遙控信息，無人機丟失遙控信息后將自動返航，達到驅離無人機的效果。

1.2 迫降原理

無人機的導航系統(tǒng)負責向無人機提供參考坐標系的位置、速度、飛行姿態(tài)等矢量信息，引導無人機按照指定航線飛行。導航信號是無人機的眼睛，一旦導航信號出現(xiàn)問題，無人機將懸?；蚪德洹８鶕?jù)上述特點，反制系統(tǒng)設計了基于導航信號干擾和導航信號欺騙兩種原理的迫降機制，本文涉及的導航系統(tǒng)為GPS系統(tǒng)。

（1）導航信號干擾

無人機反制系統(tǒng)在阻斷無人機與地面臺遙控信息的同時，同樣以寬帶噪聲信號（1 575.42 MHz±1.023 MHz）功率壓制無人機與GPS衛(wèi)星的通信，當無人機無法解調遙控信號和導航信息時，無人機會自行降落，反制系統(tǒng)達到使無人機迫降的效果。

（2）導航信號欺騙

帶有導航定位功能的民用無人機，其地圖系統(tǒng)中設計了禁飛區(qū)信息。根據(jù)導航系統(tǒng)，若無人機判斷自身處于禁飛區(qū)：地面未起飛的無人機將拒絕起飛；起飛的無人機將自動降落。根據(jù)上述特點，反制系統(tǒng)提供了導航欺騙功能：系統(tǒng)中預設禁飛區(qū)位置等信息，用偽GPS信號對無人機進行定向輻射誘騙，由于無人機接收的GPS信號微弱，系統(tǒng)只需輸出較小功率的導航欺騙信號就能達到驅離無人機的效果[6-11]。

2 系統(tǒng)組成

本文研究的無人機反制系統(tǒng)由GPS信號欺騙單元和遙控信號干擾單元組成，系統(tǒng)框架如圖1所示。其中，GPS信號欺騙單元基于軟件無線電理念開發(fā)設計：軟件平臺使用開源軟件無線電平臺GUN Radio，硬件平臺使用通用硬件平臺Hack RF，單元主要功能是模擬生成GPS信號。遙控信號干擾單元主要由寬帶噪聲源和功率放大器組成，該單元生成寬帶大功率壓制信號，用以切斷無人機與飛手間的控制

鏈路。

3 方案設計

3.1 偽GPS信號設計

偽GPS信號設計分兩步完成：

（1）模擬GPS信號基帶數(shù)據(jù)。GPS欺騙信號的數(shù)字基帶由GPS數(shù)據(jù)仿真器生成。GPS數(shù)據(jù)仿真器能根據(jù)星歷文件、預設位置坐標等信息計算出系統(tǒng)運行所需的擴頻碼相位、載波相位、電離層延遲、對流層延遲、多普勒頻移等數(shù)據(jù)，并生成偽導航電文；偽導航電文序列與偽隨機序列C/A碼進行“模二加”運算，生成偽GPS信號的數(shù)字數(shù)據(jù)[6]，信號的數(shù)據(jù)結構和真實GPS相同，如圖2所示。

（2）GPS信號的射頻調制。GPS射頻調制主要在GNU Radio平臺上開發(fā)完成。GNU Radio是一個開源的軟件無線電軟件平臺[12]，平臺提供通信系統(tǒng)常用的信號源模塊、信號處理模塊，提供流圖設計的無線通信體系構建方式。系統(tǒng)的程序流圖如圖3所示，流圖實現(xiàn)對偽GPS信號基帶數(shù)據(jù)的調用、相關數(shù)字信號處理、射頻參數(shù)設置等功能。系統(tǒng)模擬的偽GPS信號波形如圖4所示。

3.2 遙控干擾信號源設計

民用無人機的遙控信號頻率范圍為2.4～2.485 GHz，無人機為了增強遙控信號的抗干擾能力，遙控系統(tǒng)采用跳頻通信。由于反制系統(tǒng)不知道跳頻參數(shù)（比如跳頻頻率、頻率變化規(guī)律等），窄帶干擾對無人機遙控系統(tǒng)無法進行精準干擾，反制效果有限。故本系統(tǒng)采用基于梳狀譜的寬帶噪聲干擾，對遙控系統(tǒng)形成全頻段壓制的覆蓋[13]。

梳狀譜干擾的數(shù)學模型為：

（1）

式中：J（t）是梳狀干擾信號；Jn（t）是第n個窄帶信號；An（t）是第n個窄帶信號的包絡；cos[ωnt+φn（t）]是第n個載波。

梳狀頻譜干擾的優(yōu)點是：

（1）窄帶調制信號帶寬大于載波間隔時，梳狀譜干擾等效于全頻噪聲源，如圖5所示。

（2）梳狀頻譜可以看成頻分復用系統(tǒng)，時域信號功率一般小于各載波信號功率譜之和，降低了功率放大器的輸出功率容量，如圖6所示。

3.3 系統(tǒng)硬件設計

3.3.1 數(shù)字中頻小信號設計

GPS信號模擬單元中，硬件實現(xiàn)在軟件無線電通用硬件平臺Hack RF上完成。Hack RF是軟件無線電的通用硬件平臺，工作頻段為30 MHz～6 GHz，最大采樣率為20 MS/s，其硬件結構如圖7所示。

本設計中，Hack RF將軟件平臺生成的數(shù)字基帶信號轉換為模擬信號，對模擬信號進行上變頻、放大以及增益控制。本系統(tǒng)中的Hack RF工作于發(fā)射模式，主要工作流程如下：

（1）模數(shù)轉換器MAX5864將數(shù)字基帶信號轉換為模擬基帶信號；

（2）射頻收發(fā)器MAX2837將模擬基帶信號調制到頻率為2.6 GHz的中頻信號；

（3）混頻器RFFC5072將中頻信號變頻到載波頻率

1 575.42 MHz；

（4）混頻信號最終送給小信號放大器MGA-81563進行放大，放大器增益為12.4 dB。

無人機接收到衛(wèi)星GPS信號功率微弱，約為-128 dBm。系統(tǒng)工作于GPS欺騙模式時，無人機接收偽GPS信號功率只需略大于-128 dBm即可完成GPS欺騙，本系統(tǒng)設計無人機接收偽GPS信號的功率為-125 dBm。反制系統(tǒng)對無人機進行GPS欺騙的有效距離參考式（2）：

PR=PT-32.44 dB-20 log d-20 log f+GA-LossISO （2）

式中：PR為無人機接收的欺騙信號功率；PT為Hack RF發(fā)射的欺騙信號功率；d為反制系統(tǒng)與無人機之間的直線距離；f是遙控信號頻率；GA是發(fā)射天線增益；LossISO是無人機GPS天線背向隔離度。將表1中的數(shù)據(jù)代入式（2），計算出反制系統(tǒng)的有效反制距離為100 m。

3.3.2 2.4 GHz寬帶功率放大器設計

反制系統(tǒng)中，射頻功率放大器的作用是放大2.4 GHz的寬帶干擾信號。本系統(tǒng)功率放大模塊的芯片是基于GaN工藝的微波功率放大器管GTAH27045GX，功率放大器實物如圖8所示。系統(tǒng)設計放大器輸出100 MHz寬帶干擾信號功率為40 W，增益為19 dB，效率為51.3%。

4 測 試

測試使用民用某型航拍無人機，無人機起飛后，距離反制設備約25 m，開啟反制設備，測試效果如下：

（1）啟動遙控信號壓制，天線定向輻射無人機，遙控鏈路被切斷，飛行器自動返航；

（2）啟動GPS信號欺騙，系統(tǒng)模擬的GPS信息為國內某禁飛區(qū)，天線定向輻射無人機，飛行器立即降落。反制系統(tǒng)達到預期效果。

5 結 語

本文設計了一套無人機反制系統(tǒng)，詳細介紹了系統(tǒng)結構和各單元模塊的功能原理。經驗證，系統(tǒng)達到了反制無人機的效果。系統(tǒng)方案簡潔、成本低、調試方便，為各機構對無人機反制的研究提供了一種可行的方案。方案后期可拓展多模導航欺騙以及無人機探測等方向，實現(xiàn)智能化、無人值守的無人機反制系統(tǒng)。

注：本文通訊作者為呂曉蕊。

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收稿日期：2023-03-30 修回日期：2023-05-09

基金項目：2022年湖北省教育廳科學技術研究項目：一種新型無人機反制系統(tǒng)的設計與開發(fā)（B2022561）

作者簡介：唐 正（1984—），男，湖北武漢人，講師，碩士，主要研究方向為無線電通信技術。

呂曉蕊（1985—），女，河北邢臺人，副教授，碩士，主要研究方向為通信算法。