2.4GHz頻段民用無人機壓制干擾研究

簡 晨，尚飛飛

（國家無線電監測中心陜西監測站，西安 712000）

1 引言

近年來，伴隨民用無人機行業的迅猛發展，無人機“黑飛”現象頻發，影響正常生產或生活，對無人機進行管控十分迫切。技術上的管控主要包括物理方法和無線電方法：物理方法利用導彈、激光武器、微波武器或物理捕捉等手段直接摧毀或捕獲無人機；無線電方法利用無線電信號控制、干擾無人機的遙控信號或導航信號控制無人機或迫使無人機返航、降落[1]。

發射大功率寬帶干擾信號壓制無人機，使得無人機接收信號信噪比降低到門限以下，從而使其失控降落或返航，是無人機技術管控有效手段之一。而干擾信號頻率、帶寬和功率的確定是無人機技術管控需要明確的問題之一。本文主要對無人機2.4GHz控制信號進行研究，提出壓制該頻段信號的方法，并通過場外實成功迫使無人機降落。

2 無人機遙控2.4GHz頻段跳頻信號

無人機遙控鏈路主要使用2.4GHz的ISM（工業、科學和醫療）頻率，通信方式為跳頻通信。跳頻通信為擴頻通信的一種，根據香農公式：式中，C為信道容量；W為信號帶寬；S為信號功率；N為噪聲功率。信道容量C可以通過擴展頻帶寬W度來提高。擴頻通信通過增加帶寬的方法在較低信噪比情況下傳輸信息，從而提高系統的抗干擾能力。擴頻通信抗干擾能力通過處理增益Gp來衡量。處理增益為傳輸信號的實際帶寬W與所需的最小帶寬B的比值：GP（dB）=10log（W/B）[2]。對于跳頻信號來說，W/B為跳頻信道個數n，因此跳頻通信處理增益為10log2n。在某一時刻，跳頻系統是窄帶的，從整個時間觀察，跳頻信號在整個頻段內跳變，跳頻系統是寬帶[3]。與窄帶通信相比，接收系統正常工作時，跳頻總帶寬為W的系統接收干擾信號能力比最小帶寬B傳輸系統大Gp。足夠高功率的寬帶信號覆蓋整個頻段時可干擾跳頻系統[4]。

為確定處理增益Gp，采用實驗直接測定2.4GHz頻段跳頻個數與跳頻信號總帶寬。實驗選擇無人機為大疆PHANTOM 4PRO，接收設備為KeySight頻譜儀N9961A，利用MAX HOLD功能記錄該頻段內所有跳頻信號。測量頻譜圖如圖1所示，由圖1可知，跳頻信號在2403MHz-2480MHz頻段共45個信道內不停跳變，占用帶寬77MHz。因此處理增益為16.5dB。

圖1 2.4GHz跳頻信號

3 壓制干擾實驗

根據大疆無人機官網參數，實驗用無人機2.4GHz頻段EIRP為20dBm。壓制信號源為安捷倫E4438C，利用外部生成IQ信號，導入信號源內，生成寬帶信號，經過功放后發射。實驗發射信號調制方式為QPSK，帶寬80MHz，如圖2所示。

發射天線采用2.3G-2.5GHz 頻段定向螺旋天線，半功率波束寬度為30°，增益≥12dBi。在2.4GHz頻段功放最大輸出功率≥100W。該頻段內同軸線及轉接頭插入損耗為2dB。

圖2 80MHzQPSK信號

實驗中，發射信號中心頻率2445MHz。當帶寬小于70MHz時，發射功率達最大，干擾效果不明顯。寬帶調制信號頻率掃描模式下，不同駐留時間和掃描點數時，干擾效果均不明顯。采用80MHz帶寬發射時，干擾效果最好。與上一小節結論相符。

在遙控距離和干擾距離相等時，要達到1∶1的干信比，理論上輸出功率可由以下公式計算：Po=P+Gp，其中Po為輸出干擾功率，P為跳頻信號功率。遙控距離d1和干擾距離d2不等時，根據自由空間傳播損耗公式L（dB）=32.45+20lgf（MHz）+20lgd（km）可知，距離損耗之間的差值為20lg（d2/d1）dB。因此，不同遙控干擾距離比時，達到1∶1的干信比，理論輸出功率應為Po=P+Gp+20lg（d2/d1）。

近距離實驗時，控制點和干擾點保證在無人機接收天線主瓣方向內。控制距離為10m時，干擾距離分別為16m，20m，30m和40m；控制距離為30m時，干擾距離為30m。不同干擾距離和遙控距離比時，達到1∶1干信比，理論輸出功率計算和實際無人機失控降落時EIRP列于表1。從表1可以看出，1∶1干信比時理論功率與無人機失控時實際EIRP相差3dB以內，實驗結果與理論預測相近。

表1 近距離干擾測試數據

遠距離實驗時，選取三個固定點，與干擾點水平距離分別為343m、495m和696m，遙控無人機時使無人機自遙控點垂直向上飛，高度分為100m、150m和200m。此時無人機、遙控點和干擾點組成直角三角形，計算此時的干擾距離，列于表2。同樣的，根據不同距離比，計算1∶1干信比時天線理論輸出功率，記錄無人機失控時的發射功率后計算對應的EIRP。由于遠距離測試存在較多不確定因素，因此測試結果相差較大。去除掉誤差過大的數據可知，1∶1干信比時理論功率與無人機失控時實際EIRP相差在7dB左右，且實際發射功率小于理論計算結果。與表1結果相比，達到同樣壓制效果，干擾信號的發射功率下降，原因一是由于遙控信號位于無人機正下方，處于無人機接收天線的主瓣之外；二是由于遠距離測試存在不確定因素多。根據測試結果可知，在2.4GHz頻段發射寬帶高功率信號對無人機進行壓制時，需要發射信號帶寬覆蓋整個跳頻頻段，發射功率應大于遙控功率Gp+20lg（d2/d1），使無人機接收端干信比接近1∶1。

表2 遠距離干擾測試數據

4 結束語

本文通過理論分析了2.4GHz頻段無人機遙控跳頻信號的特點，并實際測試該跳頻信號的跳頻信道個數，根據理論計算壓制跳頻信號所需要的信號帶寬與功率，經過外場無人機干擾實驗驗證了理論結果，為無人機跳頻控制信號技術管控提供思路。