無人機定向干擾攔截技術及設備解析

李牧 相里曉軍 邵繼強 郝尚輿

1. 公安部第一研究所 2. 公安部特種警用裝備質量監督檢驗中心3. 新疆維吾爾自治區公安廳特警總隊訓練基地排爆實驗中心 4. 北京華勢天承科技有限公司

一、無人機危害及攔截必要性

近年來，無人機正以空前的速度普及，這主要歸功于近年來多旋翼無人機的發展。多旋翼無人機系統通常具有易于控制、隨處懸停、成本低廉等優勢，可由地面遙控操作實現拍照、噴灑、拋投、竊聽、拋撒和懸掛等功能，因此大規模進入民用和軍用市場。因為無人機技術的快速發展，極大降低了該類產品的使用門檻，加之現有管控手段不夠成熟，隨之引發的安全威脅日益增多[1]。

2017年2月，伊拉克反政府武裝利用中國產的普通民用無人機搭載自制炸彈將政府軍的悍馬裝甲車精確炸毀。

2017年4月14日至21日成都雙流國際機場共計遭遇4架“黑飛”無人機干擾，導致58個航班備降西安、重慶、貴陽和綿陽機場，4架飛機返航，超1萬旅客出行受阻被滯留機場。

2017年底ISIS組織聲稱其在過去的12個月內，對其組織內成員公開進行無人機恐襲培訓，通過將爆炸物掛載于無人機上，前后針對當地政府軍和美軍等共計實施200余次襲擊。

以上案例揭示了無人機對國家安全和社會穩定的威脅，在當前國際政治形勢復雜多變和全球反恐的嚴峻形勢下，國內外不法分子利用民用無人機的威脅，主要體現在以下幾方面[2-4]：

（1）拍照與遠程竊聽泄密。現在的無人機都可掛載航拍攝像機，一個價值幾千元的普通民用無人機都可掛載防抖云臺和高分辨率的高清攝像頭，在無人察覺的數百米高空拍攝到地面人員、車輛的清晰圖片，使政府機構和重要軍事場所內部結構和設施沒有任何保密而言，如若加裝遠程高靈敏度定向拾音麥克風系統可實現遠程竊聽。

（2）投擲危險物品。無人機根據自重不同可以搭載幾十至幾百千克的物品，例如可以攜帶小型炸彈、燃燒彈、燃燒瓶、危險化學品等。

（3）拋撒和懸掛反動宣傳品。激進分子在極端情緒影響下利用民用無人機的掛載能力進行非理智行為，對重要場所播撒傳單和懸掛反動宣傳標語、橫幅等，嚴重影響社會正常秩序乃至國家形象。

（4）走私、販毒。通過遠程操縱無人機攜帶貨物甚至毒品跨越國境線販賣，會極大威脅邊境秩序和穩定，而且會對國內經濟秩序造成沖擊，威脅到人民群眾生命健康。

（5）影響民航正常飛行。近年來頻發的無人機黑飛事件導致我國航線安全頻頻面臨挑戰，無人機不僅會破壞正常飛行秩序，還可能造成客機機身損壞，威脅乘客和機組人員的生命。

二、無人機壓制式干擾攔截原理

目前，對無人機的干擾攔截通常使用無線電壓制技術，通過向目標無人機發射干擾壓制信號，對其鏈路進行壓制，迫使無人機失去正常工作能力。

一般來說，一套完整的無人機系統通常具有表1所示的三類無線電鏈路。

從表1可以看出，若要實現對目標無人機的干擾攔截，僅需對導航、數傳、圖傳三類鏈路進行壓制式干擾即可實現。

（一）無人機導航頻率

國際上現有的衛星導航系統（GNSS）可分為北斗（中國）導航、GPS（美國）導航、伽利略（Galileo，歐洲）導航、Glonass（俄羅斯）導航、QZSS（日本）導航、IRNSS（印度）導航共六類，其對應頻率如下表所示[8,9]。

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目前北斗導航在我國及我周邊國家應用最為廣泛，而GPS導航則是目前全球應用最廣泛的導航系統。此外，伽利略、Glonass、QZSS和IRNSS導航的主要應用區域與其維護國家（組織）直接相關。

我國市場上銷售的消費級無人機（大疆、零度等）以及工業級無人機，通常采用GPS L1頻段（頻率1575.42MHz）進行飛行定位。值得注意的是，因為無人機的導航鏈路在作用時，僅需接收地球同步軌道上實時下發的定位數據，所以對無人機導航鏈路的干擾通常不需要很大功率的壓制干擾即可實現。

（二）無人機數傳和圖傳頻率

無人機在執行飛行任務時，不僅要依靠衛星信號對其位置進行實時定位，還需要配合機身飛控和機載攝像機等完成對飛行姿態的控制，以及現場圖像的回傳。

根據我國工信部于2016年發布的《中華人民共和國無線電頻率劃分規定》，限定840.5～845MHz、1430～1444MHz和2408～2440MHz頻段用于我國無人機數傳和圖傳鏈路，其中1430～1438MHz頻段用于警用無人機。值得注意的是，我國現有無人機數傳/圖傳頻率除在前文工信部規定的三個頻段之外，還存在5.725～5850GHz、328～352MHz、433MHz、560～760MHz、915MHz、933MHz、1.2G等頻段的無人機產品。

（三）無人機壓制式干擾原理

無人機鏈路壓制式干擾的原理，即是通過產生與無人機正常通信信號同頻但信號強度較大的壓制式干擾信號，達到抑制無人機正常功能的目的[6]。

如圖1所示，當圖中所示紅色區域的壓制式干擾信號強度大于無人機通信信號強度，并且其頻率范圍大于等于無人機通信信號頻率范圍時，即可實現有效的壓制式干擾。

在實際應用過程中，為了計算無人機壓制式干擾設備的有效攔截距離，通常需要引入干信比（J/S，Jammer-to-Signal Ratio）的概念。干信比即是干擾信號和通信信號之間的比值，其單位通常用dB來表示。

對無人機而言，因其絕大多數都是裝載全向信號接收天線，因此一般采用簡化的J/S方程[5,7]：

其中：

J/S為干擾壓制信號功率和通信信號功率在無人機接收端的比值（單位dB）；

ERPJ為干擾設備發射的等效輻射功率（單位dBm）；

ERPS為通信信號發射的等效輻射功率（單位dBm）；

LJ為干擾設備到無人機的傳播損耗（單位dB）；

LS為通信信號到無人機的傳播損耗（單位dB）。

根據公式（1）不難看出，只有當J/S≥0時，無人機才能受到有效的壓制式干擾。

針對前文提到的無人機導航、數傳、圖傳三類鏈路，一般來說導航信號在無人機端的等效輻射功率最小，因此也最易實施有效干擾，而數傳和圖傳因為通常距離無人機較近，因此對干擾源的發射功率要求較高。

（四）無人機受干擾狀態飛行工況

無人機導航、數傳、圖傳三類鏈路分別或同時受到壓制式干擾時，無人機通常會有四種典型壓制干擾工況：直接墜落、自動返航、自動下降或空中懸停。

直接墜落：一般來說，出現直接墜落的無人機大多是因為飛控程序中沒有失控保護算法，當無人機部分或全部鏈路中斷時，因為程序性錯誤導致飛機直接墜落，此種情況多見于智能化程度較低的航模型無人機或技術不完善的工業級無人機。

自動返航：對于受到干擾后自動返航的無人機而言，因為其可以按照之前記錄的起飛點自動精準返回，所以通常導航鏈路通信仍然正常，受到干擾的是數傳、圖傳鏈路。同時，此類無人機飛控算法中都會設置為無人機失去控制后自動返航，因此無人機可以按照程序預設完成返航操作（界面樣例見圖2）。

自動下降：無人機受干擾后實現自動下降通常需具備兩個條件，首先是無人機飛控算法中設置為無人機失去控制后自動返航或降落，其次是其導航鏈路也受到了干擾影響。

空中懸停：無人機飛控中如果設置其在受到干擾后繼續滯空，則無人機在受到壓制式干擾后會保持在空中懸停的動作。值得注意的是，如果此時無人機導航鏈路也受到了干擾，則無人機因為無法定位，通常表現出的飛行工況是隨風漂移。

三、無人機定向壓制式干擾設備解析

目前國內外使用最廣泛的無人機攔截設備當屬定向壓制式干擾設備，該類設備在全世界各地應用尤為廣泛，在戰場及社會公共安全領域發揮了極其重要的作用。對于該類設備而言，通常是針對所應用市場無人機頻率范圍進行調研，然后定制化開發針對指定幾個頻段的壓制式干擾設備。

以我國市場為例，市場上大多數無人機使用頻率不超過1575MHz± 10MHz， 2408～ 2440MHz、 5.725～ 5.850GHz（5725～5850MHz）這三個頻段，因此市場上幾乎所有的無人機定向壓制式干擾產品都包含這三個頻段。

圖4是筆者對國內市場主流的45類無人機定向壓制干擾設備的頻段統計數據。不難看出，幾乎所有設備都涵蓋了1.5GHz（ 1575MHz± 10MHz） 、 2.4GHz（ 2408～2440MHz）、5.8GHz（5725～5850MHz）這三個頻段，因此可以對我國市場上主流的無人機實施壓制式干擾攔截。除此之外，還有部分設備涵蓋了1.2GHz、900MHz、433MHz等非主流無人機導航和控制頻段，這部分設備通常可以攔截含有以上頻段的更多類型無人機，因此包含此類頻段的設備通常也具有更好的攔截效果。

以采用1.5GHz、2.4GHz、5.8GHz三個干擾頻段的定向壓制式干擾設備為例，其設備結構通常如圖5所示。

對圖5所示結構的設備，為了方便操作者使用，通常會對頻段的發射進行預先設置，一般會分為“返航”和“迫降”兩種發射模式，前者通常是對2408～2440MHz、5.725～5.850GHz（5725～5850MHz）這兩個頻段開啟干擾，而后者通常是開啟所有三個頻段的干擾。需要注意的是，兩種模式僅僅是為了方便操作者而標注的不同發射模式，并不能百分百確保無人機的有效返航或迫降攔截。

四、設備結構對比與使用局限性

（一）兩種常見設備結構對比

無人機定向壓制式干擾設備通常可具有兩類外形結構，一類是將設備所有部分集成為一個便攜性主體，具有結構緊湊、操作便攜的特點，如圖6所示。

另一類是將電源、控制單元、干擾源、射頻功率放大器等集成在一起，而將指向性天線單獨通過饋線連接，形成由兩部分構成的設備結構，如圖7所示。

一般來說，圖6所示的集成便攜式無人機定向壓制式干擾設備具有更高的集成度和便攜性，因此也是目前該類設備的發展趨勢，如圖8所示的現有市場占比情況也證明了這一觀點。

（二）設備局限性

一般來說，無人機定向壓制式干擾設備具有價格低廉、使用便攜等顯著特點，然而在實際操作過程中此類設備也具有一定的局限性。

首先，該類設備在沒有探測設備配合的情況下，通常需要人眼目視對無人機目標進行搜尋。對于小型消費級無人機目標而言，人眼的識別距離一般不超過300m，識別距離過短會局限該類設備的使用效果。

其次，現有設備大多僅包含國內無人機常用的1.5GHz（ 1575MHz± 10MHz） 、 2.4GHz（ 2408～2440MHz）、5.8GHz（5725～5850MHz）三個頻段，在實戰應用中黑飛無人機往往不僅局限于以上三個頻段，因此需要對采用諸如1.2GHz、900MHz、433MHz等非主流頻段控制的無人機也具備相應的攔截能力。

最后，筆者在對設備進行檢測過程中發現，部分設備因發射功率較大，對操作人員的輻射超出了GB 8702-2014《電磁輻射防護規定》標準，因此在使用操作過程中應該盡量避免設備的持續發射，以及發射方向直接指向人體，以免造成不必要的電磁輻射傷害。

五、結論與展望

通過文中數據對比可以看出，該類設備的發展趨勢是一體化和小型化。同時，該類技術需要跟無人機探測技術相結合以發揮設備優勢。再者，現有設備大多僅包含國內主流無人機1.5GHz、2.4GHz、5.8GHz三個頻段，在實戰應用中黑飛無人機往往不僅局限于以上三個頻段，因此需要對采用諸如1.2GHz、900MHz、433MHz等非主流頻段控制的無人機也具備相應的攔截能力。最后，設備的安全性也是國內廣大技術人員和廠家需要重點考慮的一個問題，只有不斷降低設備輻射危害，才能更好地發揮技術優勢，為低空公共安全提供保障。