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无人机定向干扰拦截技术及设备解析
2019/8/2 10:03:00   中国安防行业网      关键字:无人机 定向干扰 拦截技术 解析      浏览量:
近年来受到无人机黑飞威胁,无人机反制技术快速发展,市场上涌现了一大批具有实战价值的装备,其中应用最广泛的当属定向压制式干扰拦截设备。本文从无人机危害和拦截必要性入手,从技术原理、设备发展情况等角度阐述了无人机定向干扰拦截技术及市场发展现状,旨在为该类技术的良好发展提供一定的思路和建议。
  一、无人机危害及拦截必要性
  近年来,无人机正以空前的速度普及,这主要归功于近年来多旋翼无人机的发展。多旋翼无人机系统通常具有易于控制、可随处悬停、成本低廉的优势,可由地面遥控操作实现拍照、喷洒、抛投、窃听、抛撒和悬挂等功能,因此大规模的进入民用和军用市场。因为无人机技术的快速发展,极大降低了该类产品的使用门槛,加之现有管控手段不够成熟,所以引发的安全威胁日益增多[1]。
  2017年2月,伊拉克反政府武装利用中国产的普通民用无人机搭载自制的炸弹将政府军的悍马装甲车精确炸毁。
  
图1伊拉克反政府武装利用民用无人机搭载自制炸弹炸毁政府军装甲车
  2017年4月14日至21日成都双流国际机场共计遭遇4架"黑飞"无人机干扰,导致58个航班备降西安、重庆、贵阳和绵阳机场,4架飞机返航,超1万旅客出行受阻被滞留机场。
  2017年底ISIS组织声称其在过去的12个月内,对其组织内成员公开进行无人机恐袭培训,通过将爆炸物挂载于无人机上,前后针对当地政府军和美军等共实施了200多次袭击。
  以上案例揭示了无人机对国家安全和社会稳定的威胁,在目前的国际政治形势和全球反恐的严峻形势下,国内外不法分子利用民用无人机的威胁,主要体现在以下几方面[2]-[4]:
  (1)拍照与远程窃听泄密。现在的无人机都可以挂载航拍摄像机,一个价值几千元的普通民用无人机都具备防抖云台和高分辨率的高清摄像头,在无人察觉的数百米高空也可以拍摄到地面人员、车辆的清晰图片,使得政府机构和重要军事场所内部结构和设施更是没有任何保密而言,如加装远程高灵敏度定向拾音麦克风系统可实现远程窃听。
  (2)投掷危险物品。无人机根据自重不同可以搭载几十至几百千克的物品,例如可以携带小型炸弹、燃烧弹、燃烧瓶、危险化学品等等。
  (3)抛撒和悬挂反动宣传品。激进分子在极端情绪影响下利用民用无人机的挂载能力进行非理智行为对重要场所播撒传单和悬挂反动宣传标语、横幅等;严重影响社会正常秩序国家形象。
  (4)走私、贩毒。通过远程操纵无人机携带货物甚至毒品跨越国境线贩卖,会极大威胁边境秩序和稳定,而且会对国内经济秩序造成冲击,同时威胁到人民群众生命健康。
  (5)影响民航正常飞行。近年来频发的无人机黑飞事件导致我国航线安全频频面临挑战,无人机不仅会破坏正常飞行秩序,还可能造成客机机身损坏,威胁乘客和机组人员的生命。
  二、无人机压制式干扰拦截原理
  目前,对无人机的干扰拦截通常使用无线电压制技术,通过向目标无人机发射干扰压制信号,对其链路进行压制,迫使无人机失去正常工作能力。
  一般来说,一套完整的无人机系统通常具有表1所示三类无线电链路。
  表1典型的无人机无线电链路
  
  从表1可以看出,若要实现对目标无人机的干扰拦截,仅需对导航、数传、图传三类链路进行压制式干扰即可实现。
  2.1无人机导航频率
  国际上现有的卫星导航系统(GNSS)可分为北斗(中国)导航、GPS(美国)导航、伽利略(Galileo,欧洲)导航、Glonass(俄罗斯)导航、QZSS(日本)导航、IRNSS(印度)导航共六类,其对应频率如下表所示[8],[9]。
  表2全球卫星导航系统(GNSS)分类及频率
  
  目前北斗导航在我国及我周边国家应用最为广泛,而GPS导航则是目前全球应用最广泛的导航系统。此外,伽利略、Glonass、QZSS和IRNSS导航的主要应用区域与其维护国家(组织)直接相关。
  我国市场上销售的消费级无人机(大疆、零度等)以及工业级无人机,通常采用GPSL1频段(频率1575.42MHz)进行飞行定位。值得注意的是,因为无人机的导航链路在作用时,无人机仅需要接收地球同步轨道上实时下发的定位数据,所以对无人机导航链路的干扰通常不需要很大功率的压制干扰即可实现。
  2.2无人机数传和图传频率
  无人机在执行飞行任务时,不仅要依靠卫星信号对其位置进行实时定位,还需要配合机身飞控和机载摄像机等完成对飞行姿态的控制,以及现场图像的回传。
  根据我国工信部于2016年发布的《中华人民共和国无线电频率划分规定》,限定840.5-845MHz、1430-1444MHz和2408-2440MHz频段用于我国无人机数传和图传链路,其中1430-1438MHz频段用于警用无人机。值得注意的是,我国现有无人机数传/图传频率除在前文工信部规定的三个频段之外,还存在5.725-5850GHz、328-352MHz、433MHz、560-760MHz、915MHz、933MHz、1.2G等频段的无人机产品。
  2.3无人机压制式干扰原理
  无人机链路压制式干扰的原理,即是通过产生与无人机正常通信信号同频但信号强度较大的压制式干扰信号,达到抑制无人机正常功能的目的[6]。
  
图1压制式干扰信号作用原理
  如上图所示,当上图所示红色区域的压制式干扰信号的强度大于无人机通信信号强度,并且其频率范围大于等于无人机通信信号频率范围时,即可实现有效的压制式干扰。
  在实际应用过程中,为了计算无人机压制式干扰设备的有效拦截距离,通常需要引入干信比(J/S,Jammer-to-SignalRatio)的概念。干信比即是干扰信号和通信信号之间的比值,其单位通常用dB来表示。
  针对无人机而言,因其绝大多数都是装载全向信号接收天线,因此一般采用简化的J/S方程[5],[7]:
  (1)

  其中J/S为干扰压制信号功率和通信信号功率在无人机接收端的比值(单位dB);
  ERPJ为干扰设备发射的等效辐射功率(单位dBm);
  ERPS为通信信号发射的等效辐射功率(单位dBm);
  LJ为干扰设备到无人机的传播损耗(单位dB);
  LS为通信信号到无人机的传播损耗(单位dB)。
  根据公式(1)不难看出,只有当J/S≥0时,无人机才能受到有效的压制式干扰。
  针对前文提到的无人机导航、数传、图传三类链路,一般来说导航信号在无人机端的等效辐射功率最小,因此也最易实施有效干扰,而数传和图传因为通常距离无人机较近,因此对干扰源的发射功率要求较高。
  2.4无人机受干扰状态飞行工况
  无人机导航、数传、图传三类链路分别或同时受到压制式干扰时,无人机通常会有四种典型压制干扰工况:直接坠落、自动返航、自动下降或空中悬停。
  直接坠落:一般来说,出现直接坠落的无人机大多是因为飞控程序中没有失控保护算法,当无人机部分或全部链路中断时,因为程序性错导致飞机直接坠落,此种情况多见于智能化程度较低的航模型无人机或技术不完善的工业级无人机。
  自动返航:对于受到干扰后自动返航的无人机而言,因为其可以按照之前记录的起飞点自动精准返回,所以通常导航链路通信仍然正常,受到干扰的是数传、图传链路。同时,此类无人机飞控算法中都会设置为无人机失去控制后自动返航,因此无人机可以按照程序预设完成返航操作(无人机操作界面样例见图2)。
  
图2某无人机受到干扰返航时遥控界面显示
  自动下降:无人机受干扰后实现自动下降通常需具备两个条件,首先是无人机飞控算法中设置为无人机失去控制后自动返航或者降落,其次是其导航链路也受到了干扰影响。
  
图3某无人机受到干扰自动下降时遥控界面显示
  空中悬停:无人机飞控中如果设置其在受到干扰后继续滞空,则无人机在受到压制式干扰后会保持在空中悬停的动作。值得注意的是,如果此时无人机导航链路也受到了干扰,则无人机因为无法定位,通常表现出的飞行工况则是随风漂移。
  三、无人机定向压制式干扰设备解析
  目前国内外使用最广泛的无人机拦截设备当属定向压制式干扰设备,该类设备在全世界各地应用尤为广泛,在战场及社会公共安全领域发挥了极其重要的作用。对于该类设备而言,通常是针对所应用市场无人机频率范围进行调研,然后定制化开发针对指定几个频段的压制式干扰设备。
  以我国市场为例,市场上绝大多数无人机使用频率不超过1575MHz±10MHz,2408-2440MHz、5.725-5.850GHz(5725-5850MHz)这三个频段,因此市场上几乎所有的无人机定向压制式干扰产品都包含这三个频段。
  
图4无人机定向压制干扰设备的频段统计(样本数45)
  上图是笔者对国内市场主流的45类无人机定向压制干扰设备的频段统计数据。不难看出,几乎所有设备都涵盖了1.5GHz(1575MHz±10MHz)、2.4GHz(2408-2440MHz)、5.8GHz(5725-5850MHz)这个三个频段,因此可以对我国市场上主流的无人机实施压制式干扰拦截。除此之外,还有部分设备涵盖了1.2GHz、900MHz、433MHz等非主流无人机导航和控制频段,这部分设备通常可以拦截含有以上频段的更多类型无人机,因此包含此类频段的设备通常也具有更好的拦截效果。
  以采用1.5GHz、2.4GHz、5.8GHz三个干扰频段的定向压制式干扰设备为例,其设备结构通常如下图所示:
  
图5具有三个干扰频段的无人机定向压制式干扰设备结构
  对图5所示结构的设备,为了方便操作者使用,通常会对频段的发射进行预先设置,一般会分为"返航"和"迫降"两种发射模式,前者通常是对2408-2440MHz、5.725-5.850GHz(5725-5850MHz)这两个频段开启干扰,而后者通常是开启所有三个频段的干扰。需要注意的是,两种模式仅仅是为了方便操作者而标注的不同发射模式,并不能百分百确保无人机的有效返航或迫降拦截。
  四、设备结构对比与使用局限性
  4.1两种常见设备结构对比
  对无人机定向压制式干扰设备通常可具有两类外形结构,一类是将设备所有部分集成为一个便携性主体,具有结构紧凑、操作便携的特点,如下图所示。
  
图6集成便携式无人机定向压制式干扰设备
  另一类是将电源、控制单元、干扰源、射频功率放大器等集成在一起,而将指向性天线单独通过馈线连接,形成由两部分构成的设备结构,如下图所示。
  
图7天线外置式无人机定向压制式干扰设备
  一般来说,图6所示的集成便携式无人机定向压制式干扰设备具有更高的集成度和便携性,因此也是目前该类设备的发展趋势,下图8所示的现有市场占比情况也证明了这个观点。
  
图8不同外形结构无人机定向压制式干扰设备市场占比(样本数45)
  4.2设备局限性
  一般来说,无人机定向压制式干扰设备具有价格低廉、使用便携等显著特点,然而在实际操作过程中此类设备也具有一定的局限性。
  首先,该类设备在没有探测设备配合的情况下,通常需要人眼目视对无人机目标进行搜寻。对于小型消费级无人机目标而言,人眼的识别距离一般不超过300m,识别距离过短会局限该类设备的使用效果。
  其次,现有设备大多仅包含国内无人机常用的1.5GHz(1575MHz±10MHz)、2.4GHz(2408-2440MHz)、5.8GHz(5725-5850MHz)三个频段,在实战应用中黑飞无人机往往不仅局限于以上三个频段,因此需要对采用诸如1.2GHz、900MHz、433MHz等非主流频段控制的无人机也需要相应的拦截能力。
  最后,笔者在对设备进行检测过程中发现,部分设备因发射功率较大,对操作人员的辐射超出了《GB8702-2014电磁辐射防护规定》标准规定,因此在使用操作过程中应该尽量避免设备持续发射,以及发射方向直接指向人体,以免造成不必要的电磁辐射伤害。
  五、结论与展望
  本文从无人机危害及拦截必要性入手,首先分析了无人机压制式干扰拦截的可行性和技术原理,通过举例说明了无人机受干扰时飞行工况,然后通过数据分析定向干扰拦截设备现有技术和结构特点,最后对其局限性进行了分析和评价。
  通过文中数据对比可以看出,该类设备的发展趋势是一体化和小型化。同时,该类技术需要跟无人机探测技术相结合以发挥设备优势。再者,现有设备大多仅包含国内主流无人机1.5GHz、2.4GHz、5.8GHz三个频段,在实战应用中黑飞无人机往往不仅局限于以上三个频段,因此需要对采用诸如1.2GHz、900MHz、433MHz等非主流频段控制的无人机也需要相应的拦截能力。最后,设备的安全性也是国内广大技术人员和厂家需要重点考虑的一个问题,只有不断降低设备辐射危害,才能更好地发挥技术优势,为低空公共安全提供保障。

参考文献
[1]李牧,谢峰等.警用无人机激光拦截系统设计与分析[J].中国安防认证,2016(6):15-17.
[2]许少云,金嘉旺,李仙茂.无人机干扰新体制雷达的研究[J].上海航天,2005,(2).
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[4]曾鹏,胡国方.基于海上目标的通信对抗无人机的干扰效能分析[J].舰船电子工程,2011,(4).
[5]DavidL.Adamy,杨才义等译.通信电子战.北京:电子工业出版社,2017.
[6]李辉光,张增亮,康永升,等.美军信息作战与信息化建设.北京:军事科学出版社,2004
[7](美)RichardA.Poisel,无则平等译.通信电子战系统导论.北京:电子工业出版社,2003.
[8]王红星,曹建平.通信侦察与干扰技术.北京:国防工业出版社[M],2005.
[9]樊昌信,曹丽娜通信原理(第6版)[M].国防工业出版社,2007.

文章作者:1李牧博士(公安部第一研究所)、2相里晓军(新疆维吾尔自治区公安厅特警总队训练基地排爆实验中心)、3邵继强(北京华势天承科技有限公司)
  

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