消费级无人机控制信号分析及反制
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摘 要：消费级无人机违法违规或未经登记的飞行日益常见，本文通过对消费级无人机控制信号的分析，结合软件无线电技术，提出了结合干扰、阻断、诱骗的方法，实现对消费级无人机非法飞行的反制。
关键词：无人机;软件无线电技术;无线技术
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.24.070
1 引言
近年来，常见的消费级无人机，通常是多旋翼无人机，因优良的操控性能，目前普及率很高，而一些违法违规或未经登记的飞行，如在民航机场、大型集会现场、限制区域等场所的飞行，也带来较大的安全威胁。
本文通过对消费级无人机控制信号的分析，结合软件无线电技术，提出了结合干扰、阻断、诱骗的方法，实现对消费级无人机“黑飞”的反制。
2 消费级无人机控制信号分析
通过对目前市场上的各类无人机的分析，可以发现，无人机在飞行过程中，主要有三种信号：遥控数传信号、视频图像回传信号，有些无人机也具有GPS定位功能，使用了卫星定位导航信号。
消费级无人机使用的遥控数传信号大多使用900MHz、1.2GHz、2.4GHz、5.8GHz频段，并以2.4 GHz或者5.8 GHz的DSSS/FHSS混合双扩频方式或WiFi信号最为常见;无人机除了遥控飞行，还有一种模式是预设路径飞行模式，这时其需要利用GPS导航信号来自主控制飞行。
反无人机技术，主要的手段就是干扰或阻断其通讯链路，但由于其采用DSSS/FHSS混合双扩频方式，要想精确发现现场的无人机无线频谱特征是比困难的，本文采用软件无线电平台，通过软件可以将平台作为实时频谱仪来使用，并对被测试无人机和遥控器之间的无线通讯链路进行信号扫频，获得信号的频率、带宽和调制方式等等信息。
在实际测试中，对于采用以FHSS方式通信的链路，测试发现信号在不同的射频信道间，会以特定的跳变率跳变，并具有特定的突发脉冲持续时间和跳频码型，因此，通过这些特征数据，并以这些数据为基础，尝试建立其无线通讯指纹库，并通过最大相似度算法，来匹配相关特征，从而可以推定目标通讯的无线频段和频谱特征，并根据判定结果，采用不同的反制措施。
3 反制措施
大多数消费者无人机依靠GPS和无线电链接进行导航，如果切断链路，无人机将自动启动着陆程序作为安全措施。因此，当前的反无人机技术，除了直接摧毁的方法，更多地是通过信号干扰来阻断通信，或通过劫持无线电控制等方式来实现。
3.1 信号干扰
软件无线电平台，通过软件控制，可以产生30Mhz-6GHz的无线电信号，对于侦测到的目标无人机数传控制信号，根据其匹配的目标无线频谱指纹库，采用软件方式产生针对性的干扰信号，用定向天线向目标发射特定干扰信号或者大功率的全频段干扰信号，使无人机脱离操作者的控制，接收不到控制信号。
无人机在无法接收到控制信号的时候，它会根据预设的逻辑，要么返回到操作者身边，要么直接缓慢下落到地面，因此通过信号干扰的方式可以达到禁飞的目的。
但是大功率的干擾信号也常常会对周边形成强烈的电磁干扰，进而影响合法正常使用的设备运行，因此在采用这种方式时，应该尽量不封堵整个信道，而是根据目标信号的特征加入一些多余数据，从而使无人机无法接收到操作手的控制指令，达到阻断通信的目的。以FHSS为例，我们可以根据其跳变率，周期性地发射同信道的脉冲干扰，从而形成精确的定向阻断，并将对周边的电磁环境影响降至最低。
3.2 信号欺骗
对于具有GPS定位功能的无人机，在遥控起飞时，它会将起飞点的位置设定为遥控失联时的返航点，如果无人机是预设路径飞行模式，会全程根据GPS导航位置信息来飞行。
信号欺骗的原理，就是利用伪装的GPS信号来诱骗无人机，如果用GPS模拟器把自己伪装成卫星，发送一个虚假的信号给无人机GPS接收器，由于GPS模拟器所发送的信号远比太空中的卫星信号强，那么无人机的导航模块会接受到GPS 模拟器的信号而不是卫星的信号，从而构成一个GPS欺骗。
利用软件无线电平台，可以迅速扫描现场的所有GPS卫星信号，配合软件解算卫星信号，得到卫星导航电文文件和观测值文件并生成采样数据，这个采样数据可以根据需要修改并转换为信号发射出去来模拟出虚假的GPS信号，软件无线电平台在模拟GPS信号时，可以采用仅仅1575420000Hz信号， 这是默认的GPS L1信号频段;无人机GPS欺骗最高效的办法是高度欺骗和方向欺骗，例如模拟一个更高的海拔高度会使无人机快速下降，而模拟一个虚假的北极信号将使无人机向相反的方向飞行，从而达到控制其飞行线路的目的。
3.3 信号劫持
对于无人机控制信号，软件无线电平台在扫频时，如果控制信号是未加密的，可以很容易逆向分析无线遥控信号，提取其通讯代码特征;也可以根据扫频时得到的采样数据来和数据库中已知无人机的遥控型号匹配，并将软件无线电平台作为虚拟遥控器使用，向无人机发送控制信号来获得无人机的控制权。
4 结语
当前国内的反无人机技术还处在摸索阶段，本文尝试分析了目前消费级无人机的数传控制信号特征，并结合软件无线电技术，提出了结合干扰阻断、信号欺骗和劫持的方法来实现对消费级无人机非法飞行的反制。
参考文献：
[1]范建华，王晓波，李云洲.基于软件通信体系结构的软件定义无线电系统[J].清华大学学报（ 自然科学版），2011（08）.
[2] 景晓年，梁晓龙，张佳强，朱磊.无人机感知避让技术分析[J].火力与指挥控制，2017（04）.
作者简介：陈吉辉（1966-），女，四川自贡人，本科，副教授，教师，主要从事计算机应用及航空电子方面的研究、教学工作。
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