無人機防誘騙防捕獲技術研究

馬傳焱

(中國人民解放軍32180部隊，北京 100012)

0 引言

近年來，美國和以色列等國多型先進無人機相繼被誘騙、捕獲在世界范圍內引起了極大反響，耗時多年苦心研制隱身設計、氣動布局、數據鏈通信系統和導航系統等機密信息面臨著技術泄露和擴散的巨大風險，單架無人機被俘潛在威脅著整個無人機序列的運行[1]。

2011年12月，伊朗采用電子戰手段近似完整無損的俘獲了美過RQ-170無人機[2]。資料顯示，伊朗利用了RQ-170無人機導航系統的弱點，通過在通信數據鏈中設置電磁阻塞，迫使無人機進入自動駕駛狀態，然后重新設置無人機GPS導航的參數，使其誤以為在阿富汗的美軍基地著落，而實際上它在伊朗境內著陸。

2012年12月，一架美國“掃描鷹”無人機在海灣上空飛行時闖入伊朗領空，被伊朗捕獲，資料顯示無人機同樣是近乎完整的被俘。而后，在2018年11月伊朗又成功俘獲了一架美國MQ-9“捕食者B”無人機。MQ-9無人機從2007年服役以來，已在包括阿富汗、伊拉克和也門等全球熱點地區經過數千次“定點清除”行動，是目前美國執行全球偵察監視和“定點清除”行動的“頂梁柱”機型。“掃描鷹”和MQ-9被伊朗的捕獲對美國造成了沉重打擊，令美國引以為傲的明星機型再次落入伊朗手中。據推測，這兩型無人機的捕獲同樣基于電子對抗手段。

另外，在伊拉克，伊方人員曾使用疑似來自俄羅斯的GPS干擾機對付使用GPS衛星導航的無人機和精確制導武器，致使多起美國無人機迷航，飛到土耳其和伊朗境內，同時精確制導武器頻頻打偏，隨后美國不得不采用地毯式轟炸，清除所有干擾裝置后才按照既定計劃繼續進行。

伊朗和伊拉克多次成功誘騙無人機系統的事實表明，通信數據鏈和導航系統是整個無人機系統防欺騙、防捕獲的薄弱環節。針對通信數據鏈和導航系統的電子戰手段與其他硬殺傷手段相比具有更高的效費比，在平時戰時對無人機威脅都很大[3]。

首當其沖的是無人機任務能力下降和自身安全威脅。硬殺傷手段往往會造成不必要的政治和外交壓力且效費比差，因此，選擇隱蔽性更強的電子對抗手段成為擾亂無人機正常任務的主要手段。無人機面對強大的電子對抗裝備時，通信鏈路的中斷將導致無人機不受控制，導航系統受干擾將造成飛機自主返航或迷航被俘，因此若無人機被干擾、誘騙，輕則導致任務可靠性將急劇下降乃至失敗[4]，重則招致無人機墜毀或被俘獲，威脅無人機自身安全。

更為嚴重的是，無人機被俘獲還面臨著無人機技術的擴散和通信、導航等機密信息被破解的巨大風險，不僅會將己方苦心研制的多項技術展示與人遭受逆向仿制，還面臨著己方通信、導航和加密等機密信息的漏洞被利用的風險，給后續無人機型號帶來了巨大隱患。目前，伊朗在捕獲美國無人機后進行了大量的仿制，逆向研制生產了多款“山寨”武器，給美國造成了物質層面和心理層面的雙重打擊。同時，在挖掘美國無人機薄弱環節和漏洞基礎上，伊朗的反無人機技術也在飛速提升，使得美國無人機面臨伊朗時變得更加脆弱。

本文將從時序角度描述無人機的誘捕機理，并從抗偵收、抗干擾和反誘捕3個方面對無人機防誘捕問題進行論述和研究，研究成果對我無人機發揮作戰效能具有重要意義。

1 無人機誘捕機理

與有人機相比，無人機的基本特征是“機上無人，地面有人”。在手動控制模式下，后方的地面控制站通過遠程遙控執行作戰任務；在程控模式下，地面控制站主要對無人機進行狀態監控。2種控制模式下，無人機與地面站間必須通過測控鏈路進行交聯，通過上行鏈路傳輸操控人員的遙控指令，下行鏈路傳輸無人機的狀態參數和實時偵察信息。出于安全考慮，無人機的飛行控制策略之一是確保測控鏈路暢通并在地面人員監控之下完成作戰任務。上行鏈路中斷導致“失控”后，無人機一般將進入自主程控返航模式，利用定位導航按照預設航線自動返航、降落至指定地點。在運用過程中，無人機抵近前言陣地或深入戰線腹地執行作戰任務，相對己方無人機地面站，另一方在空間位置上具有明顯的距離優勢。正是基于以上原理和流程，針對無人機進行近距離偵收探測、電磁干擾和導航欺騙成為無人機誘騙、捕獲最有效的手段[5]。

根據上文對誘捕無人機技術手段的分析，從時序角度看，無人機誘騙、捕獲過程包含偵收探測、干擾壓制和欺騙捕獲3個步驟，覆蓋了發現、識別和實施3個過程。

在偵收探測階段，主動探測的雷達設備和光電設備、電子偵察設備等其他被動探測的無源探測、偵收設備首先對時域、頻域、空域或圖像等進行聯合搜索和檢測，檢測到異常后，對目標進行空間定位，同時開始對信號特征進行識別和分選，并與特征數據庫進行匹配，獲取無人機的身份信息、數據鏈通信特征和地理位置信息，發出預警信息并保持跟蹤狀態。

隨后電磁干擾壓制設備啟動，干擾波形控制器根據目標位置和目標數據鏈工作狀態，按照一定的策略和算法，產生有效的干擾波形。干擾波形經功率放大后，由指向目標的定向天線發射，高強度的電磁干擾會直接使無人機接收通道飽和，壓制地面站控制信號，造成通信誤碼或鏈路中斷，切斷無人機與后方地面站之間的聯系，無人機被迫終止執行任務，隨后進入自主返航階段。

欺騙捕獲階段，無人機在GPS等精確導航設備輔助下進行返航、降落。欺騙設備可模擬衛星導航信號，位于地面的虛假信號在強度上可輕易壓制衛星導航信號，向無人機發射錯誤的導航坐標或持續發射誘偏信號使無人機逐漸偏離返航航線，最終致使其降落在錯誤位置，完成捕獲。

上述可見，誘騙、捕獲過程的3個階段在時間上具有先后順序，但3個階段危害程度依次遞增。目前，針對無人機防誘捕研究主要圍繞上述3個方面內容開展，分別包含抗偵收、抗干擾和反欺騙3類技術。

2 抗偵收技術

抗偵收技術是通過無人機射頻隱身技術，使偵收方無法偵收到己方無人機的輻射信號，或即使偵收到但無法判斷己方通信參數或無人機的確切位置等。有效的抗偵收技術是實現防誘捕最理想的技術手段，但技術挑戰性較大。目前偵收主要針對具有電磁輻射特性的數據鏈設備，因此隱身數據鏈技術成為抗偵收技術的主要手段。隱身數據鏈技術通過對通信設備和波形進行射頻隱身設計，使無人機平臺上的數據鏈、雷達等主動輻射源被偵收、被截獲概率大大降低。

隱身數據鏈技術是涵蓋時域、頻域和空域等多維域的綜合隱身技術[6]。目前，隱身數據鏈主要的技術手段包括：

2.1 輻射時間控制技術

控制數據鏈終端在不確定的時間以猝發方式進行功率輻射，其發射起始時間和發射時長均可變化，消除時域波形發射規律，避免在時域被控守偵收或截獲。

2.2 輻射功率控制技術

通過對數據鏈終端的輻射源進行輻射功率管理和高性能天線設計，依據傳輸距離要求精確控制輻射功率，降低輻射功率譜密度，使得無人機工作在盡可能低的功率水平，降低偵收接收機接收的電磁波能量，提高電磁輻射裝備隱身性能。

2.3 數據鏈波形隱身

先進的隱身數據鏈設計包括完成其一體化通信任務而采用的傳輸、交換以及抗干擾、抗截獲的信號處理技術的總和，包含信道編碼、調制、擴頻和跳頻處理等一系列技術，具有低功率譜和隱蔽特性，難以被發覺。例如將信號拓展超寬時頻資源上進行傳輸，降低信號在單位時頻資源上的能量，將信號隱匿在自然噪聲或民用移動通信或衛星通信電平下實現隱蔽傳輸效果。

2.4 定向天線技術

定向天線技術是在調整信號空域分布基礎上實現數據鏈隱身的技術。定向天線技術通過控制天線方向圖的輻射方向，實現合作目標方向能量集中其他方向能量削減目的，達到空域隔離效果，在定向天線基礎上對方向圖進行優化，增大主瓣增益、降低副瓣增益可進一步提升定向天線的空域隔離效果，提高數據鏈隱蔽傳輸性能。

2.5 信號不確定化技術

信號不確定化技術要求系統的輻射信號參數不確定，使偵收方偵察設備無法預估。該策略利用信號時域、頻域和空域的特殊設計，使信號的發射時刻、工作頻率、信號波形及輻射方向具有不確定性，提高偵收截獲通信參數和通信信號識別分選的困難程度。

3 抗干擾技術

無人機誘捕主要針對數據鏈和導航系統進行攻擊，因此抗干擾技術也主要圍繞測控數據鏈和衛星導航系統防護兩類技術展開。

3.1 數據鏈抗干擾技術

無人機測控數據鏈抗干擾技術應使無人機數據鏈路具備以下能力：① 廣泛的頻率管理、分配能力，可以在任意區域、任意時間對無人機動態分配可用的頻譜資源；② 解決因信息遠距離傳輸而造成的信號電平大幅度衰減的能力；③ 抵抗惡意干擾、壓制的能力。

根據以上需求，無人機測控數據鏈抗干擾技術主要分為提高測控數據鏈可靠性和有效性的相關技術和基于認知無線電的抗干擾技術等。

提高通信可靠性和有效性的無人機數據鏈相關抗干擾技術可在時域、頻域、空域等多個域進行，主要包括隨機序列擴頻技術、高速跳頻跳時技術、高增益低旁瓣定向天線技術、干擾對消技術，通過時域、頻域和空域等聯合手段降低蓄意干擾和自然干擾進入己方接收機的功率電平，進而提高數據鏈抗干擾性能[7-9]。

此外，為進一步提高無人機在頻域抗干擾性能，還可通過無人機頻譜感知和重構無線電技術為無人機測控提供可選解決方案，即提高了測控鏈路抗干擾能力，又解決了頻譜資源短缺和隨著無人機廣泛使用的頻譜管理難度增加問題。例如，采用支持向量機與功率準則的預測評估方法進行無人機數據鏈的重構；設計和利用認知引擎，將信噪比、信道估計結果、頻譜感知結果和多普勒頻移等作為輸入，通過認知引擎，進行無人機測控數據鏈系統重構等[10]。

3.2 衛星導航抗干擾技術

衛星導航抗干擾技術主要包括濾波技術和波束形成技術兩類。濾波抗干擾技術主要包括單天線的濾波技術和基于陣列天線的濾波技術2種。主要從時域濾波、頻域濾波、空域濾波和時空二維濾波入手，能夠有效地抑制窄帶和寬帶衛星導航定位干擾源。波束成形技術利用陣列天線形成指向衛星方向的波束，而在干擾方向進行增益調零，提高衛星信號的增益，并在其他方向抑制干擾[11-13]。

4 反誘騙技術

無人機誘騙技術與干擾壓制作用機理不同，誘騙技術通過發射虛假導航信號，依靠功率優勢誘導接收機對其進行捕獲跟蹤，解算出錯誤的定位結果。而無人機反誘騙技術主要通過識別和檢測衛星導航、測控鏈路等手段對無人機的欺騙行為意圖，有針對性地采取必要的誘騙防范技術措施。主要分為誘騙檢測技術、衛星導航與測控數據鏈防誘騙技術等。

4.1 誘騙檢測技術

誘騙檢測是無人機抗誘捕技術研究的首要步驟，也是非常關鍵的一步。誘騙檢測技術主要針對衛星導航定位狀態和測控數據鏈狀態等進行持續監測，能夠檢測和識別異常信息并判斷是否處于誘騙狀態。例如，對數據鏈誘騙檢測技術主要建立在功率檢測、身份鑒權和基于時間窗口的檢測方法上。對衛星導航利用基于信號功率異常檢測(PTD)和基于多普勒頻移檢測(DOD)的檢測算法，實現衛導接收機在信號跟蹤階段的誘騙檢測；通過與機載慣性導航、慣性航姿測量等定位和航姿信息比對的方法辨別衛星導航的大幅度誘發式定位跳變等[14]。

4.2 數據鏈防誘騙技術

在測控鏈路多冗余基礎上，采用混沌擴頻技術、長周期跳時和跳頻技術等措施，使得誘騙方無法預估我方信號特征和變化規律；采用時間戳、幀計數校驗技術和多相關峰檢測技術防止誘騙方轉發式干擾，對時間窗外信號直接濾除，對不連續幀計數進行時序與數值匹配計算判斷信號是否由我方地面站發出；采用信號電平與航程推算聯合檢測，主動識別認知誘騙方大功率干擾，避免鎖定到大功率干擾信號上；采用測控鏈路加裝密碼機的方式，避免誘騙方從偵收信號中獲得有用信息，進而無法獲取誘騙無人機的信息格式。

4.3 衛星導航防誘騙技術

衛星導航是無人機誘捕所針對的重點方向，主要采取的是衛星信號生成式欺騙和轉發式欺騙2種方式。針對這2種方式欺騙可采用下面3種手段或途徑。

(1) 衛星導航加密技術

為使誘騙方無法準確掌握我方導航衛星定位通信協議，采用衛星導航加密技術能夠有效地防范信號生成式欺騙。例如，美軍采用的軍用P碼通信；以及我國采用的北斗加密芯片等。

(2) 慣性導航等多維導航技術

利用慣性傳感器技術所具備的無源、獨立、穩定和可靠等優勢，采用高精度慣性導航技術可減少無人機對衛星導航定位的依賴；通過慣導、無線電、航姿測量和航程推算等組合導航技術、信息融合技術等手段，提高無人機防誘騙能力。

(3) 自主導航技術

由于衛星通信、導航與定位的固有缺陷，采用天文、視覺、圖像匹配和地形匹配等非傳統導航定位方式可提高無人機導航定位的冗余度和可靠性；同時，先進的微電子、微機電、冷原子和量子學等導航技術的研究和工程化應用，可實現導航層面難以被欺騙和干擾。

5 結束語

無人機防誘騙防捕獲技術關鍵在于提升測控數據鏈和導航系統的抗偵收、抗干擾和反誘騙能力。通過對誘捕機理剖析和各項關鍵技術研究得知，抗偵收技術主要目的是降低自身電磁頻譜特性，提高通信波形的復雜度，降低誘捕方感知測控數據鏈的敏感性；抗干擾各項措施主要是降低干擾方蓄意干擾信號進入我方接收機的能量，使接收通道能夠正常工作；反誘騙技術是采用各種檢測和防范技術識別誘騙方誘騙行為并排除誘騙信號影響，降低誘騙方實施誘騙的成功概率。無人機防誘騙防捕獲研究必須同時從以上3個方面入手，夯實測控數據鏈和導航系統在各個環節中的戰技性能。