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到2025年,无人驾驶飞机系统(UAS)市场预计将增长到600亿美元以上,并且随着时间的流逝,由于这些通常难以检测的飞行器而造成的威胁的可能性只会增加。成功的以军事为重点的反无人机系统(c-UAS)解决方案今天可能会消除这些威胁,但这些威胁仍在继续发展。在可预见的未来,软件定义无线电(SDR)将继续在c-UAS解决方案中发挥关键作用。

无人驾驶飞机系统(也称为UAS或无人机)变得越来越小,越来越复杂,更不用说对于大量用户来说更实惠了。随着操作能力的提高,它们变得越来越快,而且只需最少的培训即可轻松操作。再加上它们能够在远程控制和视线之外访问任何区域,很容易理解为什么UAS正在成为国防和商业用户的首选资产。与许多其他技术支持设备一样,使无人机具有吸引力的好处也吸引了不良行为者,他们会利用它们进行不法行为。在坏人手中,UAS是一种不对称的威胁,因为个人进行大量破坏的成本和精力很低。

他们能够进入原本难以到达的区域,并且在被发现的风险相对较小的情况下这样做,已经在一些备受瞩目的安全漏洞中得到了强调:一个值得注意的是 2015 年未经授权降落在白宫草坪上,导致运输安全管理局 (TSA) 在华盛顿周围建立了一个七英里的“禁止无人机区”;另一起是2021年11月对伊拉克总理穆斯塔法·卡迪米(Mustafa al-Kadhimi)的暗杀企图,在此期间,一架装有爆炸物的无人机袭击了他的巴格达住所,另外两人被击落。无人机系统的扩散和复杂性的增加显然导致对反无人机系统(c-UAS)技术和方法的需求不断增长。

在讨论c-UAS的需求时,有多种部署场景至关重要,包括对飞机的干扰可能是灾难性的机场,无人机可以运送违禁品的监狱,当然还有军事/国防设施和战场,人员打算使用武力和平民保护。政府和市政当局一直在研究如何应对,并起草了联邦法规,为无人机的娱乐操作提供指导。除了“禁飞区”外,某些类别的无人机必须在FAA注册,并根据无人机的类别具有不同的操作要求。例如,美国联邦航空局《联邦法规》第107部分(通常称为小型UAS规则)概述了对重量小于55磅的无人机的要求。这涵盖了大多数业余爱好者以及许多商业应用。

在国防部(DoD)层面,有超过一千个针对UAS应用的个人研发计划。2019年,陆军部长被指定为国防部反小型无人机系统的执行代理,负责协调所有c-UAS活动。

“美国国防部反小型无人机系统(C-sUAS)战略”中指出的核心挑战是:“sUAS的指数级增长为该部门带来了新的风险。技术趋势正在极大地改变sUAS的合法应用,同时使它们在国家行为者、非国家行为者和犯罪分子手中越来越有能力成为武器。当由疏忽或鲁莽的操作员控制时,小型无人机也可能对国防部在空中、陆地和海上领域的操作构成危害。该部门必须在越来越多的sUAS将与国防部飞机共享天空的环境中保护和捍卫人员,设施和资产,在国防部设施的空域运行,并被我们国家的对手雇用。

通过集中开展这项活动,国防部认识到对快速变化的威胁做出统一和快速反应的重要性。即使监督无人机使用的法规不断发展,也不能依靠它们作为抵御无人机可能造成的潜在损害的第一道防线。需要开发C-UAS解决方案,并准备好应对当前和未来的空中威胁。

对于快速发展的c-UAS无线威胁形势,软件定义无线电(SDR)提供了理想的射频态势感知解决方案。SDR 中的软件可以远程重新配置和升级,从而有助于 c-UAS 解决方案面向未来。SDR 通常还覆盖较宽的射频频率范围,这一点至关重要,因为不同的 UAS 制造商倾向于使用不同的射频频率。用于c-UAS的SDR的好处很多,但在选择适合手头任务的SDR时,需要牢记关键因素。

通过射频传感检测无人机

典型的c-UAS解决方案至少涉及一种检测感兴趣空域中是否存在UAS的方法。一旦检测到,更先进的c-UAS解决方案将禁用或控制飞行器,以限制其可能造成的损害。

当今的c-UAS解决方案可以利用各种传感器输入来检测附近是否存在UAS,包括音频、视频RF传感。音频和视觉传感的成功操作距离都有限,这可能会限制实用性;当无人机可见或可听时,它已经足够近,足以造成重大损害。此外,如果仅考虑音频和视频手段,则击败UAS威胁的选择通常有限。

利用射频来感知和/或击败即将发生的UAS威胁具有显著的优势:根据设计,大多数无人机由远程操作员无线控制,通常距离无人机位置几英里,如图1所示。控制器和UAS之间可以使用多个RF数据链路来传递命令/控制消息,以及来自飞行器的数据馈送(通常是来自UAS的视频信号,显示在远程操作员的控制终端上)。这些来自UAS本身以及远程操作员控制终端的RF传输具有足够的信号强度,可以在通常几英里(或更远)的范围内运行。因此,还可以在类似的远距离内对UAS进行检测和/或击败,这比仅使用音频或视觉传感所能实现的距离要远得多。

UAS制造商使用一系列不同的射频频率和带宽来提供其命令/控制的传输以及飞行器和操作员之间的数据馈送,包括:

ISM 频段(在美国通常为 900 MHz、2.4 GHz 和 5 GHz)

无线网络频段(2.4 GHz 和 5 GHz)

4G LTE 蜂窝频段(600 MHz 至 3.8 GHz)

5G NR [新无线电] 蜂窝频段(600 MHz 至 3.8 GHz)

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100 MHz 和 6 GHz 之间的其他许可射频频谱

在某些情况下,这些射频命令/控制以及数据链路使用跳频以无人机和远程操作员控制终端之间商定的已知节奏从一个射频频率快速移动到下一个射频频率。这种结构有助于最大限度地减少对在相同免许可(或许可)频段中工作的其他RF信号的干扰。

用于命令/控制以及数据链路的数据传输协议也因无人机制造商而异。一些制造商使用相同的低成本Wi-Fi芯片组,这些芯片组支持当今商品电子设备中常见的标准802.11物理层和协议。其他公司,如大疆,则为其无人机使用专有的物理层和数据传输协议(某些系统中的Lightbridge或Lightbridge 2,或其系统的其他变体中的OcuSync)。利用射频的c-UAS解决方案需要能够准确检测和识别各种UAS命令/控制的信号以及附近运行的飞行器的数据链路。

用射频击败无人机

一旦检测到UAS并提供适当的警报,下一个问题是是否会对飞行器采取行动。对于基于射频的解决方案,“失败”或对策可以像射频干扰一样简单:通过在适当的无线电频段产生足够的射频能量,UAS可以变得无用。其他操作采用更优雅的技术,例如模拟和覆盖可疑飞行器的远程操作员发送的命令,可能会通过命令无人机立即着陆来使其丧失能力。请注意,传输RF信号,特别是在失败操作可能需要的较高功率水平下,通常受法规的约束,这些法规因系统部署的国家/地区而异。

将SDR用于c-UAS平台

当上市时间和降低风险是重要因素时,COTS [商用现货] SDR可以成为将c-UAS解决方案引入预期性能的重要加速器(图2)。一般来说,在为 c-UAS 探索合适的 SDR 解决方案时,需要考虑许多不同的因素,尤其是在探索需要从小型低功耗手持式 c-UAS 解决方案一直扩展到固定站点更大规模的 c-UAS 解决方案的 c-UAS 解决方案时。

[图2 |该图说明了SDR在c-UAS场景中的功能。

c-UAS的主要SDR功能

在评估 SDR 选项在 c-UAS 解决方案中的潜在用途时,可能无法立即看出哪些功能对于确保解决方案对当前和未来的 UAS 威胁都有效最为重要。以下部分概述了对成功进行c-UAS操作至关重要的关键SDR特征。当然,最终c-UAS解决方案的有效性也高度依赖于执行检测和/或破坏处理的更高级别的软件。从根本上说,SDR的功能有助于为c-UAS解决方案奠定功能基础。

尺寸、重量和功耗 (SWaP):c-UAS 解决方案的物理外形有助于围绕可能可行的一组潜在 SDR 解决方案提供初始边界框。电池供电的手持式c-UAS解决方案将专注于小物理尺寸和低功耗。同样,旨在由士兵或巡逻人员携带的manpack c-UAS解决方案将优先考虑解决方案的最终尺寸和重量。对于车载或静态固定站点解决方案,功率通常很充足,尺寸和重量明显不那么重要。通常,随着解决方案的功率和尺寸增加,可以实现功能和能力的增加。最终,不同的部署方案将需要不同的 SDR 解决方案,因此这种初始选择对于正确选择至关重要。

射频调谐范围和跳频:如前所述,UAS可以利用各种不同的射频频率进行命令/控制以及数据链路。为了使c-UAS解决方案能够检测这些飞行器的RF特征,它必须能够调谐到用于命令/控制以及数据链路的相同RF频率。通常,当前大多数UAS使用的RF频率范围在600 MHz和6 GHz之间。因此,SDR应该能够接收这些频段内的RF信号以进行检测。如果物体失败,则相同的SDR将需要能够在这些相同的RF频段中传输RF信号。

未来的UAS几乎肯定会继续扩大所使用的RF频段,从而使检测更具挑战性。快速扫描大范围的射频频谱以寻找UAS的明显射频特征的能力至关重要。同样,对于采用快速跳频快速从一个RF通道移动到下一个RF通道的UAS,SDR也必须能够执行相同的跳频操作,或者消耗UAS可能跳频进行数字后处理的整个RF通道。此操作使SDR能够跟上无人机发送的RF传输。

多个接收器:在多种部署方案中,拥有多个RF接收器可以帮助提高c-UAS解决方案的性能。在某些用例中,利用多个独立可调谐的RF接收器使一个RF接收器能够专注于接收/处理来自检测到的UAS的RF信号,而第二个RF接收器则扫描RF频谱以寻找其他威胁。此外,能够确定从UAS传输的RF信号的来源方向通常是有益的。确定RF信号到达角的最常用方法是在相位相干配置中使用多个RF接收器。当两个或多个RF接收器相位相干地工作时,可以计算出无人机发出的RF信号方向的合理估计。扩展到四个或更多接收器可以进一步提高此方向估计的准确性。

射频发射功率:预计会发生UAS失败操作的情况通常需要射频功率放大器来增加来自SDR的发射功率。射频信号必须具有足够的强度,不仅要以所需的远距离到达UAS,而且在干扰或覆盖来自远程操作员终端的实际命令/控制信号的情况下,功率可能需要明显高于操作员终端。大多数包含RF发射器的SDR发射的RF信号水平相当低,通常在0 dBm和+10 dBm之间(分别为1 mW和10 mW)。因此,需要一个外部RF功率放大器将该电平提升到适当的水平(通常在0.5W至5W的范围内,具体取决于用例)。

适用于c-UAS的SDR模块现已上市,既支持灵活的RF硬件,也支持软件/ FPGA[现场可编程门阵列]接口层,以跟上步伐,使c-UAS面向未来,应对未来的空中威胁。

审核编辑:郭婷

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