1、引言 近年來無人機（本文指民用多軸飛行器）正以空前的速度普及，由此引發的關于安全的憂慮日益增多。許多有關部門甚至個人都希望采取一些措施，阻止無人機飛臨敏感區域。為了達到這個目的可以采用很多方法，比如訓練老鷹飛去抓捕。 除了這類眼球效應大于實用的方法，最實用、性價比最高的方法莫過于無線電干擾。 目前所有的民用無人機都需要用到無線電技術來實現定位、遙控、圖像傳輸等功能。當然某些特殊用途的無人機可以采用諸如地形匹配、圖像識別以及高精度慣性導航的辦法來確定自己的位置，并且自主的完成任務，但在民用領域尚未普及。既然無人機必須使用無線電技術，就可以對無線電進行干擾，從而達到使無人機失控或折返的目地。 目前商品無人機必備的主要是GPS定位和遙控這兩個部分。如果用于拍攝圖像或其它測試用途，還必須有下行的圖傳和遙測通信。無線電測高和防撞設備也偶有使用。 在攻防態勢上，通常無人機的操縱者和需要設防的敏感區域之間有一定距離。無人機從操縱者附近起飛，然后逐漸飛臨設防區域。當無人機到達設防區域附近，能夠開展有效的偵查或破壞活動時，無人機到設防區域的距離，通常比它到操縱者的距離要近得多。 在上述態勢中，操縱者發送的一切上行信號（從地面向無人機發送）都會因為距離遠而比較微弱。采用同樣的功率，防御者由于距離無人機更近，信號將比操縱者強。防御者收到的下行信號也會比操縱者強。但是對下行信號的防御目標是讓操縱者收不到，而此時無人機到操縱者的距離，和防御者到操縱者的距離是差不多的。所以對下行信號的阻斷不占地形優勢。 從上面分析可以看出干擾上行信號更為有利。恰巧上行信號通常是遙控信號，直接關系到對無人機的操控，如果上行信號被干擾，無人機將失去即時控制，只能按照程序預設的步驟運行（通常是降落或者懸停）。而下行信號主要是遙測和圖像等，雖然也可能存在敏感信息，但相比控制信號而言就不那么重要了，再加上防御者在態勢上不占優勢，通常對下行信號采取放任態度。 事實上大多數民用無人機的遙控、遙測甚至圖傳都需要雙向通信才能正常工作，干擾其上行也可能使其下行無法正常工作。 GPS依靠中軌道衛星。通俗而言就是信號經過上萬公里到達地球表面，已經非常微弱。所以要在無人機離防御者很近的情況下干擾GPS信號是比較容易的。如果想欺騙它就需要用比較復雜的手段來模擬GPS衛星，會困難得多。 2、對GPS的干擾 GPS信號十分微弱，在地面附近已低于自然本底噪聲。采用常用的3-6dB增益的無源天線在開闊地接收，其總接收電平最高可達約-120dBm。民用GPS信號是頻率1575MHz，2.046MHz帶寬的擴頻信號，擴頻增益43dB，Cb/N0按6dB考慮。固然任何方式的干擾只要足夠大都能產生效果，但由于擴頻增益太高，部分頻帶干擾的效益很差。在容易實現的方式中，全頻帶噪音干擾較有優勢，滿足如下條件時誤碼率高于10%： （1）干擾信號的帶寬等于或大于2.046MHz，覆蓋GPS信號的整個頻帶。（2）干擾信號經GPS天線接收后，其總功率電平要高于-83dBm。 無人機上的GPS天線主瓣方向朝向天空，對于地面來的干擾能提供一定的隔離。隔離的大小取決于天線的品質、安裝方式和無人機本身的結構與材料。如果天線安裝在無人機正中心位置，無人機上又有整塊的碳纖維網板遮擋地面方向，那么通常能提供30-40dB的隔離。如果天線方向性不佳，安裝不夠垂直，則隔離度會有所降低。設無人機GPS天線對地面防御者（干擾源）的增益為-40dB，對天空的增益滿足正常接收GPS天線的要求，也就是總接收電平能達到-120dBm，無人機距離地面100米，干擾發射機的天線增益為0，根據自由空間損耗公式，則需要的發射功率是： Pt=Pr 32.45 20logd 20logf-G=-83 32.45-20 64 40=33.45dBm 上述計算的意思是：如果干擾帶寬適中，則只需要2W的發射功率，就能干掉100米范圍內的無人機GPS。假如干擾天線有6dB增益，那么只需要0.5W功率。實測發現，0.01W功率的噪聲調幅配合增益為5dB的R100天線，已經能在100米范圍內干掉大部分品牌無人機的GPS。這可能是以下幾個原因導致的： （1）品牌無人機大量采用輕質塑料，導致GPS天線的對地隔離度遠遠不足40dB。 （2）總接收電平達不到-120dBm（該值接近理論最佳值，工程中通常按-130dBm考慮）。 （3）廉價接收器解擴方案過于簡化，沒有充分利用43dB的擴頻增益。 最簡單的寬帶信號是噪音調頻。當然還可以采用相關性更強的干擾直至欺騙，比如用GPS模擬器產生一些假信號。但考慮到干擾功率本來就不大，似乎沒有必要費這個事。 無人機丟失GPS信號以后的行為取決于飛控的功能及設置。對于技術嫻熟的操作者而言，GPS不是必要的，在沒有GPS的年代里，航空模型的飛手們依然可以靠目視或圖傳完成自己設想的飛行路線。但是對于技術不嫻熟的操縱者，干掉GPS信號的后果已經相當嚴重，因為此時無人機的自動返航功能已經失效，必須完全依賴人工操作。根據已經掌握的防御經驗，這基本等于飛不回去。如果想避免GPS受干擾的后果，可以在下面幾點上做文章： （1）操縱者必須經過無GPS飛行方面的訓練。（2）嚴格考核GPS天線的對地隔離度，使之提升到比如50dB；選用性能足夠好的GPS接收機。（3）采用更高精度的慣性平臺，確保在GPS丟失后能支撐足夠返航的時間。（4）利用機載攝像機的圖像進行定位和返航。 3、對遙控信號的干擾 正規商品遙控發射機的功率通常為100mW，特殊用途或自行改裝的遙控發射機可能具有更大的功率。如果按100mW考慮，遙控發射天線配置普通鞭狀天線，增益約3dB，無人機上的接收天線增益也為3dB的情況下，設操縱者距離飛機100米，采用2450MHz頻率，則接收機收到的功率電平最大為： 20 6-32.45 20-68=-54.45dBm 可見遙控信號的強度遠大于GPS信號。不過，遙控接收天線的主瓣方向必須朝向地面，所以不能像GPS天線那樣對地面干擾提供隔離。 目前，遙控發射機已經普遍采用跳頻、擴頻技術，而且跳頻參數還可以自適應，具有一定的抗干擾能力。在計算需要的干擾大小時，必須已知跳頻、擴頻的參數才能得到準確的結果。不過我們依然可以知道所需干擾的大致范圍。遙控發射機仍按上述參數，假設防御者距離無人機為100米，天線增益為3dB，如果采用相關的干擾，需要的干擾功率與遙控發射功率接近，即0.1W以上。如果遙控信號存在跳頻措施，而干擾者除了頻帶范圍之外，并不知道這些措施的任何參數，只能用噪聲進行全頻帶暴力覆蓋，那么所需功率將有所提高。就經驗而論，通常需要提升30dB，具體來說就是100W。 這個干擾功率就比GPS具體多了，而且難以低成本的產生。同時，過大的干擾功率可能會影響其它正常的無線電通信，出現干死一大片，無人機照樣飛的窘境。 如下圖所示，如果遙控信號的跳頻范圍是2405~2495MHz，而防御者不知道跳頻參數，那么就只好用噪聲進行全頻帶覆蓋，即黃色區域。而遙控信號功率集中，當它的總功率電平比干擾的總功率電平小的時候，依然可能在局部比干擾電平高不少，從而不受干擾影響，如紅色區域。目前先進的遙控器已經能夠根據干擾的情況自動調整跳頻頻率，所以對于采用跳頻的遙控器，窄帶強干擾效果不佳。 跳頻和直接擴頻聯合應用可以彌補各自的不足。但是遙控器的擴頻增益比GPS低得多，所以擴頻部分的抗窄帶干擾能力較差，通常只需要3~6dB的干信比。因此采用梳狀譜的干擾源，例如間隔1MHz的100個干擾峰，其總干擾功率比有用信號高26dB，可比寬帶噪聲干擾節約3~10dB功率。 除了頻域上的寬帶干擾，還可以在時域上有所變化，即采用脈沖干擾源。如果遙控器沒有采取重復編碼措施時，使用脈沖干擾可以節約平均功率，或者在平均功率一定的情況下，提高脈沖功率。但如果采取了重復編碼措施，脈沖干擾效果不佳。 目前市場上存在430MHz頻段的非法“增程”遙控設備，發射功率通常為2W，經過放大可以具備更大功率，比如5W甚至50W。而且，近期已有產品在上述大功率、低頻率的基礎上，增加了跳頻功能，跳頻范圍可達50MHz。常見設備采用GFSK等調制方式并擴頻，信道帶寬在MHz數量級，功率密度較高。如果不擴頻，帶寬就只有幾十KHz，要想在50MHz范圍內通過噪聲干擾達到相同的功率譜密度，需要的功率將是天文數字。不過，這些遙控設備的接收機的抗阻塞能力都比較抱歉。 4、對下行圖傳和遙測信號的干擾 這部分干擾與對遙控信號的干擾沒有本質的區別，不同之處是攻防態勢更加不利于防御者。由于干擾的對象是操縱者的接收機，一般而言防御者與操縱者的距離大于或接近于無人機與操縱者的距離。另外，無人機至少有幾十米到數百米高度，信號傳播條件比位于地面的防御者要好得多，操縱者還可以使用定向天線瞄準無人機，甚至使用可自動調零的天線對干擾信號產生隔離。防御者的優勢是天線增益能夠比空間和重量都十分局促的無人機高。但由于不知道操縱者的方位，只能在垂直面想辦法。一般討論這個問題按操縱者（接收機）方位不明、干擾距離與無人機的通信距離相同，接收天線提供的隔離度和地面附近的附加損耗總共20dB來考慮。雪上加霜的是，最新的商品無人機的圖傳或遙測信號發射功率在不斷的加大，2W功率已經登場。按照上述條件，如果擴頻增益為20dB，Cb/N0為6dB，采用不相關的噪聲干擾，天線增益與無人機相同，總功率電平應高于33 34=67dBm才產生效果，相當于5KW！假設地面采用比無人機高10dB的水平定向天線（如共軸同相陣），也需要500W的功率。 由上述計算可以了解，如果無人機采用擴頻、跳頻技術，且防御者不知道有關參數而只能暴力蠻干，需要的功率將十分可觀。 古老的圖傳采用固定頻率，如果能夠偵察得到具體的頻率，就可以施放簡單的瞄準干擾。仍使用全向天線且假設干信比為0dB即可有效干擾，則需要的功率將減小到33 20=53dBm，相當于200W。如果使用比無人機高10dB的高增益天線，就只需要20W了。 5、阻塞干擾 本文凡是提到阻塞干擾，是指位于通信信道之外的，超過接收機電路的承受能力，能夠導致接收機對正常信號的處理能力降低的干擾。 采用擴頻、跳頻技術有利于對抗噪聲干擾，但并不能提高接收機的阻塞電平。相反，由于必須具備較寬的前級，更容易發生阻塞。這里，阻塞電平的定義是：位于接收機瞬時通帶之外的，使接收靈敏度壓縮6dB所需要的干擾電平。 民用接收機為了提高靈敏度，通常天線信號經簡單的濾波以后就進入低噪放和混頻器。從省電考慮，這些電路不能采用大功率器件，他們的動態范圍是比較小的，通常只需提供-20dBm左右的干擾信號，即使干擾頻率與接收頻率有一個小的偏差，也能使接收靈敏度降低6dB。這時，-20dBm就是該接收機的阻塞電平。如果干擾進一步增強，接收機將完全收不到有用信號。如果接收機前級沒有適當的限幅電路，更強的干擾能將其燒毀。下圖是一部典型的接收機的框圖。數字序號代表可以引起阻塞的環節。 放大器1和放大器4在專業接收機中必然會采用輸入壓縮點接近0dBm的器件，而在民用接收機中往往達不到這個水平，常見為-10~-20dBm。混頻器2的截點往往也不會太高，因為高的截點意味著需要大的驅動功率。當有強干擾落在預選器帶內時，混頻器將無法正確輸出中頻信號；如果再落在中頻濾波器帶內，那么ADC之前就會全軍覆沒。 不論模擬IQ下變還是中頻直接采樣，本地振蕩器的相噪都會與強干擾在混頻器中相乘，從而落到中頻上，導致底噪抬高。如果干擾靠得近，待接收的信號將落在干擾的混頻產物的裙邊內部，如果有用信號較小，就會被裙邊淹沒。 ADC的位數通常只有12或14位，動態范圍捉襟見肘。為了能夠采用高速跳頻方案，通常中頻濾波器的帶通很大，非接收頻率上的干擾也會到達ADC。干擾稍大就會讓ADC過載，或者，如果通過AGC使得ADC不過載，那么正常信號到達ADC時就會弱到不足1bit。 以常見的收發機芯片AD9361為例，它幾乎不能抵抗高于-24dBm的帶外干擾。要在接收機上感生-24dBm的功率并不復雜。仍以100米距離，收發天線增益均為3dB為例，需要的功率是：