利用SDR進行反無人機系統 應用

到2025年，無人駕駛飛機系統（UAS）市場預計將增長到600億美元以上，并且隨著時間的流逝，由于這些通常難以檢測的飛行器而造成的威脅的可能性只會增加。成功的以軍事為重點的反無人機系統（c-UAS）解決方案今天可能會消除這些威脅，但這些威脅仍在繼續發展。在可預見的未來，軟件定義無線電（SDR）將繼續在c-UAS解決方案中發揮關鍵作用。

無人駕駛飛機系統（也稱為UAS或無人機）變得越來越小，越來越復雜，更不用說對于大量用戶來說更實惠了。隨著操作能力的提高，它們變得越來越快，而且只需最少的培訓即可輕松操作。再加上它們能夠在遠程控制和視線之外訪問任何區域，很容易理解為什么UAS正在成為國防和商業用戶的首選資產。與許多其他技術支持設備一樣，使無人機具有吸引力的好處也吸引了不良行為者，他們會利用它們進行不法行為。在壞人手中，UAS是一種不對稱的威脅，因為個人進行大量破壞的成本和精力很低。

他們能夠進入原本難以到達的區域，并且在被發現的風險相對較小的情況下這樣做，已經在一些備受矚目的安全漏洞中得到了強調：一個值得注意的是 2015 年未經授權降落在白宮草坪上，導致運輸安全管理局 （TSA） 在華盛頓周圍建立了一個七英里的“禁止無人機區”;另一起是2021年11月對伊拉克總理穆斯塔法·卡迪米（Mustafa al-Kadhimi）的暗殺企圖，在此期間，一架裝有爆炸物的無人機襲擊了他的巴格達住所，另外兩人被擊落。無人機系統的擴散和復雜性的增加顯然導致對反無人機系統（c-UAS）技術和方法的需求不斷增長。

在討論c-UAS的需求時，有多種部署場景至關重要，包括對飛機的干擾可能是災難性的機場，無人機可以運送違禁品的監獄，當然還有軍事/國防設施和戰場，人員打算使用武力和平民保護。政府和市政當局一直在研究如何應對，并起草了聯邦法規，為無人機的娛樂操作提供指導。除了“禁飛區”外，某些類別的無人機必須在FAA注冊，并根據無人機的類別具有不同的操作要求。例如，美國聯邦航空局《聯邦法規》第107部分（通常稱為小型UAS規則）概述了對重量小于55磅的無人機的要求。這涵蓋了大多數業余愛好者以及許多商業應用。

在國防部（DoD）層面，有超過一千個針對UAS應用的個人研發計劃。2019年，陸軍部長被指定為國防部反小型無人機系統的執行代理，負責協調所有c-UAS活動。

“美國國防部反小型無人機系統（C-sUAS）戰略”中指出的核心挑戰是：“sUAS的指數級增長為該部門帶來了新的風險。技術趨勢正在極大地改變sUAS的合法應用，同時使它們在國家行為者、非國家行為者和犯罪分子手中越來越有能力成為武器。當由疏忽或魯莽的操作員控制時，小型無人機也可能對國防部在空中、陸地和海上領域的操作構成危害。該部門必須在越來越多的sUAS將與國防部飛機共享天空的環境中保護和捍衛人員，設施和資產，在國防部設施的空域運行，并被我們國家的對手雇用。

通過集中開展這項活動，國防部認識到對快速變化的威脅做出統一和快速反應的重要性。即使監督無人機使用的法規不斷發展，也不能依靠它們作為抵御無人機可能造成的潛在損害的第一道防線。需要開發C-UAS解決方案，并準備好應對當前和未來的空中威脅。

對于快速發展的c-UAS無線威脅形勢，軟件定義無線電（SDR）提供了理想的射頻態勢感知解決方案。SDR 中的軟件可以遠程重新配置和升級，從而有助于 c-UAS 解決方案面向未來。SDR 通常還覆蓋較寬的射頻頻率范圍，這一點至關重要，因為不同的 UAS 制造商傾向于使用不同的射頻頻率。用于c-UAS的SDR的好處很多，但在選擇適合手頭任務的SDR時，需要牢記關鍵因素。

通過射頻傳感檢測無人機

典型的c-UAS解決方案至少涉及一種檢測感興趣空域中是否存在UAS的方法。一旦檢測到，更先進的c-UAS解決方案將禁用或控制飛行器，以限制其可能造成的損害。

當今的c-UAS解決方案可以利用各種傳感器輸入來檢測附近是否存在UAS，包括音頻、視頻和RF傳感。音頻和視覺傳感的成功操作距離都有限，這可能會限制實用性;當無人機可見或可聽時，它已經足夠近，足以造成重大損害。此外，如果僅考慮音頻和視頻手段，則擊敗UAS威脅的選擇通常有限。

利用射頻來感知和/或擊敗即將發生的UAS威脅具有顯著的優勢：根據設計，大多數無人機由遠程操作員無線控制，通常距離無人機位置幾英里，如圖1所示。控制器和UAS之間可以使用多個RF數據鏈路來傳遞命令/控制消息，以及來自飛行器的數據饋送（通常是來自UAS的視頻信號，顯示在遠程操作員的控制終端上）。這些來自UAS本身以及遠程操作員控制終端的RF傳輸具有足夠的信號強度，可以在通常幾英里（或更遠）的范圍內運行。因此，還可以在類似的遠距離內對UAS進行檢測和/或擊敗，這比僅使用音頻或視覺傳感所能實現的距離要遠得多。

UAS制造商使用一系列不同的射頻頻率和帶寬來提供其命令/控制的傳輸以及飛行器和操作員之間的數據饋送，包括：

ISM 頻段（在美國通常為 900 MHz、2.4 GHz 和 5 GHz）

無線網絡頻段（2.4 GHz 和 5 GHz）

4G LTE 蜂窩頻段（600 MHz 至 3.8 GHz）

5G NR ［新無線電］ 蜂窩頻段（600 MHz 至 3.8 GHz）

100 MHz 和 6 GHz 之間的其他許可射頻頻譜

在某些情況下，這些射頻命令/控制以及數據鏈路使用跳頻以無人機和遠程操作員控制終端之間商定的已知節奏從一個射頻頻率快速移動到下一個射頻頻率。這種結構有助于最大限度地減少對在相同免許可（或許可）頻段中工作的其他RF信號的干擾。

用于命令/控制以及數據鏈路的數據傳輸協議也因無人機制造商而異。一些制造商使用相同的低成本Wi-Fi芯片組，這些芯片組支持當今商品電子設備中常見的標準802.11物理層和協議。其他公司，如大疆，則為其無人機使用專有的物理層和數據傳輸協議（某些系統中的Lightbridge或Lightbridge 2，或其系統的其他變體中的OcuSync）。利用射頻的c-UAS解決方案需要能夠準確檢測和識別各種UAS命令/控制的信號以及附近運行的飛行器的數據鏈路。

用射頻擊敗無人機

一旦檢測到UAS并提供適當的警報，下一個問題是是否會對飛行器采取行動。對于基于射頻的解決方案，“失敗”或對策可以像射頻干擾一樣簡單：通過在適當的無線電頻段產生足夠的射頻能量，UAS可以變得無用。其他操作采用更優雅的技術，例如模擬和覆蓋可疑飛行器的遠程操作員發送的命令，可能會通過命令無人機立即著陸來使其喪失能力。請注意，傳輸RF信號，特別是在失敗操作可能需要的較高功率水平下，通常受法規的約束，這些法規因系統部署的國家/地區而異。

將SDR用于c-UAS平臺

當上市時間和降低風險是重要因素時，COTS ［商用現貨］ SDR可以成為將c-UAS解決方案引入預期性能的重要加速器（圖2）。一般來說，在為 c-UAS 探索合適的 SDR 解決方案時，需要考慮許多不同的因素，尤其是在探索需要從小型低功耗手持式 c-UAS 解決方案一直擴展到固定站點更大規模的 c-UAS 解決方案的 c-UAS 解決方案時。

［圖2 |該圖說明了SDR在c-UAS場景中的功能。

c-UAS的主要SDR功能

在評估 SDR 選項在 c-UAS 解決方案中的潛在用途時，可能無法立即看出哪些功能對于確保解決方案對當前和未來的 UAS 威脅都有效最為重要。以下部分概述了對成功進行c-UAS操作至關重要的關鍵SDR特征。當然，最終c-UAS解決方案的有效性也高度依賴于執行檢測和/或破壞處理的更高級別的軟件。從根本上說，SDR的功能有助于為c-UAS解決方案奠定功能基礎。

尺寸、重量和功耗 （SWaP）：c-UAS 解決方案的物理外形有助于圍繞可能可行的一組潛在 SDR 解決方案提供初始邊界框。電池供電的手持式c-UAS解決方案將專注于小物理尺寸和低功耗。同樣，旨在由士兵或巡邏人員攜帶的manpack c-UAS解決方案將優先考慮解決方案的最終尺寸和重量。對于車載或靜態固定站點解決方案，功率通常很充足，尺寸和重量明顯不那么重要。通常，隨著解決方案的功率和尺寸增加，可以實現功能和能力的增加。最終，不同的部署方案將需要不同的 SDR 解決方案，因此這種初始選擇對于正確選擇至關重要。

射頻調諧范圍和跳頻：如前所述，UAS可以利用各種不同的射頻頻率進行命令/控制以及數據鏈路。為了使c-UAS解決方案能夠檢測這些飛行器的RF特征，它必須能夠調諧到用于命令/控制以及數據鏈路的相同RF頻率。通常，當前大多數UAS使用的RF頻率范圍在600 MHz和6 GHz之間。因此，SDR應該能夠接收這些頻段內的RF信號以進行檢測。如果物體失敗，則相同的SDR將需要能夠在這些相同的RF頻段中傳輸RF信號。

未來的UAS幾乎肯定會繼續擴大所使用的RF頻段，從而使檢測更具挑戰性?？焖賿呙璐蠓秶纳漕l頻譜以尋找UAS的明顯射頻特征的能力至關重要。同樣，對于采用快速跳頻快速從一個RF通道移動到下一個RF通道的UAS，SDR也必須能夠執行相同的跳頻操作，或者消耗UAS可能跳頻進行數字后處理的整個RF通道。此操作使SDR能夠跟上無人機發送的RF傳輸。

多個接收器：在多種部署方案中，擁有多個RF接收器可以幫助提高c-UAS解決方案的性能。在某些用例中，利用多個獨立可調諧的RF接收器使一個RF接收器能夠專注于接收/處理來自檢測到的UAS的RF信號，而第二個RF接收器則掃描RF頻譜以尋找其他威脅。此外，能夠確定從UAS傳輸的RF信號的來源方向通常是有益的。確定RF信號到達角的最常用方法是在相位相干配置中使用多個RF接收器。當兩個或多個RF接收器相位相干地工作時，可以計算出無人機發出的RF信號方向的合理估計。擴展到四個或更多接收器可以進一步提高此方向估計的準確性。

射頻發射功率：預計會發生UAS失敗操作的情況通常需要射頻功率放大器來增加來自SDR的發射功率。射頻信號必須具有足夠的強度，不僅要以所需的遠距離到達UAS，而且在干擾或覆蓋來自遠程操作員終端的實際命令/控制信號的情況下，功率可能需要明顯高于操作員終端。大多數包含RF發射器的SDR發射的RF信號水平相當低，通常在0 dBm和+10 dBm之間（分別為1 mW和10 mW）。因此，需要一個外部RF功率放大器將該電平提升到適當的水平（通常在0.5W至5W的范圍內，具體取決于用例）。

適用于c-UAS的SDR模塊現已上市，既支持靈活的RF硬件，也支持軟件/ FPGA［現場可編程門陣列］接口層，以跟上步伐，使c-UAS面向未來，應對未來的空中威脅。

審核編輯：郭婷