對(duì)低空小型無人機(jī)的對(duì)抗方法研究

何煦 ;[2]。

【摘要】 概述了當(dāng)前面臨的低空小型無人機(jī)入侵威脅，介紹了兩類典型的低空小型無人機(jī)，重點(diǎn)分析了2.4GHz擴(kuò)跳頻體制的四旋翼無人機(jī)的目標(biāo)特性。分析了目前對(duì)無人機(jī)探測(cè)處置面臨的困難，給出了一種基于無線電探測(cè)處置的對(duì)抗方法，論證了有效作用距離，給出了相關(guān)的測(cè)試結(jié)果，為重點(diǎn)區(qū)域?qū)Φ涂招⌒蜔o人機(jī)的管控提供了一種有效手段。

【關(guān)鍵詞】 無人機(jī) 低空防護(hù) 2.4GHz 無線電探測(cè)處置

一、引言

隨著現(xiàn)代電子通信技術(shù)及航空技術(shù)的飛速發(fā)展，各類小型無人機(jī)的發(fā)展十分強(qiáng)勁，并呈現(xiàn)出種類日益增多、性能不斷提升、使用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展、使用門檻越來越低和可獲得渠道日益增多等特點(diǎn)。低空小型無人機(jī)除了大量被用于測(cè)繪、攝像、巡線等正當(dāng)用途外，還被大量用于非法用途。近年來，不法分子利用低空小型無人機(jī)進(jìn)行改裝，通過加裝光電攝像設(shè)備實(shí)施非法拍攝活動(dòng)或通過加裝威脅物品（爆炸物、傳單等）來實(shí)施恐怖活動(dòng)的事件時(shí)有發(fā)生[1]。2014年3月的無人機(jī)非法偷拍韓國青瓦臺(tái)事件；2015年1月的無人機(jī)入侵美國白宮事件； 2015年4月的無人機(jī)攜帶炸彈擬襲擊俄羅斯普京車隊(duì)事件，此類事件不斷發(fā)生，并有愈演愈烈的趨勢(shì)。

無人機(jī)非法入侵活動(dòng)給重要區(qū)域的低空安全帶來了極大的風(fēng)險(xiǎn)，但是目前對(duì)于此類目標(biāo)尚缺乏有效的管控手段。

二、市場(chǎng)上典型低空小型無人機(jī)

目前市場(chǎng)上典型的低空小型無人機(jī)主要包括兩類：

2.1定頻遙控體制的固定翼無人機(jī)

傳統(tǒng)的無人機(jī)均屬于此類，具有體積小、易操作、攜行方便，有一定載物能力，通常采用定頻無線電遙控體制等特點(diǎn)。此類無人機(jī)生產(chǎn)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、銷售渠道多、個(gè)人容易獲取。

該無人機(jī)的遙控鏈路一般均采用72MHz頻段內(nèi)的15個(gè)固定頻點(diǎn)中的某個(gè)頻點(diǎn)進(jìn)行通信，采用PPM或PCM調(diào)制。

但是此類無人機(jī)存在操控復(fù)雜、飛行穩(wěn)定性差、對(duì)起降有一定的場(chǎng)地要求、抗干擾能力弱等缺點(diǎn)，目前已經(jīng)呈現(xiàn)出逐漸被市場(chǎng)淘汰的趨勢(shì)。

2.2擴(kuò)跳頻遙控體制的多旋翼無人機(jī)

多旋翼無人機(jī)是近年來興起的一種新型無人機(jī)，以大疆的四旋翼無人機(jī)為典型代表。相對(duì)于傳統(tǒng)固定翼無人機(jī)，它具有操控簡(jiǎn)單、信息化程度高、飛行穩(wěn)定好、飛行靈活、搭載載荷方便、并具有自主飛行和自動(dòng)返航能力、基本無起降場(chǎng)地要求、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，因此迅速占領(lǐng)了小型無人機(jī)市場(chǎng)，已經(jīng)逐漸成為小型無人機(jī)市場(chǎng)的主流。

在遙控鏈路上是其最大的特點(diǎn)，它工作在2.4G或5.8G的ISM頻段，并采用了擴(kuò)跳頻結(jié)合技術(shù)體制，大幅度提升遙控鏈路的抗干擾能力。目前以2.4G頻段使用最為廣泛，該遙控信號(hào)特征是工作頻段寬（83.5MHz），跳速高（高達(dá)1200跳/秒），頻率點(diǎn)范圍幾乎涵蓋整個(gè)2.4G 頻段。

此外，該類無人機(jī)上一般均配有GPS設(shè)備，有些高端的產(chǎn)品甚至還具備預(yù)先規(guī)劃航線，具備不依賴遙控信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)巡航的功能。

GPS設(shè)備除了正常遙控工作時(shí)能夠?qū)崟r(shí)回傳無人機(jī)位置信息外，當(dāng)丟失遙控信號(hào)后無人機(jī)能夠自動(dòng)切換到自主工作模式，根據(jù)GPS位置信息自主返航著陸。當(dāng)遙控鏈路和GPS導(dǎo)航鏈路同時(shí)被切斷后，無人機(jī)將會(huì)進(jìn)入自穩(wěn)定姿態(tài)保持狀態(tài)或自主降落狀態(tài)，等待信號(hào)恢復(fù)。這些設(shè)計(jì)極大的提高了無人機(jī)的生存能力[2]。

三、探測(cè)處置低空小型無人機(jī)的難點(diǎn)

（1）體積小、低空飛行和隱身化設(shè)計(jì)，躲避雷達(dá)光學(xué)探測(cè)

無人機(jī)除了自身體積較小外，往往還采用結(jié)構(gòu)隱形設(shè)計(jì)（仿造軍用無人機(jī)外形結(jié)構(gòu)）和偽裝色設(shè)計(jì)，并常常在夜色掩護(hù)下行動(dòng)，給光學(xué)和雷達(dá)探測(cè)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

（2）飛行過程噪聲低，躲避人為發(fā)現(xiàn)概率

靜音化的電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，大大降低被人為發(fā)現(xiàn)的概率，往往是無人機(jī)已經(jīng)進(jìn)入?yún)^(qū)域執(zhí)行任務(wù)，守衛(wèi)人員還毫無察覺。

（3）事件突發(fā)性強(qiáng)

多旋翼無人機(jī)起飛降落突然，起降地點(diǎn)隨意性大，可供探測(cè)預(yù)警時(shí)間縮短，發(fā)現(xiàn)難度大。

（4）測(cè)控技術(shù)提升，探測(cè)處置難度增大

遙控鏈路定頻通信升級(jí)到2.4G擴(kuò)跳頻體制，大大提升了鏈路抗干擾能力和同時(shí)也降低了遙控信號(hào)被偵測(cè)的可能性。

（5）強(qiáng)大的自主飛行能力，處置難度大增

使得傳統(tǒng)的僅針對(duì)遙控信號(hào)的無線電干擾手段不再具有效果，必須采用新的處置手段[3]。

（6）2.4G頻段遙控鏈路的標(biāo)準(zhǔn)多樣性，增加了信號(hào)探測(cè)處置難度

目前2.4G頻段的無人機(jī)遙控信號(hào)都有各家公司自己設(shè)計(jì)，業(yè)內(nèi)無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)可供參考，因此帶來了信號(hào)種類多樣、頻點(diǎn)分布不確定，對(duì)遙控信號(hào)的偵測(cè)識(shí)別和有效干擾帶來了挑戰(zhàn)。

（7）載荷偵察/攻擊一體化

威脅能力大大提高，對(duì)探測(cè)預(yù)警時(shí)間提了更高要求，對(duì)漏警率的要求更高，對(duì)處置的有效性和可控性提出了更高要求。

四、無線電探測(cè)處置方法

通過對(duì)上述無人機(jī)的特性分析可知，常規(guī)的雷達(dá)探測(cè)和光學(xué)探測(cè)已經(jīng)很難有效的探測(cè)到低空小型無人機(jī)。但是，作為無人機(jī)“神經(jīng)系統(tǒng)”的無線電遙控遙測(cè)設(shè)備在起飛后處于持續(xù)工作中并不斷向外輻射著無線電信號(hào)，這個(gè)可以作為探測(cè)處置的切入點(diǎn)。

（1）總體思路

本系統(tǒng)采用無線電信號(hào)探測(cè)手段截獲目標(biāo)無人機(jī)的遙控信號(hào)，通過綜合分析處理，發(fā)現(xiàn)并識(shí)別目標(biāo)，確定目標(biāo)輻射源方位。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)入侵飛行物的提前預(yù)警和探測(cè)跟蹤。

通過無線電干擾切斷目標(biāo)無人機(jī)與外界的通信鏈路，破壞無人機(jī)正常工作并使其陷入孤立狀態(tài)，最終使得無人機(jī)迷航、自動(dòng)返航、甚至墜毀。最終達(dá)到解除無人機(jī)的威脅能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的快速高效處置。這是一種有效的非接觸式的軟殺傷手段，具有隱蔽性強(qiáng)、反應(yīng)速度快、使用效果好和對(duì)人員無傷害等優(yōu)點(diǎn)。

（2）有效作用距離估算

假設(shè)遙控器發(fā)射高度為1m，探測(cè)處置天線高度為2m，無人機(jī)的高度為100m。無人機(jī)與遙控器之間的距離為100m，無人機(jī)與設(shè)備天線之間的距離為1km，三者之間保持通視。

其中，72MHz遙控器的發(fā)射功率為0.75W，2.4GHz遙控器的發(fā)射功率為0.125W。

地面對(duì)空中V/UHF頻段視距通信信號(hào)傳播損耗計(jì)算公式為：

f：信號(hào)頻率（MHz）；

R：距離（km）；

Gr：接收天線增益（dBi）；

Gt：發(fā)射天線增益（dBi）。

a. 有效探測(cè)距離

為了有效偵測(cè)，必須保證在接收機(jī)輸入口的信號(hào)電平Pr大于接收機(jī)靈敏度。同時(shí)要考慮到接收機(jī)偵測(cè)信噪比余量和接收端線纜衰減預(yù)留。

L ：傳播損耗計(jì)算（dB）；

Y1 ：接收機(jī)信噪比余量（dB）；

Y2 ：接收端線纜衰減預(yù)留（dB）。

可估算出到達(dá)接收機(jī)信號(hào)入口處的72MHz信號(hào)的接收電平為-53dBm，2.4GHz信號(hào)的接收電平為-70dBm，考慮到V/UHF寬帶接收機(jī)的接收靈敏度一般可以達(dá)到-100dBm以上。

因此，上述兩個(gè)信號(hào)均能夠滿足被有效接收到的電平要求。理論上能夠?qū)?km距離的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)有效探測(cè)。

b. 有效干擾距離

為了有效干擾目標(biāo)信號(hào)，必須滿足兩個(gè)條件。一是干擾天線與被干擾目標(biāo)信號(hào)接收端滿足通視條件，二是干擾信號(hào)到達(dá)無人機(jī)遙控信號(hào)接收端的信號(hào)強(qiáng)度與遙控器信號(hào)達(dá)到無人機(jī)接收設(shè)備的信號(hào)強(qiáng)度相比，能大于無人機(jī)遙控信號(hào)接收設(shè)備的信噪比要求。

通過計(jì)算可知，72MHz遙控信號(hào)到達(dá)無人機(jī)接收端的信號(hào)強(qiáng)度為-33.4dBm，干擾信號(hào)到無人機(jī)接收端的信號(hào)強(qiáng)度為-29.6dBm；2.4GHz遙控信號(hào)到達(dá)無人機(jī)接收端的信號(hào)強(qiáng)度為-68.6dBm，干擾信號(hào)到無人機(jī)接收端的信號(hào)強(qiáng)度為-64.2dBm。

由上述計(jì)算可知，無人機(jī)接收到的干擾信號(hào)幅度已經(jīng)大于同時(shí)接收到的遙控信號(hào)，導(dǎo)致無人機(jī)的實(shí)際信噪比無法滿足正常工作需要，遙控失效。因此，理論上能夠?qū)嚯x1km遠(yuǎn)的無人機(jī)目標(biāo)實(shí)施干擾有效。

五、試驗(yàn)及結(jié)果

（1）試驗(yàn)場(chǎng)景

本試驗(yàn)中我們選用了固定翼無人機(jī)選用了具有市場(chǎng)代表性的WFLY公司的72MHz頻段定頻無人機(jī)作為固定翼無人機(jī)目標(biāo)。

選用了具有市場(chǎng)代表性的大疆公司的Phantom2旋翼無人機(jī)作為多旋翼無人機(jī)目標(biāo)，該機(jī)工作在2.4GHz頻段，采用擴(kuò)跳結(jié)合的工作模式。

分別對(duì)兩款目標(biāo)設(shè)置了典型試驗(yàn)場(chǎng)景，目標(biāo)遙控器（無人機(jī)）距離探測(cè)處置設(shè)備約1km，遙控器與無人機(jī)距離 100m，遙控器、無人機(jī)和探測(cè)處置設(shè)備三者間均保持通視。

（2）探測(cè)試驗(yàn)結(jié)果

a. 固定翼無人機(jī)

通過無線電探測(cè)設(shè)備截獲到了72.431MHz 的定頻遙控信號(hào)，并對(duì)該信號(hào)進(jìn)行了識(shí)別和測(cè)向。

試驗(yàn)證明本設(shè)備能夠準(zhǔn)確截獲、識(shí)別和定位該遙控信號(hào)。

b. 多旋翼無人機(jī)

通過無線電偵測(cè)設(shè)備探測(cè)到了2.4GHz 的擴(kuò)跳頻遙控信號(hào)。

試驗(yàn)證明本設(shè)備能夠準(zhǔn)確截獲、識(shí)別和定位該遙控信號(hào)。

（3）處置試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過多次的外場(chǎng)實(shí)際測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如下：

a. 固定翼無人機(jī)

使用遙控器正常遙控?zé)o人機(jī)飛行，對(duì)定頻遙控信號(hào)進(jìn)行無線電壓制干擾后，會(huì)導(dǎo)致無人機(jī)舵機(jī)姿態(tài)突變導(dǎo)致卡機(jī)，最終導(dǎo)致固定翼無人機(jī)無法保持平衡直接墜落。

b. 多旋翼無人機(jī)

使用遙控器正常遙控?zé)o人機(jī)飛行，啟動(dòng)無線電干擾后，導(dǎo)致無人機(jī)丟失對(duì)外聯(lián)絡(luò)信號(hào)并啟動(dòng)自主飛行模式，無人機(jī)立刻在原位置懸停等待指令，隨后緩慢自主垂直降落。

（4）結(jié)論

由上試驗(yàn)結(jié)果可知，本系統(tǒng)能夠有效的探測(cè)并識(shí)別這兩類遙控信號(hào)，并通過測(cè)向來確定輻射源的方位，實(shí)現(xiàn)有效探測(cè)。對(duì)于固定翼無人機(jī)可以有效實(shí)施干擾，使其墜機(jī)；對(duì)多旋翼無人機(jī)，可以有效實(shí)施無線電干擾使其自主迫降。

六、結(jié)束語

小型無人機(jī)已經(jīng)成為信息化條件下恐怖活動(dòng)的重要組成部分，正在逐漸改變著低空安防領(lǐng)域的面貌，對(duì)無人機(jī)的管控已經(jīng)刻不容緩。

本文中的基于無線電信號(hào)探測(cè)處置的對(duì)抗方法是一種探測(cè)處置 “低慢小”無人機(jī)的有效手段，相關(guān)設(shè)備可以作為一種有效手段應(yīng)用到重要區(qū)域的低空防護(hù)中。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 呂信明. 無人機(jī)的發(fā)展及策略[J]. 國防科技，2013，34（1），5-7

[2] 大疆公司. Phantom 2 VISION+ 用戶手冊(cè)[M]. 2014，25-32

[3] 廖興和，孟祥勸，趙偉東. 抗擊軍用無人機(jī)問題研究[J].現(xiàn)代防御技術(shù)，2001，29