2.4GHz频段民用无人机压制干扰研究

2019-04-19尚飞飞

数字通信世界 2019年3期

简晨，尚飞飞

（国家无线电监测中心陕西监测站，西安 712000）

1 引言

近年来，伴随民用无人机行业的迅猛发展，无人机“黑飞”现象频发，影响正常生产或生活，对无人机进行管控十分迫切。技术上的管控主要包括物理方法和无线电方法：物理方法利用导弹、激光武器、微波武器或物理捕捉等手段直接摧毁或捕获无人机；无线电方法利用无线电信号控制、干扰无人机的遥控信号或导航信号控制无人机或迫使无人机返航、降落[1]。

发射大功率宽带干扰信号压制无人机，使得无人机接收信号信噪比降低到门限以下，从而使其失控降落或返航，是无人机技术管控有效手段之一。而干扰信号频率、带宽和功率的确定是无人机技术管控需要明确的问题之一。本文主要对无人机2.4GHz控制信号进行研究，提出压制该频段信号的方法，并通过场外实成功迫使无人机降落。

2 无人机遥控2.4GHz频段跳频信号

无人机遥控链路主要使用2.4GHz的ISM（工业、科学和医疗）频率，通信方式为跳频通信。跳频通信为扩频通信的一种，根据香农公式：式中，C为信道容量；W为信号带宽；S为信号功率；N为噪声功率。信道容量C可以通过扩展频带宽W度来提高。扩频通信通过增加带宽的方法在较低信噪比情况下传输信息，从而提高系统的抗干扰能力。扩频通信抗干扰能力通过处理增益Gp来衡量。处理增益为传输信号的实际带宽W与所需的最小带宽B的比值：GP（dB）=10log（W/B）[2]。对于跳频信号来说，W/B为跳频信道个数n，因此跳频通信处理增益为10log2n。在某一时刻，跳频系统是窄带的，从整个时间观察，跳频信号在整个频段内跳变，跳频系统是宽带[3]。与窄带通信相比，接收系统正常工作时，跳频总带宽为W的系统接收干扰信号能力比最小带宽B传输系统大Gp。足够高功率的宽带信号覆盖整个频段时可干扰跳频系统[4]。

为确定处理增益Gp，采用实验直接测定2.4GHz频段跳频个数与跳频信号总带宽。实验选择无人机为大疆PHANTOM 4PRO，接收设备为KeySight频谱仪N9961A，利用MAX HOLD功能记录该频段内所有跳频信号。测量频谱图如图1所示，由图1可知，跳频信号在2403MHz-2480MHz频段共45个信道内不停跳变，占用带宽77MHz。因此处理增益为16.5dB。

图1 2.4GHz跳频信号

3 压制干扰实验

根据大疆无人机官网参数，实验用无人机2.4GHz频段EIRP为20dBm。压制信号源为安捷伦E4438C，利用外部生成IQ信号，导入信号源内，生成宽带信号，经过功放后发射。实验发射信号调制方式为QPSK，带宽80MHz，如图2所示。

发射天线采用2.3G-2.5GHz 频段定向螺旋天线，半功率波束宽度为30°，增益≥12dBi。在2.4GHz频段功放最大输出功率≥100W。该频段内同轴线及转接头插入损耗为2dB。

图2 80MHzQPSK信号

实验中，发射信号中心频率2445MHz。当带宽小于70MHz时，发射功率达最大，干扰效果不明显。宽带调制信号频率扫描模式下，不同驻留时间和扫描点数时，干扰效果均不明显。采用80MHz带宽发射时，干扰效果最好。与上一小节结论相符。

在遥控距离和干扰距离相等时，要达到1∶1的干信比，理论上输出功率可由以下公式计算：Po=P+Gp，其中Po为输出干扰功率，P为跳频信号功率。遥控距离d1和干扰距离d2不等时，根据自由空间传播损耗公式L（dB）=32.45+20lgf（MHz）+20lgd（km）可知，距离损耗之间的差值为20lg（d2/d1）dB。因此，不同遥控干扰距离比时，达到1∶1的干信比，理论输出功率应为Po=P+Gp+20lg（d2/d1）。

近距离实验时，控制点和干扰点保证在无人机接收天线主瓣方向内。控制距离为10m时，干扰距离分别为16m，20m，30m和40m；控制距离为30m时，干扰距离为30m。不同干扰距离和遥控距离比时，达到1∶1干信比，理论输出功率计算和实际无人机失控降落时EIRP列于表1。从表1可以看出，1∶1干信比时理论功率与无人机失控时实际EIRP相差3dB以内，实验结果与理论预测相近。

表1 近距离干扰测试数据

远距离实验时，选取三个固定点，与干扰点水平距离分别为343m、495m和696m，遥控无人机时使无人机自遥控点垂直向上飞，高度分为100m、150m和200m。此时无人机、遥控点和干扰点组成直角三角形，计算此时的干扰距离，列于表2。同样的，根据不同距离比，计算1∶1干信比时天线理论输出功率，记录无人机失控时的发射功率后计算对应的EIRP。由于远距离测试存在较多不确定因素，因此测试结果相差较大。去除掉误差过大的数据可知，1∶1干信比时理论功率与无人机失控时实际EIRP相差在7dB左右，且实际发射功率小于理论计算结果。与表1结果相比，达到同样压制效果，干扰信号的发射功率下降，原因一是由于遥控信号位于无人机正下方，处于无人机接收天线的主瓣之外；二是由于远距离测试存在不确定因素多。根据测试结果可知，在2.4GHz频段发射宽带高功率信号对无人机进行压制时，需要发射信号带宽覆盖整个跳频频段，发射功率应大于遥控功率Gp+20lg（d2/d1），使无人机接收端干信比接近1∶1。