對無人機數據鏈的電子制約策略*

郝明明，盛懷潔

(國防科技大學 電子對抗學院，安徽 合肥 230037)

0 引言

21世紀以來，無人機技術的飛速發展和局部戰爭的廣泛應用，揭開了以無人飛行器和智能載荷為特征的無人化戰場新篇章[1]。在各型各類無人機異軍突起成為高威脅武器同時，無人機本身也蛻變成信息化戰場的高價值打擊目標。美陸軍將無人機列為包括固定翼飛機、彈道導彈、巡航導彈和直升機在內的“五大威脅平臺”中最具有破壞力的空中威脅之一，法國不遺余力地開展“全球反無人機系統技術和方法的分析與評估”的計劃，英國政府在2016年將反無人機技術作為有關無人機系統戰略的一部分[2-3]。如何抗擊無人機，破壞其系統功能，削弱其作戰效能，摧毀其平臺存在，成為各國軍事界競相研究的熱點問題，無人機與反無人機的博弈正在激烈展開。

數據鏈是無人機飛行的“生命鏈”和作戰效能發揮的“保障鏈”[4]，是反無人機中威脅等級最高的目標之一。控制了無人機的數據鏈路，就是控制了無人機指揮控制鏈、跟蹤定位鏈和信息傳輸鏈。因此，對無人機數據鏈的電子制約是反制無人機的重中之重。

1 反無人機手段分析

無人機系統主要由無人機平臺、地面指控站、數據鏈和任務設備等組成。無人機平臺是執行任務的載體，攜帶任務設備飛行至目標區域執行作戰任務。地面指控站完成對無人機平臺的飛行控制、作戰任務制定，任務數據加載，無人機狀態監視、飛行參數和情報數據記錄等功能。數據鏈完成對無人機遙控、遙測和任務數據的傳輸，是無人機的測控與信息傳輸鏈路，是連接無人機和地面指控站的“紐帶”。任務設備完成偵察、打擊、校射和通信中繼等任務。上述各部分都是確保無人機系統穩定高效執行任務的重要組成部分，具有無可替代的作用。顯然，針對無人機的反制也必然要從這幾個部分入手。

針對無人機的反制措施[5]可分為對無人機系統實體進行破壞摧毀的“硬殺傷”和對無人機與地面指控站間信息傳輸鏈路進行電子制約的“軟殺傷”，如圖1所示。

圖1 反無人機手段Fig.1 Anti-UAV means

1.1 硬殺傷手段

“硬殺傷”主要是通過打擊無人機平臺本體以及地面控制站，摧毀無人機系統的戰場生存力，其手段主要包括戰斗機攔截，火炮、導彈摧毀，反輻射武器、微波武器和激光武器打擊等。2015年8月，美陸軍在亞利桑那州尤馬試驗場進行反無人機試驗，利用50 mm火炮型區域防護系統成功擊落了2架無人機。2016年8月，波音公司發布了一款反無人機激光武器系統，通過發射功率為10 kW的激光束即可對35 km外的無人機進行摧毀打擊[6]。

采用攔截、摧毀打擊等硬殺傷手段，對于無人機系統的戰場生存能力具有很大的威脅，作戰機理相對簡單，可以產生“一勞永逸”的效果，但作用距離有限，效費比相對較低，和平時期容易引發外交糾紛。

1.2 軟殺傷手段

采用“悄然無息”的軟殺傷，則是利用電子對抗方式，通過阻止無人機電子信息系統對電磁頻譜的有效利用，擾亂無人機數據鏈系統、導航定位系統和任務載荷系統的工作，破壞無人機飛行控制穩定性、削弱無人機導航定位可靠性和制約任務實施有效性，達到摧毀無人機系統作戰效能的目的。近年來通過電子制約手段誘騙捕獲無人機的案例多有發生，2011年12月伊朗媒體報道，伊朗運用電子欺騙手段成功俘獲了美RQ-170“哨兵”隱身無人偵察機，這一事件成為當時反無人機熱議的話題[7]。據稱，伊軍首先采用大功率噪聲干擾壓制無人機數據鏈，使無人機遙控中斷，迫使無人機進入自主返航程序，然后向無人機GPS接收機發射與導航信號技術特征參數一致的虛假GPS信號，GPS接收機無法辨別真偽，接收錯誤信息，致使無人機按照錯誤的導航定位坐標飛行，逐漸偏離預定航線，最終被誘騙降落在伊朗境內。

2 電子制約對無人機系統作用機理

無人機系統數據鏈、導航設備、任務載荷與廣袤的空間存在不可分割的電磁交聯耦合。在執行任務過程中，無人機的飛行導航主要依賴于地空間的無線電導航或空天間的衛星導航；無人機飛行控制需要地空間抗干擾的實時通信；無人機飛行狀態信息的獲知以及任務載荷信息獲取需要空地間高速率、大容量的數據傳輸。在上述信息發送、接收過程中，對傳輸鏈路具有極大的依賴，這一“軟肋”無疑成為電子制約的切入點。

電子制約是指在電磁空間利用電磁能限制、約束電子信息設備或系統對電磁頻譜利用的行動，目的是使電子信息設備或系統的使用效能降低甚至失效。電子制約對無人機系統的破壞作用[8]主要體現在以下3個方面:

(1) “斷鏈”。即對無人機數據鏈的電子干擾。無人機數據鏈是連接無人機與地面指控站的信息傳輸紐帶。“斷鏈”一方面釋放針對無人機機載數據鏈設備的壓制或欺騙干擾，中斷、擾亂無人機對地面指控站上行遙控指令的正常接收，無人機可能因長時間處于失控狀態，被迫終止任務，進入應急返航程序，如果欺騙干擾奏效，有可能造成對無人機的誘騙捕獲。另一方面，對地面指控站的無人機遙測接收設備實施壓制或欺騙干擾，迫使地面指控站無法正常接收無人機遙測數據，不能實現對無人機的實時監控和跟蹤定位，導致地面操作人員無法及時對飛行狀態作出正確判斷，延誤對無人機的操控，甚至發出錯誤的飛控指令，造成飛行事故。

(2) “致盲”。即對無人機導航定位系統的電子干擾。無人機導航定位系統為無人機起降、飛行和執行任務提供方位坐標，是無人機自主飛行和順利執行任務的重要保障。“致盲”目前主要針對無人機衛星導航設備，如GPS。利用衛星導航在用戶接收端信號微弱的特點，對無人機衛星導航接收機進行壓制干擾，阻塞接收機對導航信號的接收，使接收機完全無法獲得導航信息，從而降低無人機精確定位能力。靈巧的欺騙干擾使導航接收機解算出錯誤的偽距，從而得出錯誤的位置信息，使無人機偏離預定航線，甚至飛向敵方區域而被捕獲[9]。

(3) “毀效”。即對無人機任務載荷的電子干擾。根據作戰企圖的不同，無人機需搭載不同的任務載荷，任務載荷能否正常工作直接決定無人作戰任務的完成效率。“毀效”通常針對無源任務載荷，如對機載光電/紅外傳感器實施光電干擾，對機載SAR、電子偵察設備實施壓制或欺騙干擾[10]。通過對無人機任務載荷的電子制約，同時結合“斷鏈”、“致盲”措施，徹底破壞無人機系統功能。

綜上所述，從不同側面開展對無人機進行針對性系統的電子制約所帶來的作戰效應往往可以達到和“硬殺傷”相同的作戰效果，同時具有行動突發、攻擊隱蔽、外交糾紛風險低的特點，已成為當前反無人機的重要途徑。

3 對無人機數據鏈電子制約策略

3.1 無人機數據鏈

無人機數據鏈主要由地面數據終端、機載數據終端和空中/衛星中繼數據終端組成，通過上行(前向)、下行(后向)鏈路進行信息傳輸。按通信范圍可分為視距鏈路和超視距鏈路，當無人機和地面站的距離在視距通信范圍內時，采用視距鏈路傳輸信號；若通信距離超出視距范圍，則采用超視距鏈路通過空中或衛星中繼方式進行信息傳輸，無中繼視距鏈傳輸示意如圖2所示。

圖2 無中繼視距鏈傳輸示意圖Fig.2 Schematic diagrams for transmission of sight distance chain

圖2中，地面數據終端(ground digital terminal ,GDT)主要實現對無人機上行遙控指令的發送和無人機傳輸的下行遙測和任務數據信息的接收。機載數據終端(aerial digital terminal,ADT)主要實現接收上行遙控指令和對下行數據信息的發送。通過數據鏈，無人機和地面指控站之間建立了實時高效的雙向信息傳輸信道，支持地面指控站對無人機的遙控遙測、跟蹤定位和任務數據獲取，保證了飛行安全和作戰任務的完成。

無人機數據鏈被稱為無人機系統的“生命鏈”，所傳輸的指令、信息保密性要求極高，同時傳輸信道為萊斯信道，存在多徑衰落和隨機干擾的影響。由于軍事斗爭的需要，無人機數據鏈大多具有較強的抗干擾能力，表1給出了常見無人機數據鏈抗干擾的現狀[11-12]。

可以看出，為了提高數據鏈抗截獲、抗干擾能力，常采用直接序列擴頻的測控技術體制和其他加密加擾信道編碼措施。

3.2 策略分析

對無人機數據鏈的電子制約所面臨的是隱蔽性高，抗干擾能力強、截獲概率低的低空、空地傳輸鏈路[13-15]。按照電子制約方式分類，對無人機數據鏈的電子制約可分為壓制式干擾和欺騙式干擾。

(1) 壓制式干擾策略

壓制式干擾，是指干擾設備發射大功率干擾信號淹沒或遮蓋有用信號，使通信相對應接收端信噪比大大下降，難以檢測出有用信號或產生較高的誤碼率。若干擾信號的功率過大，接收機出現飽和，有用信號將完全被淹沒在干擾信號中，達到電磁壓制的效果。相關試驗研究表明，當誤碼率大于10-5時，即可判定數據鏈不能正常工作，無人機遙控遙測鏈路中斷[16-18]。

對無人機數據鏈的壓制式干擾包括瞄準式干擾和攔阻式干擾。瞄準式干擾是實現頻率上瞄準的一種窄帶干擾方式，由于瞄準式干擾能量集中，因而可以形成較高的干擾功率譜密度，干擾功率利用率高，但對無人機數據鏈而言，擴頻后的信號具有很大的帶寬，瞄準式干擾不能實現帶寬的有效覆蓋。往往達不到預期的干擾效果。

攔阻式干擾是干擾信號帶寬遠大于被干擾信號帶寬的一種干擾樣式，是能在同一時間內對干擾帶寬內的多個頻點實施干擾的一種寬帶干擾技術。當攔阻式干擾信號的帶寬覆蓋數據鏈信號帶寬并且干擾功率達到一定程度時，有可能產生一定的干擾效果。但是由于無人機數據鏈普遍采用了擴頻調制等抗干擾技術，上行數據鏈傳輸的遙控信息經擴頻調制后形成的擴頻信號帶寬可達十幾兆以上，下行鏈路傳輸任務數據時則需要更大的帶寬，在接收端，干擾信號由于和擴頻碼序列不相關或相關性小，和解擴序列相乘后被擴頻，絕大部分的干擾能量被接收機的中頻窄帶濾波器抑制濾除，只有很小一部分干擾能量得以保留，而擴頻信號經過解擴后則獲得很大的擴頻增益，所以盡管攔阻式干擾實現了對數據鏈信號的帶寬覆蓋和干擾功率增強，也很難達到良好的干擾效果。

(2) 欺騙式干擾策略

除了依靠能量功率優勢的壓制式干擾外，還可以通過靈巧的方式對無人機數據鏈實施欺騙式干擾。它是通過干擾激勵設備產生與數據鏈信號特征完全相同或非常相似的欺騙信號，作用于無人機或地面指控站的數據鏈接收設備。按照產生欺騙干擾信號方法的不同可分為鏈路協議層欺騙干擾和鏈路物理層欺騙干擾。

鏈路協議層欺騙干擾是通過對數據鏈信號的偵察截獲和鏈路協議層的信號解析，得到包括數據幀結構在內的鏈路特征參數，然后通過干擾激勵設備產生高仿真欺騙干擾信號。這種欺騙干擾信號按照無人機數據鏈指令編碼協議、加密協議、擴頻樣式和調制樣式及其相關參數對信號進行重構。欲從所截獲的數據鏈信號中獲得協議層特征參數，需要解決盲解擴、盲解調、盲糾錯譯碼、協議盲解析等信號處理問題，技術實現難度較大。

鏈路物理層欺騙干擾是指通過高保真度地采集上行數據鏈射頻信號，在對數字信號進行必要拼接處理后，存儲并循環轉發的一種欺騙干擾方式。這種方式不需要對信號協議層進行盲估計，降低了實現難度。由于沒有或極少改變原來信號的結構特征，干擾信號冒充無人機系統合作方(地面指控站)發送“合法的”遙控指令，無人機機載數據鏈設備對該信號基本沒有識別能力，當無人機飛控計算機對欺騙干擾指令做出響應時，就實現了對無人機的第三方控制。該干擾方式的局限性是當數據鏈數據幀包含時間的認證信息時，就很難取得良好的干擾效果，另外，難以確定所截取的上行數據鏈信號所包含的遙控指令類別。下面以對無人機上行數據鏈為例對欺騙式干擾策略進行分析。如圖3所示。

表1 常見無人機數據鏈抗干擾現狀Table 1 Anti-jamming status of UAV data chain

無人機系統地面指控站產生遙控指令，經編幀、信道編碼、擴頻調制、射頻調制、上變頻和功率放大等操作后形成上行數據鏈遙控信號。欺騙干擾偵察接收設備對空間傳輸的數據鏈射頻信號進行偵察接收，經低噪放大、混頻后得到中頻模擬信號和數據鏈信號的中心頻率，然后對中頻模擬信號進行A/D采樣得到中頻數據，經處理后進行大容量存儲，依據欺騙干擾樣式不同對存儲數據進行不同層次的信號處理。

圖3 無人機上行數據鏈欺騙式干擾示意圖Fig.3 Deception jamming diagram of UAV’s up data-link

鏈路協議層欺騙干擾需要對存儲遙控數據完成盲解擴處理得出擴頻碼序列、周期及起始位等擴頻相關參數，完成盲解密解擾處理得出加密序列及加密協議等和完成盲解碼處理得出編碼方式、編碼協議和編幀協議等特征參數，利用估計出的特征參數，對盲解得到的遙控幀序列進行修改、重新編幀、編碼、加密、擴頻后重構形成干擾數據，送入欺騙干擾調制發射設備，經干擾天線發射至無人機。如果信號質量和精度足夠，無人機將執行修改后的遙控指令，實現真正意義上的欺騙干擾。

鏈路物理層欺騙干擾對存儲的遙控數據進行盲解調處理，得到碼序列，以此作為干擾數據，送入調制發射設備，進行循環轉發，形成物理層欺騙干擾信號。對數據鏈的鏈路物理層欺騙干擾并沒有對數據鏈信號完全破析，其實現難度相對較小，具有較大的可行性，同時也可以達到和鏈路協議層欺騙干擾相同的破壞效果。

(3) 干擾效果分析

在壓制式干擾中，以Link16數據鏈為例，基于理想條件下的仿真結果表明，隨著瞄準式干擾頻點數的增加，Link16數據鏈被有效干擾的概率隨之增大，當干擾頻點數達到40個時，干擾成功率達90%以上；而攔阻式干擾在實現有效干擾時，其攔阻頻帶內包含的干擾頻點數應不少于21個。若同時結合寬帶信道機對Link16數據鏈信號頻點進行檢測，有重點地進行干擾，則干擾效果將大幅提高[15]。

在欺騙式干擾中，通過修改重構或截取轉發等方式所形成的干擾信號，同原數據鏈信號具有極高的相似度，因而可以獲得更好的干擾效果。實現鏈路協議層欺騙干擾的前提是，干擾設備能迅速截獲數據鏈信號并對協議層各參數進行高精度盲估計，但現有技術難以實現；實現鏈路物理層欺騙干擾的關鍵是對截獲信號的盲解調以及對截取時長、轉發周期等參數的設計，理想仿真實驗結果表明，在相關參數設置合理的情況下，無人機對包含遙控指令的欺騙干擾信號可以達到100%的穩定響應。

4 結束語

隨著技術的發展，無人機數據鏈采取了加/解密技術、擴頻技術等一系列的抗干擾措施。這些抗干擾措施的應用使無人機數據鏈在接收端誤碼率降低，進一步提高了數據傳輸的可靠性。同時無人機飛控計算機在設計時也考慮電子制約影響，設置了相應的應急程序[19]，如無人機在其上行鏈路受到壓制而中斷時，經過幾分鐘左右的等待，如果鏈路還未恢復，無人機將根據預先設定的程序，自動返航。在這種情況下，傳統的壓制式干擾已經不能取得良好的制約效果，采用鏈路物理層的欺騙干擾具有較大的可行性。真正意義上對數據鏈信號的鏈路協議層欺騙干擾，技術實現難度大、難點多，但威脅等級最高，是對無人機實施電子制約的主要發展方向。