Adapting Counter-UAV Systems to the Environment

Tobias Willuhn, 罗德与施瓦茨公司，德国慕尼黑

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无人驾驶飞行器（UAV）或无人机现在是我们生活中不可或缺的一部分。它们为电影制片人提供了壮观的图像，并为偏远地区提供急需的药品。然而，一旦被滥用，它们会造成数以百万计的损失。这推动了对高度有效和可靠的无人机防御系统的需求。这些流行的无人驾驶飞机在网店、五金店和玩具店的价格只有几百欧元，在短短几年内，已经成为全世界的严重危害。虽然对无人驾驶航空系统或无人机的商业使用有严格的限制，但这并不能阻止业余视频制作者、好奇的观众、工业间谍和其他精通电子的犯罪分子。一架无人机可以严重扰乱空中交通。仅在美国空域，联邦航空管理局每月就收到100多起无人机事件报告。山区救援直升机的飞行已经因为四旋翼飞机在附近随意飞行而被取消。一架无人机拍摄了一家汽车制造商的最新车型在秘密驾驶中的广告。坚固的自制航空装置曾在监狱内运送毒品和武器，甚至被用作遥控武器。

探测和禁用无人机

针对无人机的保护措施只能在探测到无人机后才能采取。为了有效对抗威胁，早期预警至关重要。大多数商用反无人驾驶飞行器（CUAV）系统可以阻断遥控发射器和无人机接收器之间的无线电链路，以防止飞行器穿透禁飞区；要做到这一点，必须禁用无线电通信。由于ISM频段充满了各种信号，挑战在于找到正确的信号。增强的CUAV技术可以探测商业无人机的活动，并自动对无人机信号的类型进行分类。它可以确定无人机的方向，它的飞行员，并根据命令，中断无线电控制链路，防止无人机到达目标。

大多数商用无人机是使用跳频扩频技术（FHSS）实现从遥控器到无人机的上行信号控制。另一个系列的无人机使用WLAN标准进行控制。从无人机传输到地面的信号（即下行链路）通常是FHSS、宽带或WLAN信号。为了探测无人机的无线电通信（RC）信号，需要高灵敏度的天线和监测接收机。在理想的条件下——无菲涅尔区、低噪声环境和符合CE标准的发射机——商用成品的遥控器可以被探测到最远7公里，而对于无人机可以被探测到5公里，例如DJI Phantom 4无人机。

一些CUAV系统使用雷达传感器进行探测；这些传感器需要与无人机保持视线传输（LOS）。其他传感器，如声学传感器，则受到范围和环境因素的限制。监测遥控链路是唯一能够在无人机开启时就被探测到的方法。由于无人机需要进行飞行前检查，甚至在无人机起飞前就可以识别遥控器活动。在这段时间内，遥控系统是活跃的，可以被探测到。有了这种早期预警，使用遥控器监测的CUAV系统相较任何其他多传感器CUAV系统提供了一个关键优势——更多的反应时间。同时，通过遥控器信号可以确定无人机飞行员的位置，使安保人员能够快速部署，有更大的机会找到并逮捕飞行员。

无人机探测雷达

由于无人机体积小、高度低、速度慢，可靠地探测到它对雷达来说是一个挑战。雷达传感器必须以极高的灵敏度快速进行大量扫描，消除鸟类等干扰性警报，并可靠地将无人机与地面目标区分开来（见图1）。在设计无人机探测雷达时，关键的设计考虑因素是：

•       雷达工作频率

•       扫描范围和响应时间

•       分辨率和环境考虑

•       分类能力

图1 使用R&S频谱分析仪分析一个雷达脉冲。

工作频率的确定要考虑传播效率、扫描的地形和环境、所需的探测范围和最小可探测的雷达截面。由于许多应用需要360度的方位覆盖，扫描要求的范围包括以高刷新率监测大的空间，以及照射接触点以进行分类和启动对抗措施。使用光学或音频等辅助传感器的进一步分类需要有关范围、方位和高度的准确信息，这往往需要复杂的三维能力。为了确定组件、模块或子系统的性能要求，适当的解决方案应涵盖所有相关的测量，如功率输出、天线辐射图、频谱发射模板、接口性能和微波信号发生器中锁相环的相位噪声。

使用遥控器探测无人机

为了利用FHSS控制的无人机的遥控信号进行探测，CUAV系统应将测量的信号与无人机配置文件库进行比较。通过自动在线跳频分析，系统可以识别信号参数，如脉冲宽度、符号速率和调制类型，从而实现对无人机的分类。有了这些，CUAV系统可以通过用"智能"的、合理的、低功率的对抗措施破坏控制信号，迫使无人机安全失控。一个宽带智能激励器可以有选择地只压制探测到的FHSS信号，破坏无人机的上行链路。对于WLAN控制的无人机，基于遥控器的CUAV系统使用扇形WLAN天线获取方向信息，可以破坏遥控器和无人机之间的WLAN链接。

其他CUAV解决方案使用宽带压制器，将功率延伸到整个频段。这需要很高的输出功率，并扰乱频段内的所有有效传输，而不仅仅是无人机的控制信号。

除了探测和压制无人机外，CUAV系统还应该提供测向信息：从遥控器上行信号的方向确认操作员的方向，从遥测或视频下行信号的方向确认无人机的方向。

探测和压制范围

对于无人机的探测，CUAV接收机接收到的遥控信号强度必须等于或大于接收机（Rx）的灵敏度或最低信噪比（SNR），即无人机探测的最低电平。信噪比取决于实际的射频环境并不断变化。例如，杂乱的射频环境将减小探测范围。为了对无人机类型进行分类，CUAV接收机必须收到一个最低的接收电平。这个最低电平专门用于识别无人机类型，并取决于遥控信号的FHSS调制和探测器感知到的整体噪声。图2说明了在最小噪声环境下的最大探测范围。在诸如城市这样的电磁噪声环境中，探测范围会大大降低（见图3）。

图2 无噪声的理论探测范围。

图3 带有噪声的理论探测范围，例如在城市环境中。

当无人机接收器处接收到的遥控信号强度大于最小接收电平时，无人机是可控的。如果压制信号也存在，并且大于无人机上的遥控信号功率——当压制与信号比（JSR）≥0dB时，无人机通常不再能被飞行员控制，不过这取决于遥控器的编码方案（见图4）。JSR越大，CUAV能禁用无人机的概率就越高。

图4 理论上的压制范围。

图5展示了使用符合CE标准的遥控无人机进行的压制测试，上行链路在2.4GHz频段。压制器使用一个功率放大器，用10米线缆连接到罗德与施瓦茨公司的UHF全向天线。评估了三种类型的干扰信号：宽带压制、无时间光栅探测器的智能压制和带有时间光栅探测器的智能压制。该图显示了三种情况下的压制率与放大器输出功率的关系，表明智能压制比宽带压制更有效。

图5 在2.4GHz ISM频段工作的符合CE标准的遥控器的压制率。

在推销其系统的有效性时，CUAV制造商经常声称有很远的覆盖范围和精确的压制距离；然而，这些数字并不精确。压制距离将取决于压制器的信号强度与无人机上行链路信号强度的比率，即JSR。在现实条件下，现场试验一再表明，CUAV系统供应商所宣称的覆盖范围往往是无法验证的。具有讽刺意味的是，声称覆盖范围相对较小的系统，如2公里，其性能往往与声称范围较大的系统相似，如15公里。什么是现实的探测范围？在某些情况下，系统会达到非常大的探测范围，这通常是CUAV系统技术规格中显示的数值。然而，这些"最佳情况"并不代表典型的农村或城市环境中所能达到的性能。环境条件，如射频噪声或地面的相对电容率会影响探测和压制范围。环境在不断变化，每次测量的探测和压制范围往往也会有所不同。

为了实现超长的探测距离，CUAV系统的接收天线应升高，CUAV接收天线和遥控器发射天线之间的地形应具有较低的相对电容率，如水温为0℃的淡水湖。第一、第二和第三菲涅尔区应无障碍物，射频环境应具有低噪声——热噪声和来自其他发射器的噪声。遥控信号频率应在低频段，信号应具有高输出功率，天线电缆应短。选择具有较高指向性的天线将增加天线增益。

部署CUAV系统

由于CUAV系统取决于应用环境，它们必须适应各种情况，以达到最佳的探测和压制范围。制造商公布的距离范围只说明了如何优化CUAV系统的应用。

在优化条件下，R&S ARDRONIS CUAV系统可以探测到7公里以外的遥控信号。由于较低的信噪比、非优化的天线位置和其他因素，在城市或农村环境中测量的探测范围较小。表1显示了几种环境和ARDRONIS系统在2.4GHz下可以探测到符合CE标准的遥控器输出信号的典型范围，比较了城市、农村和低噪声环境下无人机和CUAV之间的视线和非视线情况。R&S ARDRONIS系统使用宽带智能激励器对遥控传输进行压制，使用的是与探测到的无人机类型的信号相匹配的FHSS信号。其压制范围取决于遥控器的输出功率和系统的探测范围（见表2）。

确定多大的探测和压制范围对特定的应用来说是可以接受的，取决于以下考虑：

* 从探测到反应需要多少时间？越早发现无人机，越有时间做出反应。

* 探测到无人机后，需要采取什么行动？启动一个压制器是非常快的。然而，与安全人员一起找到并逮捕飞行员，则需要更多时间。

要求的预警时间越长，快速探测和压制就越重要。

结论

所有CUAV系统都受到物理定律的制约。探测范围由遥控器和CUAV系统的相对位置、遥控器的发射功率以及物理和射频环境决定。压制范围由无人机和CUAV系统的相对位置、压制器的发射功率以及（仍然是）环境决定。所需的探测和压制范围取决于CUAV系统的应用场景。在确定和部署CUAV系统之前，有必要对每种情况进行适当的规划。