導航干擾技術在無人機防御中的應用展望

焦 博，叢佃偉

(1.信息工程大學 地理空間信息學院，河南 鄭州 450001；2.航天工程大學 航天信息學院，北京 101416)

0 引言

自2020年9月底開始，阿塞拜疆和亞美尼亞兩國為爭奪納卡地區爆發了激烈的軍事沖突[1]。此次沖突中，各類無人機的軍事應用大放異彩，阿塞拜疆采用以色列“哈洛普”自殺式無人機和土耳其“TB-2”查打一體無人機對亞美尼亞方面進行了全方位的立體打擊，殺傷了大量參戰人員，摧毀了大量武器裝備，開啟了無人機作戰的新時代。

在以往的軍事實踐中，無人機攻擊多是用于打擊無防空力量的游擊隊。而亞美尼亞方面則具備由單兵防空導彈、自行高炮和中遠程防空導彈構成的成熟防空體系，對有人飛機能夠造成較大威脅。但在此次納卡沖突中，上述常規防空手段面對無人機攻擊難以進行有效防御，多個防空陣地接連被無人機摧毀。這主要是因為小型無人機往往是“低慢小”目標，其飛行高度低、速度慢、體積小，且機身大量采用非金屬材料制成，在防空系統的雷達中往往被當作雜波濾除，無法有效地實施跟蹤捕獲[2-3]。此外，無人機多采用小型螺旋槳推進，自身紅外特征也不明顯，紅外制導導彈難以打擊。更重要的是，無人機相比有人飛機成本低，且不需要考慮飛行員損耗，可大批量出動，而價格高昂的防空導彈則會給防御一方帶來沉重的后勤和經濟負擔[4]。

無人機的突出特點是“無人”，即飛行員并不直接在載體上控制無人機，因此無人機更加依賴各種導航技術的支持。而衛星導航憑借著其高精度、低成本的顯著優勢，往往是無人機上的主要導航手段[5]，但衛星導航系統本身也具有脆弱性。衛星導航信號微弱，通常只有約-160 dBW，遠小于空間背景噪聲，抗干擾能力有限；且其作為軍民兩用系統，導航信號體制處于半公開狀態，容易被相似的假信號欺騙。因此，在對無人機實施干擾攻擊時，可利用衛星導航干擾技術，使無人機無法獲取或獲得錯誤的位置信息，從而實現無人機軟防御的目的，保護重要目標免受無人機的攻擊。本文將從無人機導航系統、衛星導航干擾技術和無人機導航干擾策略3個方面闡述導航干擾技術在無人機防御中的應用。

1 無人機導航系統

無人機泛指所有能夠實現自主飛行或遠程遙控飛行的飛行器。而無人機之所以能夠無人駕駛而完成各類高難度任務，主要依靠無線數據鏈路和多種導航技術的支持。數據鏈路使得無人機可向后方回傳圖像、視頻等數據，并使得操作人員可以遠程遙控無人機；導航技術則可以保證無人機實時準確知曉自身位置。相比有人飛機，無人機更加依賴導航技術，因為其缺少駕駛員直接判斷，需要程序或遠程人員依靠無人機自身的位置信息確定飛行路徑和攻擊目標。

為獲取更為準確可靠的位置信息，無人機一般采用多種導航技術來實現組合導航[6]。美國“捕食者”無人機(如圖1所示)就采用了衛星導航、慣性導航和視覺導航這3種導航的組合導航。

圖1 美國“捕食者”無人機Fig.1 U.S.Predator UAV

衛星導航、慣性導航和視覺導航是無人機最為常用的導航技術，但這三者之間各有利弊。

1.1 衛星導航

衛星導航是最普遍的無人機導航技術，其依靠測定無人機至導航衛星的距離來解算無人機的高精度三維位置，具有精度高、收斂速度快和成本低的顯著優勢。除輸出位置信息外，還能夠輸出高精度的時間信息。但衛星導航依賴導航衛星播發的導航信號進行定位，而導航信號傳輸距離一般在20 000 km以上，信號功率極其微弱，很容易被干擾。干擾后，衛星導航無法獲得位置信息或獲得錯誤的位置信息，將會嚴重阻礙無人機正常執行打擊任務。

1.2 慣性導航

慣性導航是利用慣性測量傳感器獲得無人機的加速度與姿態變化信息，經過積分運算得到無人機的速度和位置，以實現對無人機的導航定位。慣性導航是一種完全自主的導航系統，其工作時不依賴任何外界信息，也不會向外界輻射信號和能量，不受外部干擾影響。但缺點也很明顯，由于它是一種航位推算導航，其定位誤差會隨時間積累。為消除慣性導航的誤差積累，需要定期對慣性導航設備進行校準，通常采用衛星導航對誤差進行改正[7]。

1.3 視覺導航

視覺導航是一種無人機通過光學或紅外傳感器，感知無人機周邊所處環境信息，與通過前期偵查得到的圖像或地形等信息進行比對，從而確定自身位置的導航方法。視覺導航的定位精度較高，并且能夠實現無人機對地面人員和裝備的實時感知，并實時準確打擊。但容易受到雨雪云霧等不利氣象的影響，且高度依賴前期偵查采集的數據庫，如果沒有足夠的比對信息將難以實現有效定位。

綜上所述，現階段的無人機，特別是軍用的打擊無人機，往往采用多種導航技術來實現組合導航[8]。但慣性導航和視覺導航都存在著一些局限性，所以很多時候還是以衛星導航為主要導航手段。因此，如果在戰時可以對無人機的衛星導航實施有效干擾，將大幅降低無人機的定位精度和打擊效能，以達到無人機防御的目的。

2 衛星導航干擾技術

衛星導航雖然有著低成本、高精度的顯著優勢，但其依賴導航衛星的無線電信號實現導航定位授時等服務，很容易受到外界干擾，因此本文重點討論衛星導航干擾技術，即采取特定的技術手段對衛星導航系統和用戶設備進行干擾、削弱和破壞敵方衛星導航設備的使用效能。

2.1 衛星導航的脆弱性

由于導航衛星距離地面的距離一般在20 000 km左右(北斗GEO和IGSO衛星可達36 000 km)；以MEO衛星為例，當地面仰角為5°時，星地距離可達25 000 km。

衛星導航信號作為電磁波，根據信號傳播規律，接收機接收到的導航信號功率PR為[9]：

PR=PS+GS-LA+LT+GR，

(1)

式中，PS為導航衛星的信號發射功率，以GPS衛星的L1頻點為例，其信號發射功率為27 W，轉換成以dB為單位，即：

PS=10lg27=14.3 dBW；

(2)

GS和GR分別為衛星天線的發射增益(GPS衛星一般為12.1 dB)和接收機天線的接收增益(一般的手持型接收機的接收增益為0 dB)，傳播路徑上的大氣傳播損耗LA一般在0.5～2 dB。導航信號傳播過程中的主要衰減是由傳播距離造成的衰減LT，當無線電信號在自由空間傳播時，信號功率的衰減量為：

(3)

式中，λ為信號波長；L1的波長為0.19 m；d為信號的空間傳播距離，對于MEO衛星取2.5×107m；帶入式(3)可得出導航衛星僅僅因距離引起的空間損耗為-184.4 dB。

將上述計算結果帶入式(1)，可得出接收機最終接收的導航信號功率在-160～-158.5 dBW。而手機信號功率則為-134 dBW，即導航信號功率大約只有手機信號的1/400，是典型的弱信號。為捕獲跟蹤導航信號，導航接收機一般都具有較高的靈敏度，因此很容易受到無線電干擾信號的影響。

此外，作為軍民兩用系統，衛星導航信號頻點公開且固定，很容易遭受到對應頻段的無線電信號干擾。民用信號的生成機制和調制方式完全公開；早期軍用信號(如GPS P碼)處于半公開狀態，存在被仿制或破解的風險。

正是由于衛星導航系統存在著信號功率弱、信號體制半公開的脆弱性，在對抗條件下很容易受到干擾[10]。根據干擾技術的實現原理不同，可將導航干擾分為壓制式干擾和欺騙式干擾兩大類。

2.2 壓制式干擾技術

壓制式干擾發射與導航信號頻率相重疊的干擾信號，但其信號功率顯著大于導航信號功率，對衛星導航信號起到壓制作用，使衛星導航接收機無法正常接收導航信號，或引起觀測噪聲增大，阻斷接收機的導航定位工作。

為了更好地理解壓制式干擾的作用機理，將通過算例說明壓制式干擾有效作用距離的計算方法。假設壓制式干擾源的信號發射功率為1 W，干擾發射天線的輻射增益為3 dB，下面計算該干擾源理想情況下的最大干擾距離。

以GPS的L1頻點為例，其信號最低接收功率為-160 dBW，而P碼的抗干擾容限約40 dB。因此若要壓制L1的P碼信號，在最遠干擾距離處，干擾信號的強度是恰能干擾接收機的最小信號強度，即-120 dBW。

此時，根據式(1)可得干擾信號功率的計算公式為：

PR1=PS1+GS1-LA1+LT1+GR1，

(4)

式中，PR1為最遠處的干擾功率，即-120 dBW；PS1為干擾信號發射功率，1 W折合為0 dBW；發射增益GS1為3 dB；接收增益GR1為0 dB；傳播損耗LA1取最大值2 dB。求解式(4)可得，由傳播距離造成干擾信號損耗LT1為-121 dB。

假設最大干擾距離為d1，根據信號自由空間傳播衰減公式得：

(5)

求解式(5)可得出，1 W的壓制式干擾源在理想狀態下的最大干擾距離約為16.96 km。

1 W級別的干擾機體積大小和易拉罐接近，成本在數百美元以內。但根據上述推導可知，其已經具備對半徑10 km以上區域內無人機實施導航干擾的能力。所以說，壓制式干擾有著實現難度低、覆蓋范圍廣、應用場景廣泛的優勢，是無人機防御中的主要導航干擾技術。

壓制式干擾有多種形式，根據干擾信號的帶寬與導航信號帶寬的大小關系，可將其分為窄帶干擾和寬度干擾兩大類，具體分類如圖2所示。

圖2 壓制式導航干擾分類Fig.2 Classification of satellite navigation suppression jamming

(1) 窄帶干擾是指干擾信號單個頻段帶寬小于導航信號帶寬10%的壓制式干擾。窄帶干擾的干擾帶寬小，干擾所需功率較低，實現難度小，干擾針對性強，但其對于多頻點導航接收機的干擾能力有限，需組合多個窄帶干擾才能有效壓制，而且窄帶干擾在接收機端容易被時域或頻域的濾波技術濾除。根據干擾原理和時頻域特征不同，常用的窄帶壓制式干擾可分為連續波單音干擾、數字調制窄帶干擾和部分頻帶窄帶干擾。

(2) 寬帶干擾則是干擾信號帶寬大于導航信號帶寬10%的壓制式干擾。寬帶干擾對于導航接收機的干擾效果更加明顯，單天線導航接收機難以通過濾波算法濾除寬帶干擾的影響，能夠同時干擾多個衛星導航系統的多個頻點，但其對發射功率和設備復雜度的要求則會有顯著提升。根據干擾原理和時頻域特征不同，常用的寬帶干擾可分為脈沖干擾、梳狀譜干擾、數字調制寬帶干擾和線性調頻干擾。

2.3 欺騙式干擾技術

欺騙式干擾通過發射與衛星導航信號結構相似、參數相同、功率相近、信息碼不同的欺騙信號，使得接收機的跟蹤環路被假信號劫持，隨后欺騙干擾信號源調節欺騙信號的參數，使接收機解算出錯誤的時間和坐標信息，從而達到導航欺騙的目的。雖然欺騙式干擾設備復雜程度較高，而且往往只能欺騙單臺或少數幾臺導航接收機，但相比于壓制式干擾有著隱蔽性好、不易察覺、可誘導敵方載體行進方向的顯著優點，具有更廣闊的應用前景，對高價值目標的威脅更大，比如伊朗通過欺騙式干擾實現了美國RQ-170無人機的誘騙捕獲。欺騙式干擾的關鍵問題是防范被欺騙接收機發現自身受到欺騙干擾，針對多天線陣元的抗干擾接收機，還可以通過布設多臺分布式欺騙干擾源的方式來提高欺騙干擾的成功率。

根據欺騙信號的生成方法不同，可以將欺騙式干擾分為生成式干擾和轉發式干擾兩大類，具體分類如圖3所示。

圖3 欺騙式導航干擾分類Fig.3 Classification of satellite navigation deception jamming

(1) 生成式干擾的導航欺騙信號是由導航信號模擬器自主生成，其根據導航信號的信號結構，模擬生成仿真導航信號作為欺騙信號，通過功率控制使得接收機端的欺騙信號和真實導航信號功率相近，在接收機捕獲欺騙信號后，逐步加大欺騙信號，以在內部跟蹤環路中占據主導地位，使接收機根據欺騙信號測量的偽距解算出錯誤的位置，達到導航欺騙的目的[11]。生成式干擾實現算法簡單，但必須知道導航信號的信號結構，只能欺騙民碼接收機用戶，無法欺騙高度保密的軍碼用戶。

根據模擬信號生成時參考時間來源的不同，又可將生成式欺騙干擾分為2類。基于信號模擬器的自主產生式干擾源采用干擾源內部時鐘作為信號生成的參考時間，其結構簡單，但容易因欺騙信號未與導航信號同步被接收機發現而造成欺騙失敗；基于接收機的接收產生式干擾源則配備授時型導航接收機，采用衛星導航系統時間作為信號生成的參考時間，能夠提高欺騙信號和導航信號時間同步精度，提升欺騙成功率。

(2) 轉發式干擾的導航欺騙信號則是基于導航衛星播發的真實導航信號。欺騙干擾源接收導航信號，結合目的欺騙位置計算信號延遲量，增加一定延遲后將信號轉發至被欺騙接收機，使接收機根據延遲轉發后的導航信號確定錯誤的位置，實現導航欺騙。該方法的最大優點是無需知道導航信號結構，可對軍碼等保密信號用戶進行欺騙；此外，轉發式欺騙信號基于真實信號生成，接收機也更難發現被欺騙。

3 無人機防御中的導航干擾策略

相比于防空導彈、高射炮等硬殺傷手段，導航干擾作為一種軟殺傷手段[12]，在無人機防御中有更多的優點：工作成本低，導航干擾設備可多次應用，使用成本低，僅消耗電能；覆蓋范圍大，不同于硬殺傷需要點打擊，導航干擾采取干擾信號波束可以對某一特定空域實現大范圍覆蓋；靈活多樣，導航干擾的攻擊方式更多，除拒止敵方無人機獲取定位信息無法執行任務外，還能通過欺騙干擾使其產生錯誤的定位信息，從而實現敵方無人機的誘捕，如伊朗誘捕美國RQ-170事件。

3.1 干擾裝備

考慮到無人機作為飛行器機動靈活的特點，在使用導航干擾源進行無人機防御時，和一般針對陸地目標的導航干擾不同，還需要進行部分設備的升級改造。進行壓制式干擾時，為能夠更好地干擾飛行高度較高的無人機導航信號，導航干擾源一般需要配置定向增益天線和跟蹤伺服機構，實現定向導航干擾。進行欺騙式干擾時，除了壓制式干擾的基本設施外，還需要附加目標測定雷達，準確獲得無人機的實時位置信息，這樣才能使欺騙信號更為可信，避免無人機內部的反欺騙算法發出告警信息。

3.2 干擾策略

在干擾策略上，對于數量眾多的蜂群無人機，一般采用壓制式干擾進行防御[13-14]。蜂群無人機多采用低成本無人機，其導航接收機對干擾的抵御能力不強，采用導航干擾遮蔽無人機群的導航系統，可使其難以有效地進行飛行控制，無法實施打擊任務。針對高價值的偵查無人機或查打一體無人機，除壓制式干擾外，還可以結合欺騙式干擾源精確測定無人機位置，通過生成或轉發產生虛假的導航信號，使無人機產生錯誤定位，從而進一步達到誘騙捕獲的目的，獲得敵方無人機中的高價值信息。

3.3 無人機導航干擾的挑戰與對策

真實準確的導航信息是無人機執行打擊偵查任務的重要保證，新型無人機在設計時也著力提高其導航系統的可靠性和抗干擾能力，采用了諸如多陣元抗干擾接收機和組合導航技術，這也為導航干擾的無人機應用帶來了新的挑戰，需要針對這些新的導航技術對無人機導航干擾策略進行改進。

(1) 多陣元抗干擾接收機能夠同時抑制多個方向的導航干擾信號，但同時也會抑制干擾方向的正常導航信號，因此當干擾源數目較多、分布較廣時仍能夠有效地實施干擾。因此，可采取分布式導航信號干擾源的布設方式，在需要進行無人機防御的重點區域內布設多組導航干擾設備，協同對無人機的導航信號進行干擾。

(2) 無人機端的組合導航系統一般是衛星導航和慣性導航、視覺導航等手段組合[15-18]，在衛星導航被干擾后，其他導航手段仍能繼續為無人機提供位置信息，但在上文中也論述了每種導航手段都有各自的局限性，可以利用慣性導航和視覺導航的局限性對無人機的導航系統進行綜合干擾。視覺導航系統依賴視覺傳感器進行測量，且依賴無人機的數據通信鏈路進行控制，可采取煙幕對其傳感器進行干擾，并采取無線電干擾來影響無人機數據通信鏈路；而慣性導航系統存在誤差積累的問題，因此可擴大導航干擾的范圍，使得無人機的其他導航手段在接近目標區域之前已經失效，當到達目標時慣導的積累誤差也顯著增加，無人機攻擊的準確性將大幅下降。

4 結束語

隨著無人機技術的進步，其越發成為戰場上的重要打擊方式，傳統的防御手段難以有效應對無人機威脅，為此本文探討了衛星導航干擾技術在無人機防御中的應用。通過對現有無人機常用導航手段和當前導航干擾技術的梳理，制定了針對不同類型無人機的防御策略。而無人機進攻和導航干擾防御是矛與盾的兩面，隨著技術的發展也將不斷延伸，需要對導航干擾技術在無人機防御中的應用展開持續跟蹤。