小型無人機通信干擾器設計

楊勇，張雪濤，張星昱，王寶珠，胡洋，羅松

（1.河北工業(yè)大學電子信息工程學院，天津300401；2.天津七一二通信廣播股份有限公司通信部，天津300462）

小型無人機通信干擾器設計

楊勇1，2，張雪濤1，張星昱1，王寶珠1，胡洋1，羅松1

（1.河北工業(yè)大學電子信息工程學院，天津300401；2.天津七一二通信廣播股份有限公司通信部，天津300462）

當今小型無人機存在監(jiān)管難度大、安全系數(shù)低、缺乏規(guī)范等問題.為解決無人機監(jiān)管困難、執(zhí)法困難的問題，本文提出了基于無線通信干擾的無人機干擾方案.針對現(xiàn)有干擾方案手段單一，對各種型號無人機適用性差的問題，該方案首先使用壓制式無線通信干擾方式干擾無人機控制信號，使無人機喪失通信能力；其次利用GPS轉發(fā)欺騙信號對無人機定位進行干擾；最終無人機在多重錯誤控制信號的作用下迫降或墜毀.該方案的關鍵步驟是對無人機通信的干擾和偽GPS信號的生成，本文基于Simulink的實驗仿真結果論證了該方案具有較高的可行性.

無人機；壓制干擾；GPS轉發(fā)欺騙；Simulink

0 引言

隨著無人機技術的急速發(fā)展，該技術開始廣泛地應用于人們的日常生活.人們在享受著這一發(fā)展帶來的便利與時尚，卻忽略了其隱藏的一些信息安全隱患：無人機被不法分子用來進行違法犯罪活動，利用無人機進行他人隱私的侵權，無人機的不正當操作會釀成重大人為事故.因此，無人機干擾技術得到了推廣，而其潛在的商業(yè)價值也在被不斷地挖掘.無人機干擾技術是利用無線通信干擾技術，通過對無人機無線通信傳輸過程進行干擾，從而使無人機通信中斷來達到干擾目的.在電子對抗領域，這是一個重要的研究方向.而現(xiàn)有的無人機干擾系統(tǒng)干擾手段單一，實際效果因為系統(tǒng)設計不合理而大打折扣.故本課題著眼與當前民用小型無人機干擾技術的研究，結合無線電通信干擾技術和GPS干擾技術，推出一套小型干擾器，旨在規(guī)范無人機的規(guī)范使用，利用較為綜合的干擾技術來減少其所帶來侵權事件的發(fā)生，給小型無人機一片規(guī)范而且有秩序的空間[1-4].

本文通過了解無人機干擾技術的研究背景、應用現(xiàn)狀及發(fā)展方向，提出了基于無線通信干擾的無人機干擾器設計.設計方案首先針對無人機的通信鏈路進行干擾，使其失去與地面的聯(lián)系，隨機對其GPS輔助定位系統(tǒng)進行干擾，最終迫使無人機無法正常工作[5].該技術的關鍵步驟是對無人機通信的干擾和偽GPS信號的生成.本文采用壓制式干擾中的掃頻干擾，能夠最大限度的減小對周圍正常信號的影響.Simulink仿真結果表明該設計方案合理可行.

1 無人機干擾技術原理概述

1.1 WiFi通信技術干擾

WiFi通信干擾機通常由終端、調(diào)制器、信號接收機、干擾信號發(fā)射機、控制系統(tǒng)等組成，其工作原理為：首先當信號接收機探測到入侵信號時，終端對其進行記錄分析，并給出入侵信號的工作頻率等相關參數(shù)；其次利用控制器對調(diào)制器的命令選配出最佳干擾方式，利用發(fā)射機的高頻振蕩信號在合適的頻率點進行調(diào)制；最后用發(fā)射天線將能量對準被干擾對象輻射出去.本文采用的是壓制式干擾技術，通常根據(jù)信號的頻譜特點分為瞄準式、阻塞式、半瞄準式、跟蹤轉發(fā)式、單/多頻以及掃頻式等.而干擾信號的形成則使用噪聲調(diào)制方式以及隨機二元碼進行生成.

采用噪聲調(diào)制的方式，這種方式產(chǎn)生的干擾噪聲即為干擾信號.干擾信號對被干擾對象的干擾效果與兩個方面相關，其一是發(fā)射機發(fā)射的干擾信號的質(zhì)量，其二是進入目標機的干擾信號的功率大小.通常使用的干擾信號是利用噪聲對振蕩器的載頻實施調(diào)制而成的，其方法也分為噪聲調(diào)頻、噪聲調(diào)幅和噪聲調(diào)相，本文主要分析前兩種方法，即噪聲調(diào)頻和噪聲調(diào)幅.

噪聲調(diào)頻干擾信號的產(chǎn)生模型如圖1所示.噪聲源首先通過濾波器，以控制噪聲信號的帶寬，隨后經(jīng)過積分和相位調(diào)制，便可獲得噪聲調(diào)頻干擾信號，其中Kfw為由實驗確定的比例因子.噪聲調(diào)頻信號具有以下特點：干擾信號功率譜密度分布表現(xiàn)出高斯分布，干擾信號強度與載波強度相同，與調(diào)頻之前的噪聲強度沒有關系，噪聲功率和調(diào)頻指數(shù)決定了噪聲調(diào)頻干擾信號的等效帶寬.

噪聲調(diào)幅干擾信號的產(chǎn)生模型如圖2所示.經(jīng)濾波器的處理，初始信號將會變成帶限噪聲，在加上一定的基準電壓之后，最終通過載波實施調(diào)制得到最終的噪聲調(diào)幅信號.

調(diào)制結果如圖3所示，其中，圖3a）表示噪聲信號功率譜密度，圖3b）表示噪聲調(diào)幅信號功率密譜，參數(shù)ΔF表示噪聲信號的頻帶寬度；f0表示載波頻率；表示載波經(jīng)過調(diào)制后，其幅度將會下降到原來的一半.發(fā)射使用的干擾信號是噪聲源信號經(jīng)過調(diào)幅調(diào)制獲得.調(diào)制后的功率譜和調(diào)制之前的功率譜較為相似；次功率譜中央經(jīng)過調(diào)幅，已經(jīng)搬移到載波頻率中心頻率w0處；寬度比初始頻譜擴大一倍.且經(jīng)過調(diào)制，干擾信號的功率包括原噪聲信號功率和載波信號功率.

1.2 GPS轉發(fā)式欺騙干擾

1.2.1 GPS轉發(fā)式欺騙干擾的優(yōu)勢

由于GPS信號十分微弱，很多用于電子對抗和民用GPS干擾設備也開始因其低廉的成本而大量投入使用.對GPS通信進行干擾，主要是針對手持終端的干擾，同樣屬于無線干擾，從技術層面上來說大致可以有以下幾種方法來實現(xiàn)GPS干擾.

圖3 功率譜圖Fig.3 Power spectrum

1）壓制式干擾：分別為瞄準式、阻塞式和相關干擾.

2）欺騙式干擾：分別為轉發(fā)式和再生式.

關于無人機GPS信號干擾的實現(xiàn)，顧及到再生式欺騙技術需要生成與GPS衛(wèi)星信號一致的偽信號，然則產(chǎn)生的偽信號工作量巨大，而且平常所見的處理器很難在短時間完成運算，產(chǎn)生的偽信號質(zhì)量沒有接收的衛(wèi)星信號好，故采用轉發(fā)式欺騙干擾[6].

1.2.2 GPS轉發(fā)式欺騙干擾

GPS轉發(fā)式欺騙干擾如圖4模型所示：接收單元在正常工作時，應接收衛(wèi)星發(fā)來的GPS信號；如果同時干擾機開始工作，將經(jīng)過延時放大后的信號進行發(fā)射，則無人機接收到的將是干擾機發(fā)出的信號.因為原始衛(wèi)星信號極弱，且經(jīng)放大延時處理之后的GPS信號強度較大，同時由于GPS轉發(fā)式欺騙干擾僅僅利用了GPS信號的自然延遲，故干擾機輻射的信號能夠被接收單元獲取并處理，最終導致無人機解析得到錯誤的導航報文.最終完成對其GPS輔助定位系統(tǒng)的干擾[7].

圖4 GPS轉發(fā)干擾模型Fig.4 GPS repeater interference model

2 設計方案

2.1 總體設計方案

本文主要介紹小型無人機干擾器的設計，采用了獨立分步干擾的方案.如圖5所示，系統(tǒng)分為兩個獨立模塊：通信干擾模塊和GPS轉發(fā)欺騙模塊.系統(tǒng)利用無線通信干擾手段，首先進行入侵信號的判定，對已經(jīng)判定為入侵信號的可疑信號實施通信干擾，切斷無人機與控制者的通信.當成功實施干擾之后，實施GPS轉發(fā)欺騙干擾.

系統(tǒng)結構模型如圖6所示.方案設計思路源于無線通線干擾，分為壓制式和轉發(fā)式.首先無線通信干擾模塊選擇壓制式干擾，因為該種干擾方法可以較為容易的產(chǎn)生噪聲信號；其次使用相對簡單的噪聲調(diào)制技術來產(chǎn)生功率相當?shù)脑肼暩蓴_信號.一旦啟動干擾裝置，系統(tǒng)將開始向外發(fā)射干擾信號.通過分析和對比發(fā)現(xiàn)，掃頻式干擾的干擾信號可以更好的將干擾信號的能量集中發(fā)射到無人機通信信號所在傳輸通道，故本方案選擇掃頻式干擾方式.無人機因為接收到的信號信噪比過低，幾乎無法解析出有用信息，從而導致無人機通信失敗.而GPS轉發(fā)欺騙，由于其轉發(fā)的GPS信號只是利用了信號的自然延時的反應時間進行處理，所以實時GPS信號和轉發(fā)GPS信號只是在時間上有延遲，而在頻域上兩者仍具有相同的頻譜特性.

圖6所示系統(tǒng)模型中，首先信號干擾器（Jammer）發(fā)出干擾信號，無人機（UAV）控制信號被干擾和屏蔽；GPS信號發(fā)射器（GPS transmitter）釋放經(jīng)過處理的異地GPS信號.由于GPS衛(wèi)星（Satellite）離地面太遠，發(fā)射的GPS信號經(jīng)過長距離的傳輸已經(jīng)變得十分微弱，而經(jīng)過放大處理后的GPS信號此時比實時GPS信號強很多，且無人機自身沒有智能判斷真?zhèn)蜧PS信號的功能，所以只能接受信號更強的偽GPS信號.之后無人機會通過不斷矯正自身位置來調(diào)整GPS定位或者是懸停在空中，待其續(xù)航能力接近極值時，便會原地迫降或直接墜毀，達到干擾無人機的系統(tǒng)功能.

2.2 系統(tǒng)軟件設計

圖5 小型無人機通信干擾系統(tǒng)Fig.5 The communication interference system of SUV

圖6 小型無人機干擾系統(tǒng)模型Fig.6 The interference system model of SUV

整體系統(tǒng)軟件設計包含STM32單片機主模塊和通信模塊程序設計.主模塊主要包括STM32復位電路、時鐘電路、程序下載電路與接口電路、DAC正弦信號產(chǎn)生電路、電源管理電路程序設計.通信模塊主要包括WiFi-ESP8266模塊、NRF24L01無線模塊、GPS模塊電路的程序設計.

2.2.1 系統(tǒng)單片機主程序設計

系統(tǒng)單片機主程序設計流程圖如圖7所示：系統(tǒng)開啟后進行初始化工作；當單片機主模塊進入工作狀態(tài)后，處理器向WiFi模塊發(fā)出信號掃描的控制指令，如果能掃描到某個信號且其信號強度變化呈遞增狀態(tài)，則判定此信號為可疑信號，跟蹤程序開始跟蹤此信號；由此觸發(fā)入侵信號判定程序，當掃描到此信號的強度大于規(guī)定的極限值時，則判定此信號為入侵信號；系統(tǒng)報警程序啟動，警示燈閃爍，并由此啟動干擾發(fā)射裝置；干擾器利用掃頻干擾的方式發(fā)射一定功率的噪聲，將無人機控制信號淹沒在噪聲信號之中，使其失去控制.在干擾器發(fā)射干擾信號一定時間后，觸發(fā)GPS轉發(fā)式程序進行轉發(fā)欺騙干擾.

2.2.2 通信模塊設計

通信模塊程序流程圖如圖8所示：系統(tǒng)啟動并進入待機狀態(tài)，通信模塊一直處于等待狀態(tài)，WiFi模塊不斷在掃描信號；如果有信號則觸發(fā)跟蹤程序中斷，跟蹤掃描到的可疑信號；當跟蹤的信號強度高于所設值，則觸發(fā)判定程序中斷，判定此信號為入侵信號；當兩個中斷都被觸發(fā)之后，則開始進行干擾信號的發(fā)射.干擾信號的發(fā)射則會觸發(fā)GPS轉發(fā)程序，此時轉發(fā)系統(tǒng)會將處理好的或者是異地錄制的GPS信號發(fā)射出去，使無人機的GPS信號接收器接收到錯誤的GPS定位信號；接著間隔性發(fā)射轉發(fā)的GPS信號，則會使無人機處于不斷地位置調(diào)整過程；在長時間的錯誤定位情況下，無人機能量耗盡，最終迫降或者墜毀[8].

3 仿真及結果分析

對于小型無人機干擾器系統(tǒng)的驗證主要集中在軟件仿真模擬層面.本文采用Matlab的Simulink組件，該組件具有操作簡單靈活、功能豐富貼近實際等優(yōu)點，僅需要創(chuàng)建并連接不同的功能模塊就可以完成復雜系統(tǒng)的模擬和仿真，并且參數(shù)易于調(diào)整，很好的滿足了本文所設計系統(tǒng)的仿真模擬要求.

3.1 WiFi信號干擾的仿真及結果分析

本文采用單/多頻相加的方式產(chǎn)生噪聲信號，對WiFi通信進行干擾，即多個頻段信號疊加來形成干擾信號.由于單個頻段的干擾針對性較強，但是對于跳頻信號的干擾效果較差，使用S/D干擾可以很有效的解決這個問題（如圖9所示）.模擬中使用的Simulink模塊有正弦波發(fā)生器、相加器、頻譜示波器等組件.正弦波參數(shù)選擇如表1所示，框圖如圖10所示.

圖7 STM32單片機主程序設計流程圖Fig.7 The main program design flow chart of STM32

圖8 通信模塊程序流程圖Fig.8 The program flow chart of communication module

圖9 S/D多頻干擾頻譜圖Fig.9 S/D multi frequency interference spectrum

3.2 GPS轉發(fā)式欺騙干擾的模擬與仿真

由于轉發(fā)式欺騙干擾無需對碼內(nèi)部結構進行分析，在仿真的過程中為了驗證干擾器對信號的干擾作用，只需要對信號的接收、時延、轉發(fā)進行模擬仿真.故采用普通隨機信號作為模擬的GPS信號輸入系統(tǒng).系統(tǒng)總體框圖如圖11所示.

經(jīng)過零階保持器進行插值處理、幅度調(diào)整、數(shù)值取整等處理后，獲得模擬GPS信號.考慮運算時間和獲得足夠明顯頻譜特性需要的數(shù)據(jù)量，經(jīng)過處理后的隨機信號需輸入合理大小的緩存.經(jīng)過FFT運算，可以利用頻譜示波器進行觀察.隨后進行延時轉發(fā)處理.利用Integer to Bit Converter模塊進行模擬信號到數(shù)字信號的轉換，同時將二進制數(shù)據(jù)封裝成幀送入緩存（緩存用于匹配數(shù)據(jù)接收，延時運算，發(fā)射之間的速率差異）.緩存中的數(shù)字信號經(jīng)過延時模塊進行時延處理，輸入緩存以備發(fā)射.由于處理完成信號與源信號應同為模擬信號，系統(tǒng)末級應加入數(shù)模轉換模塊，最后進行發(fā)射[9].

表1 正弦波的參數(shù)選擇Tab.1 Parameter selection of sine wave

圖10 WiFi信號干擾模塊Simulink框圖Fig.10 The simulink block diagram of WiFi signal interference module

圖11 系統(tǒng)總體框圖Fig.11 System overall block diagram

如圖12所示，通過對時延轉發(fā)前后的模擬信號波形和頻譜進行對比，可以發(fā)現(xiàn)進行時延處理的信號其頻譜結構并不會受到影響，僅時間上滯后.驗證了GPS信號轉發(fā)的可行性.

轉發(fā)前的頻譜如圖12a）所示，轉發(fā)后頻譜如圖12b）所示，通過對比可以發(fā)現(xiàn)，轉發(fā)前后信號頻譜并未發(fā)生明顯改變，即信號所攜帶的信息并沒有發(fā)生改變.轉發(fā)前波形如圖12c）所示，轉發(fā)后波形如圖12d）所示，通過對比可以發(fā)現(xiàn)，波形并未發(fā)生明顯改變，只是在時間上有延遲.上述現(xiàn)象歸根結底是由于信號的自然延時并不會改變信號所決定的.

3.3 硬件設計與仿真

圖12 信號轉發(fā)前后頻譜與波形圖對比Fig.12 Comparison of spectrum and waveform before and after signal forwarding

硬件設計采用STM32開發(fā)板，利用J-Link下載器進行程序的下載，對于實際系統(tǒng)則使用最小可裁剪的嵌入式系統(tǒng)-UCOSII實時系統(tǒng).在實際電路中僅讓芯片通過內(nèi)部晶振產(chǎn)生一個DAC正弦信號來代替干擾信號，并通過NRF24L01模塊進行發(fā)送，完成對無人機通信的干擾；GPS信號接收機采用的芯片是GPSNEO-6M芯片，而轉發(fā)器則用WiFi芯片將無線信號發(fā)射出去.在實際硬件電路中采用GPS接收機和發(fā)射機的水平距離為8 m，基本滿足GPS轉發(fā)干擾所需的最小距離[10].

4 結束語

本文主要針對現(xiàn)行主流小型無人機的控制技術，提出了對GPS和WiFi控制信號控制鏈路進行有針對性的干擾方案，并且對方案的可行性進行了論證及仿真模擬.實驗證明本文提出的干擾方案有效且易于實施；多頻率疊加的干擾方式可以有效的干擾通信鏈路；GPS轉發(fā)式干擾方式不會改變原有GPS信號的頻譜結構，可以達到欺騙效果.本文提出的干擾方案結構清晰，可實施性較高，給無人機干擾器的設計提供了有益的思路和方向.

[1]楊繼庚，董文鋒.對預警機雷達的分布式組網(wǎng)干擾[J].電子信息對抗技術，2015，30（6）：27-32.

[2]莫駿超.國外無人偵察機研究現(xiàn)狀及關鍵技術[J].飛航導彈，2016，46（9）：46-52.

[3]潘興宏，秦志強.反無人機系統(tǒng)淺析[J].科學中國人，2016，24（5）：39.

[4]吳健輝，李朝輝，李孝春，楊敏.基于STM32單片機的雙相信號發(fā)生器設計[J].自動化與儀器儀表，2015，35（11）：183-185.

[5]黃桂，紀元法，孫希延.基于GPS導航系統(tǒng)的偽衛(wèi)星信號發(fā)射器設計[J].無線電工程，2016，46（3）：68-70.

[6]劉天慶.GPS轉發(fā)欺騙式干擾時延控制算法研究[J].現(xiàn)代導航，2016，7（3）：166-169.

[7]張寧.GPS轉發(fā)欺騙式干擾應用于無人機的實例分析[J].中國航天，2015，24（7）：40-42.

[8]吳敏.論述GPS與發(fā)射機的關系[J].科技傳播，2016，8（2）：54，59.

[9]張志成.基于STM32單片機的函數(shù)信號發(fā)生器[J].自動化與儀器儀表，2014，34（2）：70-71，74.

[10]周江.STM32單片機原理及硬件電路設計研究[J].數(shù)字技術與應用，2015，33（11）：1.

[責任編輯 代俊秋]

A design of communication jamming device for small UAV

YANG Yong1，2，ZHANG Xuetao1，ZHANG Xingyu1，WANG Baozhu1，HU Yang1，LUO Song1
（1.School of Electronic and Information Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China;2.Ministry of Communications,Tianjin 712 Communications Radio Limited by Share Ltd,Tianjin 300462,China）

At present,the security problem of UAV is getting worse due to great difficulty in monitoring,low safety factor, lack of norms and other issues.In order to deal with the difficulty in monitoring,a small UAV interference program which based on the principle of wireless communication is proposed.The means of existing schemes are poor.To solve this problem,firstly the program uses the barrage jamming method for radio communication to make the UAV lose the ability to communicate.Then use the GPS repeater deception signal to interfere the UAV positioning.Finally the UAV makes a forced landing or crashed in the role of multiple error control signals.The key step of the technique is to generate the interference and pseudo GPS signal of the UAV communication.The experimental simulation results based on Simulink shows that the program is highly feasible.

UAV;barrage jamming method;GPS repeater deception;Simulink

V279

A

1007-2373（2017）03-0023-06

10.14081/j.cnki.hgdxb.2017.03.005

2016-12-14

天津市科委基金（16JCTPJC50200）

楊勇（1982-），男，高級工程師.通訊作者：王寶珠（1962-），女，教授，wbz8989@hebut.edu.cn