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    无线电反制无人机分系统技术方案

    2019-04-17 14:30:51

    目前所有的民用无人机都需要用到无线电技术来实现定位、遥控、图像传输等功能。本系统采用对的方式达到使入侵无人机失控或折返的目地。本技术方案干扰的无人机信号主要包括 GPS 信号和遥控信号这两个部分。

    1)整体方案

    以下对入侵无人机所需无线电信号进行分析,进而确定无线电干扰基本方案。入侵无人机使用的无线电信号主要包括上行信号(遥控信号)、下行信号(信息传输信号)和 GPS 导航信号。上行信号入侵无人机操纵者发送的一切上行信号(从地面向无人机发送)都会因为距离远而比较微弱。采用同样的功率,防御者由于距离无人机更近,信号将比操纵者强。防御者收到的下行信号也会比操纵者强。

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      上行信号(遥控信号)攻防态势

    下行信号下行信号是无人机向控制者传送图像、声音等的信号。此时无人机到操纵者的距离,和防御者到操纵者的距离是差不多的(一般可能会更远),所以对下行信号的阻断不占距离优势,需要采用更大的干扰功率。  下行信号(数据信号)攻防态势

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     GPS 信号GPS 依靠中轨道卫星。通俗而言就是信号经过上万公里到达地球表面,已经非常微弱。所以要在无人机离防御者很近的情况下干扰 GPS 信号是比较容易的。如果想欺骗它就需要用比较复杂的手段来模拟 GPS 卫星,相对困难得多。

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      GPS 信号攻防态势

    通过从上面分析可以看出干扰上行信号和 GPS 信号更为有利。恰巧上行信号通常是遥控信号,直接关系到对无人机的操控,如果上行信号被干扰,无人机将失去即时控制,只能按照程序预设的步骤运行(通常是降落或者悬停);而下行信号主要是遥测和图像等。事实上大多数民用无人机的遥控、遥测甚至图传都需要双向通信才能正常工作,干扰其上行也可能使其下行无法正常工作。为确保干扰反制的效果,本系统方案为上行信号干扰和 GPS 干扰复合干扰方案。

    2方案

    GPS 信号十分微弱,在地面附近已低于自然本底噪声。采用常用的 3~6dB 增益的无源天线在开阔地接收,其总接收电平最高可达约-120dBm。民用 GPS 信号是频率 1550MHz2.046MHz 带宽的扩频信号,扩频增益 43dB。在容易实现的方式中,

    全频带噪音干扰较有优势,满足如下条件时误码率高于 10%。干扰信号的带宽等于或大于 2.046MHz,覆盖 GPS 信号的整个频带。 干扰信号经 GPS 天线接收后,其总功率电平要高于-83dBm。无人机上的 GPS 天线主瓣方向朝向天空,对于地面来的干扰能提供一定的隔离。

    隔离的大小取决于天线的品质、安装方式和无人机本身的结构与材料。如果天线安装在无人机正中心位置,无人机上又有整块的碳纤维网板遮挡地面方向,那么通常能提供 30~40dB 的隔离。如果天线方向性不佳,安装不够垂直,则隔离度会有所降低。干扰功率基本计算方法如下。设无人机 GPS 天线对地面防御者(干扰源)的增益为-40dB,对天空的增益满足正常接收 GPS 天线的要求,也就是总接收电平能达到-120dBm,无人机距离地面20100 米,干扰发射机的天线增益为 0,根据自由空间损耗公式,则需要的发射功率是:Pt=Pr+32.45+20logd+20logf-G=-83+32.45-20+64+40=33.45dBm

    上述计算的意思是:如果干扰带宽适中,则只需要 2W 的发射功率,就能干掉100 米范围内的无人机 GPS。假如干扰天线有 6dB 增益,那么只需要 0.5W 功率。如果用 GPS 模拟器产生一些假信号,则有可能是无人机按照指定的地点降落,实现无人机捕获,但考虑到 GPS 模拟器的技术难度较大,因此采取直接干扰的方式相对比较容易实现。

    3)方案

    正规商品遥控发射机的功率通常为 100mW,特殊用途或自行改装的遥控发射机可能具有更大的功率。如果按 100mW 考虑,遥控发射天线配置普通鞭状天线,增益约 3dB,无人机上的接收天线增益也为 3dB 的情况下,设操纵者距离飞机 100 米,采用 2450MHz 频率,则接收机收到的功率电平最大为:20+6-32.45+20-68=-54.45dBm遥控接收天线的主瓣方向必须朝向地面,所以不能像 GPS 天线那样对地面干扰提供隔离。假设防御者距离无人机为 100 米,天线增益为 3dB,如果采用相关的干扰,需要的干扰功率与遥控发射功率接近,即 0.1W 以上。如果遥控信号存在跳频措

    施,而干扰者除了频带范围之外,并不知道这些措施的任何参数,只能用噪声进行全频带暴力覆盖,那么所需功率将有所提高。就经验而论,通常需要提升 30dB,具体来说就是 100W。这个干扰功率难以低成本的产生,同时,过大的干扰功率可能会影响其它正常的无线电通信。遥控器的扩频增益比 GPS 低得多,所以扩频部分的抗窄带干扰能力较差,通常只需要 3~6dB 的信噪比。因此采用梳状谱的干扰源,如间隔 1MHz 100 个干扰峰,其总干扰功率比有用信号高 26dB,可比宽带噪声干扰节约 3~10dB 功率。除了频域上的宽带干扰,还可以在时域上有所变化,即采用脉冲干扰源。如果遥控器没有采取重复编码措施时,使用脉冲干扰可以节约平均功率,或者在平均功率一定的情况下,提高脉冲功率。但如果采取了重复编码措施,脉冲干扰效果不佳。为尽可能降低干扰对正常信号的影响,本方案采取瞄准干扰的方式。侦察接收机持续的监听可能的通信频段,将数据送给计算机。当计算机发现遥控器的信号以后,立即把需要施放干扰的参数告诉干扰发射机,使干扰发射机开始发射。当经过一段时间(例如:1 毫秒),让干扰暂停,侦察接收机继续搜寻遥控信号,如果遥控信号继续存在或变更频率,则把新的参数告诉发射机,再次启动干扰。如果遥控信号消失,则停止干扰。让接收机与发射机分开布置,使侦察和干扰同时进行。这种干扰的好处是没有信号则不放干扰,而且干扰电平很小,环境友好程度高。如果遥控信号未经扩频,通常使接收电平等大或略大一点即可。如果是扩频信号,由于扩频增益不高,通常也只需要大 20dB 以内。功率的设定可根据遥控信号的瞬时带宽而定,带宽大的时候适当提高一些。瞄准干扰的主要技术难度在于响应速度。如果跳频速度为 1000 /秒,则单频点的驻留时间只有 1ms。按干扰一半算,有 500μs 的时间来进行侦察、分析、判决、指令和启动发射机,该技术指标目前可以达到。



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