分析对低空小微型无人机的对抗方法

苏 欣 纪英健 刘 飞 吴 琳

1.空军预警学院雷达士官学校 湖北武汉 430019;2.中国人民解放军94782部队 浙江杭州 311100

近年来随着国内无人机产业的发展和航空知识的普及,各种类型的无人机已经渗透到我们生活、工作的各个角落。目前市场上无人机类型较多,对无人机实施管控的技术手段没有完全覆盖,造成了对重要地区和重点目标安全产生较大威胁,低空小微型无人机已经成为现代化条件下安全隐患,也正在改变着低空安防领域的面貌[1]。因此对小微型无人机的实时管控已经刻不容缓。

1 低空小微型无人机的种类

无人机产业链的不断升级完善,加上软硬件技术的飞速发展,无人机开源地面站、飞控的应用,让无人机使用者体验到飞翔的梦想。目前市场上无人机系统的品种多、品牌多样,无人机的轻微化、多元化、操作简单的设计,也是无人机普及的重要原因。根据无人机通信的方式来划分,主要分为定频通信体制的无人机、扩跳频通信体制的无人机和数字通信体制的无人机。

1.1 定频通信体制的无人机

定频通信体制的无人机[2]属于单工通信,是地面发射端与空中接收端的通信。发送设备只能发送数据,接收设备只能接收数据,接收端无法回复发射端。以空调和空调遥控器的关系为例,空调遥控器只能将输入发送到空调,空调只能接收输入并开始工作,空调无法回复或发送任何信息反馈到空调遥控器。定频通信体制的无人机主要特点具有体积小、易操作、携行方便,有一定载物能力,通常采用定频无线电遥控体制等。此类无人机生产制作简单、价格低廉、销售渠道多样、个人容易获取。通常采用脉冲位置调制(PPM)、脉冲宽度调制(PWM)、串行通信(S.BUS)等通信协议,遥控链路一般均采用72MHz～2.4GHz频段内的20个固定频点中的某个频点进行通信。定频通信体制的无人机大多以固定翼飞机为主,主要缺点是飞行操作难、飞行前检查多、对起降有一定的场地要求、受环境影响大、使用者要具备相关专业知识等。

1.2 扩跳频通信体制的无人机

扩跳频通信体制的无人机也属于单工通信,以旋翼无人机居多,是近年来兴起的一种新型无人机。以大疆品牌的旋翼无人机为典型代表,与固定翼无人机对比,它具有操控简单、信息化程度高、飞行稳定好、机动灵活、搭载载荷方便、无起降场地要求、抗干扰能力强等特点,迅速占领了全球80%以上的市场,是无人机市场的主流。它工作在“2.4GHz”或“5.8GHz”的频段,并采用了扩跳频结合技术体制,大幅度提升遥控链路的抗干扰能力。目前以“2.4GHz”频段使用最为广泛,其遥控信号特征是工作频段宽(83.5MHz)、跳速高(高达1200跳/秒),频率点范围几乎涵盖整个“2.4GHz”频段。

1.3 数字通信体制的无人机

数字通信体制的无人机是使用数据传输电台模块的全双工通信,全双工通信是无人机天空端和地面端之间同时进行的通信,发送端和接收端可同时发送和接收。例如,在使用手机和家人视频通话中,两个人的通话视频可以同时传送给对方,手机视频通话就属于全双工通信。目前市场上的无人机数据传输电台,一般的工作频段范围在902～928MHz,发射功率可调节,最大的发射功率为1W(+30dbm),接收机在低数速率下灵敏度大于12dbm,通信距离大于40千米。数字通信抗干扰能力比模拟通信要强,数字通信的信号质量不受距离的影响,由于抗干扰能力强、差错可控、易加密、易于与现代技术相结合等特点,使其能适应时代需求,迅速使用到无人机的通信中。

2 小微型无人机的特点及影响

第四次工业革命中人工智能技术的不断革新,无人机也不再只是属于战场,而是融入人类生活各方面的“玩具”和“工具”。随着科技的不断进步和无人机技术的逐步成熟,无人机已经发展成为多种类型,例如固定翼无人机、旋翼无人机、多旋翼无人机、水下无人机等。无人机技术是近年来发展最为迅猛的技术之一,其应用领域也很广泛,如摄影、农业、消防等领域,无人机还可以用于军事领域。未来,随着技术的不断更新和发展,无人机在军事和民用领域的应用前景将更加广泛和深远。

2.1 小微型无人机的特点

低空小微型无人机的种类越来越多,随着机身材质、飞行动力、平台类型等技术手段的提升,无人机具有机身小、噪声低、机动灵活的特点[3],安全监管部门通过传统手段很难发现。小微型无人机其技术特点较为显著,可携带各种外部装置,如干扰发射器等,通过远距离操控进行飞行,实现操作飞行的目的。

2.2 对公共安全的影响

目前市场上的消费级小微型无人机具有飞行操作简单、不受场地影响等特点。在车站、码头、街道、公园、学校、商场、旅游景区、居民小区、大型活动场所等随处都能见到它们的身影。小微型无人机的实际应用场景有很多,例如视频拍摄、农林植保、特技飞行等多种领域的应用。一般来说,利用小微型无人机在禁飞区,是一种不道德且违法的行为[4],不仅扰乱了飞行,而且也是安全问题。因此,针对这类问题必须制定相应的法律和规章制度,以规范小微型无人机的使用。同时,有必要加强对于其技术进行监管和防范。

2.3 对个人隐私的影响

无人机的热销,以及其本身的应用,让老百姓苦恼不已。随着民用无人机的快速发展,更多的人用上了无人机,这就导致了无人机的准入门槛降低,无人机的使用也出现了秩序混乱。小微型无人机在某些关键地点飞行盘旋,会在不经意之间将公民的信息收获,干扰公民的正常生活作息,给人们的生活和隐私造成危害。

3 对抗低空小微型无人机的难点

随着国内无人机技术和产业的成熟,无人机配件获取简单,航模爱好者可以轻而易举地拼装出一些很前卫功能的无人机。因机身材质、体积、动力源、飞行速度、起飞方式的不同,能“看见”无人机的距离拉近,可拦截的时间缩短,无人机的拦截率大大降低。

3.1 机身隐身化设计,雷达光学探测难

无人机除了自身体积较小外,还采用结构隐形设计。无人机轻量化设计促使机体的材质不断更新,机身材料一般都有木质、玻璃纤维、碳基材料、聚苯乙烯材料等,这些材料具有透波特性,可探测性较低。小微型无人机组成简单,只有动力电机、飞行控制模块、电池电调、金属舵机等金属材质,大大降低了目标飞机被雷达截面积和回波信号强度,也缩短了地面管控的应对时间。目前市场上的无人机使用的飞行动力设备是电动无刷电机,电机的个头小、使用时温度低,红外辐射特征不高,其被红外探测发现的概率也在减小。无人机机身也可涂抹如吸波、透射、导光等技术材料,都会影响光电探测设备的发现难度。

3.2 飞行过程噪声低,人为值守发现难

无人机目标的噪声[5]主要是发动机噪声和发动机启动带动螺旋桨产生的空气扰动,目前小微型无人机使用的动力源都是电动无刷电机,因效率高、省电、噪声小的优点,已经逐渐取代传统发动机。加上降噪技术的使用,也降低了人耳听到的概率,往往都是目标无人机已经入侵重点区域,地面人员还未察觉。

3.3 自主飞行能力强,处置手段难度大

无人机机械配件、机身材料、通信协议、控制软件、无人智能、各种算法等相关技术成熟,无人机系统的功能成熟度越来越高。特别是高精度GPS导航设备的使用,无人机具备了任务航线规划和自主飞行的能力,使得传统针对遥控信号的无线电干扰效果大大降低,必须采用新的处置手段。

3.4 起飞方式简单,事件突发性强

小微型无人机的重量轻体积小,起飞方式简单。固定翼无人机一般都是手抛式起飞[6],也可垂直起降。旋翼无人机根据现场环境,选择在手掌上垂直起降式,起飞降落不受场地限制,起降地点不受限制,随意性大,预警探测设备发现目标后应急管控的时间非常短。

4 分析对低空小微型无人机对抗方法

无人机的反制手段有很多,高技术能力和新方法手段的运用,对于无人机的防范,已取得很好的效果。根据资料收集,当前对抗无人机技术归纳起来主要有三种:第一种是监测控制类,第二种是直接摧毁类,第三种是干扰阻断类。

4.1 监测控制类

4.1.1 无线电干扰

无人机通信的方式主要有遥控通信、数据传输通信、图像传输通信、GPS导航通信。无线电干扰技术就是针对无人机通信系统进行干扰,通过技术手段使其发射端和空中端失去联系,造成目标无人机因信号丢失而进行紧急迫降、悬停或者返航[7]。遥控通信、数据传输通信、图像传输通信主要采用拦阻式干扰和瞄准式干扰,GPS导航通信采用频点干扰。拦阻式干扰是施放很宽的频谱完全覆盖到目标频段范围,使其不能正常工作,优点是干扰设备简单可同时干扰多个目标,缺点是干扰的带宽大、功率分散、针对性不强。瞄准式干扰是针对某一特定通信频率而言的,主要特点是带宽窄、干扰信号集中、干扰效果好,它的变换类型有很多,如转发式、点频式、扫频搜索式、跟踪干扰式等,可根据目标的通信特点使用不同的干扰类型,从而达到良好的干扰效果。这两种控制干扰方式对使用导航设定好路线的飞行无人机均失效。频点干扰是阻断掉无人机与卫星定位信号的连接。卫星定位模块在受到干扰后,会导致无人机失控漂移、巡航(原地转圈)或坠机,缺点是会对周围的无线电通信设备造成干扰,易受到天气和环境的影响。

4.1.2 网捕技术

网捕技术[8]目前主要采用大型机动灵活的无人机挂载捕捉网发射器,利用渔民撒网捕鱼的原理,通过发射捕捉网对目标飞机进行撒网抓捕。根据飞行高度和任务性质的不同,可利用单兵肩扛式发射和车载发射等。主要缺点是受目标无人机的高度飞机类型的影响较大,很难进行瞄准,对抓捕人员的操作技术要求也很高,成功率低。

4.2 直接摧毁类

4.2.1 硬毁伤技术

硬毁伤技术指使用火力武器、暴力竞速无人机、经过训练的猛禽等手段,对违规飞行的无人机进行直接摧毁的技术手段。火力武器的缺点是精度要求极高,击中目标无人机后,会造成无人机失控坠落引发次生危害,在城市或其他人员密集场所不适合使用;暴力竞速无人机是利用无人机高效的运动速度和机动灵活能力,对来袭无人机进行自毁式对撞拦截;猛禽抓捕是通过对金雕、猎鹰等进行空中抓捕训练,把摄像头和定位模块固定到飞禽身上,使它们能够根据地面人员的指令在空中对侵入的无人机进行捕捉破坏。

4.2.2 高能激光打击技术

高能激光打击是通过发射高能激光对无人机的机身、机翼、电机电调、控制电路进行毁坏等。要求激光武器的功率一定要高,主要缺点是设备像手枪一样一次只能发射一颗子弹,消灭一个敌人。高能激光炮也是一次只能发射一束能量光波,摧毁一架飞机,面对无人机机群时,需要多次打出能量光波才能完全摧毁目标,打击效率不高。

4.2.3 高能微波打击技术

高能量微波武器通过输出大功率、强脉冲的微波波束,像探照灯一样照到目标无人机,致使无人机航空电子设备因高能量的脉冲波瞬间产生电效应和热效应,造成目标无人机的内部电路短路瘫痪而失控。高能微波武器发射的攻击范围内,可同时作用于多个无人机,特别适宜打击无人机蜂群。

4.3 干扰阻断类

4.3.1 卫星定位诱捕

卫星定位诱捕也称位置欺骗干扰,通过向无人机发射虚假卫星定位指令实施诱捕。向目标无人机发送错误的位置信号,欺骗其GPS导航模块[9],诱使其误判位置信息而进行降落或返航的目的。主要优点是发射功率低、可对多个目标同时干扰、不需要人员实时值守、成本低。缺点是在施放欺骗信号后,范围内的手机、车载GPS等所有导航设备全被干扰。

4.3.2 无线电通信协议破解

无线电通信协议破解也称为无线电欺骗,通过对无人机信号通信协议破解[10],向目标无人机发送仿真欺骗通信控制指令,指令不会影响目标无人机的其他设备正常运行,但可直接接管目标无人机。现有的消费型无人机、工业型无人机,常用的无线电频率大致为图传频率(频段5.8GHz)、遥控频率(频率2.4GHz)、导航频率(频段1.6GHz)等。但随着通信加密技术的迭代,主要缺点是市场上无人机的通信种类不断更新迭代,破解的过程越来越复杂,成本较高。

结语

目前对低空小微型无人机的对抗技术手段还存在诸多困难。首先是预警探测方式不能保证目标的准确性、容易造成虚警和漏报,不能分辨目标的用途、合法性,也无法有效避免拦截过程中对地面造成的危害等。其次是单一的对抗手段也无法保证能有效拦截和破坏。再次是无人机使用者的法规意识不高,随性强,也是无人机事故频发的原因之一。针对现阶段探测和对抗技术的情况,要根据现场的使用环境,使用合理的探测方式和对抗手段,增强对抗小微型无人机探测和拦截的有效性与稳定性,提高对抗的成功率。没有规矩不成方圆,要加强对无人机立法立制,加大对法规的教育和宣传,让使用者知法懂规,才能保障公共设施和人身安全,才能促进无人机合法有序飞行和无人机产业健康发展。