作者：劉虎 （科創(chuàng)研究院，儀表局）

1、引言

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(fā)的關(guān)于安全的憂慮日益增多。許多有關(guān)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(qū)域。為了達(dá)到這個目的可以采用很多方法，比如訓(xùn)練老鷹飛去抓捕。

除了這類眼球效應(yīng)大于實用的方法，最實用、性價比最高的方法莫過于無線電干擾。

目前所有的民用無人機都需要用到無線電技術(shù)來實現(xiàn)定位、遙控、圖像傳輸?shù)裙δ堋．?dāng)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(dǎo)航的辦法來確定自己的位置，并且自主的完成任務(wù)，但在民用領(lǐng)域尚未普及。既然無人機必須使用無線電技術(shù)，就可以對無線電進行干擾，從而達(dá)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。如果用于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(shè)備也偶有使用。

在攻防態(tài)勢上，通常無人機的操縱者和需要設(shè)防的敏感區(qū)域之間有一定距離。無人機從操縱者附近起飛，然后逐漸飛臨設(shè)防區(qū)域。當(dāng)無人機到達(dá)設(shè)防區(qū)域附近，能夠開展有效的偵查或破壞活動時，無人機到設(shè)防區(qū)域的距離，通常比它到操縱者的距離要近得多。

在上述態(tài)勢中，操縱者發(fā)送的一切上行信號（從地面向無人機發(fā)送）都會因為距離遠(yuǎn)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。但是對下行信號的防御目標(biāo)是讓操縱者收不到，而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。所以對下行信號的阻斷不占地形優(yōu)勢。

從上面分析可以看出干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(guān)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(yù)設(shè)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，但相比控制信號而言就不那么重要了，再加上防御者在態(tài)勢上不占優(yōu)勢，通常對下行信號采取放任態(tài)度。

GPS依靠中軌道衛(wèi)星。通俗而言就是信號經(jīng)過上萬公里到達(dá)地球表面，已經(jīng)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(fù)雜的手段來模擬GPS衛(wèi)星，會困難得多。

2、對GPS的干擾

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(dá)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。固然任何方式的干擾只要足夠大都能產(chǎn)生效果，但由于擴頻增益太高，部分頻帶干擾的效益很差。在容易實現(xiàn)的方式中，全頻帶噪音干擾較有優(yōu)勢，滿足如下條件時誤碼率高于10%：

（1）干擾信號的帶寬等于或大于2.046MHz，覆蓋GPS信號的整個頻帶。
（2）干擾信號經(jīng)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(zhì)、安裝方式和無人機本身的結(jié)構(gòu)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(wǎng)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。設(shè)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(dá)到-120dBm，無人機距離地面100米，干擾發(fā)射機的天線增益為0，根據(jù)自由空間損耗公式，則需要的發(fā)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(fā)射功率，就能干掉100米范圍內(nèi)的無人機GPS。假如干擾天線有6dB增益，那么只需要0.5W功率。

實測發(fā)現(xiàn)，0.01W功率的噪聲調(diào)幅配合增益為5dB的R100天線，已經(jīng)能在100米范圍內(nèi)許多品牌無人機的GPS。這可能是以下幾個原因?qū)е碌模?/p> （1）品牌無人機大量采用輕質(zhì)塑料，導(dǎo)致GPS天線的對地隔離度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足40dB。
（2）總接收電平達(dá)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于簡化，沒有充分利用43dB的擴頻增益。

最簡單的寬帶信號是噪音調(diào)頻。當(dāng)然還可以采用相關(guān)性更強的干擾直至欺騙，比如用GPS模擬器產(chǎn)生一些假信號。但考慮到干擾功率本來就不大，似乎沒有必要費這個事。

無人機丟失GPS信號以后的行為取決于飛控的功能及設(shè)置。對于技術(shù)嫻熟的操作者而言，GPS不是必要的，在沒有GPS的年代里，航空模型的飛手們依然可以靠目視或圖傳完成自己設(shè)想的飛行路線。但是對于技術(shù)不嫻熟的操縱者，干掉GPS信號的后果已經(jīng)相當(dāng)嚴(yán)重，因為此時無人機的自動返航功能已經(jīng)失效，必須完全依賴人工操作。根據(jù)已經(jīng)掌握的防御經(jīng)驗，這基本等于飛不回去。

如果想避免GPS受干擾的后果，可以在下面幾點上做文章：

（1）操縱者必須經(jīng)過無GPS飛行方面的訓(xùn)練。
（2）嚴(yán)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臺，確保在GPS丟失后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、對遙控信號的干擾

商品遙控發(fā)射機的功率通常為100mW，特殊用途或自行改裝的遙控發(fā)射機可能具有更大的功率。如果按100mW考慮，遙控發(fā)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(shè)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(yuǎn)大于GPS信號。

不過，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。

目前，遙控發(fā)射機已經(jīng)普遍采用跳頻、擴頻技術(shù)，而且跳頻參數(shù)還可以自適應(yīng)，具有一定的抗干擾能力。在計算需要的干擾大小時，必須已知跳頻、擴頻的參數(shù)才能得到準(zhǔn)確的結(jié)果。不過我們依然可以知道所需干擾的大致范圍。遙控發(fā)射機仍按上述參數(shù)，假設(shè)防御者距離無人機為100米，天線增益為3dB，如果采用相關(guān)的干擾，需要的干擾功率與遙控發(fā)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(shù)，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(jīng)驗而論，通常需要提升30dB，具體來說就是100W。

這個干擾功率就比GPS具體多了，而且難以低成本的產(chǎn)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，出現(xiàn)干死一大片，無人機照樣飛的窘境。

如下圖所示，如果遙控信號的跳頻范圍是2405~2495MHz，而防御者不知道跳頻參數(shù)，那么就只好用噪聲進行全頻帶覆蓋，即黃色區(qū)域。而遙控信號功率集中，當(dāng)它的總功率電平比干擾的總功率電平小的時候，依然可能在局部比干擾電平高不少，從而不受干擾影響，如紅色區(qū)域。目前先進的遙控器已經(jīng)能夠根據(jù)干擾的情況自動調(diào)整跳頻頻率，所以對于采用跳頻的遙控器，窄帶強干擾效果不佳。

跳頻和直接擴頻聯(lián)合應(yīng)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干擾能力較差，通常只需要3~6dB的干信比。因此采用梳狀譜的干擾源，例如間隔1MHz的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(jié)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(fù)編碼措施時，使用脈沖干擾可以節(jié)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(fù)編碼措施，脈沖干擾效果不佳。

除了暴力的噪聲干擾之外，還可以采用阻塞干擾和瞄準(zhǔn)干擾，將在后面討論。

4、對下行圖傳和遙測信號的干擾

這部分干擾與對遙控信號的干擾沒有本質(zhì)的區(qū)別，不同之處是攻防態(tài)勢更加不利于防御者。由于干擾的對象是操縱者的接收機，一般而言防御者與操縱者的距離大于或接近于無人機與操縱者的距離。另外，無人機至少有幾十米到數(shù)百米高度，信號傳播條件比位于地面的防御者要好得多，操縱者還可以使用定向天線瞄準(zhǔn)無人機，甚至使用可自動調(diào)零的天線對干擾信號產(chǎn)生隔離。防御者的優(yōu)勢是天線增益能夠比空間和重量都十分局促的無人機高。但由于不知道操縱者的方位，只能在垂直面想辦法。一般討論這個問題按操縱者（接收機）方位不明、干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面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(fā)射功率在不斷的加大，2W功率已經(jīng)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(guān)的噪聲干擾，天線增益與無人機相同，總功率電平應(yīng)高于33+34=67dBm才產(chǎn)生效果，相當(dāng)于5KW！假設(shè)地面采用比無人機高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(shù)，且防御者不知道有關(guān)參數(shù)而只能暴力蠻干，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(zhǔn)干擾。仍使用全向天線且假設(shè)干信比為0dB即可有效干擾，則需要的功率將減小到33+20=53dBm，相當(dāng)于200W。如果使用比無人機高10dB的高增益天線，就只需要20W了。

5、阻塞干擾

本文凡是提到阻塞干擾，是指位于通信信道之外的，超過接收機電路的承受能力，能夠?qū)е陆邮諜C對正常信號的處理能力降低的干擾。

采用擴頻、跳頻技術(shù)有利于對抗噪聲干擾，但并不能提高接收機的阻塞電平。相反，由于必須具備較寬的前級，更容易發(fā)生阻塞。這里，阻塞電平的定義是：位于接收機瞬時通帶之外的，使接收靈敏度壓縮6dB所需要的干擾電平。

民用接收機為了提高靈敏度，通常天線信號經(jīng)簡單的濾波以后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(tài)范圍是比較小的，通常只需提供-20dBm左右的干擾信號，即使干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。如果干擾進一步增強，接收機將完全收不到有用信號。如果接收機前級沒有適當(dāng)?shù)南薹娐罚鼜姷母蓴_能將其燒毀。

下圖是一部典型的接收機的框圖。數(shù)字序號代表可以引起阻塞的環(huán)節(jié)。

放大器1和放大器4在專業(yè)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(dá)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(qū)動功率。當(dāng)有強干擾落在預(yù)選器帶內(nèi)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(nèi)，那么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干擾在混頻器中相乘，從而落到中頻上，導(dǎo)致底噪抬高。如果干擾靠得近，待接收的信號將落在干擾的混頻產(chǎn)物的裙邊內(nèi)部，如果有用信號較小，就會被裙邊淹沒。

ADC的位數(shù)通常只有12或14位，動態(tài)范圍捉襟見肘。為了能夠采用高速跳頻方案，通常中頻濾波器的帶通很大，非接收頻率上的干擾也會到達(dá)ADC。干擾稍大就會讓ADC過載，或者，如果通過AGC使得ADC不過載，那么正常信號到達(dá)ADC時就會弱到不足1bit。

以常見的收發(fā)機芯片AD9361為例，它幾乎不能抵抗高于-24dBm的帶外干擾。要在接收機上感生-24dBm的功率并不復(fù)雜。仍以100米距離，收發(fā)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(chǎn)生100W的噪聲是復(fù)雜的，因為特定調(diào)制的干擾器很難做大功率。而如果不對信號的帶寬、品質(zhì)提出要求，就能使用磁控管輕松的產(chǎn)生高功率。當(dāng)然，增加一些磁控管力所能及的調(diào)制更好，比如采用注入已調(diào)信號的方法或者采用脈動直流來驅(qū)動。

阻塞干擾由于簡單粗暴效果好，目前是那些不用擔(dān)心因為干擾別的通信業(yè)務(wù)而負(fù)法律責(zé)任的“有關(guān)部門”最常用的拒止手段。由于輻射大，風(fēng)險大，運行成本高（費電且壽命短），一般不能持續(xù)開機設(shè)防，要求見到無人機才開機。

6、瞄準(zhǔn)干擾

本文所述的瞄準(zhǔn)干擾是根據(jù)被干擾信號的瞬時頻率和開機時間施放的針對性干擾。窄帶數(shù)傳或跳頻信號在任意瞬間的頻率是確定的，干擾只需要針對這些頻率，而不需要覆蓋所有可能跳到的范圍。這將大大節(jié)省干擾功率。對于單純的直接序列擴頻，通常不定義瞄準(zhǔn)干擾。

一個典型的瞄準(zhǔn)干擾場景如下圖所示。偵察接收機持續(xù)的監(jiān)聽可能的通信頻段，將數(shù)據(jù)送給計算機。當(dāng)計算機發(fā)現(xiàn)遙控器的信號以后，立即把需要施放干擾的參數(shù)告訴干擾發(fā)射機，使干擾發(fā)射機開始發(fā)射。當(dāng)經(jīng)過一段時間（例如1毫秒），讓干擾暫停，偵察接收機繼續(xù)搜尋遙控信號，如果遙控信號繼續(xù)存在或變更頻率，則把新的參數(shù)告訴發(fā)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(fā)射機分開布置，可以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(huán)境友好程度高。如果遙控信號未經(jīng)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(nèi)。功率的設(shè)定可根據(jù)遙控信號的瞬時帶寬而定，帶寬大的時候適當(dāng)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(shù)允許，還可以測定調(diào)制方式，并對某些信號（比如防御者附近的WIFI信號）頓感。

瞄準(zhǔn)干擾的主要挑戰(zhàn)是響應(yīng)速度。如果跳頻速度為1000跳/秒，則單頻點的駐留時間只有1ms。按干擾一半算，只有500μs的時間來進行偵察、分析、判決、指令和啟動發(fā)射機。現(xiàn)在這種指標(biāo)已經(jīng)可以比較容易的達(dá)到了。如果不要求具體識別信號種類，只進行FFT和譜型判斷，整個過程可以在幾微秒內(nèi)完成。不過發(fā)射機需要特殊設(shè)計才能這么快調(diào)定和達(dá)到足夠功率。好在現(xiàn)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御態(tài)勢。無人機的高度較高，有可能無人機能收到遙控信號，而地面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(dǎo)致收到諸多非遙控信號，尤其是設(shè)防區(qū)域在城里面的時候。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(shù)，難度就比較大。

整套設(shè)備比較貴，如果跳頻范圍進一步加寬，或者采用其它UWB技術(shù)，偵查和干擾設(shè)備的成本將進一步上升。

7、設(shè)防事項

應(yīng)主要考慮對GPS和遙控上行信號的干擾。對于固定式干擾設(shè)備，應(yīng)當(dāng)確保設(shè)防區(qū)域內(nèi)部和上空達(dá)到足夠的場強，而在設(shè)防區(qū)域之外迅速衰減。除非特別敏感的地方，一切干擾設(shè)備的設(shè)置都應(yīng)遵循正當(dāng)、適度的原則，只在確有必要的時間、確有必要的區(qū)域施放確有必要的強度，避免對正常的無線電用戶產(chǎn)生影響。

本文的某些預(yù)算較實際經(jīng)驗顯著偏大，這是因為本文是按照防控比為1：1的態(tài)勢來考慮的，而常見的情況是防御距離遠(yuǎn)小于操縱距離，通常優(yōu)于1比3。所以在實際設(shè)防時，可以按照比本文的預(yù)算值小10倍來考慮。干擾設(shè)備應(yīng)有高低兩檔或更多檔的功率可供選擇，常規(guī)情況下只使用低功率。

有固定干擾設(shè)備的，應(yīng)在值班場所、瞭望場所安裝操作面板，便于隨時啟動。便攜設(shè)備應(yīng)當(dāng)放置在便于取用的地方，隨時保持整備狀態(tài)。相關(guān)設(shè)備應(yīng)有專人管理和使用，否則需要授權(quán)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，然后發(fā)出報警或自動啟動干擾。偵察接收機是一種手段，但在城市區(qū)域使用不太靠譜。其它手段有聲音識別、圖像識別、一次雷達(dá)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(gòu)不會為干擾設(shè)備頒發(fā)頻率許可和電臺執(zhí)照，原則上這些設(shè)備都屬于非法使用。國家強力部門使用是他們自己的事，但如果企事業(yè)單位或者個人使用，則可能存在法律風(fēng)險。無人機受到干擾以后可能造成財產(chǎn)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(yīng)當(dāng)在地面安全和防御需求之間平衡風(fēng)險。