无人机无线电常用管控技术研究

1 无人机发展与管理现状

我国民用无人机市场经历了几十年的发展, 其特点已逐渐由规模小、增长慢、倾向专业级逐步转变为规模大、增长快、倾向消费级。2011年, 以大疆为代表的消费级民用无人机企业迅速崛起, 开始在全球消费级无人机市场占领主导地位。2014-2017年, 我国民用无人机不断受到资本市场以及社会舆论的广泛关注。互联网数据中心 (IDC) 预测, 2019年全球无人机市场将达到390多万台, 而我国无人机市场将达到300多万台。可见, 对无人机的管控将成为管理部门必须面对的问题。

2 无人机常用技术

无人机常用的关键技术主要包括:动力技术、导航技术、通信技术、控制技术、计算技术等。与无线电管理密切相关的在于导航技术和通信技术。

2.1 导航技术

无人机导航技术主要用于无人机的定位、测距、测速等。目前, 无人机系统采用的定位技术主要包括全球导航卫星系统定位 (GPS、北斗、伽利略、格洛纳斯等) 、多信息源定位和超宽带 (UWB) 定位。例如, 无人机利用自身导航模块接收卫星不断广播的导航信号即可确定自身位置, 进一步可按照预先设定的路径, 实现自主飞行。测距技术大多通过超声波、激光、雷达、视觉的一种或多种方式实现。而测速技术可通过定位和测距技术, 以及内置陀螺仪、加速度传感器等完成。

2.2 通信技术

无人机的外部通信技术主要依靠无线电技术实现, 用于控制链路和数据链路的信息传输。通常, 无人机接收操作者通过控制台发送的遥控信号进行飞行, 同时将自身飞行状态、拍摄的图像或视频回传给控制台, 供无人机操作者参考进行飞行姿态调整或是数据存储等后续操作。主流的通信方式为卫星通信, UHF、L等频段超视距通信, 2.4G/5.8G Wi-Fi直连通信, 还有新型的利用公众移动通信技术实现的无人机通信。虽然, 无人机通信多采用跳频、扩频等技术, 但由于无人机和操作者距离较远, 通信信号较弱, 容易受到干扰。

3 无人机管控的技术手段

近年来, 无人机反制技术逐渐成熟, 设备发展日益丰富。无人机管控的主要思路即为对无人机进行“发现、定位、压制”, 见图1。下面从这三个角度出发, 针对无人机常用技术, 总结无人机管控技术手段。

无人机管控的主要思路

3.1 发现技术

对无人机的发现是无人机无线电管控的首要步骤, 只有在准确发现、识别目标的基础上, 才能有针对性地对目标无人机进行无线电管控。

直接发现技术, 除视觉判别外, 最有效的就是雷达探测技术。通过利用电磁波在传播过程中遇到障碍物时发生反射来实现对无人机目标的发现。雷达探测技术通常采用S、X、Ku波段的电扫描雷达, 有效探测距离可达5千米, 且不受无人机型号的影响。但是该技术对某些无人机的探测存在一定缺陷, 例如对由透波材料 (塑料、木质) 制成的、低空飞行的、飞行速度较慢的、穿梭于城区楼宇之间的无人机的探测能力较差, 且容易受到其他移动或固定物体的干扰。

间接发现技术, 即无线电监测技术, 通过利用无人机或地面控制台发射的无线电遥控遥测信号、飞行状态信息、数传和图传信号等实现对无人机或地面操作者目标的发现。无线电监测技术通常采用固定或移动式无线电监测设备 (包括高灵敏度接收天线, 宽带接收机、频谱仪等) , 识别无人机信号 (800MHz、1.4GHz、2.4GHz、5.8GHz的控制、数传和图传信号等) 。该技术对无人机的有效探测距离一般在2千米以内, 且不受无人机型号的影响, 监测设备可按需部署, 能够发现穿梭于建筑物间的无人机信号。但是该技术在无人机仅按照预定航线飞行, 保持无线电静默时失效。

3.2 定位技术

采用雷达探测和无线电监测等技术发现疑似无人机目标后, 需要进一步通过视觉辨认、路径识别等技术对目标进行确认。确认为目标无人机后, 下一步就是对目标的定位测向, 以实现对目标企图的预测和持续追踪。

无线电定位技术通过利用多个无线电监测设备对目标无人机进行测向后, 采用交叉定位、TDOA定位等方式确定目标无人机的位置、运动方向、速度等, 从而实现对目标无人机的实时追踪。无人机数传和图传模块会将无人机采集到的数据和视频信息通过无线电信号回传至控制台或者是其他用户终端, 从而可以针对无人机的回传信号进行专项监测, 定位信号源。基于相同原理, 通过监测控制台向无人机发射的控制信号, 还可实现对无人机操作者的定位。值得注意的是, 该技术在无人机仅按照预定航线飞行, 保持无线电静默时同样失效。

3.3 压制技术

可疑无人机被确定为管控目标无人机后, 可采取物理摧毁、生物抓捕、无线电干扰等压制等手段使目标无人机无法继续工作。无人机系统在工作过程中一般存在以下几种情况:一是控制台向无人机发射单向控制链路;二是无人机接收卫星导航信号;三是无人机向控制台反馈飞行数据。其中一和二至少存在一种。针对上述无人机系统工作特点, 可以采用针对性的压制技术。

无线电干扰压制控制信号, 对控制台向无人机发射单向控制链路进行大功率干扰或解码接管。可使无人机分辨不出控制信号, 从而无法接收操作者指令, 进入安全模式迫降、返航, 或者只能接收管控者的指令, 由管控者控制其降落到指定地点。由于目标无人机距离无线电干扰源相较于控制台更近, 干扰压制效果较好, 所以该方法能够有效阻止无人机入侵限制飞行区域。但是, 若是压制控制信号无效, 则可以判断无人机仅处于巡航模式, 此时可采用下一种方法。

无线电干扰压制导航信号, 对卫星广播的定位、导航信号进行干扰或欺骗, 可使无人机无法获取自身当前位置信息或者获取的是虚假的位置信息, 使无人机无法平稳飞行甚至坠毁或是飞行到指定地点。由于无人机大多采用导航技术, 因此该方法应用范围广泛且容易操作, 能够有效破坏无人机巡航状态。但是, 若是压制导航信号无效, 则可以判断无人机仅处于操作者模式, 此时可采用上一种方法。

无线电干扰压制数传信号, 即干扰无人机向终端反馈的数据信号, 破坏无人机回传的数据、图像、视频等信息, 达到保护隐私和信息安全的目的。但是该方法实现起来较为困难, 可行性较差。

4 无人机管控的建议

根据无人机使用的无线电技术, 可以有针对性的对其进行管控。然而, 随着无人机技术和应用的不断发展和增多, 对无人机的无线电管控工作依然存在许多难点, 因此提出以下三点无人机技术管控的建议:

4.1 多种无人机管控技术手段并用

当前的无人机管控技术依然存在诸多挑战, 例如无人机体积小、可随时起飞和降落、易操控、可依靠导航信号和预设航线进行自主飞行导致难以发现;其采用的通信技术和抗干扰技术多种多样, 并且不断发展升级导致信号探测和识别难度增大。由于对目标无人机的识别存在困难, 进一步导致了对从发现到处置的时间、压制效果等要求更加苛刻。因此, 仅仅采用单一的无人机发现、定位、压制技术不能精准、有效、可靠地完成对目标无人机的管控。而采用多种无人机发现、定位、压制技术对无人机进行管控将是未来相关工作的发展趋势。通过多种技术、设备的协同工作、优势互补, 可进一步提高目标无人机的发现概率, 降低对无人机的误识别率, 降低对其他无线电设备和用户的干扰, 从而实现对无人机的全时段、全区域的多维识别、实时追踪、可靠压制。

4.2 探索创新无人机管控技术手段

支持针对无人机安全性提升、关键技术补齐、管控技术应用等创新攻关。优化传统无人机管控技术, 完善空中无线电监测手段, 同时探索新型管控手段和措施。例如, 在主动管控方面, 针对合作式无人机, 应加快研发轻小型航管设备, 通过协议管控的友好方式, 实现自上而下的监控;针对非合作式无人机, 应着重提高导航、定位精度, 探索其他技术阻断手段, 实现自下而上的发现、定位、压制, 对无人机进行迫降、抓捕或者物理摧毁。而在被动管控方面, 则通过采用设置电子围栏、划设禁飞区、干扰数据链路传输等方式, 阻止无人机完成相关的非法活动。此外, 推动建立国家级无人机管控平台, 探索将传统的无线电监测网、移动通信网、互联网等相结合的方式, 综合多种管控手段, 加强对无人机的实时预警、识别和监管能力。

4.3 避免干扰压制过程的潜在风险

全球导航卫星系统的应用十分广泛, 例如海陆交通、电网系统、电信和移动通信系统、航空航天、武器制导等。其授时和导航定位功能为经济、社会、国防等密切相关的领域提供了重要支撑。由于地面的卫星导航信号已经十分微弱, 所以使用卫星导航的设备对于无线电干扰非常敏感。既然无线电手段可以对无人机进行压制和诱骗, 则也同样会对其他相关设备产生有害干扰, 进而带来一些不可预测的安全隐患。此外, 对无人机进行大功率无线电干扰还可能会影响到其他合法无线电业务的正常使用, 包括无人机频段内以及相邻频段的其他合法用户。由于缺乏相关工作法律依据和操作经验, 管理部门采取相应的管控措施一定要谨慎, 在充分分析评估的基础上进行决策, 从而尽量提升管控设备精度和质量、缩小管控区域, 避免管控过程中的各种风险。

5 结束语

无人机管控工作涉及的管理部门众多, 而采用技术手段辅助进行无人机管控工作应当是无线电管理部门的职责。无线电管理部门可通过完善无人机无线电管控机制, 探索高效无人机管控技术手段, 保持无人机无线电管控常态化, 在最大限度地减小对周围电磁环境造成干扰等影响的基础上, 配合主管部门对各种非法违规无人机进行精准压制、有效管控, 为维护空中电波秩序, 充分保障国家社会安全贡献力量。

(来源：数字通信世界 周钰哲）