2.4GHz頻段民用無(wú)人機(jī)壓制干擾研究

簡(jiǎn) 晨，尚飛飛

（國(guó)家無(wú)線(xiàn)電監(jiān)測(cè)中心陜西監(jiān)測(cè)站，西安 712000）

1 引言

近年來(lái)，伴隨民用無(wú)人機(jī)行業(yè)的迅猛發(fā)展，無(wú)人機(jī)“黑飛”現(xiàn)象頻發(fā)，影響正常生產(chǎn)或生活，對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行管控十分迫切。技術(shù)上的管控主要包括物理方法和無(wú)線(xiàn)電方法：物理方法利用導(dǎo)彈、激光武器、微波武器或物理捕捉等手段直接摧毀或捕獲無(wú)人機(jī)；無(wú)線(xiàn)電方法利用無(wú)線(xiàn)電信號(hào)控制、干擾無(wú)人機(jī)的遙控信號(hào)或?qū)Ш叫盘?hào)控制無(wú)人機(jī)或迫使無(wú)人機(jī)返航、降落[1]。

發(fā)射大功率寬帶干擾信號(hào)壓制無(wú)人機(jī)，使得無(wú)人機(jī)接收信號(hào)信噪比降低到門(mén)限以下，從而使其失控降落或返航，是無(wú)人機(jī)技術(shù)管控有效手段之一。而干擾信號(hào)頻率、帶寬和功率的確定是無(wú)人機(jī)技術(shù)管控需要明確的問(wèn)題之一。本文主要對(duì)無(wú)人機(jī)2.4GHz控制信號(hào)進(jìn)行研究，提出壓制該頻段信號(hào)的方法，并通過(guò)場(chǎng)外實(shí)成功迫使無(wú)人機(jī)降落。

2 無(wú)人機(jī)遙控2.4GHz頻段跳頻信號(hào)

無(wú)人機(jī)遙控鏈路主要使用2.4GHz的ISM（工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療）頻率，通信方式為跳頻通信。跳頻通信為擴(kuò)頻通信的一種，根據(jù)香農(nóng)公式：式中，C為信道容量；W為信號(hào)帶寬；S為信號(hào)功率；N為噪聲功率。信道容量C可以通過(guò)擴(kuò)展頻帶寬W度來(lái)提高。擴(kuò)頻通信通過(guò)增加帶寬的方法在較低信噪比情況下傳輸信息，從而提高系統(tǒng)的抗干擾能力。擴(kuò)頻通信抗干擾能力通過(guò)處理增益Gp來(lái)衡量。處理增益為傳輸信號(hào)的實(shí)際帶寬W與所需的最小帶寬B的比值：GP（dB）=10log（W/B）[2]。對(duì)于跳頻信號(hào)來(lái)說(shuō)，W/B為跳頻信道個(gè)數(shù)n，因此跳頻通信處理增益為10log2n。在某一時(shí)刻，跳頻系統(tǒng)是窄帶的，從整個(gè)時(shí)間觀察，跳頻信號(hào)在整個(gè)頻段內(nèi)跳變，跳頻系統(tǒng)是寬帶[3]。與窄帶通信相比，接收系統(tǒng)正常工作時(shí)，跳頻總帶寬為W的系統(tǒng)接收干擾信號(hào)能力比最小帶寬B傳輸系統(tǒng)大Gp。足夠高功率的寬帶信號(hào)覆蓋整個(gè)頻段時(shí)可干擾跳頻系統(tǒng)[4]。

為確定處理增益Gp，采用實(shí)驗(yàn)直接測(cè)定2.4GHz頻段跳頻個(gè)數(shù)與跳頻信號(hào)總帶寬。實(shí)驗(yàn)選擇無(wú)人機(jī)為大疆PHANTOM 4PRO，接收設(shè)備為KeySight頻譜儀N9961A，利用MAX HOLD功能記錄該頻段內(nèi)所有跳頻信號(hào)。測(cè)量頻譜圖如圖1所示，由圖1可知，跳頻信號(hào)在2403MHz-2480MHz頻段共45個(gè)信道內(nèi)不停跳變，占用帶寬77MHz。因此處理增益為16.5dB。

圖1 2.4GHz跳頻信號(hào)

3 壓制干擾實(shí)驗(yàn)

根據(jù)大疆無(wú)人機(jī)官網(wǎng)參數(shù)，實(shí)驗(yàn)用無(wú)人機(jī)2.4GHz頻段EIRP為20dBm。壓制信號(hào)源為安捷倫E4438C，利用外部生成IQ信號(hào)，導(dǎo)入信號(hào)源內(nèi)，生成寬帶信號(hào)，經(jīng)過(guò)功放后發(fā)射。實(shí)驗(yàn)發(fā)射信號(hào)調(diào)制方式為QPSK，帶寬80MHz，如圖2所示。

發(fā)射天線(xiàn)采用2.3G-2.5GHz 頻段定向螺旋天線(xiàn)，半功率波束寬度為30°，增益≥12dBi。在2.4GHz頻段功放最大輸出功率≥100W。該頻段內(nèi)同軸線(xiàn)及轉(zhuǎn)接頭插入損耗為2dB。

圖2 80MHzQPSK信號(hào)

實(shí)驗(yàn)中，發(fā)射信號(hào)中心頻率2445MHz。當(dāng)帶寬小于70MHz時(shí)，發(fā)射功率達(dá)最大，干擾效果不明顯。寬帶調(diào)制信號(hào)頻率掃描模式下，不同駐留時(shí)間和掃描點(diǎn)數(shù)時(shí)，干擾效果均不明顯。采用80MHz帶寬發(fā)射時(shí)，干擾效果最好。與上一小節(jié)結(jié)論相符。

在遙控距離和干擾距離相等時(shí)，要達(dá)到1∶1的干信比，理論上輸出功率可由以下公式計(jì)算：Po=P+Gp，其中Po為輸出干擾功率，P為跳頻信號(hào)功率。遙控距離d1和干擾距離d2不等時(shí)，根據(jù)自由空間傳播損耗公式L（dB）=32.45+20lgf（MHz）+20lgd（km）可知，距離損耗之間的差值為20lg（d2/d1）dB。因此，不同遙控干擾距離比時(shí)，達(dá)到1∶1的干信比，理論輸出功率應(yīng)為Po=P+Gp+20lg（d2/d1）。

近距離實(shí)驗(yàn)時(shí)，控制點(diǎn)和干擾點(diǎn)保證在無(wú)人機(jī)接收天線(xiàn)主瓣方向內(nèi)。控制距離為10m時(shí)，干擾距離分別為16m，20m，30m和40m；控制距離為30m時(shí)，干擾距離為30m。不同干擾距離和遙控距離比時(shí)，達(dá)到1∶1干信比，理論輸出功率計(jì)算和實(shí)際無(wú)人機(jī)失控降落時(shí)EIRP列于表1。從表1可以看出，1∶1干信比時(shí)理論功率與無(wú)人機(jī)失控時(shí)實(shí)際EIRP相差3dB以?xún)?nèi)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)測(cè)相近。

表1 近距離干擾測(cè)試數(shù)據(jù)

遠(yuǎn)距離實(shí)驗(yàn)時(shí)，選取三個(gè)固定點(diǎn)，與干擾點(diǎn)水平距離分別為343m、495m和696m，遙控?zé)o人機(jī)時(shí)使無(wú)人機(jī)自遙控點(diǎn)垂直向上飛，高度分為100m、150m和200m。此時(shí)無(wú)人機(jī)、遙控點(diǎn)和干擾點(diǎn)組成直角三角形，計(jì)算此時(shí)的干擾距離，列于表2。同樣的，根據(jù)不同距離比，計(jì)算1∶1干信比時(shí)天線(xiàn)理論輸出功率，記錄無(wú)人機(jī)失控時(shí)的發(fā)射功率后計(jì)算對(duì)應(yīng)的EIRP。由于遠(yuǎn)距離測(cè)試存在較多不確定因素，因此測(cè)試結(jié)果相差較大。去除掉誤差過(guò)大的數(shù)據(jù)可知，1∶1干信比時(shí)理論功率與無(wú)人機(jī)失控時(shí)實(shí)際EIRP相差在7dB左右，且實(shí)際發(fā)射功率小于理論計(jì)算結(jié)果。與表1結(jié)果相比，達(dá)到同樣壓制效果，干擾信號(hào)的發(fā)射功率下降，原因一是由于遙控信號(hào)位于無(wú)人機(jī)正下方，處于無(wú)人機(jī)接收天線(xiàn)的主瓣之外；二是由于遠(yuǎn)距離測(cè)試存在不確定因素多。根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知，在2.4GHz頻段發(fā)射寬帶高功率信號(hào)對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行壓制時(shí)，需要發(fā)射信號(hào)帶寬覆蓋整個(gè)跳頻頻段，發(fā)射功率應(yīng)大于遙控功率Gp+20lg（d2/d1），使無(wú)人機(jī)接收端干信比接近1∶1。

表2 遠(yuǎn)距離干擾測(cè)試數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)理論分析了2.4GHz頻段無(wú)人機(jī)遙控跳頻信號(hào)的特點(diǎn)，并實(shí)際測(cè)試該跳頻信號(hào)的跳頻信道個(gè)數(shù)，根據(jù)理論計(jì)算壓制跳頻信號(hào)所需要的信號(hào)帶寬與功率，經(jīng)過(guò)外場(chǎng)無(wú)人機(jī)干擾實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論結(jié)果，為無(wú)人機(jī)跳頻控制信號(hào)技術(shù)管控提供思路。