无人机电磁域安全策略研究

杨建永，邸成良，庞骥庭

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；2.西安爱生技术集团公司，陕西 西安 710065)

0 引言

海湾战争以来，无人机作为新兴武器装备投入战场所取得的卓越战绩引起了世界各国的极大关注[1]。与有人机相比，无人机装备具有“飞行员”零伤亡、长航时、低成本和可消耗等突出优势，适合执行枯燥、肮脏和危险的任务[2]，特别是在情报侦察等多个领域大有替代有人机的趋势。从世界各军事强国的应用情况来看，无人机正在逐步从早期的辅助作战装备向主战装备发展。

无人机一般是在后方控制站的远程操控下抵近目标区域执行各种任务，在使用模式上具有“敌近我远”的特征[3]。同时，也正是由于无人机距离目标区域较近，在执行任务过程中面临着各种各样的战场威胁，不仅受到导弹、防空火炮等传统火力威胁[4]，还受到各类软杀伤威胁[5-7]，如针对测控链路的侦收干扰、针对导航系统的干扰欺骗等。此类软杀伤手段不仅服务于战时反无人机作战，更能在无人机执行日常侦察、巡逻任务时“悄无声息”地进行，比硬杀伤手段更具威胁力，对无人机的任务可靠度及自身安全性造成极大影响。针对电磁域软杀伤手段的各类防护措施已引起相关机构和学者的高度重视[8-12]。

目前，针对无人机电磁域安全防护的研究大多从单项技术角度切入，专注于提升无人机单项安全能力。例如，有研究将无人机防诱骗防捕获划分为抗侦收、抗干扰和反诱骗3类技术[13]，然后分别通过采用辐射时间控制技术、辐射功率控制技术、数据链波形隐身、定向天线和信号不确定化技术提升无人机数据链的抗侦收能力；通过扩频、跳频、干扰滤波和空域限零等技术提高数据链和卫星导航系统的抗干扰能力；通过诱骗检测、数据链和卫星导航防诱骗技术提升无人机反诱骗能力。从技术角度看，无人机安全能力的提升无疑是建立在上述各种抗侦收、抗干扰和反诱骗技术的基础之上。

然而，无人机作为一类复杂的信息化装备，其安全性涉及多个子系统/模块，各子系统/模块间不仅有前后衔接(信息相互识别与过滤)关系，又具有信息功能互备份关系。提升无人机系统的安全性，不仅仅在于单项关键技术的研究，更在于各个子系统/模块间如何协同配合、互相备份和增强冗余，达到单模块功能丧失不必然造成无人机失控被俘的后果，即从系统运用的角度研究无人机的安全逻辑和安全策略问题。

为建立无人机安全策略，首先建立了各子系统/模块间的耦合安全模型，然后对各种情况下安全策略的运行逻辑进行分解和分析，最后给出相应的安全应对策略，寄希望于进一步夯实无人机系统安全性。

1 无人机安全模型

与无人机电磁域安全相关的子系统/模块包括无人机隐身设计模块、数据链子系统、导航子系统和无人机飞行控制子系统等，如图1所示。

图1 无人机电磁域安全模型

图1中，隐身设计模块、数据链子系统和导航子系统3部分是电磁域反无人机任务的主要对象，直接面临各种探测、干扰和诱骗手段的威胁；无人机飞行控制子系统是无人机机上控制管理与风险决策的中心，其输出结果将决定无人机执行任务过程的安全等级。

无人机隐身设计涵盖外形隐身、数据链射频隐身、可见光/红外隐身以及低噪声声学隐身等能力，主要是通过降低无人机自身的各类主/被动特征，达到隐身目的。无人机在执行任务过程中会受到雷达、无源侦听设备、光学传感器和声学传感器的主/被动探测。若被探测到，将会暴露位置信息，经过进一步的电磁频谱分析及各类特征分析还有可能泄露数据链的波形参数、机型等信息。

数据链子系统主要完成无人机的远程遥控、遥测、信息传输、跟踪定位和测角任务，是与后方控制站之间的信息桥梁，负责传输各类指挥控制信息和任务信息，是无人机系统的中枢神经。在执行任务过程中会首当其冲受到干扰，使链路中断，切断无人机与控制站之间的联系，更为甚者还可能破译整个数据链系统的协议、波形和加密系统，进而达到对无人机的捕获劫持。

导航子系统主要完成无人机自身的定位数据、航向和航速等数据测量，引导无人机按预定航线进行自主飞行，是飞行控制的重要参考数据。目前几乎所有无人机都使用了BDS，GPS等卫星导航手段，在任务过程中会受到蓄意干扰和欺骗，使无人机无法定位或者被欺骗到错误的坐标位置上偏离航线，威胁到飞行安全。

飞行控制子系统则是无人机机上控制管理及决策的中心，通过处理数据链子系统的测控信息和导航子系统的定位信息及其工作状态，综合评估无人机系统的工作状态，决策无人机如何执行下一步任务。完备全面的安全策略是保证无人机安全的根基，是本文关注的重点。

无人机飞行控制子系统应对潜在风险的决策输出结果可分为5个等级。

等级1：无人机的各类子系统/模块能够抵抗蓄意干扰，或者某些子系统/模块丧失功能但该部分功能还具有冗余备份能力，可继续正常执行任务，如无人机虽然被雷达或无源定位装置发现，但数据链和导航子系统可正常工作抵御干扰。

等级2：部分子系统/模块受到敌方破坏手段的影响，但通过组合配置或模式切换等手段，在任务效果降级情况下仍可以继续执行任务。例如，数据链路受到干扰后可从宽带传输模式切换为窄带传输模式以提高抗干扰能力，保证关键信息和状态正常传输，若降速后可以达到抗干扰目的，则可以降级执行任务。

等级3：无人机子系统/模块受到了较为严重的影响，子系统/模块的部分功能丧失或无人机处于高度风险状态，则需要完成返航动作，以规避相关风险。如测控链路中断后无人机一般会自主进入返航程序。

等级4：无人机部分子系统/模块丧失功能且无法靠自身完成返航，进而可能导致无人机坠毁，但飞控子系统仍可以确保在坠毁之前通过预设的安全策略，在自身各种传感器数据的辅助下完成机上关键设备(如加密模块)的自毁，保证关键信息不泄露。

等级5：无人机按照对方意图降落在预设区域且机上关键信息失控。无人机安全策略应极力避免此类安全事故的发生。

无人机电磁域安全策略主要研究飞行控制子系统如何利用数据链和导航子系统的各类状态制定应对措施，使无人机处于更优的安全等级。

2 无人机安全策略研究

进行安全策略研究前，先假定无人机系统的测控数据链和导航系统基本配置如下：

测控系统具有冗余链路设置，以主/副链路设置为例，2条链路均具有一定的抗侦收、抗干扰设计，主链路可传输遥控、遥测及宽带任务载荷信息，并具有无人机授时、测角测距功能；副链路作为备份链路，主要传输遥控、遥测等窄带信息，并具有授时和测距功能。导航系统采用惯性导航和卫星导航相结合的综合导航方式，可为无人机提供精确的位置、授时、航向和航速等数据。

2.1 抗侦收安全策略

无人机电磁域抗侦收能力主要体现在测控链路的隐蔽性上，综合时域猝发通信、频域扩/跳频、空域定向天线隔离及能量域的精确辐射功率控制等手段可提高无人机的抗侦收能力。在无人机执行任务过程中一般时域、频域和空域的抗侦收设计已经固化，无人机操作手可控的部分主要为能量域的功率控制，在任务过程中若主/副链路均能正常锁定时应选择低功率工作模式，使数据链接收机始终工作在灵敏度附近，最大限度降低数据链电磁波辐射进入对方接收机的能量水平。

若抗侦收设计和能力超越对方探测能力，则后续数据链子系统和导航子系统可免受干扰或欺骗，无人机可正常执行任务。此类情况是无人机执行任务的理想状态，是无人机系统安全性的发展目标，难度较大。

若无人机被对方各种手段探测到，后续针对测控数据链子系统和导航子系统的干扰诱骗要分情况制定安全策略。

2.2 测控数据链和导航子系统安全策略研究

无人机被侦收探测后，测控数据链子系统和导航子系统将面临蓄意干扰或欺骗。导航子系统抗干扰、抗欺骗一般为固化状态，而测控数据链在使用模式上具有一定的可配置性。在使用策略上，通过综合分析，比如信道电平异常饱和、链路频繁闪断、异常中断、误码率升高甚至出现异常指令等，说明无人机链路可能已经受到干扰，此时无人机已处于被发现状态，则无需考虑抗侦收能力，数据链终端应采用高功率工作模式以提高己方接收机的入口电平，同时通过机上频谱感知手段探测干扰情况，通过切换工作频率等手段躲避干扰。此外，结合任务需要，还可采用降低传输速率的方式提高数据链的抗干扰能力。

(1)若任务过程中主链路遭受干扰中断，副链路和导航子系统均正常工作时，安全策略如图2所示。此时，无人机丧失了主链路宽带信息传输能力和外部跟踪测角能力，飞行控制子系统的决策结果有3种：① 若无人机执行非实时宽带侦察类任务，则可依赖副链路的窄带遥控遥测信息继续正常执行任务；② 若无人机执行侦察类任务，可以选择将宽带侦察数据先存储在机上，落地后再进行分析处理，即无人机可降级执行任务；③ 若宽带传输能力丧失，对无人机任务有极大影响，可通过副链路发送返航指令，返航过程依赖导航子系统提供的精确位置信息和副链路提供的各类状态监控信息。

图2 安全策略模式1

(2)若任务过程中副链路遭受干扰中断，主链路和导航子系统均正常工作时，安全策略如图3所示。此时，无人机丧失了副链路的备份传输能力，但主链路和导航子系统的功能仍可支持无人机完成所有任务，即无人机可正常执行任务。

图3 安全策略模式2

(3)若任务过程中导航子系统中的卫星导航系统被干扰阻塞或诱骗，主链路和副链路均正常工作时，安全策略如图4所示。此时，无人机丧失精确的位置信息，但依据内置的惯性导航系统仍可在一段时间维持导航精度，同时利用无人机主链路的测角、测距功能也可以提供一定精度的位置信息，飞行控制子系统的决策结果有2种：① 若无人机处于安全空域，且任务对精确定位要求较低，可通过测角测距和惯性导航系统提供的定位数据继续执行任务，即无人机降级执行任务；② 若无人机处于危险区域且执行的任务依赖高精度卫星定位，任务可靠性将无法保证，则通过主/副链路发送返航指令，返航过程中无人机粗略位置参考主链路提供的测角、测距信息，精确位置参考链路测角、测距外部测量数据和高度表、空速表等自身传感器修正后的惯性导航数据，完成返航。

图4 安全策略模式3

(4)若任务过程中导航子系统中的卫星导航系统被干扰阻塞或诱骗且主链路被干扰中断，仅副链路可正常工作时，安全策略如图5所示。此时，无人机丧失精确的位置信息，且外部测角信息也丢失，仅具有副链路的测距能力，则飞控子系统的决策结果为无人机返航。在返航过程中，可通过外部的链路测距粗略修正惯性导航系统的参数，但由于缺乏链路测角能力，修正结果与(3)相比精度有所下降，但无人机返航的大致路线和方位可以保证。

图5 安全策略模式4

(5)若任务过程中导航子系统中的卫星导航系统被干扰阻塞或诱骗且副链路被干扰中断，仅主链路可正常工作，如图6所示。则安全策略与(3)相同。

图6 安全策略模式5

(6)若任务过程中主/副测控数据链、卫星导航系统均被压制干扰或诱骗，则飞行控制子系统将失去所有的外部测距、测角信息和精确的位置信息，安全策略如图7所示。

图7 安全策略模式6

此时无人机飞控子系统的决策结果有2种：① 依靠惯性导航系统按照飞行前预设的应急返航线路进行返航，期望脱离对方干扰区后数据链和卫星导航子系统恢复正常工作，但该决策结果有一定的失败概率，惯性导航系统在长时间独立工作时产生的累计误差可能导致返航失败；② 返航过程中飞控子系统应实时结合高度表、空速表及航程推算等信息判断无人机是否脱离返航任务剖面，若判断无人机已脱离返航任务剖面则应自主完成机上关键信息自毁，用物理或化学方式销毁机上存储、处理机密信息的模块。

总体而言，上述所有安全措施综合利用了无人机各子系统/模块的信息，最大限度地规避无人机受到电磁域干扰后的安全风险，避免出现无人机被俘的严重后果。

3 结束语

具体的单项抗侦收、抗干扰技术手段可提升无人机子系统或模块的安全性，但从无人机系统安全角度来看，各子系统或模块间在功能设计上往往具有互补和相互备份关系，综合利用测控数据链、导航系统和飞行控制系统等各个子系统/模块之间的信息互联，制定系统安全策略，提高无人机系统在电磁域干扰下的安全性。在为无人机增设新的冗余链路或导航设备时也应注重与其他子系统/模块之间的信息互联、信息共享和联合安全策略制定，以提高无人机的系统安全性。