无人机无线电干扰原理

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。

  事实上大多数民用无人机的遥控、遥测甚至图传都需要双向通信才能正常工作,干扰其上行也可能使其下行无法正常工作。

  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1575MHz2.046MHz带宽的扩频信号,扩频增益43dBCb/N06dB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

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