無人機衛星導航欺騙式干擾技術的發展現狀

易明疆,李晉徽,溫志津

(1.軍事科學院系統工程研究院,北京 100083;2.電磁空間認知與智能控制技術實驗室,北京 100191)

0 引 言

隨著許多國家逐漸將低空空域開放,加上開源飛控的發展使得無人機制作更加簡單,成本低廉,2005年之后,無人機進入發展高潮期,以“無人機”為主題的研究呈逐年增長態勢[1](如圖1所示)。學者曾預言2020年美國境內會超過15 000架無人機,但事實上,到 2015 年中期,無人機的月銷量已超過15 000架[2]。伴隨著無人機的高速發展,無人機在包括航空攝影、地質調查、交通測量、通信探測和貨物運輸等新興領域大放異彩[3]。

圖1 中國知網近年來以“無人機”為主題的中英文期刊發文量

但與此同時,無人機技術的高速發展和無人機數量規模的龐大造成了一定程度的監管難題[4],其中數量最龐大并已成為民用無人機主流的“低慢小”無人機(低飛行高度、慢速度以及小體積)[5]問題尤其突出。另外,大量“低慢小”無人機的操作員只是業余愛好者,并不知道無人機可能造成的潛在危險[6]。由此,無人機濫用、黑飛和惡意使用給國家安全帶來了諸多威脅,導致世界各國愈加重視反無人機技術研究工作,并產生了諸多無人機反制相關的技術體制。

無人機反制方式通常分為3類:摧毀技術、壓制式干擾技術、欺騙式干擾技術。摧毀技術無法保留完整的無人機,并且無人機墜落的過程中,還可能產生額外的傷害,導致應用場景十分有限[7]。壓制式干擾技術干擾效能較低,容易被敵方發現并摧毀,并且隨著頻域濾波技術、抗干擾天線技術、偽衛星技術、組合導航技術等抗干擾技術的應用,大大增加了壓制式干擾的難度[8-9]。欺騙干擾技術通過直接入侵目標接收機跟蹤環路來控制目標機的飛行路徑,沒有產生額外的損害。所以,欺騙干擾技術是無人機管制的理想解決方案。

欺騙式干擾技術的主要原理是通過劫持無人機的通信鏈路或導航鏈路來控制目標無人機。不論是通過衛星導航、無線網絡還是其他無線電控制誘導,都能很大程度上幫助解決無人機管制難的問題[10]。相比較而言,劫持衛星導航鏈路的欺騙(衛星導航欺騙)因其具有隱蔽性強、威脅性大的干擾特點,逐漸成為干擾技術研究的熱點之一[11]。衛星導航欺騙可以利用重放或制造欺騙信號來完全控制導航系統,以隱蔽欺騙的形式使接收機的定位錯誤,從而驅動無人機的軌跡[12]。欺騙一旦成功實施,所產生的后果無法估量,因此,需要對導航欺騙技術進行深入研究,確保其在反無人機應用中發揮相應功能。

由于全球定位系統(GPS)信號的開放性,導航欺騙主要集中在GPS欺騙上。GPS民碼缺乏認證機制,信號模擬器或低成本開源設備可以輕松模仿GPS信號[13]。并且由于GPS信號十分微弱(到達地球的信號功率約為-160 dBW),欺騙信號可以通過功率優勢提高接收機被捕獲的可能性,進而誤導目標接收機利用錯誤的偽距進行定位解算[14-15]。因此,目前所有的欺騙手段均只針對民用GPS信號展開[16-17]。

1 無人機衛星導航欺騙式干擾技術實施方式

近年來,成功實施無人機衛星導航欺騙式干擾的實例有很多:2011年12月,伊朗軍方誘捕了一架美國“哨兵”無人機(見圖2),這是全球電子戰中首次利用欺騙干擾技術捕獲敵方無人機的案例,轟動了世界[18]。2012年12月,伊朗革命衛隊在海灣水域再次捕獲一架美軍“掃描鷹”無人偵察機[19]。這也再次證明了伊朗使用的干擾方法的可行性。同年,美國軍方同樣利用欺騙式干擾技術,成功實驗了對無人機爬升和下落的控制。2013年,德克薩斯大學奧斯汀分校Humphreys 團隊于“白玫瑰”號游艇上進行了 GPS 欺騙實驗,成功將該游艇誘騙至與原始航線偏離1 km的位置。

圖2 美國RQ-170“哨兵”無人機

無人機衛星導航欺騙的本質是使欺騙信號代替GPS信號進入被控無人機接收機,使得解算出的虛假位置進入無人機控制環路,從而達到控制機體的目的。根據工作原理,導航欺騙的實施可分為轉發式導航欺騙和生成式導航欺騙。其主要原理如圖3所示。

圖3 轉發式/生成式欺騙干擾原理圖

1.1 轉發式欺騙干擾

轉發式欺騙干擾通過轉發GPS信號來增加導航信號的傳播時延,控制產生功率放大后的欺騙信號,使得一定區域內接收機接收到欺騙信號,進而測得錯誤偽距,實現錯誤定位,以此實現干擾[20-22]。

1.2 生成式欺騙干擾

基于GPS民用信號結構都是公開透明的特點,生成式欺騙干擾可以直接復制信號的射頻載波、C/A碼和導航數據比特,通過改變這些參數的值,使得接收機解算出錯誤的導航定位結果[23-25]。

2 無人機衛星導航欺騙式干擾技術研究現狀

轉發式欺騙對設備要求較簡單,但為保持目標接收器的鐘差穩定,轉發時延必須為正,這就對欺騙位置有一定的限制,降低了轉發式欺騙的使用價值[26]。生成式欺騙可以自主地發射欺騙GPS信號,并且可以添加正負均可的時延,自由度及靈活性較好。生成式欺騙干擾的干擾效果更好,因為其干擾方式不會使接收機產生任何錯誤警報[27]。由于生成式欺騙技術成熟,產生的欺騙位置靈活,目前所使用技術大多基于生成式欺騙技術。針對無人機的導航欺騙技術,最新研究主要聚焦于無人機誘導技術研究、組合導航欺騙研究和欺騙隱蔽性研究3個方面。

2.1 無人機衛星導航欺騙誘導技術研究

無人機誘導技術是無人機導航欺騙的基礎問題,主要解決欺騙中控制過程對欺騙路徑的影響問題,是研究欺騙實施效果的“藍圖”和“范本”,主要分為誘導策略研究、控制研究和軌跡研究。

2.1.1 誘導策略研究

無人機導航欺騙的目的是引導無人機進入指定區域。因此,在導航欺騙工程實現過程中,選擇合適的欺騙策略,建立欺騙信號與無人機運動之間的映射關系是非常重要的。

(1) 利用“禁飛區”的誘導策略

在工程實現方面,導航欺騙策略已被整合入多種反無人機系統之中。其中相對最容易實現的誘騙策略是給無人機施加“禁飛區”的信號誘騙其降落?！敖w區”的欺騙方案缺點也很明顯:若無人機本身不預設禁飛區則不受影響,或誘騙的禁飛區位置與前一時刻所處位置相差過大,則自檢機制不會接受誘騙信號。

因此,為對大多數無人機進行欺騙,國內外相關研究都集中在對使用欺騙信號來誘導無人機運動的方案進行研究。借助定位偏移,逐步拉偏無人機飛行軌跡,最終將無人機誘導至特定位置和軌跡。其基本誘導策略模型主要有懸停狀態下的誘導策略和直線飛行狀態下的誘導策略。

(2) 懸停狀態下的誘導策略

在懸停狀態下,無人機會根據當前位置與懸停點的位置差,朝向懸停點修正飛行。在當前位置后方發送虛假位置可引導無人機飛向前方誘騙位置,具體原理示意如圖4所示。

圖4 無人機懸停誘騙模型

(3) 直線飛行狀態下的誘導策略

在直線飛行狀態下,無人機會從當前位置朝向目的點進行飛行。在確定無人機的目的點后,通過發送多個虛假位置,逐次改變無人機飛行方向達到拉偏的目的,原理如圖5所示。

圖5 無人機直線飛行誘騙模型

Li M等提出了一種用于計算無人機誤導位置的欺騙策略:利用接收機輸出的位置和速度的控制誤差,來設定逐步欺騙位置[28]。根據誘導模型原理,He D等通過簡易的GPS信號模擬系統進行欺騙攻擊,位置欺騙信號通過自適應算法不斷產生,使無人機成功向指定位置移動[29]。Ma C等根據欺騙信號對接收環路影響的穩定距離區間來設定欺騙起始點的作用范圍,并根據飛行步長逐步修正航線[30],如圖6所示。

圖6 一種根據接收環路穩定性設置的欺騙策略

2.1.2 誘導控制研究

欺騙策略需結合誘導控制模型進行欺騙。欺騙干擾的核心目的是使欺騙影響進入到無人機控制環路,達到控制量偏移的目的。誘導控制研究就是探究偏移量在控制環路的轉移機理。需要說明的是,進行誘導控制研究時,通常結合無人機飛行控制閉環模型進行研究。其主要研究欺騙信號進入無人機飛行控制系統后無人機的響應過程。

欺騙控制量進入飛行控制系統后,在環路中逐級產生影響:在飛控規劃路徑后,依次影響期望位置、期望速度、期望姿態、期望推力及反饋的整個控制環路[31]。其主要原理如圖7所示。

圖7 無人機飛行控制邏輯框架圖

環路中的控制主要以PID控制為主[32],相關研究圍繞基于控制算法實施欺騙展開。2014年,奧地利理工大學的Daniel P.Shepard等構建了一個連續時間線性系統模型,來探討捕獲后控制的動力學問題。使用比例導數(PD)控制器跟蹤實際軌跡的位置和速度,外環產生姿態和推力指令,內環產生控制面指令來跟蹤外環指令的姿態,得出GPS欺騙不會影響內環性能的結論[33]。

2.1.3 誘導軌跡研究

誘導軌跡是誘導控制的外部表現,是導航欺騙效果的直接體現。近年來,導航軌跡的研究集中在如何隱蔽拉偏軌跡和利用合適軌跡跟蹤算法完成需求任務。

2015年,徐成勛認為要想讓無人機準確到達目標點,必須知道無人機目標的位置、引導方向和航路點[34]。

2021年Ma C等基于胡蘿卜追逐算法、非線性導引律、純追擊與視線算法和矢量場算法4種路徑跟蹤算法分別建立了欺騙路徑規劃模型,提出了欺騙稀疏搜索算法。建立由欺騙信號決定的無人機搜索空間模型[35],如圖8所示。

圖8 隨機代價下SSAS算法的應用

2.2 無人機組合導航欺騙研究

針對組合導航的欺騙研究是近年來又一研究重點。無人機利用組合導航技術來增強在各種環境下的導航可靠性,其中較為常見的是GPS導航系統和慣性導航系統(INS)組成的組合導航系統,其原理如圖9所示。慣性導航系統是一個具有隱蔽性強、獨立性較高以及抗干擾能力較強等優點的導航系統,但其誤差會隨著時間而累加[36]。組合導航可以很好地結合GPS和INS的優點,克服二者的不足:一方面,GPS可改善INS的誤差累加現象;另一方面,INS具備短期精度高的特點,保證GPS接收機在GPS信號弱或是受到干擾時正常工作[37]。無人機組合導航系統的引入增大了實施導航欺騙的難度;并且,在檢測欺騙攻擊方面,對于配備了慣性導航系統的無人機對位置變化的動態響應更加敏感[38]。

圖9 GPS/INS組合導航結構

2.2.1 欺騙影響研究

組合導航的欺騙需要綜合考慮慣性導航對導航結果的估計和反饋作用,需要結合卡爾曼濾波器研究欺騙信號注入后對于組合導航定位的影響。2018年,Liu Y等以組合導航系統的卡爾曼濾波為重點分析了欺騙干擾對組合導航系統的影響,發現在欺騙攻擊下,估計的慣性傳感器偏差不再可靠[39]。

2.2.2 欺騙策略研究

欺騙策略主要結合欺騙的輸入控制來進行效果上的研究。2019年,Guo Y等發現當欺騙信號的加速度分量為無人機當前加速度與欺騙控制輸入之間的差值時,GPS/INS組合導航的無人機可以被隱蔽欺騙[40]。

2.3 無人機衛星導航欺騙隱蔽性研究

GPS/INS組合導航是無人機抗欺騙的一種有效手段,所以對于GPS/INS組合導航的欺騙,就需要考慮在告警門限下欺騙的問題,即隱蔽性欺騙研究。無人機組合導航的告警門限主要來源于GPS系統和慣性導航系統之間的數據融合分析。慣性導航系統提供的姿態信息以及角速度信息,可利用GPS提供的全時段高精度位置信息來修正系統的各項誤差參數,以此來提高虛假定位的告警率;與此同時有利于 GPS 接收機提高天線定向操縱性,幫助它快速鎖定可見衛星。二者的相互作用促使復合導航系統性能和抗欺騙能力達到最優化。

其中,無人機多采用歸一化新息平方檢測進行導航欺騙檢測,主要原理是通過無人機組合導航系統估計的無人機狀態與接收到的衛星導航信號之間的協方差(新息協方差NIS)是否超過正常誤差范圍閾值(預警限)來檢測受欺騙程度。相關研究主要圍繞閾值下的欺騙動力學及欺騙軌跡等進行。

2.3.1 欺騙狀態量變化研究

首先是探究預警限的約束下欺騙狀態量變化范圍。其目的是在此約束條件下的狀態量變化范圍內,設計的欺騙策略同樣不會突破預警限。2011年,蘇黎世聯邦理工學院的研究人員研究了欺騙信號功率、定時和位置精度不同的情況下接收機預警限下的最小位置精度[41]。2011年Humphreys團隊研究了欺騙過程中預警限的動力學問題,通過發出一系列欺騙信號來采集無人機接收后做出位置偏離變化的加速度和速度值。根據以上信息,便可使用其極限值來規劃無人機的欺騙軌跡[42]。

2.3.2 欺騙實施條件研究

其次是隱蔽條件下的欺騙實施條件探究。2014年,伊利諾伊理工學院的研究人員表明,如果完全了解無人機的飛行軌跡,欺騙信號有可能在不被自檢監視器發現的情況下進行較大位置誤差的欺騙[43],如圖10所示。

圖10 欺騙、估計及實際軌跡示意圖

2.3.3 欺騙策略研究

最后是隱蔽條件下的欺騙策略的研究。2017年,Humphreys團隊重點研究了欺騙規劃軌跡的預警限,得出沿交叉航線軌跡多個傳感器可能會引起預警,而沿航跡偏離的欺騙策略引起響應可能性相對較小的結論[44]。2019年,Liu Y等基于NIS檢測證明了對斜坡型故障剖面的有效性,以及在某些欺騙場景下測量平均優于新息平均的優勢[45]。

2.4 現狀總結與不足分析

根據上述關于無人機導航欺騙干擾技術的發展情況分析可知:近年來,各研究機構對該領域的研究熱度較高,并相繼產出了一定的研究成果,但是目前還存在如下不足之處亟待解決:

(1) 部分領域研究不足。對于組合導航模式下的欺騙方法考慮不足,目前只有美國德克薩斯州立大學對松耦合的組合導航方式有一定的研究,對于基于深耦合和緊耦合的組合導航方式下的欺騙研究相對較少甚至空缺。

(2) 缺乏欺騙的評價指標。缺少對導航欺騙控制的量化評價指標,很多學者更加偏重于研究分析欺騙攻擊成功的精度要求和目的要求,如拉偏角度、新息檢測量度、欺騙軌跡擬合程度等。但是對于實施代價和欺騙程度的量化標準考慮不足,目前缺乏量化指標體系對其成功性進行評價。

(3) 欺騙效果不夠精確。大部分研究機構都涉獵了導航欺騙中無人機被欺騙后的動力學模型及相關欺騙路徑跟蹤的問題,并沒有基于欺騙策略研究組合導航無人機接受誤差的容忍度和魯棒性,沒有對無人機多模式做自適應研究,沒有基于無人機飛控規劃原理進行欺騙。

(4) 缺乏欺騙研究的驗證環境。大部分仿真均為策略和單個模型的實驗室數值仿真,缺少基于實際飛控在環的導航欺騙策略的全機模型可視化仿真。

3 無人機衛星導航欺騙式干擾技術的未來發展展望

結合該領域中衛星導航欺騙式干擾技術的不足之處,期待其在以下方面形成突破:

(1) 適應最新的無人機技術體制和作戰形態

近年來,基于多種組合導航形式的無人機導航技術迅速發展,隨之而來的就是導航欺騙的難度不斷加大。衛星導航欺騙相關研究應當盡快適應新的無人機技術體制,提高成功干擾的概率。加強發展基于多種組合導航、與慣導的深組合及緊組合的導航欺騙研究。探究適應多種組合導航形式的無人機導航欺騙策略以適應對抗的需要。同時,蜂群作戰是無人機的最新作戰形式,應當加大適應對抗蜂群欺騙的相關研究力度,研究制定適合對抗蜂群的多無人機欺騙策略,力求達到適應大規模集群的無人機導航對抗作戰需求,突破數量,形成實戰能力。

(2) 形成實際化和精準性的針對欺騙策略

無人機導航系統和飛行控制系統聯系緊密。導航欺騙不能只關注導航的引導作用,還需更多關注導航引導下飛行控制對于無人機的影響作用,根據一系列的連鎖控制作用來進行欺騙的規劃和設計,才能做到有的放矢,精準掌控。針對飛行控制做欺騙效果方面的研究,可以提高欺騙的精準性和提升實際軌跡效果。同時,在實際欺騙模擬中,導航欺騙策略應當考慮同時適應不同慣導精度、雷達引導精度、欺騙信號精度、無人機多模態飛行模式,并且應當考慮實際地形及天氣等對于導航欺騙策略的影響作用。

(3) 建立從實施到評價的欺騙驗證模型體系

建立合適的欺騙評價指標體系,定量定性描述無人機導航欺騙的實施效果,在統一的體系中評估各項導航欺騙對抗策略的效能。同時,建立形成欺騙體系化的整套裝備實機模擬策略驗證仿真系統。依靠單一的導航欺騙干擾技術很難達到理想效果,所以需要結合目標識別與跟蹤、無線電偵察、欺騙信號控制等多項科研技術,建立導航欺騙在環仿真系統及實機欺騙驗證系統,為實機的欺騙驗證做以鋪墊。

4 結束語

隨著以無人機為主的智能化無人戰場的不斷演進,以衛星導航欺騙式干擾技術作為無人機反制手段的研究受到越來越多的關注,成為各研究機構和眾多研究人員重點研究的課題。本文梳理了導航欺騙研究的三大熱點,即無人機衛星導航欺騙誘導技術、無人機組合導航欺騙技術及無人機衛星導航欺騙隱蔽性技術。結合導航欺騙實施的相關技術原理、各研究機構研究現狀及不足之處,對未來無人機導航欺騙發展趨勢進行展望,期望能夠對未來無人機衛星導航欺騙式干擾技術領域的發展起到一定的啟示作用,達到真正有效全面管制無人機和打贏未來無人化戰爭的目的。