無人機無線電幹擾原理

  近年來無人機(本文指民用多軸飛行器)正以空前的速度普及,由此引發的關於安全的憂慮日益增多。許多有關部門甚至個人都希望采取一些措施,阻止無人機飛臨敏感區域。為了達到這個目的可以采用很多方法,比如訓練老鷹飛去抓捕。

  除了這類眼球效應大於實用的方法,最實用、性價比最高的方法莫過於無線電幹擾。

  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。當然某些特殊用途的無人機可以采用諸如地形匹配、圖像識別以及高精度慣性導航的辦法來確定自己的位置,並且自主的完成任務,但在民用領域尚未普及。既然無人機必須使用無線電技術,就可以對無線電進行幹擾,從而達到使無人機失控或折返的目地。

  目前商品無人機必備的主要是GPS定位和遙控這兩個部分。如果用於拍攝圖像或其它測試用途,還必須有下行的圖傳和遙測通信。無線電測高和防撞設備也偶有使用。

  在攻防態勢上,通常無人機的操縱者和需要設防的敏感區域之間有一定距離。無人機從操縱者附近起飛,然後逐漸飛臨設防區域。當無人機到達設防區域附近,能夠開展有效的偵查或破壞活動時,無人機到設防區域的距離,通常比它到操縱者的距離要近得多。

  在上述態勢中,操縱者發送的一切上行信號(從地麵向無人機發送)都會因為距離遠而比較微弱。采用同樣的功率,防禦者由於距離無人機更近,信號將比操縱者強。防禦者收到的下行信號也會比操縱者強。但是對下行信號的防禦目標是讓操縱者收不到,而此時無人機到操縱者的距離,和防禦者到操縱者的距離是差不多的。所以對下行信號的阻斷不占地形優勢。

  從上麵分析可以看出幹擾上行信號更為有利。恰巧上行信號通常是遙控信號,直接關係到對無人機的操控,如果上行信號被幹擾,無人機將失去即時控製,隻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,雖然也可能存在敏感信息,但相比控製信號而言就不那麽重要了,再加上防禦者在態勢上不占優勢,通常對下行信號采取放任態度。

  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,幹擾其上行也可能使其下行無法正常工作。

  GPS依靠中軌道衛星。通俗而言就是信號經過上萬公裏到達地球表麵,已經非常微弱。所以要在無人機離防禦者很近的情況下幹擾GPS信號是比較容易的。如果想欺騙它就需要用比較複雜的手段來模擬GPS衛星,會困難得多。

  2、對GPS的幹擾

  GPS信號十分微弱,在地麵附近已低於自然本底噪聲。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1575MHz,2.046MHz帶寬的擴頻信號,擴頻增益43dB,Cb/N0按6dB考慮。固然任何方式的幹擾隻要足夠大都能產生效果,但由於擴頻增益太高,部分頻帶幹擾的效益很差。在容易實現的方式中,全頻帶噪音幹擾較有優勢,滿足如下條件時誤碼率高於10%:

  (1)幹擾信號的帶寬等於或大於2.046MHz,覆蓋GPS信號的整個頻帶。(2)幹擾信號經GPS天線接收後,其總功率電平要高於-83dBm。

  無人機上的GPS天線主瓣方向朝向天空,對於地麵來的幹擾能提供一定的隔離。隔離的大小取決於天線的品質、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麵方向,那麽通常能提供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。設無人機GPS天線對地麵防禦者(幹擾源)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,無人機距離地麵100米,幹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:如果幹擾帶寬適中,則隻需要2W的發射功率,就能幹掉100米範圍內的無人機GPS。假如幹擾天線有6dB增益,那麽隻需要0.5W功率。實測發現,0.01W功率的噪聲調幅配合增益為5dB的R100天線,已經能在100米範圍內幹掉大部分品牌無人機的GPS。這可能是以下幾個原因導致的:

  (1)品牌無人機大量采用輕質塑料,導致GPS天線的對地隔離度遠遠不足40dB。

  (2)總接收電平達不到-120dBm(該值接近理論最佳值,工程中通常按-130dBm考慮)。

  (3)廉價接收器解擴方案過於簡化,沒有充分利用43dB的擴頻增益。

  最簡單的寬帶信號是噪音調頻。當然還可以采用相關性更強的幹擾直至欺騙,比如用GPS模擬器產生一些假信號。但考慮到幹擾功率本來就不大,似乎沒有必要費這個事。

  無人機丟失GPS信號以後的行為取決於飛控的功能及設置。對於技術嫻熟的操作者而言,GPS不是必要的,在沒有GPS的年代裏,航空模型的飛手們依然可以靠目視或圖傳完成自己設想的飛行路線。但是對於技術不嫻熟的操縱者,幹掉GPS信號的後果已經相當嚴重,因為此時無人機的自動返航功能已經失效,必須完全依賴人工操作。根據已經掌握的防禦經驗,這基本等於飛不回去。如果想避免GPS受幹擾的後果,可以在下麵幾點上做文章:

  (1)操縱者必須經過無GPS飛行方麵的訓練。(2)嚴格考核GPS天線的對地隔離度,使之提升到比如50dB;選用性能足夠好的GPS接收機。(3)采用更高精度的慣性平台,確保在GPS丟失後能支撐足夠返航的時間。(4)利用機載攝像機的圖像進行定位和返航。

  3、對遙控信號的幹擾

  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

  可見遙控信號的強度遠大於GPS信號。不過,遙控接收天線的主瓣方向必須朝向地麵,所以不能像GPS天線那樣對地麵幹擾提供隔離。

  目前,遙控發射機已經普遍采用跳頻、擴頻技術,而且跳頻參數還可以自適應,具有一定的抗幹擾能力。在計算需要的幹擾大小時,必須已知跳頻、擴頻的參數才能得到準確的結果。不過依然可以知道所需幹擾的大致範圍。遙控發射機仍按上述參數,假設防禦者距離無人機為100米,天線增益為3dB,如果采用相關的幹擾,需要的幹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,而幹擾者除了頻帶範圍之外,並不知道這些措施的任何參數,隻能用噪聲進行全頻帶暴力覆蓋,那麽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。

  這個幹擾功率就比GPS具體多了,而且難以低成本的產生。同時,過大的幹擾功率可能會影響其它正常的無線電通信,出現幹死一大片,無人機照樣飛的窘境。

  如下圖所示,如果遙控信號的跳頻範圍是2405~2495MHz,而防禦者不知道跳頻參數,那麽就隻好用噪聲進行全頻帶覆蓋,即黃色區域。而遙控信號功率集中,當它的總功率電平比幹擾的總功率電平小的時候,依然可能在局部比幹擾電平高不少,從而不受幹擾影響,如紅色區域。目前先進的遙控器已經能夠根據幹擾的情況自動調整跳頻頻率,所以對於采用跳頻的遙控器,窄帶強幹擾效果不佳。

  


  跳頻和直接擴頻聯合應用可以彌補各自的不足。但是遙控器的擴頻增益比GPS低得多,所以擴頻部分的抗窄帶幹擾能力較差,通常隻需要3~6dB的幹信比。因此采用梳狀譜的幹擾源,例如間隔1MHz的100個幹擾峰,其總幹擾功率比有用信號高26dB,可比寬帶噪聲幹擾節約3~10dB功率。

  除了頻域上的寬帶幹擾,還可以在時域上有所變化,即采用脈衝幹擾源。如果遙控器沒有采取重複編碼措施時,使用脈衝幹擾可以節約平均功率,或者在平均功率一定的情況下,提高脈衝功率。但如果采取了重複編碼措施,脈衝幹擾效果不佳。

  目前市場上存在430MHz頻段的非法“增程”遙控設備,發射功率通常為2W,經過放大可以具備更大功率,比如5W甚至50W。而且,近期已有產品在上述大功率、低頻率的基礎上,增加了跳頻功能,跳頻範圍可達50MHz。常見設備采用GFSK等調製方式並擴頻,信道帶寬在MHz數量級,功率密度較高。如果不擴頻,帶寬就隻有幾十KHz,要想在50MHz範圍內通過噪聲幹擾達到相同的功率譜密度,需要的功率將是天文數字。不過,這些遙控設備的接收機的抗阻塞能力都比較抱歉。

  4、對下行圖傳和遙測信號的幹擾

  這部分幹擾與對遙控信號的幹擾沒有本質的區別,不同之處是攻防態勢更加不利於防禦者。由於幹擾的對象是操縱者的接收機,一般而言防禦者與操縱者的距離大於或接近於無人機與操縱者的距離。另外,無人機至少有幾十米到數百米高度,信號傳播條件比位於地麵的防禦者要好得多,操縱者還可以使用定向天線瞄準無人機,甚至使用可自動調零的天線對幹擾信號產生隔離。防禦者的優勢是天線增益能夠比空間和重量都十分局促的無人機高。但由於不知道操縱者的方位,隻能在垂直麵想辦法。一般討論這個問題按操縱者(接收機)方位不明、幹擾距離與無人機的通信距離相同,接收天線提供的隔離度和地麵附近的附加損耗總共20dB來考慮。雪上加霜的是,最新的商品無人機的圖傳或遙測信號發射功率在不斷的加大,2W功率已經登場。按照上述條件,如果擴頻增益為20dB,Cb/N0為6dB,采用不相關的噪聲幹擾,天線增益與無人機相同,總功率電平應高於33+34=67dBm才產生效果,相當於5KW!假設地麵采用比無人機高10dB的水平定向天線(如共軸同相陣),也需要500W的功率。

  由上述計算可以了解,如果無人機采用擴頻、跳頻技術,且防禦者不知道有關參數而隻能暴力蠻幹,需要的功率將十分可觀。

  古老的圖傳采用固定頻率,如果能夠偵察得到具體的頻率,就可以施放簡單的瞄準幹擾。仍使用全向天線且假設幹信比為0dB即可有效幹擾,則需要的功率將減小到33+20=53dBm,相當於200W。如果使用比無人機高10dB的高增益天線,就隻需要20W了。

  5、阻塞幹擾

  本文凡是提到阻塞幹擾,是指位於通信信道之外的,超過接收機電路的承受能力,能夠導致接收機對正常信號的處理能力降低的幹擾。

  采用擴頻、跳頻技術有利於對抗噪聲幹擾,但並不能提高接收機的阻塞電平。相反,由於必須具備較寬的前級,更容易發生阻塞。這裏,阻塞電平的定義是:位於接收機瞬時通帶之外的,使接收靈敏度壓縮6dB所需要的幹擾電平。

  民用接收機為了提高靈敏度,通常天線信號經簡單的濾波以後就進入低噪放和混頻器。從省電考慮,這些電路不能采用大功率器件,他們的動態範圍是比較小的,通常隻需提供-20dBm左右的幹擾信號,即使幹擾頻率與接收頻率有一個小的偏差,也能使接收靈敏度降低6dB。這時,-20dBm就是該接收機的阻塞電平。如果幹擾進一步增強,接收機將完全收不到有用信號。如果接收機前級沒有適當的限幅電路,更強的幹擾能將其燒毀。下圖是一部典型的接收機的框圖。數字序號代表可以引起阻塞的環節。

  


  放大器1和放大器4在專業接收機中必然會采用輸入壓縮點接近0dBm的器件,而在民用接收機中往往達不到這個水平,常見為-10~-20dBm。混頻器2的截點往往也不會太高,因為高的截點意味著需要大的驅動功率。當有強幹擾落在預選器帶內時,混頻器將無法正確輸出中頻信號;如果再落在中頻濾波器帶內,那麽ADC之前就會全軍覆沒。

  不論模擬IQ下變還是中頻直接采樣,本地振蕩器的相噪都會與強幹擾在混頻器中相乘,從而落到中頻上,導致底噪抬高。如果幹擾靠得近,待接收的信號將落在幹擾的混頻產物的裙邊內部,如果有用信號較小,就會被裙邊淹沒。

  ADC的位數通常隻有12或14位,動態範圍捉襟見肘。為了能夠采用高速跳頻方案,通常中頻濾波器的帶通很大,非接收頻率上的幹擾也會到達ADC。幹擾稍大就會讓ADC過載,或者,如果通過AGC使得ADC不過載,那麽正常信號到達ADC時就會弱到不足1bit。

  以常見的收發機芯片AD9361為例,它幾乎不能抵抗高於-24dBm的帶外幹擾。要在接收機上感生-24dBm的功率並不複雜。仍以100米距離,收發天線增益均為3dB為例,需要的功率是:

  -24+32.45+68-20-6=50.45dBm,即100瓦。

  產生100W的噪聲是複雜的,因為特定調製的幹擾器很難做大功率。而如果不對信號的帶寬、品質提出要求,就能使用磁控管輕鬆的產生高功率。當然,增加一些磁控管力所能及的調製更好,比如采用注入已調信號的方法或者采用脈動直流來驅動。

  阻塞幹擾由於簡單粗暴效果好,目前是那些不用擔心因為幹擾別的通信業務而負法律責任的“有關部門”最常用的拒止手段。由於輻射大,風險大,運行成本高(費電且壽命短),一般不能持續開機設防,要求見到無人機才開機。

  6、瞄準幹擾

  本文所述的瞄準幹擾是根據被幹擾信號的瞬時頻率和開機時間施放的針對性幹擾。盡管正規無人機都有其批準的頻率範圍,但既然要從事令人擔憂的活動,某些無人機就可能使用任意頻率。如果要全部幹擾,需要的功率很大,作用距離很短,而且對正常通信的影響難以排除。窄帶數傳或跳頻信號在任意瞬間的頻率是確定的,如果隻針對這些頻率,就能大大節省幹擾功率。對於單純的直接序列擴頻,通常不定義瞄準幹擾。

  一個典型的瞄準幹擾場景如下圖所示。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後,立即把需要施放幹擾的參數告訴幹擾發射機,使幹擾發射機開始發射。當經過一段時間(例如1毫秒),讓幹擾暫停,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,再次啟動幹擾。如果遙控信號消失,則停止幹擾。讓接收機與發射機分開布置,可以偵察和幹擾同時進行。

  這種幹擾的好處是沒有信號則不放幹擾,而且幹擾電平很小,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,由於擴頻增益不高,通常也隻需要大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。不論頻率、帶寬都可以被偵察接收機測定,如果技術允許,還可以測定調製方式,並對某些信號(比如防禦者附近的WIFI信號)頓感。

  瞄準幹擾的主要挑戰是響應速度。如果跳頻速度為1000跳/秒,則單頻點的駐留時間隻有1ms。按幹擾一半算,隻有500μs的時間來進行偵察、分析、判決、指令和啟動發射機。現在這種指標已經可以比較容易的達到了。如果不要求具體識別信號種類,隻進行FFT和譜型判斷,整個過程可以在幾微秒內完成。不過發射機需要特殊設計才能這麽快調定和達到足夠功率。好在現在遙控器的跳速都不快。

  除此之外還要考慮偵查接收機的防禦態勢。無人機的高度較高,有可能無人機能收到遙控信號,而地麵上的偵查接收機卻收不到。此時需要加高天線,提高增益。但又會導致收到諸多非遙控信號,尤其是設防區域在城裏麵的時候。這會給信號識別提出較高要求,如果遙控器模擬城市常見的比如WIFI信號或者就是采用WIFI技術,難度就比較大。

  整套設備比較貴,如果跳頻範圍進一步加寬,或者采用其它UWB技術,偵查和幹擾設備的成本將進一步上升。

  7、設防事項

  應主要考慮對GPS和遙控上行信號的幹擾。對於固定式幹擾設備,應當確保設防區域內部和上空達到足夠的場強,而在設防區域之外迅速衰減。除非特別敏感的地方,一切幹擾設備的設置都應遵循正當、適度的原則,隻在確有必要的時間、確有必要的區域施放確有必要的強度,避免對正常的無線電用戶產生影響。

  本文的某些預算較實際經驗顯著偏大,這是因為本文是按照防控比為1:1的態勢來考慮的,而常見的情況是防禦距離遠小於操縱距離,通常優於1比3。所以在實際設防時,可以按照比本文的預算值小10倍來考慮。幹擾設備應有高低兩檔或更多檔的功率可供選擇,常規情況下隻使用低功率。

  有固定幹擾設備的,應在值班場所、瞭望場所安裝操作麵板,便於隨時啟動。便攜設備應當放置在便於取用的地方,隨時保持整備狀態。相關設備應有專人管理和使用,否則需要授權措施,比如采用鑰匙、密碼、指紋等方可啟動。

  如果無人值守或者沒有專門的觀察員,就需要通過一定的手段識別無人機威脅,然後發出報警或自動啟動幹擾。偵察接收機是一種手段,但在城市區域使用不太靠譜。其它手段有聲音識別、圖像識別、一次雷達等。總的來說,目前還沒有一種可靠而廉價的手段。

  無線電管理機構不會為幹擾設備頒發頻率許可和電台執照,原則上這些設備都屬於非法使用。國家強力部門使用是他們自己的事,但如果企事業單位或者個人使用,則可能存在法律風險。無人機受到幹擾以後可能造成財產損失和二次傷害。比如墜落的無人機可能造成人員死傷,故應當在地麵安全和防禦需求之間平衡風險。
相關標簽:無人機  無線電  幹擾  原理  
明星產品 Hot products
熱門資訊 Hot information
粵ICP備17015802號-1 © 2019 www.jiamengne.comAG亚游集团|AOPA無人機培訓|無人機考證|無人機駕駛培訓|無人機航拍| 版權所有 侵權必究
www.sxslsh.com www.mylwfb.com www.zuijinlin.com www.hbgain.com www.applexiang.com www.bjwjct.com www.11818game.com www.fmcgol.com www.bhphone.com www.sunshine-hosp.com