浅谈无人机侦测反制技术

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引言

无人机发展起步于军事领域，上世纪90年代以后，在军事应用上取得了突飞猛进的发展。进入本世纪以来，随着技术的不断成熟与进步，无人机开始向小型化、低空化、简单化、低技术化、低成本化方向发展，凭借站得高、看得远，飞得快、行进无障碍，适应能力强、改装方便等优势，迅速在民用领域获得青睐。

但是，迅速普及的无人机热潮使得违规飞行的猖獗现象，严重干扰了国家空防警戒系统正常秩序，造成国家人力、物力和财力的重大浪费，也对国家重点要害部位防护、首都日常防空、军民航飞行安全和社会安全稳定带来前所未有的挑战。因此研制无人机侦测及反制装备，制定合理的规范实现有效监管，实现非法无人机的捕获，让无人机有序发展成为目前亟待解决的难题。

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无人机侦测技术

无人机侦测技术主要通过声音识别、光电识别、雷达探测以及电磁波探测实现。有效的侦测可以实现无人机的定位，从而实现无人机的反制及管控。

2.1 声音识别

无人机在飞行时，其电机工作和旋翼震动均会产生一定程度的噪声，该噪声主要分布在0.3k~20kHz的范围内。无人机声音识别是通过识别该噪声来发现和侦测无人机，主要有“音频指纹”和声波阵列接收两种方式。

“音频指纹”识别无人机：每个无人机都有一个独一无二的“音频指纹”——螺旋桨的旋转声。通过麦克风探测上空可疑区域，记录下几处地点的音频噪声，将探测到的音频与记录了所有无人机音频的数据库进行匹配，便可以辨识出是否为无人机的声响。“音频指纹”识别不仅能够检测无人机来自何处，而且能检测出无人机的类型。“音频指纹”识别技术需要在数据库囊括所有无人机的声响，包括一些军用和自制无人机的声响，才能降低误报率。该方法可侦测的有效距离一般在200米以内，只有个别产品识别距离可达到1千米。

声波阵列接收识别无人机：采用声阵列接收空中飞行的无人机发出的声信号并进行处理，可以实现目标的分类识别。无人机的声音信号具有如下的特征：时域上为连续信号，频域上为一系列逐渐衰减的线谱；该线谱的基波分量与无人机的转速成正比关系。采用基于高灵敏度声——电信号转换探头、多通道高速采集处理卡，应用多点相关运算和数据融合处理等技术，可以建立一套基于声学原理的，采用多孔径协同运算技术的声音探测系统，实现对无人机目标声音信号的快速发现。该方法可靠发现及跟踪距离约在200米左右。

2.2 可见光/红外探测

可见光/红外探测是利用可见光或目标的热红外反射进行无人机探测，采用超视距、高变倍、高清、透雾的可见光摄像机和红外热成像仪传感器组合，融合先进的DOE光学红外热像点目标跟踪探测技术、高清激光扫描面目标图像识别算法技术、万次微脉冲高精度伺服驱动光电转台技术，使其可在常规模式下监控的同时对低空、低速飞行的小型无人机进行探测、分类和跟踪，对需要进行监控的区域进行全天候、全空间的视频探测与监视。对微型无人机的作用距离可达2千米。

可见光/红外探测可捕获各种型号的无人机，能够实现全天候、实时化、可视化的监控管理。无人机由于体积小，其红外辐射特征低，使得通过红外探测的发现距离大大缩短，在抗激光探测上，无人机更易采取如吸波、透射、导光等材料，减少激光反射及外形隐身设计等，使得可见光/红外探测更加困难。

2.3 雷达探测

雷达探测是应用现有2D/3D机械或电扫描雷达技术，利用电磁波在经过不同传输介质时产生反射波现象来实现对无人机目标的侦测。为与无人机的RCS面积相匹配，通常采用S、X、Ku波段的雷达，需要配合光学或其他系统实现对无人机目标的飞行监测。雷达探测受到低空仰角限制的影响，需要有较强的地面杂波抑制能力。针对一些低空目标多采用结构简单、部署方便、利用率高的气球载雷达探测。

雷达发现不受无人机类型的影响，有效探测距离可达到数千米。但现代无人机一般都是由塑料泡沫、轻木及复合材质构成，这此材料具有透波特性，使其具有低可探测性。另外，无人机自身的雷达散射面积非常小，加之飞行速度慢，造成的多普勒效应不明显，降低了被雷达探测的距离和发现概率，存在低空探测盲区大，回波小且弱，容易与气象干扰、杂波干扰相混淆。无人机在实际飞行中离地面只有几十到几百米，地面雷达很难对其实施远距离探测和跟踪。

图1 雷达探测

2.4 无线电磁频谱监测

无人机与地面遥控者通过遥控系统和图像传输系统进行通信，遥控负责把操作者的指令传达给无人机，图像把相机的取景画面、飞行数据等信息传到操作者的屏幕上。两个系统都是采用不同频率的无线电进行传送。无人机遥控通常采用2.4G频率的信号进行操作指令传输，无人机利用卫星导航飞行时，数传模块会将飞行相关信息（如位置、自身状态、电量信息等）回传至地面控制端，以确保飞行安全。因此，利用无线电监测设备，发现无人机的数传和图传链路信号，从而实现对无人机目标发现。

通过无线电磁频谱监测的方式适用于各种类型的无人机，可安装在任何需要控制的区域，允许7×24小时的无间隔监控和记录。另外，可以捕捉隐藏在建筑物、工厂和树木间的无人机信号，有效侦测到无人机操作者。现有典型监测系统具备对无人机的有效监测发现能力：2.4GHz的控制信号，侦测范围约1-2km；433/ 868/920MHz的数传信号，有效侦测范围约2-3km；5.8GHz的图传信号，侦测范围约1km。但如果无人机目标不发射无线电信号处于“静默”状态，将无法使用电磁频谱方法进行有效发现。

图2 无线电磁频谱监测

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无人机反制技术

传统的航空器在飞行过程中，为了满足对运载体的飞行状态进行测量的需要，其内部装有自由度陀螺仪以及加速度计等传感器，称之为惯性导航的自主式导航系统。自由度陀螺仪用来测量运载体的转动运动状态，其内置的加速度计用来测量运载体的平移运动状态。利用安装在运载体中的惯性原件（如加速度计）来测量运载体本身的加速度，经过积分和运算得到速度和位置，从而达到对运载体导航定位。计算机根据测得的加速度信号计算出运载体的速度和位置数据。在此基础上，当前的无人机利用卡尔曼滤波技术，结合诸如GPS、北斗以及GLONASS等卫星导航系统，可获得较惯性导航精度更高的飞行状态反馈信息，地面上控制者籍此获取无人机的飞行状态。

针对上述无人机的工作特点可知，为了阻断无人机的飞行，可以采用针对性的管制与阻断措施：

（1）针对遥控飞行时下，对无人机的控制链路进行阻断与管控，以破坏地面控制者遥控无人机入侵受保护或受限制飞行区域的企图；

（2）针对无人机巡航飞行时的GPS、北斗以及GLONASS等卫星导航系统的阻断与管控，以阻止无人机获取自身当前位置状态，进而破坏无人机巡航状态。

在发现无人机后，为了有效的控制无人机终止既定飞行，考虑采用无线电信号压制手段，对其进行拦截。对其信号压制主要从以下两个方面着手研究：

第一、压制数据链路控制信号。在无人机通过地面端遥控飞行的模式下，地面控制端主要通过数据链路向无人机发送遥控指令，从而完成相应的飞行动作。因此，在该情况下，通过现有压制手段，对其控制数据链路信号进行大功率阻塞干扰压制，可使无人机失去与地面控制端联系，从而使其不能正常飞行。本次试验中主要针对前述中针对433MHz频段、900MHz频段、2.4GHz频段三个常用频段展开信号压制试验。

第二、压制卫星导航信号。无人机导航系统向无人机提供参考坐标系的位置、速度、飞行姿态，引导无人机按照指定航线飞行。无人机如失去导航信号将产生漂移、无法平稳飞行甚至坠毁的现象。因此，考虑利用无线电管制设备，对无人机卫星导航系统进行大功率信号压制干扰，使其无法正常工作，从而使飞行中的无人机失去正常飞行的状态。

3.1 无人机遥控信号管控

控制其链路信号，可以采用欺骗式方法，例如，禁飞区欺骗阻断链路信号，发射禁飞区经纬度的伪GPS信号，促使无人机原地降落；或向无人机发射航线方向上极端坐标的GPS，将无人机沿反方向驱离。

遥控信号的强度远大于GPS信号，但由于遥控接收天线的主瓣方向必须朝向地面，所以不能像GPS天线那样对地面干扰提供隔离。目前，遥控发射机已经普遍采用跳频、扩频技术，而且跳频参数还可以自适应，具有一定的抗干扰能力。在计算需要的干扰大小时，必须已知跳频、扩频的参数才能得到准确的结果。可选用的干扰手段包括暴力噪声干扰、阻塞干扰和瞄准干扰等。

3.1.1 暴力噪声干扰

遥控发射机仍按上述参数，假设管控系统位置距离无人机为100米，天线增益为3dB，如果采用相关的干扰，需要的干扰功率与遥控发射功率接近，即0.1W以上。如果遥控信号存在跳频措施，而干扰者除了频带范围之外，并不知道这些措施的任何参数，只能用噪声进行全频带暴力覆盖，那么所需功率将有所提高。通常来说，至少需要提升30dB（亦即100W）。这无疑提高了压制设备的实现成本；同时，压制设备功率过大亦可能会影响其它正常的无线电通信。

如果遥控信号的跳频范围是2405~2495MHz，而管控系统位置不知道跳频参数，那么就只好用噪声进行全频带覆盖，而遥控信号功率集中，当它的总功率电平比干扰的总功率电平小的时候，依然可能在局部比干扰电平高不少，从而不受干扰影响。目前先进的遥控器已经能够根据干扰的情况自动调整跳频频率，所以对于采用跳频的遥控器，窄带强干扰效果不佳。

3.1.2 阻塞干扰

阻塞干扰，是指位于通信信道之外的，超过接收机电路的承受能力，能够导致接收机对正常信号的处理能力降低的干扰。

采用扩频、跳频技术有利于对抗噪声干扰，但并不能提高接收机的阻塞电平。相反，由于必须具备较宽的前级，更容易发生阻塞。这里，阻塞电平的定义是：位于接收机瞬时通带之外的，使接收灵敏度压缩6dB所需要的干扰电平。

民用接收机为了提高灵敏度，通常天线信号经简单的滤波以后就进入低噪放和混频器。从省电考虑，这些电路不能采用大功率器件，他们的动态范围是比较小的，通常只需提供-20dBm左右的干扰信号，即使干扰频率与接收频率有一个小的偏差，也能使接收灵敏度降低6dB。这时，-20dBm就是该接收机的阻塞电平。如果干扰进一步增强，接收机将完全收不到有用信号。如果接收机前级没有适当的限幅电路，更强的干扰能将其烧毁。

3.1.3 瞄准干扰

瞄准干扰是根据被干扰信号的瞬时频率和开机时间施放的针对性干扰。窄带数传或跳频信号在任意瞬间的频率是确定的，干扰只需要针对这些频率，而不需要覆盖所有可能跳到的范围。这将大大节省干扰功率。对于单纯的直接序列扩频，通常不定义瞄准干扰。侦察接收机持续的监听可能的通信频段，将数据送给计算机。当计算机发现遥控器的信号以后，立即把需要施放干扰的参数告诉干扰发射机，使干扰发射机开始发射。当经过一段时间（例如1毫秒），让干扰暂停，侦察接收机继续搜寻遥控信号，如果遥控信号继续存在或变更频率，则把新的参数告诉发射机，再次启动干扰。如果遥控信号消失，则停止干扰。让接收机与发射机分开布置，可以侦察和干扰同时进行。

这种干扰的好处是没有信号则不放干扰，而且干扰电平很小，环境友好程度高。如果遥控信号未经扩频，通常使接收电平等大或略大一点即可。如果是扩频信号，由于扩频增益不高，通常也只需要大20dB以内。功率的设定可根据遥控信号的瞬时带宽而定，带宽大的时候适当提高一些。不论频率、带宽都可以被侦察接收机测定，如果技术允许，还可以测定调制方式，并对某些信号（比如管控系统位置附近的WIFI信号）钝感。

3.2 无人机导航信号管控

无人机在飞行时，会利用卫星导航信号确定自身位置，从而实现自身状态稳定、调整飞行方向、回传位置状态等功能。目前，较为新型的无人机导航模块已经可以实现美国GPS卫星导航系统、俄罗斯GLONASS卫星导航系统以及中国的北斗卫星导航系统的兼容，同时利用三种导航系统进行定位；年代较早的无人机至少会采用GPS卫星导航系统进行定位。由于GPS的适用性和使用率最高，以下即以GPS为例对无人机导航信号管控的所需的电平水平进行数学推算。

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1575MHz，2.046MHz带宽的扩频信号，扩频增益43dB，按6dB考虑。通常，无论采用何种干扰手段，只要电平足够大都能产生一定的干扰效果，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。

从管控角度考虑，无人机目标使用自动预设路线模式飞行时，如能阻断其接收卫星导航信号，则将无法按预订路线飞行；采用遥控模式飞行时，根据实验结果，阻断其卫星导航信号可以使其丧失维持自身稳定的能力，一旦遇到空中气流影响则很难进行稳定飞行。因此，对卫星导航信号实施管控的适应性和可实现性更强，考虑到较为新型的无人机导航模块已经可以实现GPS、GLONASS及北斗系统的兼容，同时利用三种导航系统进行定位，因此对卫星导航信号的管控也应同时考虑这三种模式。

3.3 对下行图传和遥测信号的干扰

这部分干扰与对遥控信号的干扰没有本质的区别，不同之处是攻防态势更加不利于管控系统位置。由于干扰的对象是操纵者的接收机，一般而言管控系统位置与操纵者的距离大于或接近于无人机与操纵者的距离。另外，无人机至少有几十米到数百米高度，信号传播条件比位于地面的管控系统位置要好得多，操纵者还可以使用定向天线瞄准无人机，甚至使用可自动调零的天线对干扰信号产生隔离。

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非法无人机捕获

通过借助能够飞翔的鸟类、机载悬挂的捕获网，可以实现非法无人机的捕获。

4.1 老鹰捕获

荷兰警方正在与一家名为Guard from Above的公司进行合作，让老鹰来捕捉违规无人机。这是一家来自和荷兰的猛兽训练机构。荷兰警方想要对老鹰这种猛禽进行特殊的训练，并且其灵活的身手和极快的飞行速度来对付无人机。老鹰的本能是捕捉天空中飞行的鸟类，这也会让其在空中捕捉无人机，然后将其带到远离人群的安全区域。据悉，这项测试将会持续几个月的时间，经过多次老鹰捕获无人机实验后，荷兰警方训练了一批老鹰用以捕获无人机。

4.2 无人机捕获

美国密歇根大学较早地进行了使用机载悬挂捕获网的无人机来捕获无人机的实验。日本政府受此启发，专门成立了“反无人机小分队”。这个小分队的工作，就是对付东京上空那些违规飞行的无人机。但是这个小分队的目标并不是将这些无人机击落，而是要“抓活的”。他们给警方的无人机配备了一个简单的捕捉网，在空中将违规无人机捕获，然后安全返回地面。2016年4月，日本警方使用无人机型号为DJI Spreading Wings 900，他们在下面添加了一个捕捉网，来捕获民用无人机。据称，东京警方计划在2017年2月之前，投入使用10架这样的无人机，来保证重要政府建筑周边上空的安全。

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结论

本文通过无人机侦测技术和无人机反制技术两个方面介绍了无人机探测和反制的原理和方法，同时介绍了非法无人机捕获的方法，通过对这些侦测、反制装备技术的研究开发，可以提高公共场所及涉密场所对无人机入侵的防御能力，保护人民财产安全。

中国保密协会

科学技术分会

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作者：卢思学

责编：郝璐萌

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