無人機安全飛行外部風險預測與防誘騙處理技術研究

李航，吳彥，趙敏，王藝超

1.空軍裝備部駐北京地區第一軍事代表室

2.北京市信息技術研究所

3.95894部隊

無人機安全飛行一直是設計者、生產者、使用者、管理者等關注的關鍵問題。影響無人機安全飛行的因素有很多，分為內部影響因素和外部影響因素。本文針對安全飛行外部風險預測，重點闡述無人機防誘騙處理關鍵技術，列出一些常用算法，作為下一步相關研究，以及提高無人機穩定性和安全性的理論參考。

任何無人機從起飛到降落的飛行全過程中，都可能出現安全問題，進而引起不同程度的損失，特別是大中型無人機的安全風險，一直受業界高度關注。

無人機安全飛行影響因素

總體來說，影響無人機安全飛行的因素可歸納為內部和外部兩方面，內部因素主要包括無人機分系統等設備故障對無人機安全飛行造成的影響；由外部因素引起的事故，主要包括外部環境、其他設備、空中碰撞、信息安全或人為等因素對無人機飛行安全造成的影響，如通信干擾、誘騙、飛鳥撞擊、任務規劃不合理等造成的安全風險。本文主要介紹誘騙手段對無人機飛行安全的影響。

飛行操控是影響無人機飛行安全的重要因素

據不完全統計，美軍“捕食者”無人機飛行事故中，多數是由于操控不當或系統問題而引起。國內外多數無人機飛行問題的分析表明，多數系統問題往往可以在地面合理處置，避免事故發生。例如，“捕食者”數據鏈故障導致飛行員誤關發動機等問題。可以說，不合理操控和系統問題出現后的不當處理，是大多數飛行事故的誘因。為提高無人機安全性，減少事故發生，美軍已大大加強了操控處理方面的研究力度，其中決策支持系統是最為有效的方法。美軍無人機雖然戰功卓著，但也事故頻發。在過去一些時間，美軍平均每年都會發生多起A級無人機事故,其中多數是因操控不當或系統問題而引起。比如，2011年8月17日，美軍一架RQ-7“影子”無人機與美國空軍特種作戰部隊的一架MC-130運輸機在阿富汗上空相撞；2007年3月，美軍一架“捕食者”在坎大哈空軍基地著陸時墜毀見圖1，事故原因是操控不當。所以開展無人機地面故障診斷技術研究、空中飛行操控輔助分析與決策研究，現實迫切且意義重大。

圖1 “捕食者”無人機由于操控不當而墜毀。

無人機反制日益影響飛行安全

隨著無人機的發展和實戰應用，對無人機信號進行干擾和導航誘騙成為反無人機的重要手段，嚴重影響了無人機的飛行安全，當前主要包括以下幾種無人機干擾與誘騙技術。

（1）衛星導航干擾與誘騙技術

衛星導航干擾技術按機制可分為壓制式干擾、誘騙式干擾和分布式立體干擾。

壓制式干擾是通過發射一定電平的干擾信號，壓制衛星導航接收機前端的衛星導航信號，使衛星導航接收機接收不到衛星信號；

誘騙式干擾是通過發射與衛星導航信號相同的參數但信息碼不同的假信號，使衛星導航接收機接收錯誤定位信息；

分布式立體干擾是指在地面和空中應用多部多種類干擾機進行全方位立體干擾。具體干擾形式多種多樣，例如寬帶高斯噪音、連續波、掃頻連續波、脈沖連續波、窄帶／寬帶調頻信號等。

（2）網絡信號侵入與反侵入技術

高度智能化的無人系統往往被接入計算機網絡，因此為破解其關鍵密碼或協議創造了機會。視距或衛通鏈路信號很容易被接收，只要截獲的數據樣本足夠大，在一段時間后總能被破解。此外，無人機地面控制站計算機往往防護不嚴密，使用鍵盤記錄器之類的木馬軟件就可以截獲無人機操作規律，分析出有用信息。

（3）任務載荷致盲技術

這種技術并不對無人機導航系統進行干擾，也不會對任何信息進行攔截，在設計系統時已經將“不會導致無人機墜落、不會致其死機或者任何違法行為”考慮在內。該系統甚至不會損害無人機光電設備，但使其拍攝不到目標，還能讓操控員看到一些無關的影像。

（4）模擬傳感器威脅能力的硬件設備

為了模擬敵方無人機可能搭載的傳感器，美國某機構開發了一種綜合性硬件設備。這種設備可以模擬包括具有熱成像能力的光電/紅外傳感器設備，探測和分析其它傳感器的通信信號，干擾武器系統等設備的威脅能力。對情報、監視與偵察（ISR）能力進行模擬和復制，使對抗敵方信號情報能力的效能評估試驗變得可行。

無人機安全飛行外部風險預測與處理技術研究

無人機外部風險是指影響無人機飛行安全的外界因素所產生的安全隱患。下面對無人機防誘騙技術進行闡述和分析。

無人機防誘騙處理技術

（1）重要性

圖2 無人機飛行面臨信號干擾的威脅。

導航系統對無人機的飛行安全極為重要。當前無人機最主要的導航方式為慣性/衛星組合導航(INS/GNNS)，該方式綜合了慣性導航（INS）和全球定位系統（GPS）的優勢，通常可為無人機提供長時間、高精度定位與導航信息。但是，當GPS信號微弱或被其他設備干擾時，由于慣導具有誤差隨時間累積特性，組合導航的優越性得不到體現，造成較大誤差。在特殊情況或戰爭期間，GPS有可能被人為關閉無法使用，甚至被敵人誘騙給出錯誤信息。2011年，美國無人偵察機RQ-170在執行任務途中被伊朗以GPS信號誘騙的方式“輕松”捕獲，近年來曾發生GPS信號誘騙技術誘導無人機改變航向等事件，突顯了提高無人機防誘騙處理技術的重要性和迫切性。

（2）實現無人機防誘騙需解決兩個問題

一是檢測無人機是否存在誘騙風險，判斷當前有沒有被誘騙；二是如果存在誘騙，采用何種措施確保無人機能夠繼續執行任務或者安全返航。

判斷無人機是否被誘騙之前，需要先了解誘騙GPS的機理，當前GPS面臨的安全威脅主要包括GPS干擾和GPS誘騙。顧名思義，GPS干擾就是對GPS接收機施加干擾信號，使GPS接收機無法接收到真實的GPS信號，從而無法獲取位置信息和時間信息，此時GPS的異常情況比較容易判斷，然后直接進入備用引導方式，確保無人機安全飛行；而GPS誘騙則是通過偽造或者重放GPS信號的方式，使GPS接收機接收偽造或者重放的 GPS信號，從而使GPS接收機解算出錯誤的位置和時間信息，這種情況比較嚴重，需要準確判斷無人機是否被誘騙，然后采取相應措施。

目前，誘騙無人機的手段主要是通過篡改其GPS信號而實現。隨著電子對抗技術的發展，GPS或北斗作為一種公開資源，易被操控和干擾的問題日益突出。根據GPS誘騙信息的分析，通常可考慮采用以下方法判斷無人機導航信號是否受到誘騙攻擊，一是記錄并比較接收到的信號強度；二是記錄并比較發送信號的衛星編號和衛星數目；三是記錄并比較發送信號的精確時間；四是記錄并比較接收機和其它來源的位置信息。

1）誘騙信號的產生方式

GPS誘騙信號的產生方式可分為轉發式GPS誘騙和生成式GPS誘騙兩類。轉發式GPS誘騙，首先將真實的GPS信號接收下來后，經過延遲、功率放大后由干擾機發射天線向空中輻射，從而使GPS接收機解算出錯誤的位置和時間信息。

生成式GPS誘騙就是根據已經公開的GPS信號的信號結構、擴頻碼和調制方法以及加密和檢驗矩陣的算法，偽造出特定的GPS信號，然后根據要發射的誘騙點位置、GPS衛星的位置，推算出每個GPS信號從GPS衛星發出到被GPS接收機接收所需要的時延，在這些時延段發射各個GPS誘騙信號。當接收機收到GPS誘騙信號時，GPS接收機會根據三球定位原理解算定位方程，由于時延都已經被設計好，所以GPS 接收機就會受到誘騙。

轉發式GPS誘騙實現難度較低，但靈活性較差；生成式GPS誘騙則可以根據需要生成特定的GPS信號，但實現難度較大。早期，由于轉發式GPS誘騙的局限性以及生成式GPS 誘騙的實現成本較高，GPS誘騙技術并沒有引起人們的重視。隨著科學技術的發展，軟件及無線電技術的發展和成熟，GPS誘騙技術成本和難度大幅降低。

2）防誘騙的導航方式

當檢測到GPS信號受到誘騙時，可考慮利用無人機系統配備的其它輔助導航手段，校正慣導的漂移，實現可接受精度內的自主導航，確保無人機能夠繼續執行任務或者安全返航。景象匹配和地形匹配輔助導航屬于主動導航方式，這兩種導航方式在國內外被廣泛研究，并用于美軍多種巡航導彈和戰斗機，其效果經受過實踐檢驗，是一種應對衛星導航受到誘騙威脅的重要輔助手段。

景象匹配屬于二維匹配，是基于地表敏感特征與地理位置之間的對應關系，實現導航定位的方式。具有定位精度高、自主性強等特點，適于平原、海面等地理形態起伏小的地區使用，成為組合導航中頗受重視的技術之一。近十多年以來，景象匹配輔助導航技術已成功應用于巡航導彈的中制導和未制導階段，并取得顯著成效。

根據景象輔助導航系統所利用的不同圖像信息，匹配方法大致可分為基于灰度的匹配方法和基于特征的匹配方法。

基于灰度的匹配方法是通過比較兩幅圖像中像素點灰度的相似度來完成匹配。此方法無需對圖像進行預處理，且尺寸較小、灰度變化不大的圖像可達到亞像素級的匹配精度。主要存在的問題是，對于噪聲及各種干擾十分敏感，抗幾何變形能力差，因此其匹配定位精度和可靠性難以保證。

基于特征的匹配方法是通過提取圖像的角點、直線、相交線、輪廓、曲率點、合成描述等特征，直接對特征進行匹配，因其不依賴于圖像灰度，該方法已得到廣泛應用。同時，一些學者對雷達與光學景象共性特征的提取與匹配算法進行研究，提出基于目標邊緣特征的匹配算法、基于目標區域特征的匹配算法以及雙特征粗精匹配算法。旋轉與比例不變的點特征松弛匹配算法，在抗旋轉與比例變化方面具有很好的有效性和可行性。此外，利用側抑制競爭法進行圖像邊緣特征的提取，并結合SSDA算法的基本思想，能夠實現基于邊緣特征的快速景象匹配算法。

不論哪一類匹配算法，都是下面三種元素的不同選擇組合，詳見表1。

地形匹配技術是指利用地形高程特征進行定位的輔助導航手段。首先在已選好的航路上，選定若干個地形匹配區，進行量化后制成一張用數字表示的數字地圖，預先存儲在無人機飛控計算機內。當無人機飛臨預設的地形匹配區上空時，其攜帶的電子設備通過測量、計算、比較，即可確定無人機偏離預設航線的偏差，根據偏差，機載計算機發出控制指令，執行機構即可修正航線、保持航向，其工作原理如圖2所示。

通過地形匹配技術，利用地形信息對無人機慣性導航系統的累積誤差進行校正，構成地形輔助導航 (Terrain-Aided Navigation，TAN)系統，具有自主性高、隱蔽性好、抗干擾能力強等特點，是彌補衛星導航系統抗干擾能力差、易被干擾、誘騙等缺陷的重要手段。到目前為止，國外已研究和開發了多種地形輔助導航系統，有幾種系統已裝備現役武器系統并在實戰中得到成功檢驗。

TERCOM地形等高線匹配系統是一種已在“戰斧”和空射巡航導彈上應用、并在實戰中使用過的地形高度匹配系統。1958年美國E-系統（E-System）公司為超聲速低空導彈開發了一種地形等高線匹配系統TERCOM。70年代初，美國空軍與研制部門簽訂了一份合同，約定將這類系統裝配于低空飛行的無人機。后來大量研究證實，在戰略巡航導彈上使用TERCOM技術輔助慣性導航，具有可行性，極大增強了地形輔助導航系統用于飛機和導彈的信心。從那時起，E-系統公司一直在研究該系統，最后成功用于現代巡航導彈。1991年美國在海灣戰爭中使用“戰斧”巡航導彈取得令世人矚目的戰果，“戰斧”和多種型號的空射巡航導彈使用了TERCOM系統，這種地形高度匹配方法是最早被提出解決地形高度匹配問題的方法。

在70年代中期，美國桑地亞實驗室提出桑地亞地形慣性輔助導航系統SITAN。SITAN系統適用于有人機和低空飛行的無人機。由于地形局部線性化的要求，SITAN系統開始工作時，要求INS的定位誤差不能太大，一般要求小于200m。國外F-16戰斗機在飛行試驗中使用了SITAN系統。在SITAN算法的基礎上，AFTI／SITAN系統進行了改進，它利用多狀態擴展卡爾曼濾波器實現位置估值，并在上世紀80年代末安裝于AFTI／F16戰斗機，累計完成238架次、349h的飛行試驗。飛行結果證明，該系統能在大的初始水平位置誤差情況下，連續可靠地提供飛機位置估值，飛行結果定位徑向誤差為47m。

英國不列顛宇航公司（Bae）開發的地形剖面匹配系統TERPROM(Terrain Profile Matching)，是目前世界應用最廣的一種地形輔助導航系統，已在4000多架美國F16戰斗機上得到應用，一些北約噴氣式戰斗機如“幻影”2000、“陣風”、“鷂”式、“美洲豹”等飛機也使用該技術。

表1 匹配算法主要考慮的元素。

圖3 地形匹配輔助導航原理示意圖。