CN210038548U - 一种同步式欺骗无人机 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种同步式欺骗无人机，包括雷达系统，雷达系统与指挥控制设备通讯连接，指挥控制设备主机与导航诱骗设备主机通讯连接，导航诱骗设备主机设有授时型卫星导航接收机，授时型卫星导航接收机通过时基10MHz与上变频及射频信号调理模块通信连接，授时型卫星导航接收机还与信息传送给诱骗信号处理板卡通信连接，信息传送给诱骗信号处理板卡与上变频及射频信号调理模块通信连接；本实用新型的优点在于：针对低空管制反无人机系统导航诱骗设备的技术需求，实现同步生成式GPS欺骗信号，用于完成对已确认有安全威胁的当前架次无人机实现GPS定位测速的干扰，使无人机正常导航功能受到干扰并发生受控的定位测速错误。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种无人机，具体地说是一种同步式欺骗无人机，属于无人机领域。
背景技术
目前，无人机应用领域不断拓展，飞行频次愈见增加，续航时间迅速增长，飞行范围日益扩大，飞行高度已能覆盖从接近地面空域至数万米高空，对无人机全空域飞行的需求随之增大。但无人机与有人机（如民航飞机）同空域飞行的安全却受到威胁。由于民用无人机在诸多领域内大量使用，使得中低空和超低空空域变得越来越狭小和复杂，给复杂空域环境内其他军用和民用飞机以及地面人员和财物带来极大安全隐患，无人机事故频发给社会带来了很大影响。无人机空中相撞和坠落是无人机可能发生的主要危害，其中无人机与有人驾驶飞机空中相撞是航空安全尤为关注的问题。为保障空域内飞行器安全飞行，目前世界各国通常将无人机限制在特定空域内飞行，使之与有人驾驶飞机分开和隔离飞行。因此，有必要对无人机实施强制监管控制。为确保民航飞行安全，特殊情况下有必要对无人机实施强行管制驱散。
从反无人机技术着手管控无人机，将会使管控变得更加高效、强制和便捷。目前，反无人机技术主要有声波干扰、信号干扰、黑客技术、激光炮、“反无人机”无人机和夺取无线电控制权等，其特点和效果各有不同。
卫星导航是无人机成功飞行的关键支持。以无人机常用的基于GPS的三维导航方法为例，无人机飞行过程中，导航系统从GPS接收机和磁航向传感器等获取融合后无人机实际位置和航向信息，再计算出偏航距和航向控制量，导航系统将航向控制量与偏航距传送给无人机飞控系统使相应舵面偏转、无人机回到设定航线。当无人机切换为自动驾驶状态时，先找一个离无人机最近的航路点，使无人机速度方向对准目标航点；无人机飞入指定区域时再飞向下一个航路点，依次类推，从而完成规定的航迹任务。利用人为干扰源对接收机进行干扰使其不能正常工作，便可实现对无人机飞行航迹的干扰破坏以至控制诱骗。通常较为简单的人为干扰是压制式干扰，由于GPS信号到达接收机时其信号一般十分微弱，因此接收机易受频谱遮蔽有用信号的压制式干扰的影响而失去正常工作能力。人为干扰的另一种措施就是更具威胁性的欺骗式干扰，欺骗干扰源发射与GPS信号具有相同结构和不同参数的虚假信号，从而让目标接收机在不知不觉中输出错误的定位测速定时信息。因此，研究与发展卫星导航欺骗干扰技术便具有重要意义与价值。
2011年12月4日，一架由美国生产的RQ-170“哨兵”无人侦察机在入侵伊朗领空250千米时被捕获，伊朗随后展示了其捕获的完整的无人机照片。一年之后，同样是在12月4日，伊朗再次宣称其成功捕获了美国“扫描鹰”无人机。除上述在军用领域诱骗无人机的成功案例之外，在民用接收机领域，最突出的欺骗干扰研究来自 Texas大学(@ Austin）的Todd教授及其团队，从2008年开始，他就提出了GPS诱骗的可行性和实施方案，并在随后对商用无人机进行了诱骗实验，无人机在飞行了620m左右最终坠地；2013年，该团队在一艘游艇上再次实施GPS诱骗，游艇工作人员在不知受到干扰的情况下操控游艇偏离了地图上的行驶路线。
从这些事件和实验中，人们开始意识到，GPS信号的脆弱性导致其易通过技术手段被篡改信息，一旦GPS信号被任意篡改，尤其是被敌方或是不良分子利用，那么其所带来的灾难将是难以想象的。但是，如果能够研究并利用好GPS诱骗技术，也能够起到有益的作用。当今世界上有些国家利用无人机对别国进行军事侦测，研究诱骗技术、制定相应的诱骗方案，可以维护国防信息安全，并在适当的时候对敌方予以反击。其次，当己方受到敌方的武器打击时，能够改变敌方武器中的导航定位系统解算信息，使其发生定位测速定时错误，从而将其引导至安全地带，减少己方损失。此外，了解诱骗技术的实现方式和操作原理，也可以对接收机的抗诱骗提供技术参考和支持，以提出更有效的检测和抑制手段。在民用领域，研究欺骗干扰可以避免一些依赖民用GPS服务的设施被不法分子利用。
发明内容
为了解决上述问题，本实用新型设计了一种同步式欺骗无人机，针对低空管制反无人机系统导航诱骗设备的技术需求，实现同步生成式GPS欺骗信号，用于完成对已确认有安全威胁的当前架次无人机实现GPS定位测速的干扰，使无人机正常导航功能受到干扰并发生受控的定位测速错误。
本实用新型的技术方案为：
一种同步式欺骗无人机，包括雷达系统，用于发送无人机位置、速度等信息，所述雷达系统与指挥控制设备通讯连接，所述指挥控制设备主机通过网络TCP调试助手将无人机当前位置速度、误导性位置速度等信息传送给网络TCP调试助手，所述指挥控制设备主机与导航诱骗设备主机通讯连接，进行信息交互，所述导航诱骗设备主机设有授时型卫星导航接收机，所述授时型卫星导航接收机通过时基10MHz与上变频及射频信号调理模块通信连接，所述授时型卫星导航接收机还与信息传送给诱骗信号处理板卡通信连接，所述信息传送给诱骗信号处理板卡与所述上变频及射频信号调理模块通信连接，授时型卫星导航接收机通过时基1PPS将GPS时间、星历、位置等信息传送给诱骗信号处理板卡，诱骗信号处理板卡将IF信号和控制信号传输给上变频及射频信号调理模块，上变频及射频信号调理模块将工作时钟反馈给诱骗信号处理板卡，上变频及射频信号调理模块的RF信号通过发射天线发送，所述授时型卫星导航接收机通过接收天线接收信号。
单天线同步生成式GPS欺骗干扰源设备集成了连接全向接收天线的本地GPS接收机和连接定向发射天线的GPS欺骗信号模拟器，并依赖于外部目标监测设备提供的目标接收机位置和速度信息完成与真实卫星信号的同步过程。
欺骗系统应针对每一颗接收到的可见卫星信号产生相应的欺骗信号，欺骗信号最初到达目标接收机天线时应与目标接收机所接收的真实卫星信号同步，即信号功率、码相位误差和载波多普勒误差控制在一定范围内，该范围保证欺骗信号能够成功进入到目标接收机跟踪环路而不容易被接收机检测或滤除。之后欺骗系统逐渐增加欺骗信号的功率并调整码相位和载波多普勒以牵引目标接收机离开真实卫星信号的测量值，从而输出可控的错误位置速度信息，达到诱骗目的。
其中本地接收机为欺骗信号模拟器提供可见卫星信号状态参数、导航电文参数、可见卫星位置和速度信息，目标监测设备实时提供每一历元时刻的目标接收机天线相位中心位置和速度信息。欺骗信号模拟器根据上述信息估计目标接收机所跟踪真实卫星信号的功率、码相位和载波多普勒等信号状态，计算并控制所仿真各历元时刻各颗卫星欺骗信号的功率、码相位、载波多普勒和载波相位信息，产生相应的欺骗信号通过发射天线发射出去。
GPS欺骗干扰技术是一种能够以较低功率实现有效干扰的相关干扰技术，通过发射与真实卫星信号相同或相似、而功率更强一些的虚假信号，引导目标接收机对其进行捕获跟踪，从而导致接收机输出错误的定位测速定时结果或无法输出有效信息。在无人机管制应用中，欺骗干扰是一种对周边其他通信设备干扰较小的干扰方式，对无人机设备本身几乎无损坏，仅影响无人机的飞行途径和悬停位置。
本实用新型的有益效果为：针对低空管制反无人机系统导航诱骗设备的技术需求，实现同步生成式GPS欺骗信号，用于完成对已确认有安全威胁的当前架次无人机实现GPS定位测速的干扰，使无人机正常导航功能受到干扰并发生受控的定位测速错误。
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
附图说明
图1为本实用新型实施例的结构示意图。
具体实施方式
以下对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
实施例1
如图1所示，一种同步式欺骗无人机，包括雷达系统，用于发送无人机位置、速度等信息，所述雷达系统与指挥控制设备通讯连接，所述指挥控制设备主机（PC电脑）通过网络TCP调试助手（导航诱骗设备主控软件）将无人机当前位置速度、误导性位置速度等信息传送给网络TCP调试助手，所述指挥控制设备主机与导航诱骗设备主机通讯连接，进行信息交互，所述导航诱骗设备主机设有授时型卫星导航接收机，所述授时型卫星导航接收机通过时基10MHz与上变频及射频信号调理模块通信连接，所述授时型卫星导航接收机还与信息传送给诱骗信号处理板卡通信连接，所述信息传送给诱骗信号处理板卡与所述上变频及射频信号调理模块通信连接，授时型卫星导航接收机通过时基1PPS将GPS时间、星历、位置等信息传送给诱骗信号处理板卡，诱骗信号处理板卡将IF信号和控制信号传输给上变频及射频信号调理模块，上变频及射频信号调理模块将工作时钟反馈给诱骗信号处理板卡，上变频及射频信号调理模块的RF信号通过发射天线发送，所述授时型卫星导航接收机通过接收天线接收信号。
单天线同步生成式GPS欺骗干扰源设备集成了连接全向接收天线的本地GPS接收机和连接定向发射天线的GPS欺骗信号模拟器，并依赖于外部目标监测设备提供的目标接收机位置和速度信息完成与真实卫星信号的同步过程。
欺骗系统应针对每一颗接收到的可见卫星信号产生相应的欺骗信号，欺骗信号最初到达目标接收机天线时应与目标接收机所接收的真实卫星信号同步，即信号功率、码相位误差和载波多普勒误差控制在一定范围内，该范围保证欺骗信号能够成功进入到目标接收机跟踪环路而不容易被接收机检测或滤除。之后欺骗系统逐渐增加欺骗信号的功率并调整码相位和载波多普勒以牵引目标接收机离开真实卫星信号的测量值，从而输出可控的错误位置速度信息，达到诱骗目的。
其中本地接收机为欺骗信号模拟器提供可见卫星信号状态参数、导航电文参数、可见卫星位置和速度信息，目标监测设备实时提供每一历元时刻的目标接收机天线相位中心位置和速度信息。欺骗信号模拟器根据上述信息估计目标接收机所跟踪真实卫星信号的功率、码相位和载波多普勒等信号状态，计算并控制所仿真各历元时刻各颗卫星欺骗信号的功率、码相位、载波多普勒和载波相位信息，产生相应的欺骗信号通过发射天线发射出去。
这种欺骗干扰源所产生的信号一开始能够伪装成类似多径的信号混进目标接收机跟踪环路之中使接收机难以甄别，逐渐调整信号状态参数实现喧宾夺主、偷梁换柱、夺取环路控制权，并引导目标接收机误入歧途、得到在干扰源控制下的错误定位测速定时结果。单天线同步生成式GPS欺骗干扰源的内部数据处理和信号控制机制与前述诱骗模型一的单天线异步式相比更加复杂。
处理流程如下：
主要通过以下三步完成对目标接收机的欺骗：
第一步，欺骗干扰源内部的本地接收机接收真实GPS卫星信号，除了向干扰源提供授时信号/信息（如提供10MHz时钟和1PPS信号）之外，还可提取电文参数、必要时进行星历推算供欺骗干扰源生成长时间的导航电文，并解算得到各仿真历元时刻各可见卫星的位置、速度以及电离层误差、对流层误差等信息；结合目标监测设备实时测定的目标接收机位置和速度信息，干扰源可以估算出目标机所接收真实卫星信号的状态参数，包括信号功率、码相位、载波多普勒频率，从而控制所生成的欺骗干扰信号，使其到达目标接收机天线相位中心时与真实信号同步对准，并携带当时的卫星电文数据，这一过程称为信号同步过程。
第二步，先将欺骗信号伪装为多径信号发送到目标接收机，其相关峰会滞后真实卫星信号几个码片。该阶段中伪造信号并未对目标接收机造成影响。接下来欺骗干扰源逐渐增加码率使得欺骗信号码相位向真实信号逐渐对齐，并在相位对齐以后增加信号功率以达到控制接收机跟踪环路的目的。在码相位完全对齐以后，继续调整码率逐渐剥离相关峰，以控制跟踪环路。
第三步，在获取目标接收机跟踪环路控制权之后，欺骗干扰源根据指定的误导性位置速度信息，控制产生并发送功率高于真实卫星信号功率的欺骗信号，迫使接收机维持跟踪锁定欺骗信号，输出定位测速结果为欺骗系统设定的误导性位置速度，而不是接收机所处的真实位置和速度，从而达到欺骗目的。
仿真模型
在已知目标接收机位置、速度的条件下，单天线同步式GPS欺骗干扰源通过内置的本地接收机接收真实卫星信号及导航电文，可估算目标接收机所接收真实卫星信号的信号强度、码相位以及载波频率，从而控制所产生欺骗信号在每一历元时刻的状态，使得目标接收机所接收欺骗信号的功率、码相位和载波频率与真实卫星信号状态相比误差保证在一定范围内，本方案将这一过程称为欺骗信号与真实卫星信号的同步。
首先，同步生成式欺骗干扰需要利用适当的欺骗干扰功率值潜入目标接收机的跟踪环路而不被识别出来、之后逐步增加功率优势牵引跟踪环路。与真实卫星信号功率相比，欺骗干扰功率太小不足以牵引目标接收机的跟踪环路，太大又可能被接收机检测到，所以应根据真实卫星信号功率来控制欺骗干扰功率。其次，通过分析接收机跟踪环路鉴相原理可知，当欺骗信号的码相位与真实信号码相位相差1个码片以上时，欺骗信号的作用相当于自相关旁瓣，对鉴相结果无太大影响；对于相关特性较好的测距码，无论欺骗信号功率有多强，都不容易起作用；码相位不一致会造成欺骗信号无法进入目标接收机跟踪环路，所以欺骗干扰的码相位也需要根据真实卫星信号码相位来控制。再者，若欺骗信号的载波频率与真实频率相差太多，会造成载波环鉴相误差太大，甚至导致接收机失锁，所以载波频率对齐也是需要考虑的问题。
Claims (2)
1.一种同步式欺骗无人机，其特征在于：包括雷达系统，所述雷达系统与指挥控制设备通讯连接，所述指挥控制设备主机与导航诱骗设备主机通讯连接，所述导航诱骗设备主机设有授时型卫星导航接收机，所述授时型卫星导航接收机通过时基10MHz与上变频及射频信号调理模块通信连接，所述授时型卫星导航接收机还与信息传送给诱骗信号处理板卡通信连接，所述信息传送给诱骗信号处理板卡与所述上变频及射频信号调理模块通信连接。
2.根据权利要求1所述的一种同步式欺骗无人机，其特征在于：所述授时型卫星导航接收机通过时基1PPS将GPS时间、星历、位置信息传送给所述诱骗信号处理板卡，所述诱骗信号处理板卡将IF信号和控制信号传输给所述上变频及射频信号调理模块，所述上变频及射频信号调理模块将工作时钟反馈给所述诱骗信号处理板卡，所述上变频及射频信号调理模块的RF信号通过发射天线发送，所述授时型卫星导航接收机通过接收天线接收信号。
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