对无人机数据链的电子制约策略*

郝明明，盛怀洁

(国防科技大学 电子对抗学院，安徽 合肥 230037)

0 引言

21世纪以来，无人机技术的飞速发展和局部战争的广泛应用，揭开了以无人飞行器和智能载荷为特征的无人化战场新篇章[1]。在各型各类无人机异军突起成为高威胁武器同时，无人机本身也蜕变成信息化战场的高价值打击目标。美陆军将无人机列为包括固定翼飞机、弹道导弹、巡航导弹和直升机在内的“五大威胁平台”中最具有破坏力的空中威胁之一，法国不遗余力地开展“全球反无人机系统技术和方法的分析与评估”的计划，英国政府在2016年将反无人机技术作为有关无人机系统战略的一部分[2-3]。如何抗击无人机，破坏其系统功能，削弱其作战效能，摧毁其平台存在，成为各国军事界竞相研究的热点问题，无人机与反无人机的博弈正在激烈展开。

数据链是无人机飞行的“生命链”和作战效能发挥的“保障链”[4]，是反无人机中威胁等级最高的目标之一。控制了无人机的数据链路，就是控制了无人机指挥控制链、跟踪定位链和信息传输链。因此，对无人机数据链的电子制约是反制无人机的重中之重。

1 反无人机手段分析

无人机系统主要由无人机平台、地面指控站、数据链和任务设备等组成。无人机平台是执行任务的载体，携带任务设备飞行至目标区域执行作战任务。地面指控站完成对无人机平台的飞行控制、作战任务制定，任务数据加载，无人机状态监视、飞行参数和情报数据记录等功能。数据链完成对无人机遥控、遥测和任务数据的传输，是无人机的测控与信息传输链路，是连接无人机和地面指控站的“纽带”。任务设备完成侦察、打击、校射和通信中继等任务。上述各部分都是确保无人机系统稳定高效执行任务的重要组成部分，具有无可替代的作用。显然，针对无人机的反制也必然要从这几个部分入手。

针对无人机的反制措施[5]可分为对无人机系统实体进行破坏摧毁的“硬杀伤”和对无人机与地面指控站间信息传输链路进行电子制约的“软杀伤”，如图1所示。

图1 反无人机手段Fig.1 Anti-UAV means

1.1 硬杀伤手段

“硬杀伤”主要是通过打击无人机平台本体以及地面控制站，摧毁无人机系统的战场生存力，其手段主要包括战斗机拦截，火炮、导弹摧毁，反辐射武器、微波武器和激光武器打击等。2015年8月，美陆军在亚利桑那州尤马试验场进行反无人机试验，利用50 mm火炮型区域防护系统成功击落了2架无人机。2016年8月，波音公司发布了一款反无人机激光武器系统，通过发射功率为10 kW的激光束即可对35 km外的无人机进行摧毁打击[6]。

采用拦截、摧毁打击等硬杀伤手段，对于无人机系统的战场生存能力具有很大的威胁，作战机理相对简单，可以产生“一劳永逸”的效果，但作用距离有限，效费比相对较低，和平时期容易引发外交纠纷。

1.2 软杀伤手段

采用“悄然无息”的软杀伤，则是利用电子对抗方式，通过阻止无人机电子信息系统对电磁频谱的有效利用，扰乱无人机数据链系统、导航定位系统和任务载荷系统的工作，破坏无人机飞行控制稳定性、削弱无人机导航定位可靠性和制约任务实施有效性，达到摧毁无人机系统作战效能的目的。近年来通过电子制约手段诱骗捕获无人机的案例多有发生，2011年12月伊朗媒体报道，伊朗运用电子欺骗手段成功俘获了美RQ-170“哨兵”隐身无人侦察机，这一事件成为当时反无人机热议的话题[7]。据称，伊军首先采用大功率噪声干扰压制无人机数据链，使无人机遥控中断，迫使无人机进入自主返航程序，然后向无人机GPS接收机发射与导航信号技术特征参数一致的虚假GPS信号，GPS接收机无法辨别真伪，接收错误信息，致使无人机按照错误的导航定位坐标飞行，逐渐偏离预定航线，最终被诱骗降落在伊朗境内。

2 电子制约对无人机系统作用机理

无人机系统数据链、导航设备、任务载荷与广袤的空间存在不可分割的电磁交联耦合。在执行任务过程中，无人机的飞行导航主要依赖于地空间的无线电导航或空天间的卫星导航；无人机飞行控制需要地空间抗干扰的实时通信；无人机飞行状态信息的获知以及任务载荷信息获取需要空地间高速率、大容量的数据传输。在上述信息发送、接收过程中，对传输链路具有极大的依赖，这一“软肋”无疑成为电子制约的切入点。

电子制约是指在电磁空间利用电磁能限制、约束电子信息设备或系统对电磁频谱利用的行动，目的是使电子信息设备或系统的使用效能降低甚至失效。电子制约对无人机系统的破坏作用[8]主要体现在以下3个方面:

(1) “断链”。即对无人机数据链的电子干扰。无人机数据链是连接无人机与地面指控站的信息传输纽带。“断链”一方面释放针对无人机机载数据链设备的压制或欺骗干扰，中断、扰乱无人机对地面指控站上行遥控指令的正常接收，无人机可能因长时间处于失控状态，被迫终止任务，进入应急返航程序，如果欺骗干扰奏效，有可能造成对无人机的诱骗捕获。另一方面，对地面指控站的无人机遥测接收设备实施压制或欺骗干扰，迫使地面指控站无法正常接收无人机遥测数据，不能实现对无人机的实时监控和跟踪定位，导致地面操作人员无法及时对飞行状态作出正确判断，延误对无人机的操控，甚至发出错误的飞控指令，造成飞行事故。

(2) “致盲”。即对无人机导航定位系统的电子干扰。无人机导航定位系统为无人机起降、飞行和执行任务提供方位坐标，是无人机自主飞行和顺利执行任务的重要保障。“致盲”目前主要针对无人机卫星导航设备，如GPS。利用卫星导航在用户接收端信号微弱的特点，对无人机卫星导航接收机进行压制干扰，阻塞接收机对导航信号的接收，使接收机完全无法获得导航信息，从而降低无人机精确定位能力。灵巧的欺骗干扰使导航接收机解算出错误的伪距，从而得出错误的位置信息，使无人机偏离预定航线，甚至飞向敌方区域而被捕获[9]。

(3) “毁效”。即对无人机任务载荷的电子干扰。根据作战企图的不同，无人机需搭载不同的任务载荷，任务载荷能否正常工作直接决定无人作战任务的完成效率。“毁效”通常针对无源任务载荷，如对机载光电/红外传感器实施光电干扰，对机载SAR、电子侦察设备实施压制或欺骗干扰[10]。通过对无人机任务载荷的电子制约，同时结合“断链”、“致盲”措施，彻底破坏无人机系统功能。

综上所述，从不同侧面开展对无人机进行针对性系统的电子制约所带来的作战效应往往可以达到和“硬杀伤”相同的作战效果，同时具有行动突发、攻击隐蔽、外交纠纷风险低的特点，已成为当前反无人机的重要途径。

3 对无人机数据链电子制约策略

3.1 无人机数据链

无人机数据链主要由地面数据终端、机载数据终端和空中/卫星中继数据终端组成，通过上行(前向)、下行(后向)链路进行信息传输。按通信范围可分为视距链路和超视距链路，当无人机和地面站的距离在视距通信范围内时，采用视距链路传输信号；若通信距离超出视距范围，则采用超视距链路通过空中或卫星中继方式进行信息传输，无中继视距链传输示意如图2所示。

图2 无中继视距链传输示意图Fig.2 Schematic diagrams for transmission of sight distance chain

图2中，地面数据终端(ground digital terminal ,GDT)主要实现对无人机上行遥控指令的发送和无人机传输的下行遥测和任务数据信息的接收。机载数据终端(aerial digital terminal,ADT)主要实现接收上行遥控指令和对下行数据信息的发送。通过数据链，无人机和地面指控站之间建立了实时高效的双向信息传输信道，支持地面指控站对无人机的遥控遥测、跟踪定位和任务数据获取，保证了飞行安全和作战任务的完成。

无人机数据链被称为无人机系统的“生命链”，所传输的指令、信息保密性要求极高，同时传输信道为莱斯信道，存在多径衰落和随机干扰的影响。由于军事斗争的需要，无人机数据链大多具有较强的抗干扰能力，表1给出了常见无人机数据链抗干扰的现状[11-12]。

可以看出，为了提高数据链抗截获、抗干扰能力，常采用直接序列扩频的测控技术体制和其他加密加扰信道编码措施。

3.2 策略分析

对无人机数据链的电子制约所面临的是隐蔽性高，抗干扰能力强、截获概率低的低空、空地传输链路[13-15]。按照电子制约方式分类，对无人机数据链的电子制约可分为压制式干扰和欺骗式干扰。

(1) 压制式干扰策略

压制式干扰，是指干扰设备发射大功率干扰信号淹没或遮盖有用信号，使通信相对应接收端信噪比大大下降，难以检测出有用信号或产生较高的误码率。若干扰信号的功率过大，接收机出现饱和，有用信号将完全被淹没在干扰信号中，达到电磁压制的效果。相关试验研究表明，当误码率大于10-5时，即可判定数据链不能正常工作，无人机遥控遥测链路中断[16-18]。

对无人机数据链的压制式干扰包括瞄准式干扰和拦阻式干扰。瞄准式干扰是实现频率上瞄准的一种窄带干扰方式，由于瞄准式干扰能量集中，因而可以形成较高的干扰功率谱密度，干扰功率利用率高，但对无人机数据链而言，扩频后的信号具有很大的带宽，瞄准式干扰不能实现带宽的有效覆盖。往往达不到预期的干扰效果。

拦阻式干扰是干扰信号带宽远大于被干扰信号带宽的一种干扰样式，是能在同一时间内对干扰带宽内的多个频点实施干扰的一种宽带干扰技术。当拦阻式干扰信号的带宽覆盖数据链信号带宽并且干扰功率达到一定程度时，有可能产生一定的干扰效果。但是由于无人机数据链普遍采用了扩频调制等抗干扰技术，上行数据链传输的遥控信息经扩频调制后形成的扩频信号带宽可达十几兆以上，下行链路传输任务数据时则需要更大的带宽，在接收端，干扰信号由于和扩频码序列不相关或相关性小，和解扩序列相乘后被扩频，绝大部分的干扰能量被接收机的中频窄带滤波器抑制滤除，只有很小一部分干扰能量得以保留，而扩频信号经过解扩后则获得很大的扩频增益，所以尽管拦阻式干扰实现了对数据链信号的带宽覆盖和干扰功率增强，也很难达到良好的干扰效果。

(2) 欺骗式干扰策略

除了依靠能量功率优势的压制式干扰外，还可以通过灵巧的方式对无人机数据链实施欺骗式干扰。它是通过干扰激励设备产生与数据链信号特征完全相同或非常相似的欺骗信号，作用于无人机或地面指控站的数据链接收设备。按照产生欺骗干扰信号方法的不同可分为链路协议层欺骗干扰和链路物理层欺骗干扰。

链路协议层欺骗干扰是通过对数据链信号的侦察截获和链路协议层的信号解析，得到包括数据帧结构在内的链路特征参数，然后通过干扰激励设备产生高仿真欺骗干扰信号。这种欺骗干扰信号按照无人机数据链指令编码协议、加密协议、扩频样式和调制样式及其相关参数对信号进行重构。欲从所截获的数据链信号中获得协议层特征参数，需要解决盲解扩、盲解调、盲纠错译码、协议盲解析等信号处理问题，技术实现难度较大。

链路物理层欺骗干扰是指通过高保真度地采集上行数据链射频信号，在对数字信号进行必要拼接处理后，存储并循环转发的一种欺骗干扰方式。这种方式不需要对信号协议层进行盲估计，降低了实现难度。由于没有或极少改变原来信号的结构特征，干扰信号冒充无人机系统合作方(地面指控站)发送“合法的”遥控指令，无人机机载数据链设备对该信号基本没有识别能力，当无人机飞控计算机对欺骗干扰指令做出响应时，就实现了对无人机的第三方控制。该干扰方式的局限性是当数据链数据帧包含时间的认证信息时，就很难取得良好的干扰效果，另外，难以确定所截取的上行数据链信号所包含的遥控指令类别。下面以对无人机上行数据链为例对欺骗式干扰策略进行分析。如图3所示。

表1 常见无人机数据链抗干扰现状Table 1 Anti-jamming status of UAV data chain

无人机系统地面指控站产生遥控指令，经编帧、信道编码、扩频调制、射频调制、上变频和功率放大等操作后形成上行数据链遥控信号。欺骗干扰侦察接收设备对空间传输的数据链射频信号进行侦察接收，经低噪放大、混频后得到中频模拟信号和数据链信号的中心频率，然后对中频模拟信号进行A/D采样得到中频数据，经处理后进行大容量存储，依据欺骗干扰样式不同对存储数据进行不同层次的信号处理。

图3 无人机上行数据链欺骗式干扰示意图Fig.3 Deception jamming diagram of UAV’s up data-link

链路协议层欺骗干扰需要对存储遥控数据完成盲解扩处理得出扩频码序列、周期及起始位等扩频相关参数，完成盲解密解扰处理得出加密序列及加密协议等和完成盲解码处理得出编码方式、编码协议和编帧协议等特征参数，利用估计出的特征参数，对盲解得到的遥控帧序列进行修改、重新编帧、编码、加密、扩频后重构形成干扰数据，送入欺骗干扰调制发射设备，经干扰天线发射至无人机。如果信号质量和精度足够，无人机将执行修改后的遥控指令，实现真正意义上的欺骗干扰。

链路物理层欺骗干扰对存储的遥控数据进行盲解调处理，得到码序列，以此作为干扰数据，送入调制发射设备，进行循环转发，形成物理层欺骗干扰信号。对数据链的链路物理层欺骗干扰并没有对数据链信号完全破析，其实现难度相对较小，具有较大的可行性，同时也可以达到和链路协议层欺骗干扰相同的破坏效果。

(3) 干扰效果分析

在压制式干扰中，以Link16数据链为例，基于理想条件下的仿真结果表明，随着瞄准式干扰频点数的增加，Link16数据链被有效干扰的概率随之增大，当干扰频点数达到40个时，干扰成功率达90%以上；而拦阻式干扰在实现有效干扰时，其拦阻频带内包含的干扰频点数应不少于21个。若同时结合宽带信道机对Link16数据链信号频点进行检测，有重点地进行干扰，则干扰效果将大幅提高[15]。

在欺骗式干扰中，通过修改重构或截取转发等方式所形成的干扰信号，同原数据链信号具有极高的相似度，因而可以获得更好的干扰效果。实现链路协议层欺骗干扰的前提是，干扰设备能迅速截获数据链信号并对协议层各参数进行高精度盲估计，但现有技术难以实现；实现链路物理层欺骗干扰的关键是对截获信号的盲解调以及对截取时长、转发周期等参数的设计，理想仿真实验结果表明，在相关参数设置合理的情况下，无人机对包含遥控指令的欺骗干扰信号可以达到100%的稳定响应。

4 结束语

随着技术的发展，无人机数据链采取了加/解密技术、扩频技术等一系列的抗干扰措施。这些抗干扰措施的应用使无人机数据链在接收端误码率降低，进一步提高了数据传输的可靠性。同时无人机飞控计算机在设计时也考虑电子制约影响，设置了相应的应急程序[19]，如无人机在其上行链路受到压制而中断时，经过几分钟左右的等待，如果链路还未恢复，无人机将根据预先设定的程序，自动返航。在这种情况下，传统的压制式干扰已经不能取得良好的制约效果，采用链路物理层的欺骗干扰具有较大的可行性。真正意义上对数据链信号的链路协议层欺骗干扰，技术实现难度大、难点多，但威胁等级最高，是对无人机实施电子制约的主要发展方向。