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01引言

無人機發展起步于軍事領域，上世紀90年代以后，在軍事應用上取得了突飛猛進的發展。進入本世紀以來，隨著技術的不斷成熟與進步，無人機開始向小型化、低空化、簡單化、低技術化、低成本化方向發展，憑借站得高、看得遠，飛得快、行進無障礙，適應能力強、改裝方便等優勢，迅速在民用領域獲得青睞。

但是，迅速普及的無人機熱潮使得違規飛行的猖獗現象，嚴重干擾了國家空防警戒系統正常秩序，造成國家人力、物力和財力的重大浪費，也對國家重點要害部位防護、首都日常防空、軍民航飛行安全和社會安全穩定帶來前所未有的挑戰。因此研制無人機偵測及反制裝備，制定合理的規范實現有效監管，實現非法無人機的捕獲，讓無人機有序發展成為目前亟待解決的難題。

02無人機偵測技術

無人機偵測技術主要通過聲音識別、光電識別、雷達探測以及電磁波探測實現。有效的偵測可以實現無人機的定位，從而實現無人機的反制及管控。

2.1 聲音識別

無人機在飛行時，其電機工作和旋翼震動均會產生一定程度的噪聲，該噪聲主要分布在0.3k~20kHz的范圍內。無人機聲音識別是通過識別該噪聲來發現和偵測無人機，主要有“音頻指紋”和聲波陣列接收兩種方式。

“音頻指紋”識別無人機：每個無人機都有一個獨一無二的“音頻指紋”——螺旋槳的旋轉聲。通過麥克風探測上空可疑區域，記錄下幾處地點的音頻噪聲，將探測到的音頻與記錄了所有無人機音頻的數據庫進行匹配，便可以辨識出是否為無人機的聲響。“音頻指紋”識別不僅能夠檢測無人機來自何處，而且能檢測出無人機的類型。“音頻指紋”識別技術需要在數據庫囊括所有無人機的聲響，包括一些軍用和自制無人機的聲響，才能降低誤報率。該方法可偵測的有效距離一般在200米以內，只有個別產品識別距離可達到1千米。

聲波陣列接收識別無人機：采用聲陣列接收空中飛行的無人機發出的聲信號并進行處理，可以實現目標的分類識別。無人機的聲音信號具有如下的特征：時域上為連續信號，頻域上為一系列逐漸衰減的線譜;該線譜的基波分量與無人機的轉速成正比關系。采用基于高靈敏度聲——電信號轉換探頭、多通道高速采集處理卡，應用多點相關運算和數據融合處理等技術，可以建立一套基于聲學原理的，采用多孔徑協同運算技術的聲音探測系統，實現對無人機目標聲音信號的快速發現。該方法可靠發現及跟蹤距離約在200米左右。

2.2 可見光/紅外探測

可見光/紅外探測是利用可見光或目標的熱紅外反射進行無人機探測，采用超視距、高變倍、高清、透霧的可見光攝像機和紅外熱成像儀傳感器組合，融合先進的DOE光學紅外熱像點目標跟蹤探測技術、高清激光掃描面目標圖像識別算法技術、萬次微脈沖高精度伺服驅動光電轉臺技術，使其可在常規模式下監控的同時對低空、低速飛行的小型無人機進行探測、分類和跟蹤，對需要進行監控的區域進行全天候、全空間的視頻探測與監視。對微型無人機的作用距離可達2千米。

可見光/紅外探測可捕獲各種型號的無人機，能夠實現全天候、實時化、可視化的監控管理。無人機由于體積小，其紅外輻射特征低，使得通過紅外探測的發現距離大大縮短，在抗激光探測上，無人機更易采取如吸波、透射、導光等材料，減少激光反射及外形隱身設計等，使得可見光/紅外探測更加困難。

2.3 雷達探測

雷達探測是應用現有2D/3D機械或電掃描雷達技術，利用電磁波在經過不同傳輸介質時產生反射波現象來實現對無人機目標的偵測。為與無人機的RCS面積相匹配，通常采用S、X、Ku波段的雷達，需要配合光學或其他系統實現對無人機目標的飛行監測。雷達探測受到低空仰角限制的影響，需要有較強的地面雜波抑制能力。針對一些低空目標多采用結構簡單、部署方便、利用率高的氣球載雷達探測。

雷達發現不受無人機類型的影響，有效探測距離可達到數千米。但現代無人機一般都是由塑料泡沫、輕木及復合材質構成，這此材料具有透波特性，使其具有低可探測性。另外，無人機自身的雷達散射面積非常小，加之飛行速度慢，造成的多普勒效應不明顯，降低了被雷達探測的距離和發現概率，存在低空探測盲區大，回波小且弱，容易與氣象干擾、雜波干擾相混淆。無人機在實際飛行中離地面只有幾十到幾百米，地面雷達很難對其實施遠距離探測和跟蹤。

圖1 雷達探測

2.4 無線電磁頻譜監測

無人機與地面遙控者通過遙控系統和圖像傳輸系統進行通信，遙控負責把操作者的指令傳達給無人機，圖像把相機的取景畫面、飛行數據等信息傳到操作者的屏幕上。兩個系統都是采用不同頻率的無線電進行傳送。無人機遙控通常采用2.4G頻率的信號進行操作指令傳輸，無人機利用衛星導航飛行時，數傳模塊會將飛行相關信息(如位置、自身狀態、電量信息等)回傳至地面控制端，以確保飛行安全。因此，利用無線電監測設備，發現無人機的數傳和圖傳鏈路信號，從而實現對無人機目標發現。

通過無線電磁頻譜監測的方式適用于各種類型的無人機，可安裝在任何需要控制的區域，允許7×24小時的無間隔監控和記錄。另外，可以捕捉隱藏在建筑物、工廠和樹木間的無人機信號，有效偵測到無人機操作者。現有典型監測系統具備對無人機的有效監測發現能力：2.4GHz的控制信號，偵測范圍約1-2km;433/ 868/920MHz的數傳信號，有效偵測范圍約2-3km;5.8GHz的圖傳信號，偵測范圍約1km。但如果無人機目標不發射無線電信號處于“靜默”狀態，將無法使用電磁頻譜方法進行有效發現。

圖2 無線電磁頻譜監測

03無人機反制技術

傳統的航空器在飛行過程中，為了滿足對運載體的飛行狀態進行測量的需要，其內部裝有自由度陀螺儀以及加速度計等傳感器，稱之為慣性導航的自主式導航系統。自由度陀螺儀用來測量運載體的轉動運動狀態，其內置的加速度計用來測量運載體的平移運動狀態。利用安裝在運載體中的慣性原件(如加速度計)來測量運載體本身的加速度，經過積分和運算得到速度和位置，從而達到對運載體導航定位。計算機根據測得的加速度信號計算出運載體的速度和位置數據。在此基礎上，當前的無人機利用卡爾曼濾波技術，結合諸如GPS、北斗以及GLONASS等衛星導航系統，可獲得較慣性導航精度更高的飛行狀態反饋信息，地面上控制者籍此獲取無人機的飛行狀態。

針對上述無人機的工作特點可知，為了阻斷無人機的飛行，可以采用針對性的管制與阻斷措施：

(1)針對遙控飛行時下，對無人機的控制鏈路進行阻斷與管控，以破壞地面控制者遙控無人機入侵受保護或受限制飛行區域的企圖;

(2)針對無人機巡航飛行時的GPS、北斗以及GLONASS等衛星導航系統的阻斷與管控，以阻止無人機獲取自身當前位置狀態，進而破壞無人機巡航狀態。

在發現無人機后，為了有效的控制無人機終止既定飛行，考慮采用無線電信號壓制手段，對其進行攔截。對其信號壓制主要從以下兩個方面著手研究：

第一、壓制數據鏈路控制信號。在無人機通過地面端遙控飛行的模式下，地面控制端主要通過數據鏈路向無人機發送遙控指令，從而完成相應的飛行動作。因此，在該情況下，通過現有壓制手段，對其控制數據鏈路信號進行大功率阻塞干擾壓制，可使無人機失去與地面控制端聯系，從而使其不能正常飛行。本次試驗中主要針對前述中針對433MHz頻段、900MHz頻段、2.4GHz頻段三個常用頻段展開信號壓制試驗。

第二、壓制衛星導航信號。無人機導航系統向無人機提供參考坐標系的位置、速度、飛行姿態，引導無人機按照指定航線飛行。無人機如失去導航信號將產生漂移、無法平穩飛行甚至墜毀的現象。因此，考慮利用無線電管制設備，對無人機衛星導航系統進行大功率信號壓制干擾，使其無法正常工作，從而使飛行中的無人機失去正常飛行的狀態。

3.1 無人機遙控信號管控

控制其鏈路信號，可以采用欺騙式方法，例如，禁飛區欺騙阻斷鏈路信號，發射禁飛區經緯度的偽GPS信號，促使無人機原地降落;或向無人機發射航線方向上極端坐標的GPS，將無人機沿反方向驅離。

遙控信號的強度遠大于GPS信號，但由于遙控接收天線的主瓣方向必須朝向地面，所以不能像GPS天線那樣對地面干擾提供隔離。目前，遙控發射機已經普遍采用跳頻、擴頻技術，而且跳頻參數還可以自適應，具有一定的抗干擾能力。在計算需要的干擾大小時，必須已知跳頻、擴頻的參數才能得到準確的結果。可選用的干擾手段包括暴力噪聲干擾、阻塞干擾和瞄準干擾等。

3.1.1 暴力噪聲干擾

遙控發射機仍按上述參數，假設管控系統位置距離無人機為100米，天線增益為3dB，如果采用相關的干擾，需要的干擾功率與遙控發射功率接近，即0.1W以上。如果遙控信號存在跳頻措施，而干擾者除了頻帶范圍之外，并不知道這些措施的任何參數，只能用噪聲進行全頻帶暴力覆蓋，那么所需功率將有所提高。通常來說，至少需要提升30dB(亦即100W)。這無疑提高了壓制設備的實現成本;同時，壓制設備功率過大亦可能會影響其它正常的無線電通信。

如果遙控信號的跳頻范圍是2405~2495MHz，而管控系統位置不知道跳頻參數，那么就只好用噪聲進行全頻帶覆蓋，而遙控信號功率集中，當它的總功率電平比干擾的總功率電平小的時候，依然可能在局部比干擾電平高不少，從而不受干擾影響。目前先進的遙控器已經能夠根據干擾的情況自動調整跳頻頻率，所以對于采用跳頻的遙控器，窄帶強干擾效果不佳。

3.1.2 阻塞干擾

阻塞干擾，是指位于通信信道之外的，超過接收機電路的承受能力，能夠導致接收機對正常信號的處理能力降低的干擾。

采用擴頻、跳頻技術有利于對抗噪聲干擾，但并不能提高接收機的阻塞電平。相反，由于必須具備較寬的前級，更容易發生阻塞。這里，阻塞電平的定義是：位于接收機瞬時通帶之外的，使接收靈敏度壓縮6dB所需要的干擾電平。

民用接收機為了提高靈敏度，通常天線信號經簡單的濾波以后就進入低噪放和混頻器。從省電考慮，這些電路不能采用大功率器件，他們的動態范圍是比較小的，通常只需提供-20dBm左右的干擾信號，即使干擾頻率與接收頻率有一個小的偏差，也能使接收靈敏度降低6dB。這時，-20dBm就是該接收機的阻塞電平。如果干擾進一步增強，接收機將完全收不到有用信號。如果接收機前級沒有適當的限幅電路，更強的干擾能將其燒毀。

3.1.3 瞄準干擾

瞄準干擾是根據被干擾信號的瞬時頻率和開機時間施放的針對性干擾。窄帶數傳或跳頻信號在任意瞬間的頻率是確定的，干擾只需要針對這些頻率，而不需要覆蓋所有可能跳到的范圍。這將大大節省干擾功率。對于單純的直接序列擴頻，通常不定義瞄準干擾。偵察接收機持續的監聽可能的通信頻段，將數據送給計算機。當計算機發現遙控器的信號以后，立即把需要施放干擾的參數告訴干擾發射機，使干擾發射機開始發射。當經過一段時間(例如1毫秒)，讓干擾暫停，偵察接收機繼續搜尋遙控信號，如果遙控信號繼續存在或變更頻率，則把新的參數告訴發射機，再次啟動干擾。如果遙控信號消失，則停止干擾。讓接收機與發射機分開布置，可以偵察和干擾同時進行。

這種干擾的好處是沒有信號則不放干擾，而且干擾電平很小，環境友好程度高。如果遙控信號未經擴頻，通常使接收電平等大或略大一點即可。如果是擴頻信號，由于擴頻增益不高，通常也只需要大20dB以內。功率的設定可根據遙控信號的瞬時帶寬而定，帶寬大的時候適當提高一些。不論頻率、帶寬都可以被偵察接收機測定，如果技術允許，還可以測定調制方式，并對某些信號(比如管控系統位置附近的WIFI信號)鈍感。

3.2 無人機導航信號管控

無人機在飛行時，會利用衛星導航信號確定自身位置，從而實現自身狀態穩定、調整飛行方向、回傳位置狀態等功能。目前，較為新型的無人機導航模塊已經可以實現美國GPS衛星導航系統、俄羅斯GLONASS衛星導航系統以及中國的北斗衛星導航系統的兼容，同時利用三種導航系統進行定位;年代較早的無人機至少會采用GPS衛星導航系統進行定位。由于GPS的適用性和使用率最高，以下即以GPS為例對無人機導航信號管控的所需的電平水平進行數學推算。

GPS信號十分微弱，在地面附近已低于自然本底噪聲。采用常用的3-6dB增益的無源天線在開闊地接收，其總接收電平最高可達約-120dBm。民用GPS信號是頻率1575MHz，2.046MHz帶寬的擴頻信號，擴頻增益43dB，按6dB考慮。通常，無論采用何種干擾手段，只要電平足夠大都能產生一定的干擾效果，但由于擴頻增益太高，部分頻帶干擾的效益很差。在容易實現的方式中，全頻帶噪音干擾較有優勢，滿足如下條件時誤碼率高于10%：

(1)干擾信號的帶寬等于或大于2.046MHz，覆蓋GPS信號的整個頻帶。

(2)干擾信號經GPS天線接收后，其總功率電平要高于-83dBm。

從管控角度考慮，無人機目標使用自動預設路線模式飛行時，如能阻斷其接收衛星導航信號，則將無法按預訂路線飛行;采用遙控模式飛行時，根據實驗結果，阻斷其衛星導航信號可以使其喪失維持自身穩定的能力，一旦遇到空中氣流影響則很難進行穩定飛行。因此，對衛星導航信號實施管控的適應性和可實現性更強，考慮到較為新型的無人機導航模塊已經可以實現GPS、GLONASS及北斗系統的兼容，同時利用三種導航系統進行定位，因此對衛星導航信號的管控也應同時考慮這三種模式。

3.3 對下行圖傳和遙測信號的干擾

這部分干擾與對遙控信號的干擾沒有本質的區別，不同之處是攻防態勢更加不利于管控系統位置。由于干擾的對象是操縱者的接收機，一般而言管控系統位置與操縱者的距離大于或接近于無人機與操縱者的距離。另外，無人機至少有幾十米到數百米高度，信號傳播條件比位于地面的管控系統位置要好得多，操縱者還可以使用定向天線瞄準無人機，甚至使用可自動調零的天線對干擾信號產生隔離。

04非法無人機捕獲

通過借助能夠飛翔的鳥類、機載懸掛的捕獲網，可以實現非法無人機的捕獲。

4.1 老鷹捕獲

荷蘭警方正在與一家名為Guard from Above的公司進行合作，讓老鷹來捕捉違規無人機。這是一家來自和荷蘭的猛獸訓練機構。荷蘭警方想要對老鷹這種猛禽進行特殊的訓練，并且其靈活的身手和極快的飛行速度來對付無人機。老鷹的本能是捕捉天空中飛行的鳥類，這也會讓其在空中捕捉無人機，然后將其帶到遠離人群的安全區域。據悉，這項測試將會持續幾個月的時間，經過多次老鷹捕獲無人機實驗后，荷蘭警方訓練了一批老鷹用以捕獲無人機。

4.2 無人機捕獲

美國密歇根大學較早地進行了使用機載懸掛捕獲網的無人機來捕獲無人機的實驗。日本政府受此啟發，專門成立了“反無人機小分隊”。這個小分隊的工作，就是對付東京上空那些違規飛行的無人機。但是這個小分隊的目標并不是將這些無人機擊落，而是要“抓活的”。他們給警方的無人機配備了一個簡單的捕捉網，在空中將違規無人機捕獲，然后安全返回地面。2016年4月，日本警方使用無人機型號為DJI Spreading Wings 900，他們在下面添加了一個捕捉網，來捕獲民用無人機。據稱，東京警方計劃在2017年2月之前，投入使用10架這樣的無人機，來保證重要政府建筑周邊上空的安全。

05結論

本文通過無人機偵測技術和無人機反制技術兩個方面介紹了無人機探測和反制的原理和方法，同時介紹了非法無人機捕獲的方法，通過對這些偵測、反制裝備技術的研究開發，可以提高公共場所及涉密場所對無人機入侵的防御能力，保護人民財產安全。