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        無線電反制無人機分系統技術方案

        2019-04-17 14:30:51

        目前所有的民用無人機都需要用到無線電技術來實現定位、遙控、圖像傳輸等功能。本系統采用對無人機無線電進行干擾的方式達到使入侵無人機失控或折返的目地。本技術方案干擾的無人機信號主要包括 GPS 信號和遙控信號這兩個部分。

        1無線電反制整體方案

        以下對入侵無人機所需無線電信號進行分析,進而確定無線電干擾基本方案。入侵無人機使用的無線電信號主要包括上行信號(遙控信號)、下行信號(信息傳輸信號)和 GPS 導航信號。上行信號入侵無人機操縱者發送的一切上行信號(從地面向無人機發送)都會因為距離遠而比較微弱。采用同樣的功率,防御者由于距離無人機更近,信號將比操縱者強。防御者收到的下行信號也會比操縱者強。

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          上行信號(遙控信號)攻防態勢

        ? 下行信號下行信號是無人機向控制者傳送圖像、聲音等的信號。此時無人機到操縱者的距離,和防御者到操縱者的距離是差不多的(一般可能會更遠),所以對下行信號的阻斷不占距離優勢,需要采用更大的干擾功率。  下行信號(數據信號)攻防態勢

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        ? GPS 信號GPS 依靠中軌道衛星。通俗而言就是信號經過上萬公里到達地球表面,已經非常微弱。所以要在無人機離防御者很近的情況下干擾 GPS 信號是比較容易的。如果想欺騙它就需要用比較復雜的手段來模擬 GPS 衛星,相對困難得多。

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          GPS 信號攻防態勢

        通過從上面分析可以看出干擾上行信號和 GPS 信號更為有利。恰巧上行信號通常是遙控信號,直接關系到對無人機的操控,如果上行信號被干擾,無人機將失去即時控制,只能按照程序預設的步驟運行(通常是降落或者懸停);而下行信號主要是遙測和圖像等。事實上大多數民用無人機的遙控、遙測甚至圖傳都需要雙向通信才能正常工作,干擾其上行也可能使其下行無法正常工作。為確保干擾反制的效果,本系統方案為上行信號干擾和 GPS 干擾復合干擾方案。

        2GPS 信號干擾方案

        GPS 信號十分微弱,在地面附近已低于自然本底噪聲。采用常用的 3~6dB 增益的無源天線在開闊地接收,其總接收電平最高可達約-120dBm。民用 GPS 信號是頻率 1550MHz,2.046MHz 帶寬的擴頻信號,擴頻增益 43dB。在容易實現的方式中,

        全頻帶噪音干擾較有優勢,滿足如下條件時誤碼率高于 10%。干擾信號的帶寬等于或大于 2.046MHz,覆蓋 GPS 信號的整個頻帶。 干擾信號經 GPS 天線接收后,其總功率電平要高于-83dBm。無人機上的 GPS 天線主瓣方向朝向天空,對于地面來的干擾能提供一定的隔離。

        隔離的大小取決于天線的品質、安裝方式和無人機本身的結構與材料。如果天線安裝在無人機正中心位置,無人機上又有整塊的碳纖維網板遮擋地面方向,那么通常能提供 30~40dB 的隔離。如果天線方向性不佳,安裝不夠垂直,則隔離度會有所降低。干擾功率基本計算方法如下。設無人機 GPS 天線對地面防御者(干擾源)的增益為-40dB,對天空的增益滿足正常接收 GPS 天線的要求,也就是總接收電平能達到-120dBm,無人機距離地面20100 米,干擾發射機的天線增益為 0,根據自由空間損耗公式,則需要的發射功率是:Pt=Pr+32.45+20logd+20logf-G=-83+32.45-20+64+40=33.45dBm

        上述計算的意思是:如果干擾帶寬適中,則只需要 2W 的發射功率,就能干掉100 米范圍內的無人機 GPS。假如干擾天線有 6dB 增益,那么只需要 0.5W 功率。如果用 GPS 模擬器產生一些假信號,則有可能是無人機按照指定的地點降落,實現無人機捕獲,但考慮到 GPS 模擬器的技術難度較大,因此采取直接干擾的方式相對比較容易實現。

        3下行信號干擾方案

        正規商品遙控發射機的功率通常為 100mW,特殊用途或自行改裝的遙控發射機可能具有更大的功率。如果按 100mW 考慮,遙控發射天線配置普通鞭狀天線,增益約 3dB,無人機上的接收天線增益也為 3dB 的情況下,設操縱者距離飛機 100 米,采用 2450MHz 頻率,則接收機收到的功率電平最大為:20+6-32.45+20-68=-54.45dBm遙控接收天線的主瓣方向必須朝向地面,所以不能像 GPS 天線那樣對地面干擾提供隔離。假設防御者距離無人機為 100 米,天線增益為 3dB,如果采用相關的干擾,需要的干擾功率與遙控發射功率接近,即 0.1W 以上。如果遙控信號存在跳頻措

        施,而干擾者除了頻帶范圍之外,并不知道這些措施的任何參數,只能用噪聲進行全頻帶暴力覆蓋,那么所需功率將有所提高。就經驗而論,通常需要提升 30dB,具體來說就是 100W。這個干擾功率難以低成本的產生,同時,過大的干擾功率可能會影響其它正常的無線電通信。遙控器的擴頻增益比 GPS 低得多,所以擴頻部分的抗窄帶干擾能力較差,通常只需要 3~6dB 的信噪比。因此采用梳狀譜的干擾源,如間隔 1MHz 100 個干擾峰,其總干擾功率比有用信號高 26dB,可比寬帶噪聲干擾節約 3~10dB 功率。除了頻域上的寬帶干擾,還可以在時域上有所變化,即采用脈沖干擾源。如果遙控器沒有采取重復編碼措施時,使用脈沖干擾可以節約平均功率,或者在平均功率一定的情況下,提高脈沖功率。但如果采取了重復編碼措施,脈沖干擾效果不佳。為盡可能降低干擾對正常信號的影響,本方案采取瞄準干擾的方式。偵察接收機持續的監聽可能的通信頻段,將數據送給計算機。當計算機發現遙控器的信號以后,立即把需要施放干擾的參數告訴干擾發射機,使干擾發射機開始發射。當經過一段時間(例如:1 毫秒),讓干擾暫停,偵察接收機繼續搜尋遙控信號,如果遙控信號繼續存在或變更頻率,則把新的參數告訴發射機,再次啟動干擾。如果遙控信號消失,則停止干擾。讓接收機與發射機分開布置,使偵察和干擾同時進行。這種干擾的好處是沒有信號則不放干擾,而且干擾電平很小,環境友好程度高。如果遙控信號未經擴頻,通常使接收電平等大或略大一點即可。如果是擴頻信號,由于擴頻增益不高,通常也只需要大 20dB 以內。功率的設定可根據遙控信號的瞬時帶寬而定,帶寬大的時候適當提高一些。瞄準干擾的主要技術難度在于響應速度。如果跳頻速度為 1000 /秒,則單頻點的駐留時間只有 1ms。按干擾一半算,有 500μs 的時間來進行偵察、分析、判決、指令和啟動發射機,該技術指標目前可以達到。



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