|
1、引言 近年来无人机（本文指民用多轴飞行器）正以空前的速度普及，由此引发的关于安全的忧虑日益增多。许多有关部门甚至个人都希望采取一些措施，阻止无人机飞临敏感区域。为了达到这个目的可以采用很多方法，比如训练老鹰飞去抓捕。
除了这类眼球效应大于实用的方法，最实用、性价比最高的方法莫过于无线电干扰。 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。当然某些特殊用途的无人机可以采用诸如地形匹配、图像识别以及高精度惯性导航的办法来确定自己的位置，并且自主的完成任务，但在民用领域尚未普及。既然无人机必须使用无线电技术，就可以对无线电进行干扰，从而达到使无人机失控或折返的目地。 目前商品无人机必备的主要是GPS定位和遥控这两个部分。如果用于拍摄图像或其它测试用途，还必须有下行的图传和遥测通信。无线电测高和防撞设备也偶有使用。 在攻防态势上，通常无人机的操纵者和需要设防的敏感区域之间有一定距离。无人机从操纵者附近起飞，然后逐渐飞临设防区域。当无人机到达设防区域附近，能够开展有效的侦查或破坏活动时，无人机到设防区域的距离，通常比它到操纵者的距离要近得多。 在上述态势中，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。但是对下行信号的防御目标是让操纵者收不到，而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。所以对下行信号的阻断不占地形优势。 从上面分析可以看出干扰上行信号更为有利。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，虽然也可能存在敏感信息，但相比控制信号而言就不那么重要了，再加上防御者在态势上不占优势，通常对下行信号采取放任态度。 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，会困难得多。
2、对GPS的干扰 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1575MHz，2.046MHz带宽的扩频信号，扩频增益43dB，Cb/N0按6dB考虑。固然任何方式的干扰只要足够大都能产生效果，但由于扩频增益太高，部分频带干扰的效益很差。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%：
（1）干扰信号的带宽等于或大于2.046MHz，覆盖GPS信号的整个频带。
（2）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。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100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。 实测发现，0.01W功率的噪声调幅配合增益为5dB的R100天线，已经能在100米范围内许多品牌无人机的GPS。这可能是以下几个原因导致的：
（1）品牌无人机大量采用轻质塑料，导致GPS天线的对地隔离度远远不足40dB。
（2）总接收电平达不到-120dBm（该值接近理论最佳值，工程中通常按-130dBm考虑）。
（3）廉价接收器解扩方案过于简化，没有充分利用43dB的扩频增益。 最简单的宽带信号是噪音调频。当然还可以采用相关性更强的干扰直至欺骗，比如用GPS模拟器产生一些假信号。但考虑到干扰功率本来就不大，似乎没有必要费这个事。
无人机丢失GPS信号以后的行为取决于飞控的功能及设置。对于技术娴熟的操作者而言，GPS不是必要的，在没有GPS的年代里，航空模型的飞手们依然可以靠目视或图传完成自己设想的飞行路线。但是对于技术不娴熟的操纵者，干掉GPS信号的后果已经相当严重，因为此时无人机的自动返航功能已经失效，必须完全依赖人工操作。根据已经掌握的防御经验，这基本等于飞不回去。
如果想避免GPS受干扰的后果，可以在下面几点上做文章：
（1）操纵者必须经过无GPS飞行方面的训练。
（2）严格考核GPS天线的对地隔离度，使之提升到比如50dB；选用性能足够好的GPS接收机。
（3）采用更高精度的惯性平台，确保在GPS丢失后能支撑足够返航的时间。
（4）利用机载摄像机的图像进行定位和返航。 3、对遥控信号的干扰
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 可见遥控信号的强度远大于GPS信号。 不过，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。 目前，遥控发射机已经普遍采用跳频、扩频技术，而且跳频参数还可以自适应，具有一定的抗干扰能力。在计算需要的干扰大小时，必须已知跳频、扩频的参数才能得到准确的结果。不过我们依然可以知道所需干扰的大致范围。遥控发射机仍按上述参数，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。 这个干扰功率就比GPS具体多了，而且难以低成本的产生。同时，过大的干扰功率可能会影响其它正常的无线电通信，出现干死一大片，无人机照样飞的窘境。 如下图所示，如果遥控信号的跳频范围是2405~2495MHz，而防御者不知道跳频参数，那么就只好用噪声进行全频带覆盖，即黄色区域。而遥控信号功率集中，当它的总功率电平比干扰的总功率电平小的时候，依然可能在局部比干扰电平高不少，从而不受干扰影响，如红色区域。目前先进的遥控器已经能够根据干扰的情况自动调整跳频频率，所以对于采用跳频的遥控器，窄带强干扰效果不佳
跳频和直接扩频联合应用可以弥补各自的不足。但是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的干信比。因此采用梳状谱的干扰源，例如间隔1MHz的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。 除了暴力的噪声干扰之外，还可以采用阻塞干扰和瞄准干扰，将在后面讨论。
| 
/2 
发表于 2017-5-27 11:11:51
