无人机无线电干扰原理概论

作者：刘虎 （科创研究院，仪表局）

1、引言

近年来无人机（本文指民用多轴飞行器）正以空前的速度普及，由此引发的关于安全的忧虑日益增多。许多有关部门甚至个人都希望采取一些措施，阻止无人机飞临敏感区域。为了达到这个目的可以采用很多方法，比如训练老鹰飞去抓捕。

除了这类眼球效应大于实用的方法，最实用、性价比最高的方法莫过于无线电干扰。

目前所有的民用无人机都需要用到无线电技术来实现定位、遥控、图像传输等功能。当然某些特殊用途的无人机可以采用诸如地形匹配、图像识别以及高精度惯性导航的办法来确定自己的位置，并且自主的完成任务，但在民用领域尚未普及。既然无人机必须使用无线电技术，就可以对无线电进行干扰，从而达到使无人机失控或折返的目地。

目前商品无人机必备的主要是GPS定位和遥控这两个部分。如果用于拍摄图像或其它测试用途，还必须有下行的图传和遥测通信。无线电测高和防撞设备也偶有使用。

在攻防态势上，通常无人机的操纵者和需要设防的敏感区域之间有一定距离。无人机从操纵者附近起飞，然后逐渐飞临设防区域。当无人机到达设防区域附近，能够开展有效的侦查或破坏活动时，无人机到设防区域的距离，通常比它到操纵者的距离要近得多。

在上述态势中，操纵者发送的一切上行信号（从地面向无人机发送）都会因为距离远而比较微弱。采用同样的功率，防御者由于距离无人机更近，信号将比操纵者强。防御者收到的下行信号也会比操纵者强。但是对下行信号的防御目标是让操纵者收不到，而此时无人机到操纵者的距离，和防御者到操纵者的距离是差不多的。所以对下行信号的阻断不占地形优势。

从上面分析可以看出干扰上行信号更为有利。恰巧上行信号通常是遥控信号，直接关系到对无人机的操控，如果上行信号被干扰，无人机将失去即时控制，只能按照程序预设的步骤运行（通常是降落或者悬停）。而下行信号主要是遥测和图像等，虽然也可能存在敏感信息，但相比控制信号而言就不那么重要了，再加上防御者在态势上不占优势，通常对下行信号采取放任态度。

GPS依靠中轨道卫星。通俗而言就是信号经过上万公里到达地球表面，已经非常微弱。所以要在无人机离防御者很近的情况下干扰GPS信号是比较容易的。如果想欺骗它就需要用比较复杂的手段来模拟GPS卫星，会困难得多。

2、对GPS的干扰

GPS信号十分微弱，在地面附近已低于自然本底噪声。采用常用的3-6dB增益的无源天线在开阔地接收，其总接收电平最高可达约-120dBm。民用GPS信号是频率1575MHz，2.046MHz带宽的扩频信号，扩频增益43dB，Cb/N0按6dB考虑。固然任何方式的干扰只要足够大都能产生效果，但由于扩频增益太高，部分频带干扰的效益很差。在容易实现的方式中，全频带噪音干扰较有优势，满足如下条件时误码率高于10%：

（1）干扰信号的带宽等于或大于2.046MHz，覆盖GPS信号的整个频带。
（2）干扰信号经GPS天线接收后，其总功率电平要高于-83dBm。

无人机上的GPS天线主瓣方向朝向天空，对于地面来的干扰能提供一定的隔离。隔离的大小取决于天线的品质、安装方式和无人机本身的结构与材料。如果天线安装在无人机正中心位置，无人机上又有整块的碳纤维网板遮挡地面方向，那么通常能提供30-40dB的隔离。如果天线方向性不佳，安装不够垂直，则隔离度会有所降低。设无人机GPS天线对地面防御者（干扰源）的增益为-40dB，对天空的增益满足正常接收GPS天线的要求，也就是总接收电平能达到-120dBm，无人机距离地面100米，干扰发射机的天线增益为0，根据自由空间损耗公式，则需要的发射功率是：

Pt=Pr+32.45+20logd+20logf-G=-83+32.45-20+64+40=33.45dBm

上述计算的意思是：如果干扰带宽适中，则只需要2W的发射功率，就能干掉100米范围内的无人机GPS。假如干扰天线有6dB增益，那么只需要0.5W功率。

实测发现，0.01W功率的噪声调幅配合增益为5dB的R100天线，已经能在100米范围内许多品牌无人机的GPS。这可能是以下几个原因导致的：

（1）品牌无人机大量采用轻质塑料，导致GPS天线的对地隔离度远远不足40dB。
（2）总接收电平达不到-120dBm（该值接近理论最佳值，工程中通常按-130dBm考虑）。
（3）廉价接收器解扩方案过于简化，没有充分利用43dB的扩频增益。

最简单的宽带信号是噪音调频。当然还可以采用相关性更强的干扰直至欺骗，比如用GPS模拟器产生一些假信号。但考虑到干扰功率本来就不大，似乎没有必要费这个事。

无人机丢失GPS信号以后的行为取决于飞控的功能及设置。对于技术娴熟的操作者而言，GPS不是必要的