无人机安全飞行外部风险预测与防诱骗处理技术研究

李航，吴彦，赵敏，王艺超

1.空军装备部驻北京地区第一军事代表室

2.北京市信息技术研究所

3.95894部队

无人机安全飞行一直是设计者、生产者、使用者、管理者等关注的关键问题。影响无人机安全飞行的因素有很多，分为内部影响因素和外部影响因素。本文针对安全飞行外部风险预测，重点阐述无人机防诱骗处理关键技术，列出一些常用算法，作为下一步相关研究，以及提高无人机稳定性和安全性的理论参考。

任何无人机从起飞到降落的飞行全过程中，都可能出现安全问题，进而引起不同程度的损失，特别是大中型无人机的安全风险，一直受业界高度关注。

无人机安全飞行影响因素

总体来说，影响无人机安全飞行的因素可归纳为内部和外部两方面，内部因素主要包括无人机分系统等设备故障对无人机安全飞行造成的影响；由外部因素引起的事故，主要包括外部环境、其他设备、空中碰撞、信息安全或人为等因素对无人机飞行安全造成的影响，如通信干扰、诱骗、飞鸟撞击、任务规划不合理等造成的安全风险。本文主要介绍诱骗手段对无人机飞行安全的影响。

飞行操控是影响无人机飞行安全的重要因素

据不完全统计，美军“捕食者”无人机飞行事故中，多数是由于操控不当或系统问题而引起。国内外多数无人机飞行问题的分析表明，多数系统问题往往可以在地面合理处置，避免事故发生。例如，“捕食者”数据链故障导致飞行员误关发动机等问题。可以说，不合理操控和系统问题出现后的不当处理，是大多数飞行事故的诱因。为提高无人机安全性，减少事故发生，美军已大大加强了操控处理方面的研究力度，其中决策支持系统是最为有效的方法。美军无人机虽然战功卓著，但也事故频发。在过去一些时间，美军平均每年都会发生多起A级无人机事故,其中多数是因操控不当或系统问题而引起。比如，2011年8月17日，美军一架RQ-7“影子”无人机与美国空军特种作战部队的一架MC-130运输机在阿富汗上空相撞；2007年3月，美军一架“捕食者”在坎大哈空军基地着陆时坠毁见图1，事故原因是操控不当。所以开展无人机地面故障诊断技术研究、空中飞行操控辅助分析与决策研究，现实迫切且意义重大。

图1 “捕食者”无人机由于操控不当而坠毁。

无人机反制日益影响飞行安全

随着无人机的发展和实战应用，对无人机信号进行干扰和导航诱骗成为反无人机的重要手段，严重影响了无人机的飞行安全，当前主要包括以下几种无人机干扰与诱骗技术。

（1）卫星导航干扰与诱骗技术

卫星导航干扰技术按机制可分为压制式干扰、诱骗式干扰和分布式立体干扰。

压制式干扰是通过发射一定电平的干扰信号，压制卫星导航接收机前端的卫星导航信号，使卫星导航接收机接收不到卫星信号；

诱骗式干扰是通过发射与卫星导航信号相同的参数但信息码不同的假信号，使卫星导航接收机接收错误定位信息；

分布式立体干扰是指在地面和空中应用多部多种类干扰机进行全方位立体干扰。具体干扰形式多种多样，例如宽带高斯噪音、连续波、扫频连续波、脉冲连续波、窄带／宽带调频信号等。

（2）网络信号侵入与反侵入技术

高度智能化的无人系统往往被接入计算机网络，因此为破解其关键密码或协议创造了机会。视距或卫通链路信号很容易被接收，只要截获的数据样本足够大，在一段时间后总能被破解。此外，无人机地面控制站计算机往往防护不严密，使用键盘记录器之类的木马软件就可以截获无人机操作规律，分析出有用信息。

（3）任务载荷致盲技术

这种技术并不对无人机导航系统进行干扰，也不会对任何信息进行拦截，在设计系统时已经将“不会导致无人机坠落、不会致其死机或者任何违法行为”考虑在内。该系统甚至不会损害无人机光电设备，但使其拍摄不到目标，还能让操控员看到一些无关的影像。

（4）模拟传感器威胁能力的硬件设备

为了模拟敌方无人机可能搭载的传感器，美国某机构开发了一种综合性硬件设备。这种设备可以模拟包括具有热成像能力的光电/红外传感器设备，探测和分析其它传感器的通信信号，干扰武器系统等设备的威胁能力。对情报、监视与侦察（ISR）能力进行模拟和复制，使对抗敌方信号情报能力的效能评估试验变得可行。

无人机安全飞行外部风险预测与处理技术研究

无人机外部风险是指影响无人机飞行安全的外界因素所产生的安全隐患。下面对无人机防诱骗技术进行阐述和分析。

无人机防诱骗处理技术

（1）重要性

图2 无人机飞行面临信号干扰的威胁。

导航系统对无人机的飞行安全极为重要。当前无人机最主要的导航方式为惯性/卫星组合导航(INS/GNNS)，该方式综合了惯性导航（INS）和全球定位系统（GPS）的优势，通常可为无人机提供长时间、高精度定位与导航信息。但是，当GPS信号微弱或被其他设备干扰时，由于惯导具有误差随时间累积特性，组合导航的优越性得不到体现，造成较大误差。在特殊情况或战争期间，GPS有可能被人为关闭无法使用，甚至被敌人诱骗给出错误信息。2011年，美国无人侦察机RQ-170在执行任务途中被伊朗以GPS信号诱骗的方式“轻松”捕获，近年来曾发生GPS信号诱骗技术诱导无人机改变航向等事件，突显了提高无人机防诱骗处理技术的重要性和迫切性。

（2）实现无人机防诱骗需解决两个问题

一是检测无人机是否存在诱骗风险，判断当前有没有被诱骗；二是如果存在诱骗，采用何种措施确保无人机能够继续执行任务或者安全返航。

判断无人机是否被诱骗之前，需要先了解诱骗GPS的机理，当前GPS面临的安全威胁主要包括GPS干扰和GPS诱骗。顾名思义，GPS干扰就是对GPS接收机施加干扰信号，使GPS接收机无法接收到真实的GPS信号，从而无法获取位置信息和时间信息，此时GPS的异常情况比较容易判断，然后直接进入备用引导方式，确保无人机安全飞行；而GPS诱骗则是通过伪造或者重放GPS信号的方式，使GPS接收机接收伪造或者重放的 GPS信号，从而使GPS接收机解算出错误的位置和时间信息，这种情况比较严重，需要准确判断无人机是否被诱骗，然后采取相应措施。

目前，诱骗无人机的手段主要是通过篡改其GPS信号而实现。随着电子对抗技术的发展，GPS或北斗作为一种公开资源，易被操控和干扰的问题日益突出。根据GPS诱骗信息的分析，通常可考虑采用以下方法判断无人机导航信号是否受到诱骗攻击，一是记录并比较接收到的信号强度；二是记录并比较发送信号的卫星编号和卫星数目；三是记录并比较发送信号的精确时间；四是记录并比较接收机和其它来源的位置信息。

1）诱骗信号的产生方式

GPS诱骗信号的产生方式可分为转发式GPS诱骗和生成式GPS诱骗两类。转发式GPS诱骗，首先将真实的GPS信号接收下来后，经过延迟、功率放大后由干扰机发射天线向空中辐射，从而使GPS接收机解算出错误的位置和时间信息。

生成式GPS诱骗就是根据已经公开的GPS信号的信号结构、扩频码和调制方法以及加密和检验矩阵的算法，伪造出特定的GPS信号，然后根据要发射的诱骗点位置、GPS卫星的位置，推算出每个GPS信号从GPS卫星发出到被GPS接收机接收所需要的时延，在这些时延段发射各个GPS诱骗信号。当接收机收到GPS诱骗信号时，GPS接收机会根据三球定位原理解算定位方程，由于时延都已经被设计好，所以GPS 接收机就会受到诱骗。

转发式GPS诱骗实现难度较低，但灵活性较差；生成式GPS诱骗则可以根据需要生成特定的GPS信号，但实现难度较大。早期，由于转发式GPS诱骗的局限性以及生成式GPS 诱骗的实现成本较高，GPS诱骗技术并没有引起人们的重视。随着科学技术的发展，软件及无线电技术的发展和成熟，GPS诱骗技术成本和难度大幅降低。

2）防诱骗的导航方式

当检测到GPS信号受到诱骗时，可考虑利用无人机系统配备的其它辅助导航手段，校正惯导的漂移，实现可接受精度内的自主导航，确保无人机能够继续执行任务或者安全返航。景象匹配和地形匹配辅助导航属于主动导航方式，这两种导航方式在国内外被广泛研究，并用于美军多种巡航导弹和战斗机，其效果经受过实践检验，是一种应对卫星导航受到诱骗威胁的重要辅助手段。

景象匹配属于二维匹配，是基于地表敏感特征与地理位置之间的对应关系，实现导航定位的方式。具有定位精度高、自主性强等特点，适于平原、海面等地理形态起伏小的地区使用，成为组合导航中颇受重视的技术之一。近十多年以来，景象匹配辅助导航技术已成功应用于巡航导弹的中制导和未制导阶段，并取得显著成效。

根据景象辅助导航系统所利用的不同图像信息，匹配方法大致可分为基于灰度的匹配方法和基于特征的匹配方法。

基于灰度的匹配方法是通过比较两幅图像中像素点灰度的相似度来完成匹配。此方法无需对图像进行预处理，且尺寸较小、灰度变化不大的图像可达到亚像素级的匹配精度。主要存在的问题是，对于噪声及各种干扰十分敏感，抗几何变形能力差，因此其匹配定位精度和可靠性难以保证。

基于特征的匹配方法是通过提取图像的角点、直线、相交线、轮廓、曲率点、合成描述等特征，直接对特征进行匹配，因其不依赖于图像灰度，该方法已得到广泛应用。同时，一些学者对雷达与光学景象共性特征的提取与匹配算法进行研究，提出基于目标边缘特征的匹配算法、基于目标区域特征的匹配算法以及双特征粗精匹配算法。旋转与比例不变的点特征松弛匹配算法，在抗旋转与比例变化方面具有很好的有效性和可行性。此外，利用侧抑制竞争法进行图像边缘特征的提取，并结合SSDA算法的基本思想，能够实现基于边缘特征的快速景象匹配算法。

不论哪一类匹配算法，都是下面三种元素的不同选择组合，详见表1。

地形匹配技术是指利用地形高程特征进行定位的辅助导航手段。首先在已选好的航路上，选定若干个地形匹配区，进行量化后制成一张用数字表示的数字地图，预先存储在无人机飞控计算机内。当无人机飞临预设的地形匹配区上空时，其携带的电子设备通过测量、计算、比较，即可确定无人机偏离预设航线的偏差，根据偏差，机载计算机发出控制指令，执行机构即可修正航线、保持航向，其工作原理如图2所示。

通过地形匹配技术，利用地形信息对无人机惯性导航系统的累积误差进行校正，构成地形辅助导航 (Terrain-Aided Navigation，TAN)系统，具有自主性高、隐蔽性好、抗干扰能力强等特点，是弥补卫星导航系统抗干扰能力差、易被干扰、诱骗等缺陷的重要手段。到目前为止，国外已研究和开发了多种地形辅助导航系统，有几种系统已装备现役武器系统并在实战中得到成功检验。

TERCOM地形等高线匹配系统是一种已在“战斧”和空射巡航导弹上应用、并在实战中使用过的地形高度匹配系统。1958年美国E-系统（E-System）公司为超声速低空导弹开发了一种地形等高线匹配系统TERCOM。70年代初，美国空军与研制部门签订了一份合同，约定将这类系统装配于低空飞行的无人机。后来大量研究证实，在战略巡航导弹上使用TERCOM技术辅助惯性导航，具有可行性，极大增强了地形辅助导航系统用于飞机和导弹的信心。从那时起，E-系统公司一直在研究该系统，最后成功用于现代巡航导弹。1991年美国在海湾战争中使用“战斧”巡航导弹取得令世人瞩目的战果，“战斧”和多种型号的空射巡航导弹使用了TERCOM系统，这种地形高度匹配方法是最早被提出解决地形高度匹配问题的方法。

在70年代中期，美国桑地亚实验室提出桑地亚地形惯性辅助导航系统SITAN。SITAN系统适用于有人机和低空飞行的无人机。由于地形局部线性化的要求，SITAN系统开始工作时，要求INS的定位误差不能太大，一般要求小于200m。国外F-16战斗机在飞行试验中使用了SITAN系统。在SITAN算法的基础上，AFTI／SITAN系统进行了改进，它利用多状态扩展卡尔曼滤波器实现位置估值，并在上世纪80年代末安装于AFTI／F16战斗机，累计完成238架次、349h的飞行试验。飞行结果证明，该系统能在大的初始水平位置误差情况下，连续可靠地提供飞机位置估值，飞行结果定位径向误差为47m。

英国不列颠宇航公司（Bae）开发的地形剖面匹配系统TERPROM(Terrain Profile Matching)，是目前世界应用最广的一种地形辅助导航系统，已在4000多架美国F16战斗机上得到应用，一些北约喷气式战斗机如“幻影”2000、“阵风”、“鹞”式、“美洲豹”等飞机也使用该技术。

表1 匹配算法主要考虑的元素。

图3 地形匹配辅助导航原理示意图。