李航，吳彥，趙敏，王藝超

1.空軍裝備部駐北京地區(qū)第一軍事代表室

2.北京市信息技術(shù)研究所

3.95894部隊

無人機安全飛行一直是設(shè)計者、生產(chǎn)者、使用者、管理者等關(guān)注的關(guān)鍵問題。影響無人機安全飛行的因素有很多，分為內(nèi)部影響因素和外部影響因素。本文針對安全飛行外部風(fēng)險預(yù)測，重點闡述無人機防誘騙處理關(guān)鍵技術(shù)，列出一些常用算法，作為下一步相關(guān)研究，以及提高無人機穩(wěn)定性和安全性的理論參考。

任何無人機從起飛到降落的飛行全過程中，都可能出現(xiàn)安全問題，進而引起不同程度的損失，特別是大中型無人機的安全風(fēng)險，一直受業(yè)界高度關(guān)注。

無人機安全飛行影響因素

總體來說，影響無人機安全飛行的因素可歸納為內(nèi)部和外部兩方面，內(nèi)部因素主要包括無人機分系統(tǒng)等設(shè)備故障對無人機安全飛行造成的影響；由外部因素引起的事故，主要包括外部環(huán)境、其他設(shè)備、空中碰撞、信息安全或人為等因素對無人機飛行安全造成的影響，如通信干擾、誘騙、飛鳥撞擊、任務(wù)規(guī)劃不合理等造成的安全風(fēng)險。本文主要介紹誘騙手段對無人機飛行安全的影響。

飛行操控是影響無人機飛行安全的重要因素

據(jù)不完全統(tǒng)計，美軍“捕食者”無人機飛行事故中，多數(shù)是由于操控不當(dāng)或系統(tǒng)問題而引起。國內(nèi)外多數(shù)無人機飛行問題的分析表明，多數(shù)系統(tǒng)問題往往可以在地面合理處置，避免事故發(fā)生。例如，“捕食者”數(shù)據(jù)鏈故障導(dǎo)致飛行員誤關(guān)發(fā)動機等問題?？梢哉f，不合理操控和系統(tǒng)問題出現(xiàn)后的不當(dāng)處理，是大多數(shù)飛行事故的誘因。為提高無人機安全性，減少事故發(fā)生，美軍已大大加強了操控處理方面的研究力度，其中決策支持系統(tǒng)是最為有效的方法。美軍無人機雖然戰(zhàn)功卓著，但也事故頻發(fā)。在過去一些時間，美軍平均每年都會發(fā)生多起A級無人機事故,其中多數(shù)是因操控不當(dāng)或系統(tǒng)問題而引起。比如，2011年8月17日，美軍一架RQ-7“影子”無人機與美國空軍特種作戰(zhàn)部隊的一架MC-130運輸機在阿富汗上空相撞；2007年3月，美軍一架“捕食者”在坎大哈空軍基地著陸時墜毀見圖1，事故原因是操控不當(dāng)。所以開展無人機地面故障診斷技術(shù)研究、空中飛行操控輔助分析與決策研究，現(xiàn)實迫切且意義重大。

圖1 “捕食者”無人機由于操控不當(dāng)而墜毀。

無人機反制日益影響飛行安全

隨著無人機的發(fā)展和實戰(zhàn)應(yīng)用，對無人機信號進行干擾和導(dǎo)航誘騙成為反無人機的重要手段，嚴重影響了無人機的飛行安全，當(dāng)前主要包括以下幾種無人機干擾與誘騙技術(shù)。

（1）衛(wèi)星導(dǎo)航干擾與誘騙技術(shù)

衛(wèi)星導(dǎo)航干擾技術(shù)按機制可分為壓制式干擾、誘騙式干擾和分布式立體干擾。

壓制式干擾是通過發(fā)射一定電平的干擾信號，壓制衛(wèi)星導(dǎo)航接收機前端的衛(wèi)星導(dǎo)航信號，使衛(wèi)星導(dǎo)航接收機接收不到衛(wèi)星信號；

誘騙式干擾是通過發(fā)射與衛(wèi)星導(dǎo)航信號相同的參數(shù)但信息碼不同的假信號，使衛(wèi)星導(dǎo)航接收機接收錯誤定位信息；

分布式立體干擾是指在地面和空中應(yīng)用多部多種類干擾機進行全方位立體干擾。具體干擾形式多種多樣，例如寬帶高斯噪音、連續(xù)波、掃頻連續(xù)波、脈沖連續(xù)波、窄帶／寬帶調(diào)頻信號等。

（2）網(wǎng)絡(luò)信號侵入與反侵入技術(shù)

高度智能化的無人系統(tǒng)往往被接入計算機網(wǎng)絡(luò)，因此為破解其關(guān)鍵密碼或協(xié)議創(chuàng)造了機會。視距或衛(wèi)通鏈路信號很容易被接收，只要截獲的數(shù)據(jù)樣本足夠大，在一段時間后總能被破解。此外，無人機地面控制站計算機往往防護不嚴密，使用鍵盤記錄器之類的木馬軟件就可以截獲無人機操作規(guī)律，分析出有用信息。

（3）任務(wù)載荷致盲技術(shù)

這種技術(shù)并不對無人機導(dǎo)航系統(tǒng)進行干擾，也不會對任何信息進行攔截，在設(shè)計系統(tǒng)時已經(jīng)將“不會導(dǎo)致無人機墜落、不會致其死機或者任何違法行為”考慮在內(nèi)。該系統(tǒng)甚至不會損害無人機光電設(shè)備，但使其拍攝不到目標(biāo)，還能讓操控員看到一些無關(guān)的影像。

（4）模擬傳感器威脅能力的硬件設(shè)備

為了模擬敵方無人機可能搭載的傳感器，美國某機構(gòu)開發(fā)了一種綜合性硬件設(shè)備。這種設(shè)備可以模擬包括具有熱成像能力的光電/紅外傳感器設(shè)備，探測和分析其它傳感器的通信信號，干擾武器系統(tǒng)等設(shè)備的威脅能力。對情報、監(jiān)視與偵察（ISR）能力進行模擬和復(fù)制，使對抗敵方信號情報能力的效能評估試驗變得可行。

無人機安全飛行外部風(fēng)險預(yù)測與處理技術(shù)研究

無人機外部風(fēng)險是指影響無人機飛行安全的外界因素所產(chǎn)生的安全隱患。下面對無人機防誘騙技術(shù)進行闡述和分析。

無人機防誘騙處理技術(shù)

（1）重要性

圖2 無人機飛行面臨信號干擾的威脅。

導(dǎo)航系統(tǒng)對無人機的飛行安全極為重要。當(dāng)前無人機最主要的導(dǎo)航方式為慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航(INS/GNNS)，該方式綜合了慣性導(dǎo)航（INS）和全球定位系統(tǒng)（GPS）的優(yōu)勢，通?？蔀闊o人機提供長時間、高精度定位與導(dǎo)航信息。但是，當(dāng)GPS信號微弱或被其他設(shè)備干擾時，由于慣導(dǎo)具有誤差隨時間累積特性，組合導(dǎo)航的優(yōu)越性得不到體現(xiàn)，造成較大誤差。在特殊情況或戰(zhàn)爭期間，GPS有可能被人為關(guān)閉無法使用，甚至被敵人誘騙給出錯誤信息。2011年，美國無人偵察機RQ-170在執(zhí)行任務(wù)途中被伊朗以GPS信號誘騙的方式“輕松”捕獲，近年來曾發(fā)生GPS信號誘騙技術(shù)誘導(dǎo)無人機改變航向等事件，突顯了提高無人機防誘騙處理技術(shù)的重要性和迫切性。

（2）實現(xiàn)無人機防誘騙需解決兩個問題

一是檢測無人機是否存在誘騙風(fēng)險，判斷當(dāng)前有沒有被誘騙；二是如果存在誘騙，采用何種措施確保無人機能夠繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)或者安全返航。

判斷無人機是否被誘騙之前，需要先了解誘騙GPS的機理，當(dāng)前GPS面臨的安全威脅主要包括GPS干擾和GPS誘騙。顧名思義，GPS干擾就是對GPS接收機施加干擾信號，使GPS接收機無法接收到真實的GPS信號，從而無法獲取位置信息和時間信息，此時GPS的異常情況比較容易判斷，然后直接進入備用引導(dǎo)方式，確保無人機安全飛行；而GPS誘騙則是通過偽造或者重放GPS信號的方式，使GPS接收機接收偽造或者重放的 GPS信號，從而使GPS接收機解算出錯誤的位置和時間信息，這種情況比較嚴重，需要準確判斷無人機是否被誘騙，然后采取相應(yīng)措施。

目前，誘騙無人機的手段主要是通過篡改其GPS信號而實現(xiàn)。隨著電子對抗技術(shù)的發(fā)展，GPS或北斗作為一種公開資源，易被操控和干擾的問題日益突出。根據(jù)GPS誘騙信息的分析，通?？煽紤]采用以下方法判斷無人機導(dǎo)航信號是否受到誘騙攻擊，一是記錄并比較接收到的信號強度；二是記錄并比較發(fā)送信號的衛(wèi)星編號和衛(wèi)星數(shù)目；三是記錄并比較發(fā)送信號的精確時間；四是記錄并比較接收機和其它來源的位置信息。

1）誘騙信號的產(chǎn)生方式

GPS誘騙信號的產(chǎn)生方式可分為轉(zhuǎn)發(fā)式GPS誘騙和生成式GPS誘騙兩類。轉(zhuǎn)發(fā)式GPS誘騙，首先將真實的GPS信號接收下來后，經(jīng)過延遲、功率放大后由干擾機發(fā)射天線向空中輻射，從而使GPS接收機解算出錯誤的位置和時間信息。

生成式GPS誘騙就是根據(jù)已經(jīng)公開的GPS信號的信號結(jié)構(gòu)、擴頻碼和調(diào)制方法以及加密和檢驗矩陣的算法，偽造出特定的GPS信號，然后根據(jù)要發(fā)射的誘騙點位置、GPS衛(wèi)星的位置，推算出每個GPS信號從GPS衛(wèi)星發(fā)出到被GPS接收機接收所需要的時延，在這些時延段發(fā)射各個GPS誘騙信號。當(dāng)接收機收到GPS誘騙信號時，GPS接收機會根據(jù)三球定位原理解算定位方程，由于時延都已經(jīng)被設(shè)計好，所以GPS 接收機就會受到誘騙。

轉(zhuǎn)發(fā)式GPS誘騙實現(xiàn)難度較低，但靈活性較差；生成式GPS誘騙則可以根據(jù)需要生成特定的GPS信號，但實現(xiàn)難度較大。早期，由于轉(zhuǎn)發(fā)式GPS誘騙的局限性以及生成式GPS 誘騙的實現(xiàn)成本較高，GPS誘騙技術(shù)并沒有引起人們的重視。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，軟件及無線電技術(shù)的發(fā)展和成熟，GPS誘騙技術(shù)成本和難度大幅降低。

2）防誘騙的導(dǎo)航方式

當(dāng)檢測到GPS信號受到誘騙時，可考慮利用無人機系統(tǒng)配備的其它輔助導(dǎo)航手段，校正慣導(dǎo)的漂移，實現(xiàn)可接受精度內(nèi)的自主導(dǎo)航，確保無人機能夠繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)或者安全返航。景象匹配和地形匹配輔助導(dǎo)航屬于主動導(dǎo)航方式，這兩種導(dǎo)航方式在國內(nèi)外被廣泛研究，并用于美軍多種巡航導(dǎo)彈和戰(zhàn)斗機，其效果經(jīng)受過實踐檢驗，是一種應(yīng)對衛(wèi)星導(dǎo)航受到誘騙威脅的重要輔助手段。

景象匹配屬于二維匹配，是基于地表敏感特征與地理位置之間的對應(yīng)關(guān)系，實現(xiàn)導(dǎo)航定位的方式。具有定位精度高、自主性強等特點，適于平原、海面等地理形態(tài)起伏小的地區(qū)使用，成為組合導(dǎo)航中頗受重視的技術(shù)之一。近十多年以來，景象匹配輔助導(dǎo)航技術(shù)已成功應(yīng)用于巡航導(dǎo)彈的中制導(dǎo)和未制導(dǎo)階段，并取得顯著成效。

根據(jù)景象輔助導(dǎo)航系統(tǒng)所利用的不同圖像信息，匹配方法大致可分為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過比較兩幅圖像中像素點灰度的相似度來完成匹配。此方法無需對圖像進行預(yù)處理，且尺寸較小、灰度變化不大的圖像可達到亞像素級的匹配精度。主要存在的問題是，對于噪聲及各種干擾十分敏感，抗幾何變形能力差，因此其匹配定位精度和可靠性難以保證。

基于特征的匹配方法是通過提取圖像的角點、直線、相交線、輪廓、曲率點、合成描述等特征，直接對特征進行匹配，因其不依賴于圖像灰度，該方法已得到廣泛應(yīng)用。同時，一些學(xué)者對雷達與光學(xué)景象共性特征的提取與匹配算法進行研究，提出基于目標(biāo)邊緣特征的匹配算法、基于目標(biāo)區(qū)域特征的匹配算法以及雙特征粗精匹配算法。旋轉(zhuǎn)與比例不變的點特征松弛匹配算法，在抗旋轉(zhuǎn)與比例變化方面具有很好的有效性和可行性。此外，利用側(cè)抑制競爭法進行圖像邊緣特征的提取，并結(jié)合SSDA算法的基本思想，能夠?qū)崿F(xiàn)基于邊緣特征的快速景象匹配算法。

不論哪一類匹配算法，都是下面三種元素的不同選擇組合，詳見表1。

地形匹配技術(shù)是指利用地形高程特征進行定位的輔助導(dǎo)航手段。首先在已選好的航路上，選定若干個地形匹配區(qū)，進行量化后制成一張用數(shù)字表示的數(shù)字地圖，預(yù)先存儲在無人機飛控計算機內(nèi)。當(dāng)無人機飛臨預(yù)設(shè)的地形匹配區(qū)上空時，其攜帶的電子設(shè)備通過測量、計算、比較，即可確定無人機偏離預(yù)設(shè)航線的偏差，根據(jù)偏差，機載計算機發(fā)出控制指令，執(zhí)行機構(gòu)即可修正航線、保持航向，其工作原理如圖2所示。

通過地形匹配技術(shù)，利用地形信息對無人機慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的累積誤差進行校正，構(gòu)成地形輔助導(dǎo)航 (Terrain-Aided Navigation，TAN)系統(tǒng)，具有自主性高、隱蔽性好、抗干擾能力強等特點，是彌補衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)抗干擾能力差、易被干擾、誘騙等缺陷的重要手段。到目前為止，國外已研究和開發(fā)了多種地形輔助導(dǎo)航系統(tǒng)，有幾種系統(tǒng)已裝備現(xiàn)役武器系統(tǒng)并在實戰(zhàn)中得到成功檢驗。

TERCOM地形等高線匹配系統(tǒng)是一種已在“戰(zhàn)斧”和空射巡航導(dǎo)彈上應(yīng)用、并在實戰(zhàn)中使用過的地形高度匹配系統(tǒng)。1958年美國E-系統(tǒng)（E-System）公司為超聲速低空導(dǎo)彈開發(fā)了一種地形等高線匹配系統(tǒng)TERCOM。70年代初，美國空軍與研制部門簽訂了一份合同，約定將這類系統(tǒng)裝配于低空飛行的無人機。后來大量研究證實，在戰(zhàn)略巡航導(dǎo)彈上使用TERCOM技術(shù)輔助慣性導(dǎo)航，具有可行性，極大增強了地形輔助導(dǎo)航系統(tǒng)用于飛機和導(dǎo)彈的信心。從那時起，E-系統(tǒng)公司一直在研究該系統(tǒng)，最后成功用于現(xiàn)代巡航導(dǎo)彈。1991年美國在海灣戰(zhàn)爭中使用“戰(zhàn)斧”巡航導(dǎo)彈取得令世人矚目的戰(zhàn)果，“戰(zhàn)斧”和多種型號的空射巡航導(dǎo)彈使用了TERCOM系統(tǒng)，這種地形高度匹配方法是最早被提出解決地形高度匹配問題的方法。

在70年代中期，美國桑地亞實驗室提出桑地亞地形慣性輔助導(dǎo)航系統(tǒng)SITAN。SITAN系統(tǒng)適用于有人機和低空飛行的無人機。由于地形局部線性化的要求，SITAN系統(tǒng)開始工作時，要求INS的定位誤差不能太大，一般要求小于200m。國外F-16戰(zhàn)斗機在飛行試驗中使用了SITAN系統(tǒng)。在SITAN算法的基礎(chǔ)上，AFTI／SITAN系統(tǒng)進行了改進，它利用多狀態(tài)擴展卡爾曼濾波器實現(xiàn)位置估值，并在上世紀80年代末安裝于AFTI／F16戰(zhàn)斗機，累計完成238架次、349h的飛行試驗。飛行結(jié)果證明，該系統(tǒng)能在大的初始水平位置誤差情況下，連續(xù)可靠地提供飛機位置估值，飛行結(jié)果定位徑向誤差為47m。

英國不列顛宇航公司（Bae）開發(fā)的地形剖面匹配系統(tǒng)TERPROM(Terrain Profile Matching)，是目前世界應(yīng)用最廣的一種地形輔助導(dǎo)航系統(tǒng)，已在4000多架美國F16戰(zhàn)斗機上得到應(yīng)用，一些北約噴氣式戰(zhàn)斗機如“幻影”2000、“陣風(fēng)”、“鷂”式、“美洲豹”等飛機也使用該技術(shù)。

表1 匹配算法主要考慮的元素。

圖3 地形匹配輔助導(dǎo)航原理示意圖。