消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)控制信號(hào)分析及反制

摘 要：消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)違法違規(guī)或未經(jīng)登記的飛行日益常見(jiàn)，本文通過(guò)對(duì)消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)控制信號(hào)的分析，結(jié)合軟件無(wú)線電技術(shù)，提出了結(jié)合干擾、阻斷、誘騙的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)非法飛行的反制。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī);軟件無(wú)線電技術(shù);無(wú)線技術(shù)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.24.070

1 引言

近年來(lái)，常見(jiàn)的消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)，通常是多旋翼無(wú)人機(jī)，因優(yōu)良的操控性能，目前普及率很高，而一些違法違規(guī)或未經(jīng)登記的飛行，如在民航機(jī)場(chǎng)、大型集會(huì)現(xiàn)場(chǎng)、限制區(qū)域等場(chǎng)所的飛行，也帶來(lái)較大的安全威脅。

本文通過(guò)對(duì)消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)控制信號(hào)的分析，結(jié)合軟件無(wú)線電技術(shù)，提出了結(jié)合干擾、阻斷、誘騙的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)“黑飛”的反制。

2 消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)控制信號(hào)分析

通過(guò)對(duì)目前市場(chǎng)上的各類無(wú)人機(jī)的分析，可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中，主要有三種信號(hào)：遙控?cái)?shù)傳信號(hào)、視頻圖像回傳信號(hào)，有些無(wú)人機(jī)也具有GPS定位功能，使用了衛(wèi)星定位導(dǎo)航信號(hào)。

消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)使用的遙控?cái)?shù)傳信號(hào)大多使用900MHz、1.2GHz、2.4GHz、5.8GHz頻段，并以2.4 GHz或者5.8 GHz的DSSS/FHSS混合雙擴(kuò)頻方式或WiFi信號(hào)最為常見(jiàn);無(wú)人機(jī)除了遙控飛行，還有一種模式是預(yù)設(shè)路徑飛行模式，這時(shí)其需要利用GPS導(dǎo)航信號(hào)來(lái)自主控制飛行。

反無(wú)人機(jī)技術(shù)，主要的手段就是干擾或阻斷其通訊鏈路，但由于其采用DSSS/FHSS混合雙擴(kuò)頻方式，要想精確發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)人機(jī)無(wú)線頻譜特征是比困難的，本文采用軟件無(wú)線電平臺(tái)，通過(guò)軟件可以將平臺(tái)作為實(shí)時(shí)頻譜儀來(lái)使用，并對(duì)被測(cè)試無(wú)人機(jī)和遙控器之間的無(wú)線通訊鏈路進(jìn)行信號(hào)掃頻，獲得信號(hào)的頻率、帶寬和調(diào)制方式等等信息。

在實(shí)際測(cè)試中，對(duì)于采用以FHSS方式通信的鏈路，測(cè)試發(fā)現(xiàn)信號(hào)在不同的射頻信道間，會(huì)以特定的跳變率跳變，并具有特定的突發(fā)脈沖持續(xù)時(shí)間和跳頻碼型，因此，通過(guò)這些特征數(shù)據(jù)，并以這些數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，嘗試建立其無(wú)線通訊指紋庫(kù)，并通過(guò)最大相似度算法，來(lái)匹配相關(guān)特征，從而可以推定目標(biāo)通訊的無(wú)線頻段和頻譜特征，并根據(jù)判定結(jié)果，采用不同的反制措施。

3 反制措施

大多數(shù)消費(fèi)者無(wú)人機(jī)依靠GPS和無(wú)線電鏈接進(jìn)行導(dǎo)航，如果切斷鏈路，無(wú)人機(jī)將自動(dòng)啟動(dòng)著陸程序作為安全措施。因此，當(dāng)前的反無(wú)人機(jī)技術(shù)，除了直接摧毀的方法，更多地是通過(guò)信號(hào)干擾來(lái)阻斷通信，或通過(guò)劫持無(wú)線電控制等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.1 信號(hào)干擾

軟件無(wú)線電平臺(tái)，通過(guò)軟件控制，可以產(chǎn)生30Mhz-6GHz的無(wú)線電信號(hào)，對(duì)于偵測(cè)到的目標(biāo)無(wú)人機(jī)數(shù)傳控制信號(hào)，根據(jù)其匹配的目標(biāo)無(wú)線頻譜指紋庫(kù)，采用軟件方式產(chǎn)生針對(duì)性的干擾信號(hào)，用定向天線向目標(biāo)發(fā)射特定干擾信號(hào)或者大功率的全頻段干擾信號(hào)，使無(wú)人機(jī)脫離操作者的控制，接收不到控制信號(hào)。

無(wú)人機(jī)在無(wú)法接收到控制信號(hào)的時(shí)候，它會(huì)根據(jù)預(yù)設(shè)的邏輯，要么返回到操作者身邊，要么直接緩慢下落到地面，因此通過(guò)信號(hào)干擾的方式可以達(dá)到禁飛的目的。

但是大功率的干擾信號(hào)也常常會(huì)對(duì)周邊形成強(qiáng)烈的電磁干擾，進(jìn)而影響合法正常使用的設(shè)備運(yùn)行，因此在采用這種方式時(shí)，應(yīng)該盡量不封堵整個(gè)信道，而是根據(jù)目標(biāo)信號(hào)的特征加入一些多余數(shù)據(jù)，從而使無(wú)人機(jī)無(wú)法接收到操作手的控制指令，達(dá)到阻斷通信的目的。以FHSS為例，我們可以根據(jù)其跳變率，周期性地發(fā)射同信道的脈沖干擾，從而形成精確的定向阻斷，并將對(duì)周邊的電磁環(huán)境影響降至最低。

3.2 信號(hào)欺騙

對(duì)于具有GPS定位功能的無(wú)人機(jī)，在遙控起飛時(shí)，它會(huì)將起飛點(diǎn)的位置設(shè)定為遙控失聯(lián)時(shí)的返航點(diǎn)，如果無(wú)人機(jī)是預(yù)設(shè)路徑飛行模式，會(huì)全程根據(jù)GPS導(dǎo)航位置信息來(lái)飛行。

信號(hào)欺騙的原理，就是利用偽裝的GPS信號(hào)來(lái)誘騙無(wú)人機(jī)，如果用GPS模擬器把自己偽裝成衛(wèi)星，發(fā)送一個(gè)虛假的信號(hào)給無(wú)人機(jī)GPS接收器，由于GPS模擬器所發(fā)送的信號(hào)遠(yuǎn)比太空中的衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)，那么無(wú)人機(jī)的導(dǎo)航模塊會(huì)接受到GPS 模擬器的信號(hào)而不是衛(wèi)星的信號(hào)，從而構(gòu)成一個(gè)GPS欺騙。

利用軟件無(wú)線電平臺(tái)，可以迅速掃描現(xiàn)場(chǎng)的所有GPS衛(wèi)星信號(hào)，配合軟件解算衛(wèi)星信號(hào)，得到衛(wèi)星導(dǎo)航電文文件和觀測(cè)值文件并生成采樣數(shù)據(jù)，這個(gè)采樣數(shù)據(jù)可以根據(jù)需要修改并轉(zhuǎn)換為信號(hào)發(fā)射出去來(lái)模擬出虛假的GPS信號(hào)，軟件無(wú)線電平臺(tái)在模擬GPS信號(hào)時(shí)，可以采用僅僅1575420000Hz信號(hào)， 這是默認(rèn)的GPS L1信號(hào)頻段;無(wú)人機(jī)GPS欺騙最高效的辦法是高度欺騙和方向欺騙，例如模擬一個(gè)更高的海拔高度會(huì)使無(wú)人機(jī)快速下降，而模擬一個(gè)虛假的北極信號(hào)將使無(wú)人機(jī)向相反的方向飛行，從而達(dá)到控制其飛行線路的目的。

3.3 信號(hào)劫持

對(duì)于無(wú)人機(jī)控制信號(hào)，軟件無(wú)線電平臺(tái)在掃頻時(shí)，如果控制信號(hào)是未加密的，可以很容易逆向分析無(wú)線遙控信號(hào)，提取其通訊代碼特征;也可以根據(jù)掃頻時(shí)得到的采樣數(shù)據(jù)來(lái)和數(shù)據(jù)庫(kù)中已知無(wú)人機(jī)的遙控型號(hào)匹配，并將軟件無(wú)線電平臺(tái)作為虛擬遙控器使用，向無(wú)人機(jī)發(fā)送控制信號(hào)來(lái)獲得無(wú)人機(jī)的控制權(quán)。

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前國(guó)內(nèi)的反無(wú)人機(jī)技術(shù)還處在摸索階段，本文嘗試分析了目前消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)的數(shù)傳控制信號(hào)特征，并結(jié)合軟件無(wú)線電技術(shù)，提出了結(jié)合干擾阻斷、信號(hào)欺騙和劫持的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)非法飛行的反制。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：陳吉輝（1966-），女，四川自貢人，本科，副教授，教師，主要從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用及航空電子方面的研究、教學(xué)工作。