分析對低空小微型無人機的對抗方法

蘇 欣 紀英健 劉 飛 吳 琳

1.空軍預警學院雷達士官學校 湖北武漢 430019;2.中國人民解放軍94782部隊 浙江杭州 311100

近年來隨著國內無人機產業的發展和航空知識的普及,各種類型的無人機已經滲透到我們生活、工作的各個角落。目前市場上無人機類型較多,對無人機實施管控的技術手段沒有完全覆蓋,造成了對重要地區和重點目標安全產生較大威脅,低空小微型無人機已經成為現代化條件下安全隱患,也正在改變著低空安防領域的面貌[1]。因此對小微型無人機的實時管控已經刻不容緩。

1 低空小微型無人機的種類

無人機產業鏈的不斷升級完善,加上軟硬件技術的飛速發展,無人機開源地面站、飛控的應用,讓無人機使用者體驗到飛翔的夢想。目前市場上無人機系統的品種多、品牌多樣,無人機的輕微化、多元化、操作簡單的設計,也是無人機普及的重要原因。根據無人機通信的方式來劃分,主要分為定頻通信體制的無人機、擴跳頻通信體制的無人機和數字通信體制的無人機。

1.1 定頻通信體制的無人機

定頻通信體制的無人機[2]屬于單工通信,是地面發射端與空中接收端的通信。發送設備只能發送數據,接收設備只能接收數據,接收端無法回復發射端。以空調和空調遙控器的關系為例,空調遙控器只能將輸入發送到空調,空調只能接收輸入并開始工作,空調無法回復或發送任何信息反饋到空調遙控器。定頻通信體制的無人機主要特點具有體積小、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。此類無人機生產制作簡單、價格低廉、銷售渠道多樣、個人容易獲取。通常采用脈沖位置調制(PPM)、脈沖寬度調制(PWM)、串行通信(S.BUS)等通信協議,遙控鏈路一般均采用72MHz～2.4GHz頻段內的20個固定頻點中的某個頻點進行通信。定頻通信體制的無人機大多以固定翼飛機為主,主要缺點是飛行操作難、飛行前檢查多、對起降有一定的場地要求、受環境影響大、使用者要具備相關專業知識等。

1.2 擴跳頻通信體制的無人機

擴跳頻通信體制的無人機也屬于單工通信,以旋翼無人機居多,是近年來興起的一種新型無人機。以大疆品牌的旋翼無人機為典型代表,與固定翼無人機對比,它具有操控簡單、信息化程度高、飛行穩定好、機動靈活、搭載載荷方便、無起降場地要求、抗干擾能力強等特點,迅速占領了全球80%以上的市場,是無人機市場的主流。它工作在“2.4GHz”或“5.8GHz”的頻段,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“2.4GHz”頻段使用最為廣泛,其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“2.4GHz”頻段。

1.3 數字通信體制的無人機

數字通信體制的無人機是使用數據傳輸電臺模塊的全雙工通信,全雙工通信是無人機天空端和地面端之間同時進行的通信,發送端和接收端可同時發送和接收。例如,在使用手機和家人視頻通話中,兩個人的通話視頻可以同時傳送給對方,手機視頻通話就屬于全雙工通信。目前市場上的無人機數據傳輸電臺,一般的工作頻段范圍在902～928MHz,發射功率可調節,最大的發射功率為1W(+30dbm),接收機在低數速率下靈敏度大于12dbm,通信距離大于40千米。數字通信抗干擾能力比模擬通信要強,數字通信的信號質量不受距離的影響,由于抗干擾能力強、差錯可控、易加密、易于與現代技術相結合等特點,使其能適應時代需求,迅速使用到無人機的通信中。

2 小微型無人機的特點及影響

第四次工業革命中人工智能技術的不斷革新,無人機也不再只是屬于戰場,而是融入人類生活各方面的“玩具”和“工具”。隨著科技的不斷進步和無人機技術的逐步成熟,無人機已經發展成為多種類型,例如固定翼無人機、旋翼無人機、多旋翼無人機、水下無人機等。無人機技術是近年來發展最為迅猛的技術之一,其應用領域也很廣泛,如攝影、農業、消防等領域,無人機還可以用于軍事領域。未來,隨著技術的不斷更新和發展,無人機在軍事和民用領域的應用前景將更加廣泛和深遠。

2.1 小微型無人機的特點

低空小微型無人機的種類越來越多,隨著機身材質、飛行動力、平臺類型等技術手段的提升,無人機具有機身小、噪聲低、機動靈活的特點[3],安全監管部門通過傳統手段很難發現。小微型無人機其技術特點較為顯著,可攜帶各種外部裝置,如干擾發射器等,通過遠距離操控進行飛行,實現操作飛行的目的。

2.2 對公共安全的影響

目前市場上的消費級小微型無人機具有飛行操作簡單、不受場地影響等特點。在車站、碼頭、街道、公園、學校、商場、旅游景區、居民小區、大型活動場所等隨處都能見到它們的身影。小微型無人機的實際應用場景有很多,例如視頻拍攝、農林植保、特技飛行等多種領域的應用。一般來說,利用小微型無人機在禁飛區,是一種不道德且違法的行為[4],不僅擾亂了飛行,而且也是安全問題。因此,針對這類問題必須制定相應的法律和規章制度,以規范小微型無人機的使用。同時,有必要加強對于其技術進行監管和防范。

2.3 對個人隱私的影響

無人機的熱銷,以及其本身的應用,讓老百姓苦惱不已。隨著民用無人機的快速發展,更多的人用上了無人機,這就導致了無人機的準入門檻降低,無人機的使用也出現了秩序混亂。小微型無人機在某些關鍵地點飛行盤旋,會在不經意之間將公民的信息收獲,干擾公民的正常生活作息,給人們的生活和隱私造成危害。

3 對抗低空小微型無人機的難點

隨著國內無人機技術和產業的成熟,無人機配件獲取簡單,航模愛好者可以輕而易舉地拼裝出一些很前衛功能的無人機。因機身材質、體積、動力源、飛行速度、起飛方式的不同,能“看見”無人機的距離拉近,可攔截的時間縮短,無人機的攔截率大大降低。

3.1 機身隱身化設計,雷達光學探測難

無人機除了自身體積較小外,還采用結構隱形設計。無人機輕量化設計促使機體的材質不斷更新,機身材料一般都有木質、玻璃纖維、碳基材料、聚苯乙烯材料等,這些材料具有透波特性,可探測性較低。小微型無人機組成簡單,只有動力電機、飛行控制模塊、電池電調、金屬舵機等金屬材質,大大降低了目標飛機被雷達截面積和回波信號強度,也縮短了地面管控的應對時間。目前市場上的無人機使用的飛行動力設備是電動無刷電機,電機的個頭小、使用時溫度低,紅外輻射特征不高,其被紅外探測發現的概率也在減小。無人機機身也可涂抹如吸波、透射、導光等技術材料,都會影響光電探測設備的發現難度。

3.2 飛行過程噪聲低,人為值守發現難

無人機目標的噪聲[5]主要是發動機噪聲和發動機啟動帶動螺旋槳產生的空氣擾動,目前小微型無人機使用的動力源都是電動無刷電機,因效率高、省電、噪聲小的優點,已經逐漸取代傳統發動機。加上降噪技術的使用,也降低了人耳聽到的概率,往往都是目標無人機已經入侵重點區域,地面人員還未察覺。

3.3 自主飛行能力強,處置手段難度大

無人機機械配件、機身材料、通信協議、控制軟件、無人智能、各種算法等相關技術成熟,無人機系統的功能成熟度越來越高。特別是高精度GPS導航設備的使用,無人機具備了任務航線規劃和自主飛行的能力,使得傳統針對遙控信號的無線電干擾效果大大降低,必須采用新的處置手段。

3.4 起飛方式簡單,事件突發性強

小微型無人機的重量輕體積小,起飛方式簡單。固定翼無人機一般都是手拋式起飛[6],也可垂直起降。旋翼無人機根據現場環境,選擇在手掌上垂直起降式,起飛降落不受場地限制,起降地點不受限制,隨意性大,預警探測設備發現目標后應急管控的時間非常短。

4 分析對低空小微型無人機對抗方法

無人機的反制手段有很多,高技術能力和新方法手段的運用,對于無人機的防范,已取得很好的效果。根據資料收集,當前對抗無人機技術歸納起來主要有三種:第一種是監測控制類,第二種是直接摧毀類,第三種是干擾阻斷類。

4.1 監測控制類

4.1.1 無線電干擾

無人機通信的方式主要有遙控通信、數據傳輸通信、圖像傳輸通信、GPS導航通信。無線電干擾技術就是針對無人機通信系統進行干擾,通過技術手段使其發射端和空中端失去聯系,造成目標無人機因信號丟失而進行緊急迫降、懸停或者返航[7]。遙控通信、數據傳輸通信、圖像傳輸通信主要采用攔阻式干擾和瞄準式干擾,GPS導航通信采用頻點干擾。攔阻式干擾是施放很寬的頻譜完全覆蓋到目標頻段范圍,使其不能正常工作,優點是干擾設備簡單可同時干擾多個目標,缺點是干擾的帶寬大、功率分散、針對性不強。瞄準式干擾是針對某一特定通信頻率而言的,主要特點是帶寬窄、干擾信號集中、干擾效果好,它的變換類型有很多,如轉發式、點頻式、掃頻搜索式、跟蹤干擾式等,可根據目標的通信特點使用不同的干擾類型,從而達到良好的干擾效果。這兩種控制干擾方式對使用導航設定好路線的飛行無人機均失效。頻點干擾是阻斷掉無人機與衛星定位信號的連接。衛星定位模塊在受到干擾后,會導致無人機失控漂移、巡航(原地轉圈)或墜機,缺點是會對周圍的無線電通信設備造成干擾,易受到天氣和環境的影響。

4.1.2 網捕技術

網捕技術[8]目前主要采用大型機動靈活的無人機掛載捕捉網發射器,利用漁民撒網捕魚的原理,通過發射捕捉網對目標飛機進行撒網抓捕。根據飛行高度和任務性質的不同,可利用單兵肩扛式發射和車載發射等。主要缺點是受目標無人機的高度飛機類型的影響較大,很難進行瞄準,對抓捕人員的操作技術要求也很高,成功率低。

4.2 直接摧毀類

4.2.1 硬毀傷技術

硬毀傷技術指使用火力武器、暴力競速無人機、經過訓練的猛禽等手段,對違規飛行的無人機進行直接摧毀的技術手段。火力武器的缺點是精度要求極高,擊中目標無人機后,會造成無人機失控墜落引發次生危害,在城市或其他人員密集場所不適合使用;暴力競速無人機是利用無人機高效的運動速度和機動靈活能力,對來襲無人機進行自毀式對撞攔截;猛禽抓捕是通過對金雕、獵鷹等進行空中抓捕訓練,把攝像頭和定位模塊固定到飛禽身上,使它們能夠根據地面人員的指令在空中對侵入的無人機進行捕捉破壞。

4.2.2 高能激光打擊技術

高能激光打擊是通過發射高能激光對無人機的機身、機翼、電機電調、控制電路進行毀壞等。要求激光武器的功率一定要高,主要缺點是設備像手槍一樣一次只能發射一顆子彈,消滅一個敵人。高能激光炮也是一次只能發射一束能量光波,摧毀一架飛機,面對無人機機群時,需要多次打出能量光波才能完全摧毀目標,打擊效率不高。

4.2.3 高能微波打擊技術

高能量微波武器通過輸出大功率、強脈沖的微波波束,像探照燈一樣照到目標無人機,致使無人機航空電子設備因高能量的脈沖波瞬間產生電效應和熱效應,造成目標無人機的內部電路短路癱瘓而失控。高能微波武器發射的攻擊范圍內,可同時作用于多個無人機,特別適宜打擊無人機蜂群。

4.3 干擾阻斷類

4.3.1 衛星定位誘捕

衛星定位誘捕也稱位置欺騙干擾,通過向無人機發射虛假衛星定位指令實施誘捕。向目標無人機發送錯誤的位置信號,欺騙其GPS導航模塊[9],誘使其誤判位置信息而進行降落或返航的目的。主要優點是發射功率低、可對多個目標同時干擾、不需要人員實時值守、成本低。缺點是在施放欺騙信號后,范圍內的手機、車載GPS等所有導航設備全被干擾。

4.3.2 無線電通信協議破解

無線電通信協議破解也稱為無線電欺騙,通過對無人機信號通信協議破解[10],向目標無人機發送仿真欺騙通信控制指令,指令不會影響目標無人機的其他設備正常運行,但可直接接管目標無人機。現有的消費型無人機、工業型無人機,常用的無線電頻率大致為圖傳頻率(頻段5.8GHz)、遙控頻率(頻率2.4GHz)、導航頻率(頻段1.6GHz)等。但隨著通信加密技術的迭代,主要缺點是市場上無人機的通信種類不斷更新迭代,破解的過程越來越復雜,成本較高。

結語

目前對低空小微型無人機的對抗技術手段還存在諸多困難。首先是預警探測方式不能保證目標的準確性、容易造成虛警和漏報,不能分辨目標的用途、合法性,也無法有效避免攔截過程中對地面造成的危害等。其次是單一的對抗手段也無法保證能有效攔截和破壞。再次是無人機使用者的法規意識不高,隨性強,也是無人機事故頻發的原因之一。針對現階段探測和對抗技術的情況,要根據現場的使用環境,使用合理的探測方式和對抗手段,增強對抗小微型無人機探測和攔截的有效性與穩定性,提高對抗的成功率。沒有規矩不成方圓,要加強對無人機立法立制,加大對法規的教育和宣傳,讓使用者知法懂規,才能保障公共設施和人身安全,才能促進無人機合法有序飛行和無人機產業健康發展。