1、引言 近年來無(wú)人機(jī)（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(gè)人都希望采取一些措施，阻止無(wú)人機(jī)飛臨敏感區(qū)域。為了達(dá)到這個(gè)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(shí)用的方法，最實(shí)用、性價(jià)比最高的方法莫過于無(wú)線電干擾。 目前所有的民用無(wú)人機(jī)都需要用到無(wú)線電技術(shù)來實(shí)現(xiàn)定位、遙控、圖像傳輸?shù)裙δ堋．?dāng)然某些特殊用途的無(wú)人機(jī)可以采用諸如地形匹配、圖像識(shí)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(wú)人機(jī)必須使用無(wú)線電技術(shù)，就可以對(duì)無(wú)線電進(jìn)行干擾，從而達(dá)到使無(wú)人機(jī)失控或折返的目地。 目前商品無(wú)人機(jī)必備的主要是GPS定位和遙控這兩個(gè)部分。如果用于拍攝圖像或其它測(cè)試用途，還必須有下行的圖傳和遙測(cè)通信。無(wú)線電測(cè)高和防撞設(shè)備也偶有使用。 在攻防態(tài)勢(shì)上，通常無(wú)人機(jī)的操縱者和需要設(shè)防的敏感區(qū)域之間有一定距離。無(wú)人機(jī)從操縱者附近起飛，然后逐漸飛臨設(shè)防區(qū)域。當(dāng)無(wú)人機(jī)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(dòng)時(shí)，無(wú)人機(jī)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(shì)中，操縱者發(fā)送的一切上行信號(hào)（從地面向無(wú)人機(jī)發(fā)送）都會(huì)因?yàn)榫嚯x遠(yuǎn)而比較微弱。采用同樣的功率，防御者由于距離無(wú)人機(jī)更近，信號(hào)將比操縱者強(qiáng)。防御者收到的下行信號(hào)也會(huì)比操縱者強(qiáng)。但是對(duì)下行信號(hào)的防御目標(biāo)是讓操縱者收不到，而此時(shí)無(wú)人機(jī)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(duì)下行信號(hào)的阻斷不占地形優(yōu)勢(shì)。 從上面分析可以看出干擾上行信號(hào)更為有利。恰巧上行信號(hào)通常是遙控信號(hào)，直接關(guān)系到對(duì)無(wú)人機(jī)的操控，如果上行信號(hào)被干擾，無(wú)人機(jī)將失去即時(shí)控制，只能按照程序預(yù)設(shè)的步驟運(yùn)行（通常是降落或者懸停）。而下行信號(hào)主要是遙測(cè)和圖像等，雖然也可能存在敏感信息，但相比控制信號(hào)而言就不那么重要了，再加上防御者在態(tài)勢(shì)上不占優(yōu)勢(shì)，通常對(duì)下行信號(hào)采取放任態(tài)度。 事實(shí)上大多數(shù)民用無(wú)人機(jī)的遙控、遙測(cè)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(wú)法正常工作。 GPS依靠中軌道衛(wèi)星。通俗而言就是信號(hào)經(jīng)過上萬(wàn)公里到達(dá)地球表面，已經(jīng)非常微弱。所以要在無(wú)人機(jī)離防御者很近的情況下干擾GPS信號(hào)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(huì)困難得多。 2、對(duì)GPS的干擾 GPS信號(hào)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(wú)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(hào)是頻率1575MHz，2.046MHz帶寬的擴(kuò)頻信號(hào)，擴(kuò)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(kuò)頻增益太高，部分頻帶干擾的效益很差。在容易實(shí)現(xiàn)的方式中，全頻帶噪音干擾較有優(yōu)勢(shì)，滿足如下條件時(shí)誤碼率高于10%： （1）干擾信號(hào)的帶寬等于或大于2.046MHz，覆蓋GPS信號(hào)的整個(gè)頻帶。（2）干擾信號(hào)經(jīng)GPS天線接收后，其總功率電平要高于-83dBm。 無(wú)人機(jī)上的GPS天線主瓣方向朝向天空，對(duì)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(wú)人機(jī)本身的結(jié)構(gòu)與材料。如果天線安裝在無(wú)人機(jī)正中心位置，無(wú)人機(jī)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(huì)有所降低。設(shè)無(wú)人機(jī)GPS天線對(duì)地面防御者（干擾源）的增益為-40dB，對(duì)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(wú)人機(jī)距離地面100米，干擾發(fā)射機(jī)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(jì)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(wú)人機(jī)GPS。假如干擾天線有6dB增益，那么只需要0.5W功率。實(shí)測(cè)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)干掉大部分品牌無(wú)人機(jī)的GPS。這可能是以下幾個(gè)原因?qū)е碌模? （1）品牌無(wú)人機(jī)大量采用輕質(zhì)塑料，導(dǎo)致GPS天線的對(duì)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(jià)接收器解擴(kuò)方案過于簡(jiǎn)化，沒有充分利用43dB的擴(kuò)頻增益。 最簡(jiǎn)單的寬帶信號(hào)是噪音調(diào)頻。當(dāng)然還可以采用相關(guān)性更強(qiáng)的干擾直至欺騙，比如用GPS模擬器產(chǎn)生一些假信號(hào)。但考慮到干擾功率本來就不大，似乎沒有必要費(fèi)這個(gè)事。 無(wú)人機(jī)丟失GPS信號(hào)以后的行為取決于飛控的功能及設(shè)置。對(duì)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(duì)于技術(shù)不嫻熟的操縱者，干掉GPS信號(hào)的后果已經(jīng)相當(dāng)嚴(yán)重，因?yàn)榇藭r(shí)無(wú)人機(jī)的自動(dòng)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(yàn)，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(diǎn)上做文章： （1）操縱者必須經(jīng)過無(wú)GPS飛行方面的訓(xùn)練。（2）嚴(yán)格考核GPS天線的對(duì)地隔離度，使之提升到比如50dB；選用性能足夠好的GPS接收機(jī)。（3）采用更高精度的慣性平臺(tái)，確保在GPS丟失后能支撐足夠返航的時(shí)間。（4）利用機(jī)載攝像機(jī)的圖像進(jìn)行定位和返航。 3、對(duì)遙控信號(hào)的干擾 正規(guī)商品遙控發(fā)射機(jī)的功率通常為100mW，特殊用途或自行改裝的遙控發(fā)射機(jī)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(wú)人機(jī)上的接收天線增益也為3dB的情況下，設(shè)操縱者距離飛機(jī)100米，采用2450MHz頻率，則接收機(jī)收到的功率電平最大為： 20 6-32.45 20-68=-54.45dBm 可見遙控信號(hào)的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于GPS信號(hào)。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(duì)地面干擾提供隔離。 目前，遙控發(fā)射機(jī)已經(jīng)普遍采用跳頻、擴(kuò)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(jì)算需要的干擾大小時(shí)，必須已知跳頻、擴(kuò)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(jī)仍按上述參數(shù)，假設(shè)防御者距離無(wú)人機(jī)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(hào)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(jìn)行全頻帶暴力覆蓋，那么所需功率將有所提高。就經(jīng)驗(yàn)而論，通常需要提升30dB，具體來說就是100W。 這個(gè)干擾功率就比GPS具體多了，而且難以低成本的產(chǎn)生。同時(shí)，過大的干擾功率可能會(huì)影響其它正常的無(wú)線電通信，出現(xiàn)干死一大片，無(wú)人機(jī)照樣飛的窘境。 如下圖所示，如果遙控信號(hào)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(jìn)行全頻帶覆蓋，即黃色區(qū)域。而遙控信號(hào)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(shí)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(jìn)的遙控器已經(jīng)能夠根據(jù)干擾的情況自動(dòng)調(diào)整跳頻頻率，所以對(duì)于采用跳頻的遙控器，窄帶強(qiáng)干擾效果不佳。 跳頻和直接擴(kuò)頻聯(lián)合應(yīng)用可以彌補(bǔ)各自的不足。但是遙控器的擴(kuò)頻增益比GPS低得多，所以擴(kuò)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(gè)干擾峰，其總干擾功率比有用信號(hào)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(shí)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(shí)，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。 目前市場(chǎng)上存在430MHz頻段的非法“增程”遙控設(shè)備，發(fā)射功率通常為2W，經(jīng)過放大可以具備更大功率，比如5W甚至50W。而且，近期已有產(chǎn)品在上述大功率、低頻率的基礎(chǔ)上，增加了跳頻功能，跳頻范圍可達(dá)50MHz。常見設(shè)備采用GFSK等調(diào)制方式并擴(kuò)頻，信道帶寬在MHz數(shù)量級(jí)，功率密度較高。如果不擴(kuò)頻，帶寬就只有幾十KHz，要想在50MHz范圍內(nèi)通過噪聲干擾達(dá)到相同的功率譜密度，需要的功率將是天文數(shù)字。不過，這些遙控設(shè)備的接收機(jī)的抗阻塞能力都比較抱歉。 4、對(duì)下行圖傳和遙測(cè)信號(hào)的干擾 這部分干擾與對(duì)遙控信號(hào)的干擾沒有本質(zhì)的區(qū)別，不同之處是攻防態(tài)勢(shì)更加不利于防御者。由于干擾的對(duì)象是操縱者的接收機(jī)，一般而言防御者與操縱者的距離大于或接近于無(wú)人機(jī)與操縱者的距離。另外，無(wú)人機(jī)至少有幾十米到數(shù)百米高度，信號(hào)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(wú)人機(jī)，甚至使用可自動(dòng)調(diào)零的天線對(duì)干擾信號(hào)產(chǎn)生隔離。防御者的優(yōu)勢(shì)是天線增益能夠比空間和重量都十分局促的無(wú)人機(jī)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(gè)問題按操縱者（接收機(jī)）方位不明、干擾距離與無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)的圖傳或遙測(cè)信號(hào)發(fā)射功率在不斷的加大，2W功率已經(jīng)登場(chǎng)。按照上述條件，如果擴(kuò)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(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)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(jì)算可以了解，如果無(wú)人機(jī)采用擴(kuò)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(jiǎn)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(wú)人機(jī)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(jī)電路的承受能力，能夠?qū)е陆邮諜C(jī)對(duì)正常信號(hào)的處理能力降低的干擾。 采用擴(kuò)頻、跳頻技術(shù)有利于對(duì)抗噪聲干擾，但并不能提高接收機(jī)的阻塞電平。相反，由于必須具備較寬的前級(jí)，更容易發(fā)生阻塞。這里，阻塞電平的定義是：位于接收機(jī)瞬時(shí)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(jī)為了提高靈敏度，通常天線信號(hào)經(jīng)簡(jiǎn)單的濾波以后就進(jìn)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(dòng)態(tài)范圍是比較小的，通常只需提供-20dBm左右的干擾信號(hào)，即使干擾頻率與接收頻率有一個(gè)小的偏差，也能使接收靈敏度降低6dB。這時(shí)，-20dBm就是該接收機(jī)的阻塞電平。如果干擾進(jìn)一步增強(qiáng)，接收機(jī)將完全收不到有用信號(hào)。如果接收機(jī)前級(jí)沒有適當(dāng)?shù)南薹娐?，更?qiáng)的干擾能將其燒毀。下圖是一部典型的接收機(jī)的框圖。數(shù)字序號(hào)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(jī)中必然會(huì)采用輸入壓縮點(diǎn)接近0dBm的器件，而在民用接收機(jī)中往往達(dá)不到這個(gè)水平，常見為-10~-20dBm?；祛l器2的截點(diǎn)往往也不會(huì)太高，因?yàn)楦叩慕攸c(diǎn)意味著需要大的驅(qū)動(dòng)功率。當(dāng)有強(qiáng)干擾落在預(yù)選器帶內(nèi)時(shí)，混頻器將無(wú)法正確輸出中頻信號(hào)；如果再落在中頻濾波器帶內(nèi)，那么ADC之前就會(huì)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(huì)與強(qiáng)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(hào)將落在干擾的混頻產(chǎn)物的裙邊內(nèi)部，如果有用信號(hào)較小，就會(huì)被裙邊淹沒。 ADC的位數(shù)通常只有12或14位，動(dòng)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(huì)到達(dá)ADC。干擾稍大就會(huì)讓ADC過載，或者，如果通過AGC使得ADC不過載，那么正常信號(hào)到達(dá)ADC時(shí)就會(huì)弱到不足1bit。 以常見的收發(fā)機(jī)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(jī)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：