無人機GNSS誘騙與反誘騙技術論述

吳長柯,侯強

(61287部隊,四川 成都 610036)

0 引 言

高新技術的不斷發展及無人機的飛速發展,以實戰需求為引導,多功能、智能化的無人機已具備在現代戰爭中完成多樣化軍事任務的能力.針對無人機的新型作戰樣式及戰法的研究,已經成為一種新的軍事研究方向,受到了世界各國的重視.對無人機實施的誘騙與反誘騙研究,是無人機戰法研究中極其重要的一部分,伊朗先后多次捕獲美軍無人機,就是有力的實戰檢驗.

本文介紹了無人機誘騙及反誘騙技術產生的背景,簡述了誘騙的基本流程和方法.同時針對誘騙技術提出了相應的反誘騙措施,對主要反誘騙技術進行了論述.

1 無人機及其導航系統簡介

無人駕駛飛機,是一種可控制、有動力、攜帶多種任務設備并且能夠執行多樣化任務,并能重復使用的無人駕駛飛行器,簡稱為無人機(UAV)[1].

中東戰爭中,無人機開始嶄露頭角;到了海灣以及科索沃戰爭,無人機開始大量部署使用;在伊拉克和阿富汗戰爭中，中、高空長航時，無人機在戰爭中樹立了赫赫威名[2];近期美國針對伊朗高官開展的“斬首行動”更是驗證了無人機的精確打擊能力.無人機根據其攜帶任務載荷的不同,可以有效執行偵察監視、武器鑒定、電子對抗、通信中繼、目標定位、對地攻擊、打擊效果、毀傷評估與早期預警等多樣化軍事任務[3-5].

由于無人機需要完成多樣化的軍事任務,對其導航系統也提出了較高要求.慣性導航、衛星導航、視覺導航、天文導航以及無線電導航系統特點各異,已在部分領域廣泛使用.其中,全球衛星導航系統(GNSS)是無人機最常用的導航系統[6].

2 無人機GNSS誘騙技術論述

2.1 無人機GNSS可誘騙性分析

無人機在執行任務時,分為自主飛行模式和人工操作模式兩種工作模式.自主飛行模式,即利用導航系統,按照任務規劃路徑自主飛行.人工操作模式,則是無人機操作員直接遠程遙控操縱無人機.

當無人機處于人工操作模式時,由于人為控制端可以實時對無人機實施控制,無人機不能主動導航,誘騙信號也就無法做到對無人機的誘騙,僅能用壓制式干擾阻礙無線電信號,達到摧毀無人機的目的但無法實現誘騙.當無人機處于自主飛行模式時,通過向無人機系統發送錯誤導航信息,并在無人機無法正確識別的情況下,不斷發送錯誤導航信息誘導,實現無人機在預定位置降落,即達到誘騙的目的.

2.2 無人機GNSS誘騙思路

無人機采用自主飛行模式執行飛行任務時,對無人機GNSS實施誘騙的思路如下:

首先發現無人機,通過雷達對無人機的三維坐標進行測定,并對其實施全程跟蹤監控.然后對無人機使用壓制式干擾,壓制或者削弱衛星發出的導航信息,使無人機重新搜索時無法接收到正確的導航電文,將進入失鎖狀態[7]，同時根據己方所預定的誘騙方案,向無人機發送或者轉發錯誤的導航信息,當無人機接收到導航信息后,將衛星導航定位信息與慣性導航參數進行信息融合,如果衛星導航的參數在誤差范圍以內,則接收;如果發散,則排除.持續向無人機發送導航信息,直到其接收,然后在此基礎上繼續發送信息逐步誘騙,直到無人機到達預定目標點降落,如圖1所示.

圖1 無人機GNSS誘騙思路

2.3 無人機GNSS產生式與轉發式欺騙原理

通過對GNSS的定位原理以及信號特點進行分析,對無人機GNSS的干擾欺騙有兩種方法,分別為“產生式”干擾和“轉發式”干擾.“產生式”干擾是通過干擾機直接向無人機發出具有相同參數的錯誤定位信息,其包含的電離層延遲、對流層延遲以及衛星三維坐標是虛假的;“轉發式”干擾則是通過干擾機轉發衛星信號,增大衛星信號傳播時間,即增加傳播時延,使偽距產生誤差.下面以GPS為例,分別對兩種干擾方法進行論述.

2.3.1 “產生式”干擾欺騙

“產生式”干擾欺騙是指由干擾機產生干擾欺騙信號,GPS接收系統接收到虛假導航信息,并將這種錯誤信息用于導航定位,導致導航定位出現誤差,從而實現對無人機的誘騙.“產生式”干擾欺騙要求知道GPS的偽碼結構,C/A碼作為民用碼其結構已經公開,而對于美軍特殊加密后的軍用Y碼,破譯工作十分困難,美軍規定易失控的無人機是不能裝備Y碼等高度機密部件[8].本文針對無人機常用C/A碼或其它已知碼型,給出“產生式”欺騙干擾信號的生成流程如圖2所示.

圖2 “產生式”欺騙干擾生成系統流程

產生式欺騙干擾信號的生成系統設計的目標如圖2所示,該系統從外部數據信息的輸入開始,通過數據處理模塊處理、碼生成模塊處理、調制模塊處理再到合路器處理,最后源源不斷地產生虛假的導航衛星的干擾欺騙信號,實現對無人機的誘騙.

2.3.2 “轉發式”干擾欺騙

“轉發式”干擾欺騙是利用信號的自然延時,通過干擾機接收的GPS導航衛星信號,經過延時處理以及功率放大之后,由干擾機直接向無人機進行發送.由于欺騙信號在信噪比以及信號幅度等方面可以做得比真實信號更加優秀,無人機接收系統很容易接收,并將此錯誤信息用于導航定位,即可對無人機產生誘騙.“轉發式”干擾欺騙模型圖如3所示.

圖3 “轉發式”干擾欺騙模型

相對于“產生式”干擾欺騙,“轉發式”干擾欺騙利用的是信號延時,不需要對GPS偽碼進行破譯,在技術上相對容易實現.

此外,由于無人機在接收干擾機轉發錯誤信號的同時,也會搜索真實衛星信號,為達到無人機接收系統接收轉發虛假信號的目的,轉發干擾參數的設定需保持最優化原則,即干擾機的轉發載頻與真實信號的載頻相互瞄準,兩者信號的偽碼速率達到最近,并且轉發的偽碼序列和真實信號偽碼序列互相關值達到最大.

通過在預定時刻轉發導航電文,使無人機接收到的信息改變偽距計算結果,即可誘使無人機在預定地方降落,從而實現對無人機的誘騙.

3 無人機反誘騙技術論述

對無人機實施的反誘騙技術,主要可以從提高無人機衛星導航抗干擾能力、引入慣導等其它導航系統、加裝自毀系統等幾個方面考慮,本文著重介紹如何提高無人機衛星導航抗干擾能力.

正如本文2.2節所述,對無人機進行欺騙干擾時一般先使用壓制式干擾信號使接收機失鎖,然后再進行欺騙干擾.因此,無人機衛星導航抗干擾能力主要從抗壓制式干擾和抗欺騙式干擾兩方面進行分析.

3.1 抗壓制式干擾技術

壓制式干擾是指干擾機發射大功率干擾信號,使得GNSS接收機接收到的真實衛星信號淹沒在干擾信號中,從而無法正常捕獲和跟蹤導航信號.針對無人機的壓制式干擾,無人機抗干擾的主要技術手段是采用陣列天線自適應調零等空域濾波技術、接收機時頻域抗干擾濾波技術[9]、軍碼直捕技術、干擾源定位與排查技術等.抗壓制式干擾技術相對抗欺騙式干擾技術較為成熟,此處不展開論述.

3.2 抗欺騙式干擾技術

欺騙式干擾是指發射機制造出與真實衛星信號高度相似、功率略大的偽造信號作為干擾信號,有意引導GNSS接收機,導致其產生錯誤的定位、定時和導航信息.抗欺騙式干擾技術主要依賴于檢測欺騙干擾而后采取抗干擾措施,所以接下來主要介紹欺騙干擾檢測方法.

欺騙干擾檢測方法主要是通過提取接收到的信號功率、方向、距離等特征,來區分欺騙信號和真實信號.根據檢測時所使用的信號特征量,欺騙干擾檢測算法主要包括基于載噪比測量的欺騙式干擾檢測方法、基于信號強度的欺騙干擾檢測算法、基于多峰檢測的欺騙干擾檢測算法、基于偽距殘差檢測的欺騙干擾檢測算法、基于位置合理性檢測的欺騙干擾檢測算法、基于信號到達方向的欺騙干擾檢測算法等6類算法,以下分別進行論述.

3.2.1 基于載噪比測量的欺騙式干擾檢測方法

無人機GNSS導航接收機一般都輸出載噪比,在開放的天空條件下,只有衛星的運動和電離層的變化才能使接收到的信號功率逐漸平滑地變化.然而,當高功率欺騙誤導GNSS導航接收機時,接收到的載噪比可能會經歷突然的變化,這可能指示欺騙信號的存在.反欺騙GNSS導航接收機可以持續監測載噪比,并尋找任何可能是欺騙攻擊跡象的異常變化.

3.2.2 基于信號強度的欺騙干擾檢測算法

衛星信號從發射至到達接收機天線的過程中,要經過電離層等大氣層的信號衰減,同時衛星自身的運動也會對衛星信號強度造成影響,而這些衰減和影響帶來的衛星信號的輕度變化是平滑的,即不會存在突變.但對于欺騙信號,欺騙源相對與干擾目標的距離一般不會太遠,且要想使干擾目標將相關峰從原來已跟蹤的真實衛星信號搬移到欺騙信號,欺騙信號一般需要一個比真實衛星信號更大的信號功率,據此,可以采用對無人機裝載的天線接收信號進行信號強度的實時監測,若監測過程中出現了觀測值發生突變的情況,則考慮可能存在欺騙干擾信號.

3.2.3 基于多峰檢測的欺騙干擾檢測算法

當接收信號中同時存在欺騙信號和真實信號時,相關函數中會存在多個峰值,因此可以在捕獲或者跟蹤階段判斷是否存在多個超過閾值的峰值來檢測當前信號中是否存在欺騙信號.

3.2.4 基于偽距殘差檢測的欺騙干擾檢測算法

當接收機同時使用真實信號和欺騙信號的觀測量進行位置、速度、時間(PVT)解算時,就會出現不同衛星之間殘差相差很大的現象,因此可以通過判斷殘差是否超過門限來判斷參與定位解算的衛星里是否存在欺騙信號.

3.2.5 基于位置合理性檢測的欺騙干擾檢測算法

無人機一般使用多源融合的方式獲取位置,那么可以通過多種傳感器之間的較差驗證來檢測是否存在欺騙信號.特別是對于GNSS/INS組合時,使用INS輸出的位置均有天然的抗欺騙性能,可以用來與GNSS輸出的位置進行一致性檢測.

3.2.6 基于信號到達方向的欺騙干擾檢測算法

欺騙信號通常使用有限個發射天線,因此信號來向和真實信號存在差異.通過裝載在無人機上的天線陣接收不同陣元的載波相位信息,可以估計信號的來向.當不同衛星信號的來向相同時,就說明這些信號由同一個發射源發出,從而檢測出當前信號為欺騙信號.

以雙天線接收系統到達角檢測欺騙干擾的模型如圖4所示,該坐標系為東北天坐標系,兩副天線接收同一信號的載波相位差表示為

dφi=bTASi+Ni+B+γi，

(1)

式中：Si為接收系統天線到衛星方向之間的單位矢量；J為接收系統天線與干擾機方向之間的單位矢量；b為兩副接收天線之間的基線矢量；A為方向余弦矩陣；Ni為整周期數；B為天線到接收系統的時延差；γi為第i顆衛星的接收系統誤差.

圖4 雙天線接收系統的到達角欺騙干擾檢測模型

由此可見,干擾機發送的欺騙式干擾以及雙天線之間的相位差,僅僅與干擾機、接收系統的相對位置相關.我們可以用理論值對測得的載波相位差進行誤差分析,如果誤差值超過了載波相位差的誤差門限,則判斷為欺騙式干擾.

上述6種檢測算法適用于不同的應用場景,其檢測性能也存在差異.可以獨立使用,也可以組合使用將結果相互驗證.

4 結束語

本文基于無人機及其衛星導航系統的特點,對無人機可誘騙性進行了分析.針對無人機采用的GNSS,論述了相應的誘騙技術,提出了誘騙思路.同時針對壓制式干擾和抗欺騙式干擾,分別提出了相應的干擾檢測技術來提高無人機的抗干擾能力,以增強無人機的反誘騙能力.