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无线电反制技术及其在无人机探测与反制领域的应用

时间:2019-06-26 14:51:09   来源:秦皇岛市公安局、北京理工全盛科技有限公司

[法安导读]  近年来,随着无人机技术快速发展,易操控、 低成本的消费级和工业级无人机已经被广泛应用,同时,伴随而来的各种黑飞现象也对公共安全和国家安

  近年来,随着无人机技术快速发展,易操控、 低成本的消费级和工业级无人机已经被广泛应用,同时,伴随而来的各种“黑飞”现象也对公共安全和国家安全造成了严重威胁,亟需有效的技术手段对无人机进行监管。随着无人机对人流密集区域、重要公共设施、重要政府场所、机场等特定区域造成威胁事件的逐步增多,对其进行有效探测与反制也成为公共安全领域的重大需求,无线电探测与反制是目前国内外无人机探测与反制的重要手段之一。

无线电反制技术及其在无人机探测与反制领域的应用

  一、国内外无人机探测与反制装备发展现状

  目前,世界各主要国家都已研发出了无人机探测与反制的产品。 以色列拉斐尔先进防御系统公司研制的无人机穹(DroneDome)除了能阻隔无人机与地面遥控装置之间的通信联络,还可以对全球导航卫星系统信号进行干扰,使其失去控制;英国研发的AUDS反无人机系统,能在6英里范围内检测无人机,通过阻隔无人机与操作者之间的无线电信号进而控制目标无人机; 俄罗斯国有防务公司研制了一种微波武器-一超高频微波炮,通过摧毁无人机的无线电电子设备,使其无法定位,同时可以对无人机精密制导系统进行破坏,能有效摧毁10km范围内的无人机8。

  在我国,北斗开放实验室于2018年发布的诱骗式民用反无人机系统ADS2000,通过全面干扰、压制、欺骗等方式,实现对目标无人机的有效捕获;北京全盛科技研制了无线电侦察与反制一体化的无人机反制系统,通过电子侦察、无线电定位等技术侦察跟踪无人机,采用无线电干扰阻断无人机通信并干扰无人机导航系统,迫使无人机降落或返航。

  二、无线电探测与反制技术

  (一)无线电探测与定位

  对无人机的快速识别、定位及跟踪是无人机反制的前提,无线电探测与定位是无人机探测的有效手段之一。无人机无线电探测与定位有两种主要技术:数字波束形成(DBF)技术和时差(TDOA)定位技术。

  1.圆阵DBF测向

  在无线电测向中,需要天线阵列具有水平3600全方位探测能力,均匀线性阵列只能进行扇区扫描,而圆阵具有良好的全方位扫描能力。 圆形阵列天线由均匀分布在圆周上的或多个同心圆上的天线单元构成。 以圆心为坐标,假设辐射源方向,可计算出辐射源到各个阵元的波程差,对各个阵元加权补偿阵元间波程差,将波束指向辐射源方向。因此,只需要调整各天线单元的加权矢量即可以对360度平面内任意方向进行扫描。 圆阵测向采用多重信号分类算法(MUSIC)和旋转不变子空间算法(ESPRIT)等DBF技术利用噪声子空间与信号子空间的正交性,构造空间谱函数,通过谱峰搜索实现对无人机辐射信号的方向估计,可以实现2度的测向精度。

  单个圆阵可以估计无人机方向,两个以上圆阵联合估计可以对无人机进行高精度定位。

  2.TDOA定位技术

  TDOA定位是一种利用时间差进行定位的方法。 通过测量信号到达监测站的时间,可以确定信号源的距离。利用信号源到各个监测站的距离(以监测站为中心,距离为半径作圆),就能确定信号的位置。

  TDOA定位法也可被称为双曲线定位法,其原理为:根据移动台发射信号到达两个基站的时间差,可算出移动设备到两个基站之间的距离差,而移动设备必然位于以两个基站为焦点、距离差为长轴的双曲线。 存在三个以上已知位置的基站时,就能根据双曲线的交点确定移动设备的位置。

  (二)无线电反制技术

  无线电反制技术通过干扰或控制无人机通信系统、导航系统等,迫使无人机返航或降落。 主要包括压制式干扰和智能欺骗式干扰两种方株式。

  压制式干扰使用电子脉冲或高功率微波切断无人机与其地面遥控源之间的信息链路,干扰其GPS导航模块,迫使无人机失控;智能欺骗式干扰包括GPS欺骗和控制指令欺骗。一方面通过GPS欺骗干扰无人机导航系统,另一方面通过解析无线电遥控指令,接管并控制无人机,最终实现截获目标无人机的目的。

  欺骗式干扰比压制式干扰功率低,干扰效果好,但技术难度较高。

  1.阻塞式干扰

  一些无人机无线电传输采用复杂的调制技术,智能干扰系统无法进行信号解析和识别,需要采用阻塞式干扰技阻塞式干扰是利用噪声信号对对方接收机进行扰乱,在时域、频域、变换域上实现对真实回波的完全覆盖,使对方雷达无法捕获有效的回波信息。阻塞式干扰根据产生方式分为射频噪声干扰、噪声调幅干扰、噪声调频干扰和卷积噪声干扰,根据作用机理可分为阻塞式干扰、瞄频式干扰、扫频式干扰和梳状谱干扰。

  对于阻塞式干扰来说,噪声调幅干扰与其他有源干扰相比干扰效率较差,实际作战中也很少使用;射频噪声干扰对射频器件要求较高,实现大功率的射频也比较困难;噪声调频干扰具有干扰频段宽,可实现大功率干扰等优点,也是目前使用较为广泛的阻塞式干扰技术;卷积噪声干扰是一种针对噪声调频干扰中,噪声干扰功率不足,需要提高干扰功率的问题而提出的改进干扰方式,目前也被广泛使用。

  2.飞控智能干扰

  对于无人机飞控可以采取两种智能干扰方式:基于信号特征的智能干扰和基于信息提取的欺骗式干扰。飞控系统通过无线电信号控制无人机飞行,无人机图传系统通过无线电信号回传图像信息。

  基于信号特征的智能干扰首先识别无线电信号频谱特征,确定同步方式、调制式,然后根据信号调制方式进行针对性干扰。例如,多数无人机系统仍然采用802.11协议,可以解析协议并捕获OFDM同步信息,然后干扰OFDM同步信息,进而使无人机通信无法同步而中断。

  基于信息提取的欺骗式干扰通过进一步解调接收信号提取数据并破解控制指令等信息,产生并发射控制指令接管无人

  机。目前,民用或商用无人机多数没有采用复杂加密技术,采用信息提取的欺骗式干扰是一个非常有效的反制方式。

  3.GPS干扰

  GPS的干扰分为压制式和欺骗式两大类。压制式干扰发射与GPS卫星同频率的大功率信号,使无人机GPS接收机模块饱和。

  欺骗式干扰发射与GPS信号相类似的干扰信号,误导GPS接收机偏离准确的导航和定位,欺骗式干扰主要分为转发式欺骗干扰和生成式欺骗干扰。 转发式欺骗干扰利用信号的延迟对GPS进行干扰,技术难度低。 生成式欺骗干扰是由干扰机产生能够被GPS接收设备识别的欺骗信号,产生GPS码型和当时的卫星电文数据,对于C/A码和半公开的P码,生成式欺骗干扰是可行的。但是,对于加密的军用码,生成式欺骗干扰则很困难。目前,无人机GPS模块没有采用军码,生成式欺骗干扰可以有效干扰无人机。

  (三)无线电反制技术的不足

  虽然阻塞式干扰无人机反制系统操作简单、成本低,但是该系统功率大、干扰波束宽,在城市或居民住宅区会造成很大的附带杀伤。另外,目前的阻塞式干扰设备多为定向干扰设备,无法同时对多个无人机进行反制。

  无线电反制系统对于依靠外部通信的无人机拦截效果较好,但对于不依靠外部通讯进行飞行控制的无人机,控制效果较差。 例如在针对以恐怖袭击为目的的自杀式无人攻击机或具有自主控制功能的无人机时,无线电反制系统就无法进行有效反制。

  由于受天线带宽限制,目前无线电的探测与反制系统多数仅对几个常用频段进行探测与干扰,无法实现无人机全频段的探测与干扰。

  三、发展趋势

  未来,无人机将在工业、农业、物流、军事等领域广泛应用,其通信及控制方式将不再局限于目前视距内通信,所有可用的通信网络(4G/5G、Wi-Fi等)都将被使用,有目的的攻击也将改变其通信频率、体制等,这将不断增加无人机探测及反制的难度,必须发展全频段探测及干扰技术。

  在军事上,随着无人机协同、无人机自组网技术的不断发展,采用蜂群战术的大编队无人机群袭击将成为常规的作战手段,开展多层次、多目标及智能干扰势在必行。

  在城市低空防护应用中,无人机无线电探测及反制系统受到多方面限制。一方面,无人机通信频率与民用设备频率重叠,无线电干扰附带杀伤大,将遭到抵制;另一方面,电磁环境复杂,无人机无线电探测与反制系统作用距离小,必须开展低成本、网络化无人机无线电探测与反制系统的研究。

  四、结语

  无线电探测与反制技术是无人机探测与反制系统的重要组成部分,已经成为无人机探测与反制领域的研究热点之一。本文介绍了无人机无线电探测与反制的几种主要技术手段,并论述了其不足。

  未来应开展宽带高精度探测与干扰技术的研究,实现全频段探测;突破智能多目标干扰技术,实现全方位多无人机反制;攻克低功率无人机智能干扰,实现绿色、低附带杀伤的无人机反制技术。

作者:周明复、叶方全、卓智海

编辑:广汉

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