基于无线电的“低慢小”无人机反制技术

吴永欣 廖有幸

（中国电子科技集团公司第二十七研究所 河南省郑州市 450047）

随着飞行高度低、体积小、速度慢的无人机（下文简称“低慢小无人机”）购买渠道日趋方便，越来越多的“黑飞”严重影响了公共安全，危及核电站、监狱和要地安全，此类无人机也被不法分子用于贩枪投毒，造成了重大的社会危害。

常规的防空武器都面临费效比低、使用有局限等问题，相比之下，无线电干扰反制无“低慢小”人机是最实用、最经济的方法，受到了广泛的关注[1]。

1 无线电干扰原理

目前几乎所有的“低慢小”无人机都使用了无线电技术来实现导航定位、遥控遥测和图像传输等功能，利用这一点就可以对“低慢小”无人机使用的无线电信号进行干扰，达到反制效果。利用无线电干扰对“低慢小”无人机进行反制主要有遥控链路压制和卫星导航诱骗两种方式[2]。

1.1 遥控链路压制

遥控链路压制是在无人机的遥控信号工作频段上发射大功率的干扰信号，提升无人机上接收设备接收的噪声电平，使信噪比低于其捕获跟踪门限，破坏接收设备的跟踪环路，使遥控器和无人机不能正常通信，从而触发无人机的保护策略，迫使无人机自主返航或降落。

无人机的遥控链路大多使用跳频的通信方式，其通信频点在带宽范围内按一定的规则跳动，带宽较宽。跳频信号带宽越大、速率越块，增益就越高，抗干扰能力相应的越强[3]。如图1 所示。

要想达到较好的干扰效果，干扰信号需要在频域、时域等多个空间对遥控信号进行遮盖。要实现对跳频信号的有效干扰，需要满足以下条件：

（1）频域上，干扰信号带宽要覆盖跳频信号带宽，而且干扰信号的频谱特征与跳频信号的频谱特征相匹配(频域波形相关)；

（2）时域上，干扰信号存在时间要覆盖跳频信号存在的时间，且干扰信号的时域特征与遥控信号的时域特征相匹配(即时域波形相关)；

（3）功率域上，干扰信号功率密度要大于跳频信号的功率密度。对跳频通信常用的干扰方式有全频段干扰、部分频段干扰、梳状谱干扰和扫频干扰等。

1.2 卫星导航诱骗

“低慢小”无人机稳定悬停和自动巡航都是依靠卫星导航系统来实现的，卫星导航终端持续接收解算导航卫星的定位信息，将无人机与大地坐标的相对位置和速度传递给飞控，实现无人机的定位、增稳、导航等操作。

卫星导航诱骗是通过将虚假位置的导航信号发射到指定区域，阻塞真实的导航卫星信号，将虚假位置信息注入到卫星接收器，从而无人机就会定位到指定位置，实现位置欺骗。将位置信号叠加上一定的速度发射到指定区域，无人机定位后，就会判断无人机存在随风漂移，根据飞控系统增稳策略，飞控会立即下发向反方向修正漂移的指令，无人机就会按一定速度的向指定的方向飞行，从而实现了“低慢小”无人机的航迹诱骗。如图2 所示。

图1：跳频通信示意图

图2

图3

图4

2 压制干扰信号源设计

压制干扰信号源采用通用化、模块化设计，采用软件无线电思想在通用电路结构上产生各种干扰信号。干扰源为统一的电路，由电源模块、控制模块（MCU）、基带信号模块、数模转换模块（DAC）以及射频信号模块组成，根据外部控制指令，采用直接正交上变频技术将基带干扰信号上变频到需要的频率范围，得到最大信号带宽干扰信号。干扰源的总体框图如图3 所示。

2.1 控制模块

干扰源与上位机通过RS-232 协议进行串口通信。控制模块（MCU）外部接口丰富，实现与上位机的串口通信，灵活配置基带信号模块、射频信号模块的使用方式。

2.2 基带信号模块

基带信号模块主要包括FPGA 芯片。基带信号模块用于产生不同带宽的基带数字干扰信号。由于干扰源输出信号具有不同带宽，产生的基带数字干扰信号也要具有多种带宽，且具备不同干扰样式。

2.3 数模转换模块

数模转换模块主要由DAC 组成，完成基带数字信号到基带模拟信号的转换。

2.4 射频信号模块

射频信号模块主要由频综电路、调制电路、放大电路组成。频综电路具备大带宽输出，覆盖400MHz ～6GHz 频率范围；调制电路将数模转换模块（DAC）的两路输出信号正交调制到需要的频率范围，形成的调制信号通过放大电路得到指定频率的射频干扰信号。射频信号模块的信号流程如图4 所示。

3 导航诱骗干扰机设计

“低慢小”无人机使用的都是民用的导航信号，码型和导航电文都是公开的，可以使用生成式的欺骗干扰来诱骗“低慢小”无人机，生成式干扰诱骗实现方式如图5 所示。

图5：生成式干扰诱骗方案

图6

图7：压制干扰效果图

图8：导航诱骗干扰效果图

卫星导航欺骗干扰源由仿真控制单元、数学仿真单元、信号生成单元、功率控制单元四个功能单元组成，系统组成框图如图6 所示[4]。

3.1 仿真控制单元

仿真控制单元是整个设备的核心，用于实现导航信号产生速率控制、参数协调管理等。

3.2 数学仿真单元

数学仿真单元完成卫星导航系统的空间位置、信号传播路径、用户数据生成的仿真建模，能够仿真用户机不同运动状态条件下天线口面接收到的卫星的各类观测数据。

观测数据仿真要求能够根据卫星位置、用户轨迹、卫星钟差、传播附加时延等模拟模型，生成多星座多频点的伪距、伪距变化率、载波相位等观测数据。计算或设置导航电文中卫星星历、卫星钟差、历书参数、电离层参数、广域差分参数等，生成导航电文。

3.3 信号生成单元

信号生成单元主要功能是把仿真的导航数据精确地转化为射频模拟信号。主要由控制模块、基带模块、射频模块和频综模块组成。信号生成单元在设计上采用数字基带合成技术来完成多星的基带信号合成，基带模块和射频模块的时钟均由频综模块提供。导航信号仿真需要支持多星座、多频点、多通道同时进行仿真，而且各个通道的信号功率以及相位等能够可控。

3.4 功率控制单元

信号功率控制单元包括数字功率控制和射频模拟信号功率控制两部分。

数字功率控制主要任务是根据软件界面设定的卫星功率，在数字基带部分完成卫星信号功率的控制，从而满足用户对卫星功率进行指定的测试需求。

4 干扰效果

利用研制的通用干扰源配合功率放大器和天线对大疆无人机实施了干扰测试，干扰效果如下，对遥控链路干扰时，无人机无法接收到遥控信号，触发保护机制，主动选择返航或降落；对卫星导航信号进行干扰时，无人机不能利用导航信号修正自身位置，无法稳定的悬停，干扰效果如图7 所示。

生成式欺骗干扰测试时，模拟了一个禁飞区的位置，让无人机误认为进入了禁飞区域，触发其自主强制降落策略。如图8 所示。

5 结论

通过干扰试验，验证了遥控链路压制和卫星导航欺骗对“低慢小”无人机的反制效果，无线电手段反制“低慢小”无人机效果明显，经济性高，应用前景广泛。