导航干扰技术在无人机防御中的应用展望

焦 博，丛佃伟

(1.信息工程大学 地理空间信息学院，河南 郑州 450001；2.航天工程大学 航天信息学院，北京 101416)

0 引言

自2020年9月底开始，阿塞拜疆和亚美尼亚两国为争夺纳卡地区爆发了激烈的军事冲突[1]。此次冲突中，各类无人机的军事应用大放异彩，阿塞拜疆采用以色列“哈洛普”自杀式无人机和土耳其“TB-2”查打一体无人机对亚美尼亚方面进行了全方位的立体打击，杀伤了大量参战人员，摧毁了大量武器装备，开启了无人机作战的新时代。

在以往的军事实践中，无人机攻击多是用于打击无防空力量的游击队。而亚美尼亚方面则具备由单兵防空导弹、自行高炮和中远程防空导弹构成的成熟防空体系，对有人飞机能够造成较大威胁。但在此次纳卡冲突中，上述常规防空手段面对无人机攻击难以进行有效防御，多个防空阵地接连被无人机摧毁。这主要是因为小型无人机往往是“低慢小”目标，其飞行高度低、速度慢、体积小，且机身大量采用非金属材料制成，在防空系统的雷达中往往被当作杂波滤除，无法有效地实施跟踪捕获[2-3]。此外，无人机多采用小型螺旋桨推进，自身红外特征也不明显，红外制导导弹难以打击。更重要的是，无人机相比有人飞机成本低，且不需要考虑飞行员损耗，可大批量出动，而价格高昂的防空导弹则会给防御一方带来沉重的后勤和经济负担[4]。

无人机的突出特点是“无人”，即飞行员并不直接在载体上控制无人机，因此无人机更加依赖各种导航技术的支持。而卫星导航凭借着其高精度、低成本的显著优势，往往是无人机上的主要导航手段[5]，但卫星导航系统本身也具有脆弱性。卫星导航信号微弱，通常只有约-160 dBW，远小于空间背景噪声，抗干扰能力有限；且其作为军民两用系统，导航信号体制处于半公开状态，容易被相似的假信号欺骗。因此，在对无人机实施干扰攻击时，可利用卫星导航干扰技术，使无人机无法获取或获得错误的位置信息，从而实现无人机软防御的目的，保护重要目标免受无人机的攻击。本文将从无人机导航系统、卫星导航干扰技术和无人机导航干扰策略3个方面阐述导航干扰技术在无人机防御中的应用。

1 无人机导航系统

无人机泛指所有能够实现自主飞行或远程遥控飞行的飞行器。而无人机之所以能够无人驾驶而完成各类高难度任务，主要依靠无线数据链路和多种导航技术的支持。数据链路使得无人机可向后方回传图像、视频等数据，并使得操作人员可以远程遥控无人机；导航技术则可以保证无人机实时准确知晓自身位置。相比有人飞机，无人机更加依赖导航技术，因为其缺少驾驶员直接判断，需要程序或远程人员依靠无人机自身的位置信息确定飞行路径和攻击目标。

为获取更为准确可靠的位置信息，无人机一般采用多种导航技术来实现组合导航[6]。美国“捕食者”无人机(如图1所示)就采用了卫星导航、惯性导航和视觉导航这3种导航的组合导航。

图1 美国“捕食者”无人机Fig.1 U.S.Predator UAV

卫星导航、惯性导航和视觉导航是无人机最为常用的导航技术，但这三者之间各有利弊。

1.1 卫星导航

卫星导航是最普遍的无人机导航技术，其依靠测定无人机至导航卫星的距离来解算无人机的高精度三维位置，具有精度高、收敛速度快和成本低的显著优势。除输出位置信息外，还能够输出高精度的时间信息。但卫星导航依赖导航卫星播发的导航信号进行定位，而导航信号传输距离一般在20 000 km以上，信号功率极其微弱，很容易被干扰。干扰后，卫星导航无法获得位置信息或获得错误的位置信息，将会严重阻碍无人机正常执行打击任务。

1.2 惯性导航

惯性导航是利用惯性测量传感器获得无人机的加速度与姿态变化信息，经过积分运算得到无人机的速度和位置，以实现对无人机的导航定位。惯性导航是一种完全自主的导航系统，其工作时不依赖任何外界信息，也不会向外界辐射信号和能量，不受外部干扰影响。但缺点也很明显，由于它是一种航位推算导航，其定位误差会随时间积累。为消除惯性导航的误差积累，需要定期对惯性导航设备进行校准，通常采用卫星导航对误差进行改正[7]。

1.3 视觉导航

视觉导航是一种无人机通过光学或红外传感器，感知无人机周边所处环境信息，与通过前期侦查得到的图像或地形等信息进行比对，从而确定自身位置的导航方法。视觉导航的定位精度较高，并且能够实现无人机对地面人员和装备的实时感知，并实时准确打击。但容易受到雨雪云雾等不利气象的影响，且高度依赖前期侦查采集的数据库，如果没有足够的比对信息将难以实现有效定位。

综上所述，现阶段的无人机，特别是军用的打击无人机，往往采用多种导航技术来实现组合导航[8]。但惯性导航和视觉导航都存在着一些局限性，所以很多时候还是以卫星导航为主要导航手段。因此，如果在战时可以对无人机的卫星导航实施有效干扰，将大幅降低无人机的定位精度和打击效能，以达到无人机防御的目的。

2 卫星导航干扰技术

卫星导航虽然有着低成本、高精度的显著优势，但其依赖导航卫星的无线电信号实现导航定位授时等服务，很容易受到外界干扰，因此本文重点讨论卫星导航干扰技术，即采取特定的技术手段对卫星导航系统和用户设备进行干扰、削弱和破坏敌方卫星导航设备的使用效能。

2.1 卫星导航的脆弱性

由于导航卫星距离地面的距离一般在20 000 km左右(北斗GEO和IGSO卫星可达36 000 km)；以MEO卫星为例，当地面仰角为5°时，星地距离可达25 000 km。

卫星导航信号作为电磁波，根据信号传播规律，接收机接收到的导航信号功率PR为[9]：

PR=PS+GS-LA+LT+GR，

(1)

式中，PS为导航卫星的信号发射功率，以GPS卫星的L1频点为例，其信号发射功率为27 W，转换成以dB为单位，即：

PS=10lg27=14.3 dBW；

(2)

GS和GR分别为卫星天线的发射增益(GPS卫星一般为12.1 dB)和接收机天线的接收增益(一般的手持型接收机的接收增益为0 dB)，传播路径上的大气传播损耗LA一般在0.5～2 dB。导航信号传播过程中的主要衰减是由传播距离造成的衰减LT，当无线电信号在自由空间传播时，信号功率的衰减量为：

(3)

式中，λ为信号波长；L1的波长为0.19 m；d为信号的空间传播距离，对于MEO卫星取2.5×107m；带入式(3)可得出导航卫星仅仅因距离引起的空间损耗为-184.4 dB。

将上述计算结果带入式(1)，可得出接收机最终接收的导航信号功率在-160～-158.5 dBW。而手机信号功率则为-134 dBW，即导航信号功率大约只有手机信号的1/400，是典型的弱信号。为捕获跟踪导航信号，导航接收机一般都具有较高的灵敏度，因此很容易受到无线电干扰信号的影响。

此外，作为军民两用系统，卫星导航信号频点公开且固定，很容易遭受到对应频段的无线电信号干扰。民用信号的生成机制和调制方式完全公开；早期军用信号(如GPS P码)处于半公开状态，存在被仿制或破解的风险。

正是由于卫星导航系统存在着信号功率弱、信号体制半公开的脆弱性，在对抗条件下很容易受到干扰[10]。根据干扰技术的实现原理不同，可将导航干扰分为压制式干扰和欺骗式干扰两大类。

2.2 压制式干扰技术

压制式干扰发射与导航信号频率相重叠的干扰信号，但其信号功率显著大于导航信号功率，对卫星导航信号起到压制作用，使卫星导航接收机无法正常接收导航信号，或引起观测噪声增大，阻断接收机的导航定位工作。

为了更好地理解压制式干扰的作用机理，将通过算例说明压制式干扰有效作用距离的计算方法。假设压制式干扰源的信号发射功率为1 W，干扰发射天线的辐射增益为3 dB，下面计算该干扰源理想情况下的最大干扰距离。

以GPS的L1频点为例，其信号最低接收功率为-160 dBW，而P码的抗干扰容限约40 dB。因此若要压制L1的P码信号，在最远干扰距离处，干扰信号的强度是恰能干扰接收机的最小信号强度，即-120 dBW。

此时，根据式(1)可得干扰信号功率的计算公式为：

PR1=PS1+GS1-LA1+LT1+GR1，

(4)

式中，PR1为最远处的干扰功率，即-120 dBW；PS1为干扰信号发射功率，1 W折合为0 dBW；发射增益GS1为3 dB；接收增益GR1为0 dB；传播损耗LA1取最大值2 dB。求解式(4)可得，由传播距离造成干扰信号损耗LT1为-121 dB。

假设最大干扰距离为d1，根据信号自由空间传播衰减公式得：

(5)

求解式(5)可得出，1 W的压制式干扰源在理想状态下的最大干扰距离约为16.96 km。

1 W级别的干扰机体积大小和易拉罐接近，成本在数百美元以内。但根据上述推导可知，其已经具备对半径10 km以上区域内无人机实施导航干扰的能力。所以说，压制式干扰有着实现难度低、覆盖范围广、应用场景广泛的优势，是无人机防御中的主要导航干扰技术。

压制式干扰有多种形式，根据干扰信号的带宽与导航信号带宽的大小关系，可将其分为窄带干扰和宽度干扰两大类，具体分类如图2所示。

图2 压制式导航干扰分类Fig.2 Classification of satellite navigation suppression jamming

(1) 窄带干扰是指干扰信号单个频段带宽小于导航信号带宽10%的压制式干扰。窄带干扰的干扰带宽小，干扰所需功率较低，实现难度小，干扰针对性强，但其对于多频点导航接收机的干扰能力有限，需组合多个窄带干扰才能有效压制，而且窄带干扰在接收机端容易被时域或频域的滤波技术滤除。根据干扰原理和时频域特征不同，常用的窄带压制式干扰可分为连续波单音干扰、数字调制窄带干扰和部分频带窄带干扰。

(2) 宽带干扰则是干扰信号带宽大于导航信号带宽10%的压制式干扰。宽带干扰对于导航接收机的干扰效果更加明显，单天线导航接收机难以通过滤波算法滤除宽带干扰的影响，能够同时干扰多个卫星导航系统的多个频点，但其对发射功率和设备复杂度的要求则会有显著提升。根据干扰原理和时频域特征不同，常用的宽带干扰可分为脉冲干扰、梳状谱干扰、数字调制宽带干扰和线性调频干扰。

2.3 欺骗式干扰技术

欺骗式干扰通过发射与卫星导航信号结构相似、参数相同、功率相近、信息码不同的欺骗信号，使得接收机的跟踪环路被假信号劫持，随后欺骗干扰信号源调节欺骗信号的参数，使接收机解算出错误的时间和坐标信息，从而达到导航欺骗的目的。虽然欺骗式干扰设备复杂程度较高，而且往往只能欺骗单台或少数几台导航接收机，但相比于压制式干扰有着隐蔽性好、不易察觉、可诱导敌方载体行进方向的显著优点，具有更广阔的应用前景，对高价值目标的威胁更大，比如伊朗通过欺骗式干扰实现了美国RQ-170无人机的诱骗捕获。欺骗式干扰的关键问题是防范被欺骗接收机发现自身受到欺骗干扰，针对多天线阵元的抗干扰接收机，还可以通过布设多台分布式欺骗干扰源的方式来提高欺骗干扰的成功率。

根据欺骗信号的生成方法不同，可以将欺骗式干扰分为生成式干扰和转发式干扰两大类，具体分类如图3所示。

图3 欺骗式导航干扰分类Fig.3 Classification of satellite navigation deception jamming

(1) 生成式干扰的导航欺骗信号是由导航信号模拟器自主生成，其根据导航信号的信号结构，模拟生成仿真导航信号作为欺骗信号，通过功率控制使得接收机端的欺骗信号和真实导航信号功率相近，在接收机捕获欺骗信号后，逐步加大欺骗信号，以在内部跟踪环路中占据主导地位，使接收机根据欺骗信号测量的伪距解算出错误的位置，达到导航欺骗的目的[11]。生成式干扰实现算法简单，但必须知道导航信号的信号结构，只能欺骗民码接收机用户，无法欺骗高度保密的军码用户。

根据模拟信号生成时参考时间来源的不同，又可将生成式欺骗干扰分为2类。基于信号模拟器的自主产生式干扰源采用干扰源内部时钟作为信号生成的参考时间，其结构简单，但容易因欺骗信号未与导航信号同步被接收机发现而造成欺骗失败；基于接收机的接收产生式干扰源则配备授时型导航接收机，采用卫星导航系统时间作为信号生成的参考时间，能够提高欺骗信号和导航信号时间同步精度，提升欺骗成功率。

(2) 转发式干扰的导航欺骗信号则是基于导航卫星播发的真实导航信号。欺骗干扰源接收导航信号，结合目的欺骗位置计算信号延迟量，增加一定延迟后将信号转发至被欺骗接收机，使接收机根据延迟转发后的导航信号确定错误的位置，实现导航欺骗。该方法的最大优点是无需知道导航信号结构，可对军码等保密信号用户进行欺骗；此外，转发式欺骗信号基于真实信号生成，接收机也更难发现被欺骗。

3 无人机防御中的导航干扰策略

相比于防空导弹、高射炮等硬杀伤手段，导航干扰作为一种软杀伤手段[12]，在无人机防御中有更多的优点：工作成本低，导航干扰设备可多次应用，使用成本低，仅消耗电能；覆盖范围大，不同于硬杀伤需要点打击，导航干扰采取干扰信号波束可以对某一特定空域实现大范围覆盖；灵活多样，导航干扰的攻击方式更多，除拒止敌方无人机获取定位信息无法执行任务外，还能通过欺骗干扰使其产生错误的定位信息，从而实现敌方无人机的诱捕，如伊朗诱捕美国RQ-170事件。

3.1 干扰装备

考虑到无人机作为飞行器机动灵活的特点，在使用导航干扰源进行无人机防御时，和一般针对陆地目标的导航干扰不同，还需要进行部分设备的升级改造。进行压制式干扰时，为能够更好地干扰飞行高度较高的无人机导航信号，导航干扰源一般需要配置定向增益天线和跟踪伺服机构，实现定向导航干扰。进行欺骗式干扰时，除了压制式干扰的基本设施外，还需要附加目标测定雷达，准确获得无人机的实时位置信息，这样才能使欺骗信号更为可信，避免无人机内部的反欺骗算法发出告警信息。

3.2 干扰策略

在干扰策略上，对于数量众多的蜂群无人机，一般采用压制式干扰进行防御[13-14]。蜂群无人机多采用低成本无人机，其导航接收机对干扰的抵御能力不强，采用导航干扰遮蔽无人机群的导航系统，可使其难以有效地进行飞行控制，无法实施打击任务。针对高价值的侦查无人机或查打一体无人机，除压制式干扰外，还可以结合欺骗式干扰源精确测定无人机位置，通过生成或转发产生虚假的导航信号，使无人机产生错误定位，从而进一步达到诱骗捕获的目的，获得敌方无人机中的高价值信息。

3.3 无人机导航干扰的挑战与对策

真实准确的导航信息是无人机执行打击侦查任务的重要保证，新型无人机在设计时也着力提高其导航系统的可靠性和抗干扰能力，采用了诸如多阵元抗干扰接收机和组合导航技术，这也为导航干扰的无人机应用带来了新的挑战，需要针对这些新的导航技术对无人机导航干扰策略进行改进。

(1) 多阵元抗干扰接收机能够同时抑制多个方向的导航干扰信号，但同时也会抑制干扰方向的正常导航信号，因此当干扰源数目较多、分布较广时仍能够有效地实施干扰。因此，可采取分布式导航信号干扰源的布设方式，在需要进行无人机防御的重点区域内布设多组导航干扰设备，协同对无人机的导航信号进行干扰。

(2) 无人机端的组合导航系统一般是卫星导航和惯性导航、视觉导航等手段组合[15-18]，在卫星导航被干扰后，其他导航手段仍能继续为无人机提供位置信息，但在上文中也论述了每种导航手段都有各自的局限性，可以利用惯性导航和视觉导航的局限性对无人机的导航系统进行综合干扰。视觉导航系统依赖视觉传感器进行测量，且依赖无人机的数据通信链路进行控制，可采取烟幕对其传感器进行干扰，并采取无线电干扰来影响无人机数据通信链路；而惯性导航系统存在误差积累的问题，因此可扩大导航干扰的范围，使得无人机的其他导航手段在接近目标区域之前已经失效，当到达目标时惯导的积累误差也显著增加，无人机攻击的准确性将大幅下降。

4 结束语

随着无人机技术的进步，其越发成为战场上的重要打击方式，传统的防御手段难以有效应对无人机威胁，为此本文探讨了卫星导航干扰技术在无人机防御中的应用。通过对现有无人机常用导航手段和当前导航干扰技术的梳理，制定了针对不同类型无人机的防御策略。而无人机进攻和导航干扰防御是矛与盾的两面，随着技术的发展也将不断延伸，需要对导航干扰技术在无人机防御中的应用展开持续跟踪。