一種民用無(wú)人機(jī)反制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘 要：本文設(shè)計(jì)了一種民用無(wú)人機(jī)反制系統(tǒng)，用于保護(hù)重點(diǎn)區(qū)域的低空空域安全。系統(tǒng)基于軟件無(wú)線(xiàn)電理念設(shè)計(jì)：軟件平臺(tái)使用GUN Radio，硬件平臺(tái)使用Hack RF。文章分析了驅(qū)離迫降民用無(wú)人機(jī)的原理，詳細(xì)闡述了模擬GPS信號(hào)和產(chǎn)生寬帶噪聲信號(hào)的方法，通過(guò)理論計(jì)算推斷系統(tǒng)的輸出功率，系統(tǒng)理論上可對(duì)100 m范圍內(nèi)的民用無(wú)人機(jī)進(jìn)行反制。經(jīng)驗(yàn)證，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)的驅(qū)離迫降，達(dá)到反制效果。系統(tǒng)方案簡(jiǎn)潔、成本低，可推廣至類(lèi)似的項(xiàng)目研究領(lǐng)域，具有較高的研究?jī)r(jià)值。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)反制；GUN Radio；Hack RF；GPS信號(hào)模擬；信號(hào)壓制；寬帶梳狀譜

中圖分類(lèi)號(hào)：TP39；TN972 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）04-0-03

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.04.029

0 引 言

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)行業(yè)發(fā)展迅速，民用無(wú)人機(jī)進(jìn)入大眾消費(fèi)市場(chǎng)，截至2022年底，中國(guó)無(wú)人機(jī)注冊(cè)數(shù)量達(dá)到118.6萬(wàn)架。在快速崛起的產(chǎn)業(yè)背后，民用無(wú)人機(jī)帶來(lái)的安全問(wèn)題也在迅速發(fā)酵。對(duì)此，國(guó)家制訂了法律法規(guī)，限制無(wú)人機(jī)的“黑飛”行為，將機(jī)場(chǎng)、火車(chē)站等區(qū)域設(shè)置為無(wú)人機(jī)禁飛區(qū)。但仍存在不法之徒利用無(wú)人機(jī)成本低廉、操控簡(jiǎn)單、攜帶方便等特點(diǎn)，進(jìn)行非法活動(dòng)，給社會(huì)安全帶來(lái)隱患。

“無(wú)人機(jī)反制”是社會(huì)對(duì)非法無(wú)人機(jī)管理的必要手段，常見(jiàn)的無(wú)人機(jī)反制系統(tǒng)通過(guò)摧毀、捕捉、干擾等手段對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行反制[1-5]。但是上述反制方法對(duì)民用無(wú)人機(jī)的反制效果有限：摧毀、捕捉等反制手段會(huì)使無(wú)人機(jī)墜落，進(jìn)而對(duì)公共區(qū)域造成二次破壞；單一的無(wú)線(xiàn)電干擾對(duì)處于定航飛行的無(wú)人機(jī)作用有限。

本文設(shè)計(jì)了一種新型無(wú)人機(jī)反制系統(tǒng)，系統(tǒng)通過(guò)導(dǎo)航欺騙、導(dǎo)航信號(hào)壓制、控制信號(hào)切斷等方式對(duì)“黑飛”民用無(wú)人機(jī)進(jìn)行反制驅(qū)離。

1 反制原理

本文設(shè)計(jì)的無(wú)人機(jī)反制系統(tǒng)對(duì)常見(jiàn)的民用無(wú)人機(jī)進(jìn)行驅(qū)離、迫降等。

1.1 驅(qū)離原理

無(wú)人機(jī)飛行時(shí)的軌跡、速度、角度等均由地面遙控實(shí)現(xiàn)，大部分民用無(wú)人機(jī)的遙控頻率為ISM 2.4 GHz頻段。當(dāng)飛行中的無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)不到遙控信號(hào)時(shí)，無(wú)人機(jī)的操作系統(tǒng)會(huì)命令無(wú)人機(jī)立即返航。根據(jù)上述特點(diǎn)，設(shè)計(jì)反制系統(tǒng)驅(qū)離無(wú)人機(jī)的原理：系統(tǒng)以寬帶功率信號(hào)定向輻射處于飛行狀態(tài)的無(wú)人機(jī)，使無(wú)人機(jī)無(wú)法正常解調(diào)地面臺(tái)的遙控信息，無(wú)人機(jī)丟失遙控信息后將自動(dòng)返航，達(dá)到驅(qū)離無(wú)人機(jī)的效果。

1.2 迫降原理

無(wú)人機(jī)的導(dǎo)航系統(tǒng)負(fù)責(zé)向無(wú)人機(jī)提供參考坐標(biāo)系的位置、速度、飛行姿態(tài)等矢量信息，引導(dǎo)無(wú)人機(jī)按照指定航線(xiàn)飛行。導(dǎo)航信號(hào)是無(wú)人機(jī)的眼睛，一旦導(dǎo)航信號(hào)出現(xiàn)問(wèn)題，無(wú)人機(jī)將懸?；蚪德?。根據(jù)上述特點(diǎn)，反制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于導(dǎo)航信號(hào)干擾和導(dǎo)航信號(hào)欺騙兩種原理的迫降機(jī)制，本文涉及的導(dǎo)航系統(tǒng)為GPS系統(tǒng)。

（1）導(dǎo)航信號(hào)干擾

無(wú)人機(jī)反制系統(tǒng)在阻斷無(wú)人機(jī)與地面臺(tái)遙控信息的同時(shí)，同樣以寬帶噪聲信號(hào)（1 575.42 MHz±1.023 MHz）功率壓制無(wú)人機(jī)與GPS衛(wèi)星的通信，當(dāng)無(wú)人機(jī)無(wú)法解調(diào)遙控信號(hào)和導(dǎo)航信息時(shí)，無(wú)人機(jī)會(huì)自行降落，反制系統(tǒng)達(dá)到使無(wú)人機(jī)迫降的效果。

（2）導(dǎo)航信號(hào)欺騙

帶有導(dǎo)航定位功能的民用無(wú)人機(jī)，其地圖系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了禁飛區(qū)信息。根據(jù)導(dǎo)航系統(tǒng)，若無(wú)人機(jī)判斷自身處于禁飛區(qū)：地面未起飛的無(wú)人機(jī)將拒絕起飛；起飛的無(wú)人機(jī)將自動(dòng)降落。根據(jù)上述特點(diǎn)，反制系統(tǒng)提供了導(dǎo)航欺騙功能：系統(tǒng)中預(yù)設(shè)禁飛區(qū)位置等信息，用偽GPS信號(hào)對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行定向輻射誘騙，由于無(wú)人機(jī)接收的GPS信號(hào)微弱，系統(tǒng)只需輸出較小功率的導(dǎo)航欺騙信號(hào)就能達(dá)到驅(qū)離無(wú)人機(jī)的效果[6-11]。

2 系統(tǒng)組成

本文研究的無(wú)人機(jī)反制系統(tǒng)由GPS信號(hào)欺騙單元和遙控信號(hào)干擾單元組成，系統(tǒng)框架如圖1所示。其中，GPS信號(hào)欺騙單元基于軟件無(wú)線(xiàn)電理念開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)：軟件平臺(tái)使用開(kāi)源軟件無(wú)線(xiàn)電平臺(tái)GUN Radio，硬件平臺(tái)使用通用硬件平臺(tái)Hack RF，單元主要功能是模擬生成GPS信號(hào)。遙控信號(hào)干擾單元主要由寬帶噪聲源和功率放大器組成，該單元生成寬帶大功率壓制信號(hào)，用以切斷無(wú)人機(jī)與飛手間的控制

鏈路。

3 方案設(shè)計(jì)

3.1 偽GPS信號(hào)設(shè)計(jì)

偽GPS信號(hào)設(shè)計(jì)分兩步完成：

（1）模擬GPS信號(hào)基帶數(shù)據(jù)。GPS欺騙信號(hào)的數(shù)字基帶由GPS數(shù)據(jù)仿真器生成。GPS數(shù)據(jù)仿真器能根據(jù)星歷文件、預(yù)設(shè)位置坐標(biāo)等信息計(jì)算出系統(tǒng)運(yùn)行所需的擴(kuò)頻碼相位、載波相位、電離層延遲、對(duì)流層延遲、多普勒頻移等數(shù)據(jù)，并生成偽導(dǎo)航電文；偽導(dǎo)航電文序列與偽隨機(jī)序列C/A碼進(jìn)行“模二加”運(yùn)算，生成偽GPS信號(hào)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)[6]，信號(hào)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和真實(shí)GPS相同，如圖2所示。

（2）GPS信號(hào)的射頻調(diào)制。GPS射頻調(diào)制主要在GNU Radio平臺(tái)上開(kāi)發(fā)完成。GNU Radio是一個(gè)開(kāi)源的軟件無(wú)線(xiàn)電軟件平臺(tái)[12]，平臺(tái)提供通信系統(tǒng)常用的信號(hào)源模塊、信號(hào)處理模塊，提供流圖設(shè)計(jì)的無(wú)線(xiàn)通信體系構(gòu)建方式。系統(tǒng)的程序流圖如圖3所示，流圖實(shí)現(xiàn)對(duì)偽GPS信號(hào)基帶數(shù)據(jù)的調(diào)用、相關(guān)數(shù)字信號(hào)處理、射頻參數(shù)設(shè)置等功能。系統(tǒng)模擬的偽GPS信號(hào)波形如圖4所示。

3.2 遙控干擾信號(hào)源設(shè)計(jì)

民用無(wú)人機(jī)的遙控信號(hào)頻率范圍為2.4～2.485 GHz，無(wú)人機(jī)為了增強(qiáng)遙控信號(hào)的抗干擾能力，遙控系統(tǒng)采用跳頻通信。由于反制系統(tǒng)不知道跳頻參數(shù)（比如跳頻頻率、頻率變化規(guī)律等），窄帶干擾對(duì)無(wú)人機(jī)遙控系統(tǒng)無(wú)法進(jìn)行精準(zhǔn)干擾，反制效果有限。故本系統(tǒng)采用基于梳狀譜的寬帶噪聲干擾，對(duì)遙控系統(tǒng)形成全頻段壓制的覆蓋[13]。

梳狀譜干擾的數(shù)學(xué)模型為：

（1）

式中：J（t）是梳狀干擾信號(hào)；Jn（t）是第n個(gè)窄帶信號(hào)；An（t）是第n個(gè)窄帶信號(hào)的包絡(luò)；cos[ωnt+φn（t）]是第n個(gè)載波。

梳狀頻譜干擾的優(yōu)點(diǎn)是：

（1）窄帶調(diào)制信號(hào)帶寬大于載波間隔時(shí)，梳狀譜干擾等效于全頻噪聲源，如圖5所示。

（2）梳狀頻譜可以看成頻分復(fù)用系統(tǒng)，時(shí)域信號(hào)功率一般小于各載波信號(hào)功率譜之和，降低了功率放大器的輸出功率容量，如圖6所示。

3.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.3.1 數(shù)字中頻小信號(hào)設(shè)計(jì)

GPS信號(hào)模擬單元中，硬件實(shí)現(xiàn)在軟件無(wú)線(xiàn)電通用硬件平臺(tái)Hack RF上完成。Hack RF是軟件無(wú)線(xiàn)電的通用硬件平臺(tái)，工作頻段為30 MHz～6 GHz，最大采樣率為20 MS/s，其硬件結(jié)構(gòu)如圖7所示。

本設(shè)計(jì)中，Hack RF將軟件平臺(tái)生成的數(shù)字基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行上變頻、放大以及增益控制。本系統(tǒng)中的Hack RF工作于發(fā)射模式，主要工作流程如下：

（1）模數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX5864將數(shù)字基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬基帶信號(hào)；

（2）射頻收發(fā)器MAX2837將模擬基帶信號(hào)調(diào)制到頻率為2.6 GHz的中頻信號(hào)；

（3）混頻器RFFC5072將中頻信號(hào)變頻到載波頻率

1 575.42 MHz；

（4）混頻信號(hào)最終送給小信號(hào)放大器MGA-81563進(jìn)行放大，放大器增益為12.4 dB。

無(wú)人機(jī)接收到衛(wèi)星GPS信號(hào)功率微弱，約為-128 dBm。系統(tǒng)工作于GPS欺騙模式時(shí)，無(wú)人機(jī)接收偽GPS信號(hào)功率只需略大于-128 dBm即可完成GPS欺騙，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)接收偽GPS信號(hào)的功率為-125 dBm。反制系統(tǒng)對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行GPS欺騙的有效距離參考式（2）：

PR=PT-32.44 dB-20 log d-20 log f+GA-LossISO （2）

式中：PR為無(wú)人機(jī)接收的欺騙信號(hào)功率；PT為Hack RF發(fā)射的欺騙信號(hào)功率；d為反制系統(tǒng)與無(wú)人機(jī)之間的直線(xiàn)距離；f是遙控信號(hào)頻率；GA是發(fā)射天線(xiàn)增益；LossISO是無(wú)人機(jī)GPS天線(xiàn)背向隔離度。將表1中的數(shù)據(jù)代入式（2），計(jì)算出反制系統(tǒng)的有效反制距離為100 m。

3.3.2 2.4 GHz寬帶功率放大器設(shè)計(jì)

反制系統(tǒng)中，射頻功率放大器的作用是放大2.4 GHz的寬帶干擾信號(hào)。本系統(tǒng)功率放大模塊的芯片是基于GaN工藝的微波功率放大器管GTAH27045GX，功率放大器實(shí)物如圖8所示。系統(tǒng)設(shè)計(jì)放大器輸出100 MHz寬帶干擾信號(hào)功率為40 W，增益為19 dB，效率為51.3%。

4 測(cè) 試

測(cè)試使用民用某型航拍無(wú)人機(jī)，無(wú)人機(jī)起飛后，距離反制設(shè)備約25 m，開(kāi)啟反制設(shè)備，測(cè)試效果如下：

（1）啟動(dòng)遙控信號(hào)壓制，天線(xiàn)定向輻射無(wú)人機(jī)，遙控鏈路被切斷，飛行器自動(dòng)返航；

（2）啟動(dòng)GPS信號(hào)欺騙，系統(tǒng)模擬的GPS信息為國(guó)內(nèi)某禁飛區(qū)，天線(xiàn)定向輻射無(wú)人機(jī)，飛行器立即降落。反制系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期效果。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一套無(wú)人機(jī)反制系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和各單元模塊的功能原理。經(jīng)驗(yàn)證，系統(tǒng)達(dá)到了反制無(wú)人機(jī)的效果。系統(tǒng)方案簡(jiǎn)潔、成本低、調(diào)試方便，為各機(jī)構(gòu)對(duì)無(wú)人機(jī)反制的研究提供了一種可行的方案。方案后期可拓展多模導(dǎo)航欺騙以及無(wú)人機(jī)探測(cè)等方向，實(shí)現(xiàn)智能化、無(wú)人值守的無(wú)人機(jī)反制系統(tǒng)。

注：本文通訊作者為呂曉蕊。

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收稿日期：2023-03-30 修回日期：2023-05-09

基金項(xiàng)目：2022年湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目：一種新型無(wú)人機(jī)反制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)（B2022561）

作者簡(jiǎn)介：唐 正（1984—），男，湖北武漢人，講師，碩士，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線(xiàn)電通信技術(shù)。

呂曉蕊（1985—），女，河北邢臺(tái)人，副教授，碩士，主要研究方向?yàn)橥ㄐ潘惴ā?/p>