對低空小型無人機的對抗方法研究

何煦 ;[2]。

【摘要】 概述了當前面臨的低空小型無人機入侵威脅，介紹了兩類典型的低空小型無人機，重點分析了2.4GHz擴跳頻體制的四旋翼無人機的目標特性。分析了目前對無人機探測處置面臨的困難，給出了一種基于無線電探測處置的對抗方法，論證了有效作用距離，給出了相關的測試結果，為重點區域對低空小型無人機的管控提供了一種有效手段。

【關鍵詞】 無人機 低空防護 2.4GHz 無線電探測處置

一、引言

隨著現代電子通信技術及航空技術的飛速發展，各類小型無人機的發展十分強勁，并呈現出種類日益增多、性能不斷提升、使用領域不斷擴展、使用門檻越來越低和可獲得渠道日益增多等特點。低空小型無人機除了大量被用于測繪、攝像、巡線等正當用途外，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進行改裝，通過加裝光電攝像設備實施非法拍攝活動或通過加裝威脅物品（爆炸物、傳單等）來實施恐怖活動的事件時有發生[1]。2014年3月的無人機非法偷拍韓國青瓦臺事件；2015年1月的無人機入侵美國白宮事件； 2015年4月的無人機攜帶炸彈擬襲擊俄羅斯普京車隊事件，此類事件不斷發生，并有愈演愈烈的趨勢。

無人機非法入侵活動給重要區域的低空安全帶來了極大的風險，但是目前對于此類目標尚缺乏有效的管控手段。

二、市場上典型低空小型無人機

目前市場上典型的低空小型無人機主要包括兩類：

2.1定頻遙控體制的固定翼無人機

傳統的無人機均屬于此類，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。此類無人機生產簡單、價格低廉、銷售渠道多、個人容易獲取。

該無人機的遙控鏈路一般均采用72MHz頻段內的15個固定頻點中的某個頻點進行通信，采用PPM或PCM調制。

但是此類無人機存在操控復雜、飛行穩定性差、對起降有一定的場地要求、抗干擾能力弱等缺點，目前已經呈現出逐漸被市場淘汰的趨勢。

2.2擴跳頻遙控體制的多旋翼無人機

多旋翼無人機是近年來興起的一種新型無人機，以大疆的四旋翼無人機為典型代表。相對于傳統固定翼無人機，它具有操控簡單、信息化程度高、飛行穩定好、飛行靈活、搭載載荷方便、并具有自主飛行和自動返航能力、基本無起降場地要求、抗干擾能力強等特點，因此迅速占領了小型無人機市場，已經逐漸成為小型無人機市場的主流。

在遙控鏈路上是其最大的特點，它工作在2.4G或5.8G的ISM頻段，并采用了擴跳頻結合技術體制，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，該遙控信號特征是工作頻段寬（83.5MHz），跳速高（高達1200跳/秒），頻率點范圍幾乎涵蓋整個2.4G 頻段。

此外，該類無人機上一般均配有GPS設備，有些高端的產品甚至還具備預先規劃航線，具備不依賴遙控信號進行自動巡航的功能。

GPS設備除了正常遙控工作時能夠實時回傳無人機位置信息外，當丟失遙控信號后無人機能夠自動切換到自主工作模式，根據GPS位置信息自主返航著陸。當遙控鏈路和GPS導航鏈路同時被切斷后，無人機將會進入自穩定姿態保持狀態或自主降落狀態，等待信號恢復。這些設計極大的提高了無人機的生存能力[2]。

三、探測處置低空小型無人機的難點

（1）體積小、低空飛行和隱身化設計，躲避雷達光學探測

無人機除了自身體積較小外，往往還采用結構隱形設計（仿造軍用無人機外形結構）和偽裝色設計，并常常在夜色掩護下行動，給光學和雷達探測帶來了巨大的挑戰。

（2）飛行過程噪聲低，躲避人為發現概率

靜音化的電力驅動系統，大大降低被人為發現的概率，往往是無人機已經進入區域執行任務，守衛人員還毫無察覺。

（3）事件突發性強

多旋翼無人機起飛降落突然，起降地點隨意性大，可供探測預警時間縮短，發現難度大。

（4）測控技術提升，探測處置難度增大

遙控鏈路定頻通信升級到2.4G擴跳頻體制，大大提升了鏈路抗干擾能力和同時也降低了遙控信號被偵測的可能性。

（5）強大的自主飛行能力，處置難度大增

使得傳統的僅針對遙控信號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頻段遙控鏈路的標準多樣性，增加了信號探測處置難度

目前2.4G頻段的無人機遙控信號都有各家公司自己設計，業內無統一標準可供參考，因此帶來了信號種類多樣、頻點分布不確定，對遙控信號的偵測識別和有效干擾帶來了挑戰。

（7）載荷偵察/攻擊一體化

威脅能力大大提高，對探測預警時間提了更高要求，對漏警率的要求更高，對處置的有效性和可控性提出了更高要求。

四、無線電探測處置方法

通過對上述無人機的特性分析可知，常規的雷達探測和光學探測已經很難有效的探測到低空小型無人機。但是，作為無人機“神經系統”的無線電遙控遙測設備在起飛后處于持續工作中并不斷向外輻射著無線電信號，這個可以作為探測處置的切入點。

（1）總體思路

本系統采用無線電信號探測手段截獲目標無人機的遙控信號，通過綜合分析處理，發現并識別目標，確定目標輻射源方位。從而實現對入侵飛行物的提前預警和探測跟蹤。

通過無線電干擾切斷目標無人機與外界的通信鏈路，破壞無人機正常工作并使其陷入孤立狀態，最終使得無人機迷航、自動返航、甚至墜毀。最終達到解除無人機的威脅能力，實現對目標的快速高效處置。這是一種有效的非接觸式的軟殺傷手段，具有隱蔽性強、反應速度快、使用效果好和對人員無傷害等優點。

（2）有效作用距離估算

假設遙控器發射高度為1m，探測處置天線高度為2m，無人機的高度為100m。無人機與遙控器之間的距離為100m，無人機與設備天線之間的距離為1km，三者之間保持通視。

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

地面對空中V/UHF頻段視距通信信號傳播損耗計算公式為：

f：信號頻率（MHz）；

R：距離（km）；

Gr：接收天線增益（dBi）；

Gt：發射天線增益（dBi）。

a. 有效探測距離

為了有效偵測，必須保證在接收機輸入口的信號電平Pr大于接收機靈敏度。同時要考慮到接收機偵測信噪比余量和接收端線纜衰減預留。

L ：傳播損耗計算（dB）；

Y1 ：接收機信噪比余量（dB）；

Y2 ：接收端線纜衰減預留（dB）。

可估算出到達接收機信號入口處的72MHz信號的接收電平為-53dBm，2.4GHz信號的接收電平為-70dBm，考慮到V/UHF寬帶接收機的接收靈敏度一般可以達到-100dBm以上。

因此，上述兩個信號均能夠滿足被有效接收到的電平要求。理論上能夠對1km距離的目標實現有效探測。

b. 有效干擾距離

為了有效干擾目標信號，必須滿足兩個條件。一是干擾天線與被干擾目標信號接收端滿足通視條件，二是干擾信號到達無人機遙控信號接收端的信號強度與遙控器信號達到無人機接收設備的信號強度相比，能大于無人機遙控信號接收設備的信噪比要求。

通過計算可知，72MHz遙控信號到達無人機接收端的信號強度為-33.4dBm，干擾信號到無人機接收端的信號強度為-29.6dBm；2.4GHz遙控信號到達無人機接收端的信號強度為-68.6dBm，干擾信號到無人機接收端的信號強度為-64.2dBm。

由上述計算可知，無人機接收到的干擾信號幅度已經大于同時接收到的遙控信號，導致無人機的實際信噪比無法滿足正常工作需要，遙控失效。因此，理論上能夠對距離1km遠的無人機目標實施干擾有效。

五、試驗及結果

（1）試驗場景

本試驗中我們選用了固定翼無人機選用了具有市場代表性的WFLY公司的72MHz頻段定頻無人機作為固定翼無人機目標。

選用了具有市場代表性的大疆公司的Phantom2旋翼無人機作為多旋翼無人機目標，該機工作在2.4GHz頻段，采用擴跳結合的工作模式。

分別對兩款目標設置了典型試驗場景，目標遙控器（無人機）距離探測處置設備約1km，遙控器與無人機距離 100m，遙控器、無人機和探測處置設備三者間均保持通視。

（2）探測試驗結果

a. 固定翼無人機

通過無線電探測設備截獲到了72.431MHz 的定頻遙控信號，并對該信號進行了識別和測向。

試驗證明本設備能夠準確截獲、識別和定位該遙控信號。

b. 多旋翼無人機

通過無線電偵測設備探測到了2.4GHz 的擴跳頻遙控信號。

試驗證明本設備能夠準確截獲、識別和定位該遙控信號。

（3）處置試驗結果

經過多次的外場實際測試，試驗結果如下：

a. 固定翼無人機

使用遙控器正常遙控無人機飛行，對定頻遙控信號進行無線電壓制干擾后，會導致無人機舵機姿態突變導致卡機，最終導致固定翼無人機無法保持平衡直接墜落。

b. 多旋翼無人機

使用遙控器正常遙控無人機飛行，啟動無線電干擾后，導致無人機丟失對外聯絡信號并啟動自主飛行模式，無人機立刻在原位置懸停等待指令，隨后緩慢自主垂直降落。

（4）結論

由上試驗結果可知，本系統能夠有效的探測并識別這兩類遙控信號，并通過測向來確定輻射源的方位，實現有效探測。對于固定翼無人機可以有效實施干擾，使其墜機；對多旋翼無人機，可以有效實施無線電干擾使其自主迫降。

六、結束語

小型無人機已經成為信息化條件下恐怖活動的重要組成部分，正在逐漸改變著低空安防領域的面貌，對無人機的管控已經刻不容緩。

本文中的基于無線電信號探測處置的對抗方法是一種探測處置 “低慢小”無人機的有效手段，相關設備可以作為一種有效手段應用到重要區域的低空防護中。

參 考 文 獻

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

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

[3] 廖興和，孟祥勸，趙偉東. 抗擊軍用無人機問題研究[J].現代防御技術，2001，29