導(dǎo)航干擾技術(shù)在無人機防御中的應(yīng)用展望

焦 博，叢佃偉

(1.信息工程大學(xué) 地理空間信息學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.航天工程大學(xué) 航天信息學(xué)院，北京 101416)

0 引言

自2020年9月底開始，阿塞拜疆和亞美尼亞兩國為爭奪納卡地區(qū)爆發(fā)了激烈的軍事沖突[1]。此次沖突中，各類無人機的軍事應(yīng)用大放異彩，阿塞拜疆采用以色列“哈洛普”自殺式無人機和土耳其“TB-2”查打一體無人機對亞美尼亞方面進行了全方位的立體打擊，殺傷了大量參戰(zhàn)人員，摧毀了大量武器裝備，開啟了無人機作戰(zhàn)的新時代。

在以往的軍事實踐中，無人機攻擊多是用于打擊無防空力量的游擊隊。而亞美尼亞方面則具備由單兵防空導(dǎo)彈、自行高炮和中遠程防空導(dǎo)彈構(gòu)成的成熟防空體系，對有人飛機能夠造成較大威脅。但在此次納卡沖突中，上述常規(guī)防空手段面對無人機攻擊難以進行有效防御，多個防空陣地接連被無人機摧毀。這主要是因為小型無人機往往是“低慢小”目標，其飛行高度低、速度慢、體積小，且機身大量采用非金屬材料制成，在防空系統(tǒng)的雷達中往往被當(dāng)作雜波濾除，無法有效地實施跟蹤捕獲[2-3]。此外，無人機多采用小型螺旋槳推進，自身紅外特征也不明顯，紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈難以打擊。更重要的是，無人機相比有人飛機成本低，且不需要考慮飛行員損耗，可大批量出動，而價格高昂的防空導(dǎo)彈則會給防御一方帶來沉重的后勤和經(jīng)濟負擔(dān)[4]。

無人機的突出特點是“無人”，即飛行員并不直接在載體上控制無人機，因此無人機更加依賴各種導(dǎo)航技術(shù)的支持。而衛(wèi)星導(dǎo)航憑借著其高精度、低成本的顯著優(yōu)勢，往往是無人機上的主要導(dǎo)航手段[5]，但衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)本身也具有脆弱性。衛(wèi)星導(dǎo)航信號微弱，通常只有約-160 dBW，遠小于空間背景噪聲，抗干擾能力有限；且其作為軍民兩用系統(tǒng)，導(dǎo)航信號體制處于半公開狀態(tài)，容易被相似的假信號欺騙。因此，在對無人機實施干擾攻擊時，可利用衛(wèi)星導(dǎo)航干擾技術(shù)，使無人機無法獲取或獲得錯誤的位置信息，從而實現(xiàn)無人機軟防御的目的，保護重要目標免受無人機的攻擊。本文將從無人機導(dǎo)航系統(tǒng)、衛(wèi)星導(dǎo)航干擾技術(shù)和無人機導(dǎo)航干擾策略3個方面闡述導(dǎo)航干擾技術(shù)在無人機防御中的應(yīng)用。

1 無人機導(dǎo)航系統(tǒng)

無人機泛指所有能夠?qū)崿F(xiàn)自主飛行或遠程遙控飛行的飛行器。而無人機之所以能夠無人駕駛而完成各類高難度任務(wù)，主要依靠無線數(shù)據(jù)鏈路和多種導(dǎo)航技術(shù)的支持。數(shù)據(jù)鏈路使得無人機可向后方回傳圖像、視頻等數(shù)據(jù)，并使得操作人員可以遠程遙控?zé)o人機；導(dǎo)航技術(shù)則可以保證無人機實時準確知曉自身位置。相比有人飛機，無人機更加依賴導(dǎo)航技術(shù)，因為其缺少駕駛員直接判斷，需要程序或遠程人員依靠無人機自身的位置信息確定飛行路徑和攻擊目標。

為獲取更為準確可靠的位置信息，無人機一般采用多種導(dǎo)航技術(shù)來實現(xiàn)組合導(dǎo)航[6]。美國“捕食者”無人機(如圖1所示)就采用了衛(wèi)星導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航和視覺導(dǎo)航這3種導(dǎo)航的組合導(dǎo)航。

圖1 美國“捕食者”無人機Fig.1 U.S.Predator UAV

衛(wèi)星導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航和視覺導(dǎo)航是無人機最為常用的導(dǎo)航技術(shù)，但這三者之間各有利弊。

1.1 衛(wèi)星導(dǎo)航

衛(wèi)星導(dǎo)航是最普遍的無人機導(dǎo)航技術(shù)，其依靠測定無人機至導(dǎo)航衛(wèi)星的距離來解算無人機的高精度三維位置，具有精度高、收斂速度快和成本低的顯著優(yōu)勢。除輸出位置信息外，還能夠輸出高精度的時間信息。但衛(wèi)星導(dǎo)航依賴導(dǎo)航衛(wèi)星播發(fā)的導(dǎo)航信號進行定位，而導(dǎo)航信號傳輸距離一般在20 000 km以上，信號功率極其微弱，很容易被干擾。干擾后，衛(wèi)星導(dǎo)航無法獲得位置信息或獲得錯誤的位置信息，將會嚴重阻礙無人機正常執(zhí)行打擊任務(wù)。

1.2 慣性導(dǎo)航

慣性導(dǎo)航是利用慣性測量傳感器獲得無人機的加速度與姿態(tài)變化信息，經(jīng)過積分運算得到無人機的速度和位置，以實現(xiàn)對無人機的導(dǎo)航定位。慣性導(dǎo)航是一種完全自主的導(dǎo)航系統(tǒng)，其工作時不依賴任何外界信息，也不會向外界輻射信號和能量，不受外部干擾影響。但缺點也很明顯，由于它是一種航位推算導(dǎo)航，其定位誤差會隨時間積累。為消除慣性導(dǎo)航的誤差積累，需要定期對慣性導(dǎo)航設(shè)備進行校準，通常采用衛(wèi)星導(dǎo)航對誤差進行改正[7]。

1.3 視覺導(dǎo)航

視覺導(dǎo)航是一種無人機通過光學(xué)或紅外傳感器，感知無人機周邊所處環(huán)境信息，與通過前期偵查得到的圖像或地形等信息進行比對，從而確定自身位置的導(dǎo)航方法。視覺導(dǎo)航的定位精度較高，并且能夠?qū)崿F(xiàn)無人機對地面人員和裝備的實時感知，并實時準確打擊。但容易受到雨雪云霧等不利氣象的影響，且高度依賴前期偵查采集的數(shù)據(jù)庫，如果沒有足夠的比對信息將難以實現(xiàn)有效定位。

綜上所述，現(xiàn)階段的無人機，特別是軍用的打擊無人機，往往采用多種導(dǎo)航技術(shù)來實現(xiàn)組合導(dǎo)航[8]。但慣性導(dǎo)航和視覺導(dǎo)航都存在著一些局限性，所以很多時候還是以衛(wèi)星導(dǎo)航為主要導(dǎo)航手段。因此，如果在戰(zhàn)時可以對無人機的衛(wèi)星導(dǎo)航實施有效干擾，將大幅降低無人機的定位精度和打擊效能，以達到無人機防御的目的。

2 衛(wèi)星導(dǎo)航干擾技術(shù)

衛(wèi)星導(dǎo)航雖然有著低成本、高精度的顯著優(yōu)勢，但其依賴導(dǎo)航衛(wèi)星的無線電信號實現(xiàn)導(dǎo)航定位授時等服務(wù)，很容易受到外界干擾，因此本文重點討論衛(wèi)星導(dǎo)航干擾技術(shù)，即采取特定的技術(shù)手段對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和用戶設(shè)備進行干擾、削弱和破壞敵方衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備的使用效能。

2.1 衛(wèi)星導(dǎo)航的脆弱性

由于導(dǎo)航衛(wèi)星距離地面的距離一般在20 000 km左右(北斗GEO和IGSO衛(wèi)星可達36 000 km)；以MEO衛(wèi)星為例，當(dāng)?shù)孛嫜鼋菫?°時，星地距離可達25 000 km。

衛(wèi)星導(dǎo)航信號作為電磁波，根據(jù)信號傳播規(guī)律，接收機接收到的導(dǎo)航信號功率PR為[9]：

PR=PS+GS-LA+LT+GR，

(1)

式中，PS為導(dǎo)航衛(wèi)星的信號發(fā)射功率，以GPS衛(wèi)星的L1頻點為例，其信號發(fā)射功率為27 W，轉(zhuǎn)換成以dB為單位，即：

PS=10lg27=14.3 dBW；

(2)

GS和GR分別為衛(wèi)星天線的發(fā)射增益(GPS衛(wèi)星一般為12.1 dB)和接收機天線的接收增益(一般的手持型接收機的接收增益為0 dB)，傳播路徑上的大氣傳播損耗LA一般在0.5～2 dB。導(dǎo)航信號傳播過程中的主要衰減是由傳播距離造成的衰減LT，當(dāng)無線電信號在自由空間傳播時，信號功率的衰減量為：

(3)

式中，λ為信號波長；L1的波長為0.19 m；d為信號的空間傳播距離，對于MEO衛(wèi)星取2.5×107m；帶入式(3)可得出導(dǎo)航衛(wèi)星僅僅因距離引起的空間損耗為-184.4 dB。

將上述計算結(jié)果帶入式(1)，可得出接收機最終接收的導(dǎo)航信號功率在-160～-158.5 dBW。而手機信號功率則為-134 dBW，即導(dǎo)航信號功率大約只有手機信號的1/400，是典型的弱信號。為捕獲跟蹤導(dǎo)航信號，導(dǎo)航接收機一般都具有較高的靈敏度，因此很容易受到無線電干擾信號的影響。

此外，作為軍民兩用系統(tǒng)，衛(wèi)星導(dǎo)航信號頻點公開且固定，很容易遭受到對應(yīng)頻段的無線電信號干擾。民用信號的生成機制和調(diào)制方式完全公開；早期軍用信號(如GPS P碼)處于半公開狀態(tài)，存在被仿制或破解的風(fēng)險。

正是由于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)存在著信號功率弱、信號體制半公開的脆弱性，在對抗條件下很容易受到干擾[10]。根據(jù)干擾技術(shù)的實現(xiàn)原理不同，可將導(dǎo)航干擾分為壓制式干擾和欺騙式干擾兩大類。

2.2 壓制式干擾技術(shù)

壓制式干擾發(fā)射與導(dǎo)航信號頻率相重疊的干擾信號，但其信號功率顯著大于導(dǎo)航信號功率，對衛(wèi)星導(dǎo)航信號起到壓制作用，使衛(wèi)星導(dǎo)航接收機無法正常接收導(dǎo)航信號，或引起觀測噪聲增大，阻斷接收機的導(dǎo)航定位工作。

為了更好地理解壓制式干擾的作用機理，將通過算例說明壓制式干擾有效作用距離的計算方法。假設(shè)壓制式干擾源的信號發(fā)射功率為1 W，干擾發(fā)射天線的輻射增益為3 dB，下面計算該干擾源理想情況下的最大干擾距離。

以GPS的L1頻點為例，其信號最低接收功率為-160 dBW，而P碼的抗干擾容限約40 dB。因此若要壓制L1的P碼信號，在最遠干擾距離處，干擾信號的強度是恰能干擾接收機的最小信號強度，即-120 dBW。

此時，根據(jù)式(1)可得干擾信號功率的計算公式為：

PR1=PS1+GS1-LA1+LT1+GR1，

(4)

式中，PR1為最遠處的干擾功率，即-120 dBW；PS1為干擾信號發(fā)射功率，1 W折合為0 dBW；發(fā)射增益GS1為3 dB；接收增益GR1為0 dB；傳播損耗LA1取最大值2 dB。求解式(4)可得，由傳播距離造成干擾信號損耗LT1為-121 dB。

假設(shè)最大干擾距離為d1，根據(jù)信號自由空間傳播衰減公式得：

(5)

求解式(5)可得出，1 W的壓制式干擾源在理想狀態(tài)下的最大干擾距離約為16.96 km。

1 W級別的干擾機體積大小和易拉罐接近，成本在數(shù)百美元以內(nèi)。但根據(jù)上述推導(dǎo)可知，其已經(jīng)具備對半徑10 km以上區(qū)域內(nèi)無人機實施導(dǎo)航干擾的能力。所以說，壓制式干擾有著實現(xiàn)難度低、覆蓋范圍廣、應(yīng)用場景廣泛的優(yōu)勢，是無人機防御中的主要導(dǎo)航干擾技術(shù)。

壓制式干擾有多種形式，根據(jù)干擾信號的帶寬與導(dǎo)航信號帶寬的大小關(guān)系，可將其分為窄帶干擾和寬度干擾兩大類，具體分類如圖2所示。

圖2 壓制式導(dǎo)航干擾分類Fig.2 Classification of satellite navigation suppression jamming

(1) 窄帶干擾是指干擾信號單個頻段帶寬小于導(dǎo)航信號帶寬10%的壓制式干擾。窄帶干擾的干擾帶寬小，干擾所需功率較低，實現(xiàn)難度小，干擾針對性強，但其對于多頻點導(dǎo)航接收機的干擾能力有限，需組合多個窄帶干擾才能有效壓制，而且窄帶干擾在接收機端容易被時域或頻域的濾波技術(shù)濾除。根據(jù)干擾原理和時頻域特征不同，常用的窄帶壓制式干擾可分為連續(xù)波單音干擾、數(shù)字調(diào)制窄帶干擾和部分頻帶窄帶干擾。

(2) 寬帶干擾則是干擾信號帶寬大于導(dǎo)航信號帶寬10%的壓制式干擾。寬帶干擾對于導(dǎo)航接收機的干擾效果更加明顯，單天線導(dǎo)航接收機難以通過濾波算法濾除寬帶干擾的影響，能夠同時干擾多個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的多個頻點，但其對發(fā)射功率和設(shè)備復(fù)雜度的要求則會有顯著提升。根據(jù)干擾原理和時頻域特征不同，常用的寬帶干擾可分為脈沖干擾、梳狀譜干擾、數(shù)字調(diào)制寬帶干擾和線性調(diào)頻干擾。

2.3 欺騙式干擾技術(shù)

欺騙式干擾通過發(fā)射與衛(wèi)星導(dǎo)航信號結(jié)構(gòu)相似、參數(shù)相同、功率相近、信息碼不同的欺騙信號，使得接收機的跟蹤環(huán)路被假信號劫持，隨后欺騙干擾信號源調(diào)節(jié)欺騙信號的參數(shù)，使接收機解算出錯誤的時間和坐標信息，從而達到導(dǎo)航欺騙的目的。雖然欺騙式干擾設(shè)備復(fù)雜程度較高，而且往往只能欺騙單臺或少數(shù)幾臺導(dǎo)航接收機，但相比于壓制式干擾有著隱蔽性好、不易察覺、可誘導(dǎo)敵方載體行進方向的顯著優(yōu)點，具有更廣闊的應(yīng)用前景，對高價值目標的威脅更大，比如伊朗通過欺騙式干擾實現(xiàn)了美國RQ-170無人機的誘騙捕獲。欺騙式干擾的關(guān)鍵問題是防范被欺騙接收機發(fā)現(xiàn)自身受到欺騙干擾，針對多天線陣元的抗干擾接收機，還可以通過布設(shè)多臺分布式欺騙干擾源的方式來提高欺騙干擾的成功率。

根據(jù)欺騙信號的生成方法不同，可以將欺騙式干擾分為生成式干擾和轉(zhuǎn)發(fā)式干擾兩大類，具體分類如圖3所示。

圖3 欺騙式導(dǎo)航干擾分類Fig.3 Classification of satellite navigation deception jamming

(1) 生成式干擾的導(dǎo)航欺騙信號是由導(dǎo)航信號模擬器自主生成，其根據(jù)導(dǎo)航信號的信號結(jié)構(gòu)，模擬生成仿真導(dǎo)航信號作為欺騙信號，通過功率控制使得接收機端的欺騙信號和真實導(dǎo)航信號功率相近，在接收機捕獲欺騙信號后，逐步加大欺騙信號，以在內(nèi)部跟蹤環(huán)路中占據(jù)主導(dǎo)地位，使接收機根據(jù)欺騙信號測量的偽距解算出錯誤的位置，達到導(dǎo)航欺騙的目的[11]。生成式干擾實現(xiàn)算法簡單，但必須知道導(dǎo)航信號的信號結(jié)構(gòu)，只能欺騙民碼接收機用戶，無法欺騙高度保密的軍碼用戶。

根據(jù)模擬信號生成時參考時間來源的不同，又可將生成式欺騙干擾分為2類。基于信號模擬器的自主產(chǎn)生式干擾源采用干擾源內(nèi)部時鐘作為信號生成的參考時間，其結(jié)構(gòu)簡單，但容易因欺騙信號未與導(dǎo)航信號同步被接收機發(fā)現(xiàn)而造成欺騙失敗；基于接收機的接收產(chǎn)生式干擾源則配備授時型導(dǎo)航接收機，采用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時間作為信號生成的參考時間，能夠提高欺騙信號和導(dǎo)航信號時間同步精度，提升欺騙成功率。

(2) 轉(zhuǎn)發(fā)式干擾的導(dǎo)航欺騙信號則是基于導(dǎo)航衛(wèi)星播發(fā)的真實導(dǎo)航信號。欺騙干擾源接收導(dǎo)航信號，結(jié)合目的欺騙位置計算信號延遲量，增加一定延遲后將信號轉(zhuǎn)發(fā)至被欺騙接收機，使接收機根據(jù)延遲轉(zhuǎn)發(fā)后的導(dǎo)航信號確定錯誤的位置，實現(xiàn)導(dǎo)航欺騙。該方法的最大優(yōu)點是無需知道導(dǎo)航信號結(jié)構(gòu)，可對軍碼等保密信號用戶進行欺騙；此外，轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙信號基于真實信號生成，接收機也更難發(fā)現(xiàn)被欺騙。

3 無人機防御中的導(dǎo)航干擾策略

相比于防空導(dǎo)彈、高射炮等硬殺傷手段，導(dǎo)航干擾作為一種軟殺傷手段[12]，在無人機防御中有更多的優(yōu)點：工作成本低，導(dǎo)航干擾設(shè)備可多次應(yīng)用，使用成本低，僅消耗電能；覆蓋范圍大，不同于硬殺傷需要點打擊，導(dǎo)航干擾采取干擾信號波束可以對某一特定空域?qū)崿F(xiàn)大范圍覆蓋；靈活多樣，導(dǎo)航干擾的攻擊方式更多，除拒止敵方無人機獲取定位信息無法執(zhí)行任務(wù)外，還能通過欺騙干擾使其產(chǎn)生錯誤的定位信息，從而實現(xiàn)敵方無人機的誘捕，如伊朗誘捕美國RQ-170事件。

3.1 干擾裝備

考慮到無人機作為飛行器機動靈活的特點，在使用導(dǎo)航干擾源進行無人機防御時，和一般針對陸地目標的導(dǎo)航干擾不同，還需要進行部分設(shè)備的升級改造。進行壓制式干擾時，為能夠更好地干擾飛行高度較高的無人機導(dǎo)航信號，導(dǎo)航干擾源一般需要配置定向增益天線和跟蹤伺服機構(gòu)，實現(xiàn)定向?qū)Ш礁蓴_。進行欺騙式干擾時，除了壓制式干擾的基本設(shè)施外，還需要附加目標測定雷達，準確獲得無人機的實時位置信息，這樣才能使欺騙信號更為可信，避免無人機內(nèi)部的反欺騙算法發(fā)出告警信息。

3.2 干擾策略

在干擾策略上，對于數(shù)量眾多的蜂群無人機，一般采用壓制式干擾進行防御[13-14]。蜂群無人機多采用低成本無人機，其導(dǎo)航接收機對干擾的抵御能力不強，采用導(dǎo)航干擾遮蔽無人機群的導(dǎo)航系統(tǒng)，可使其難以有效地進行飛行控制，無法實施打擊任務(wù)。針對高價值的偵查無人機或查打一體無人機，除壓制式干擾外，還可以結(jié)合欺騙式干擾源精確測定無人機位置，通過生成或轉(zhuǎn)發(fā)產(chǎn)生虛假的導(dǎo)航信號，使無人機產(chǎn)生錯誤定位，從而進一步達到誘騙捕獲的目的，獲得敵方無人機中的高價值信息。

3.3 無人機導(dǎo)航干擾的挑戰(zhàn)與對策

真實準確的導(dǎo)航信息是無人機執(zhí)行打擊偵查任務(wù)的重要保證，新型無人機在設(shè)計時也著力提高其導(dǎo)航系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，采用了諸如多陣元抗干擾接收機和組合導(dǎo)航技術(shù)，這也為導(dǎo)航干擾的無人機應(yīng)用帶來了新的挑戰(zhàn)，需要針對這些新的導(dǎo)航技術(shù)對無人機導(dǎo)航干擾策略進行改進。

(1) 多陣元抗干擾接收機能夠同時抑制多個方向的導(dǎo)航干擾信號，但同時也會抑制干擾方向的正常導(dǎo)航信號，因此當(dāng)干擾源數(shù)目較多、分布較廣時仍能夠有效地實施干擾。因此，可采取分布式導(dǎo)航信號干擾源的布設(shè)方式，在需要進行無人機防御的重點區(qū)域內(nèi)布設(shè)多組導(dǎo)航干擾設(shè)備，協(xié)同對無人機的導(dǎo)航信號進行干擾。

(2) 無人機端的組合導(dǎo)航系統(tǒng)一般是衛(wèi)星導(dǎo)航和慣性導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航等手段組合[15-18]，在衛(wèi)星導(dǎo)航被干擾后，其他導(dǎo)航手段仍能繼續(xù)為無人機提供位置信息，但在上文中也論述了每種導(dǎo)航手段都有各自的局限性，可以利用慣性導(dǎo)航和視覺導(dǎo)航的局限性對無人機的導(dǎo)航系統(tǒng)進行綜合干擾。視覺導(dǎo)航系統(tǒng)依賴視覺傳感器進行測量，且依賴無人機的數(shù)據(jù)通信鏈路進行控制，可采取煙幕對其傳感器進行干擾，并采取無線電干擾來影響無人機數(shù)據(jù)通信鏈路；而慣性導(dǎo)航系統(tǒng)存在誤差積累的問題，因此可擴大導(dǎo)航干擾的范圍，使得無人機的其他導(dǎo)航手段在接近目標區(qū)域之前已經(jīng)失效，當(dāng)?shù)竭_目標時慣導(dǎo)的積累誤差也顯著增加，無人機攻擊的準確性將大幅下降。

4 結(jié)束語

隨著無人機技術(shù)的進步，其越發(fā)成為戰(zhàn)場上的重要打擊方式，傳統(tǒng)的防御手段難以有效應(yīng)對無人機威脅，為此本文探討了衛(wèi)星導(dǎo)航干擾技術(shù)在無人機防御中的應(yīng)用。通過對現(xiàn)有無人機常用導(dǎo)航手段和當(dāng)前導(dǎo)航干擾技術(shù)的梳理，制定了針對不同類型無人機的防御策略。而無人機進攻和導(dǎo)航干擾防御是矛與盾的兩面，隨著技術(shù)的發(fā)展也將不斷延伸，需要對導(dǎo)航干擾技術(shù)在無人機防御中的應(yīng)用展開持續(xù)跟蹤。