到2025年，無人駕駛飛機(jī)系統(tǒng)（UAS）市場預(yù)計(jì)將增長到600億美元以上，并且隨著時(shí)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(huì)增加。成功的以軍事為重點(diǎn)的反無人機(jī)系統(tǒng)（c-UAS）解決方案今天可能會(huì)消除這些威脅，但這些威脅仍在繼續(xù)發(fā)展。在可預(yù)見的未來，軟件定義無線電（SDR）將繼續(xù)在c-UAS解決方案中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

無人駕駛飛機(jī)系統(tǒng)（也稱為UAS或無人機(jī)）變得越來越小，越來越復(fù)雜，更不用說對(duì)于大量用戶來說更實(shí)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(xùn)即可輕松操作。再加上它們能夠在遠(yuǎn)程控制和視線之外訪問任何區(qū)域，很容易理解為什么UAS正在成為國防和商業(yè)用戶的首選資產(chǎn)。與許多其他技術(shù)支持設(shè)備一樣，使無人機(jī)具有吸引力的好處也吸引了不良行為者，他們會(huì)利用它們進(jìn)行不法行為。在壞人手中，UAS是一種不對(duì)稱的威脅，因?yàn)閭€(gè)人進(jìn)行大量破壞的成本和精力很低。

他們能夠進(jìn)入原本難以到達(dá)的區(qū)域，并且在被發(fā)現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小的情況下這樣做，已經(jīng)在一些備受矚目的安全漏洞中得到了強(qiáng)調(diào)：一個(gè)值得注意的是 2015 年未經(jīng)授權(quán)降落在白宮草坪上，導(dǎo)致運(yùn)輸安全管理局 （TSA） 在華盛頓周圍建立了一個(gè)七英里的“禁止無人機(jī)區(qū)”;另一起是2021年11月對(duì)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(jī)襲擊了他的巴格達(dá)住所，另外兩人被擊落。無人機(jī)系統(tǒng)的擴(kuò)散和復(fù)雜性的增加顯然導(dǎo)致對(duì)反無人機(jī)系統(tǒng)（c-UAS）技術(shù)和方法的需求不斷增長。

在討論c-UAS的需求時(shí)，有多種部署場景至關(guān)重要，包括對(duì)飛機(jī)的干擾可能是災(zāi)難性的機(jī)場，無人機(jī)可以運(yùn)送違禁品的監(jiān)獄，當(dāng)然還有軍事/國防設(shè)施和戰(zhàn)場，人員打算使用武力和平民保護(hù)。政府和市政當(dāng)局一直在研究如何應(yīng)對(duì)，并起草了聯(lián)邦法規(guī)，為無人機(jī)的娛樂操作提供指導(dǎo)。除了“禁飛區(qū)”外，某些類別的無人機(jī)必須在FAA注冊，并根據(jù)無人機(jī)的類別具有不同的操作要求。例如，美國聯(lián)邦航空局《聯(lián)邦法規(guī)》第107部分（通常稱為小型UAS規(guī)則）概述了對(duì)重量小于55磅的無人機(jī)的要求。這涵蓋了大多數(shù)業(yè)余愛好者以及許多商業(yè)應(yīng)用。

在國防部（DoD）層面，有超過一千個(gè)針對(duì)UAS應(yīng)用的個(gè)人研發(fā)計(jì)劃。2019年，陸軍部長被指定為國防部反小型無人機(jī)系統(tǒng)的執(zhí)行代理，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)所有c-UAS活動(dòng)。

“美國國防部反小型無人機(jī)系統(tǒng)（C-sUAS）戰(zhàn)略”中指出的核心挑戰(zhàn)是：“sUAS的指數(shù)級(jí)增長為該部門帶來了新的風(fēng)險(xiǎn)。技術(shù)趨勢正在極大地改變sUAS的合法應(yīng)用，同時(shí)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(dāng)由疏忽或魯莽的操作員控制時(shí)，小型無人機(jī)也可能對(duì)國防部在空中、陸地和海上領(lǐng)域的操作構(gòu)成危害。該部門必須在越來越多的sUAS將與國防部飛機(jī)共享天空的環(huán)境中保護(hù)和捍衛(wèi)人員，設(shè)施和資產(chǎn)，在國防部設(shè)施的空域運(yùn)行，并被我們國家的對(duì)手雇用。

通過集中開展這項(xiàng)活動(dòng)，國防部認(rèn)識(shí)到對(duì)快速變化的威脅做出統(tǒng)一和快速反應(yīng)的重要性。即使監(jiān)督無人機(jī)使用的法規(guī)不斷發(fā)展，也不能依靠它們作為抵御無人機(jī)可能造成的潛在損害的第一道防線。需要開發(fā)C-UAS解決方案，并準(zhǔn)備好應(yīng)對(duì)當(dāng)前和未來的空中威脅。

對(duì)于快速發(fā)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(tài)勢感知解決方案。SDR 中的軟件可以遠(yuǎn)程重新配置和升級(jí)，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(diǎn)至關(guān)重要，因?yàn)椴煌?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(wù)的SDR時(shí)，需要牢記關(guān)鍵因素。

通過射頻傳感檢測無人機(jī)

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(jìn)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(dāng)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(huì)限制實(shí)用性;當(dāng)無人機(jī)可見或可聽時(shí)，它已經(jīng)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(fā)生的UAS威脅具有顯著的優(yōu)勢：根據(jù)設(shè)計(jì)，大多數(shù)無人機(jī)由遠(yuǎn)程操作員無線控制，通常距離無人機(jī)位置幾英里，如圖1所示。控制器和UAS之間可以使用多個(gè)RF數(shù)據(jù)鏈路來傳遞命令/控制消息，以及來自飛行器的數(shù)據(jù)饋送（通常是來自UAS的視頻信號(hào)，顯示在遠(yuǎn)程操作員的控制終端上）。這些來自UAS本身以及遠(yuǎn)程操作員控制終端的RF傳輸具有足夠的信號(hào)強(qiáng)度，可以在通常幾英里（或更遠(yuǎn)）的范圍內(nèi)運(yùn)行。因此，還可以在類似的遠(yuǎn)距離內(nèi)對(duì)UAS進(jìn)行檢測和/或擊敗，這比僅使用音頻或視覺傳感所能實(shí)現(xiàn)的距離要遠(yuǎn)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(shù)據(jù)饋送，包括：

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

無線網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)鏈路使用跳頻以無人機(jī)和遠(yuǎn)程操作員控制終端之間商定的已知節(jié)奏從一個(gè)射頻頻率快速移動(dòng)到下一個(gè)射頻頻率。這種結(jié)構(gòu)有助于最大限度地減少對(duì)在相同免許可（或許可）頻段中工作的其他RF信號(hào)的干擾。

用于命令/控制以及數(shù)據(jù)鏈路的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議也因無人機(jī)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(dāng)今商品電子設(shè)備中常見的標(biāo)準(zhǔn)802.11物理層和協(xié)議。其他公司，如大疆，則為其無人機(jī)使用專有的物理層和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議（某些系統(tǒng)中的Lightbridge或Lightbridge 2，或其系統(tǒng)的其他變體中的OcuSync）。利用射頻的c-UAS解決方案需要能夠準(zhǔn)確檢測和識(shí)別各種UAS命令/控制的信號(hào)以及附近運(yùn)行的飛行器的數(shù)據(jù)鏈路。

用射頻擊敗無人機(jī)

一旦檢測到UAS并提供適當(dāng)?shù)木瘓?bào)，下一個(gè)問題是是否會(huì)對(duì)飛行器采取行動(dòng)。對(duì)于基于射頻的解決方案，“失敗”或?qū)Σ呖梢韵裆漕l干擾一樣簡單：通過在適當(dāng)?shù)臒o線電頻段產(chǎn)生足夠的射頻能量，UAS可以變得無用。其他操作采用更優(yōu)雅的技術(shù)，例如模擬和覆蓋可疑飛行器的遠(yuǎn)程操作員發(fā)送的命令，可能會(huì)通過命令無人機(jī)立即著陸來使其喪失能力。請注意，傳輸RF信號(hào)，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(guī)的約束，這些法規(guī)因系統(tǒng)部署的國家/地區(qū)而異。

將SDR用于c-UAS平臺(tái)

當(dāng)上市時(shí)間和降低風(fēng)險(xiǎn)是重要因素時(shí)，COTS ［商用現(xiàn)貨］ SDR可以成為將c-UAS解決方案引入預(yù)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(shí)，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(kuò)展到固定站點(diǎn)更大規(guī)模的 c-UAS 解決方案的 c-UAS 解決方案時(shí)。

［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(píng)估 SDR 選項(xiàng)在 c-UAS 解決方案中的潛在用途時(shí)，可能無法立即看出哪些功能對(duì)于確保解決方案對(duì)當(dāng)前和未來的 UAS 威脅都有效最為重要。以下部分概述了對(duì)成功進(jìn)行c-UAS操作至關(guān)重要的關(guān)鍵SDR特征。當(dāng)然，最終c-UAS解決方案的有效性也高度依賴于執(zhí)行檢測和/或破壞處理的更高級(jí)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(chǔ)。

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(yōu)先考慮解決方案的最終尺寸和重量。對(duì)于車載或靜態(tài)固定站點(diǎn)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(shí)現(xiàn)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(duì)于正確選擇至關(guān)重要。

射頻調(diào)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(jìn)行命令/控制以及數(shù)據(jù)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(diào)諧到用于命令/控制以及數(shù)據(jù)鏈路的相同RF頻率。通常，當(dāng)前大多數(shù)UAS使用的RF頻率范圍在600 MHz和6 GHz之間。因此，SDR應(yīng)該能夠接收這些頻段內(nèi)的RF信號(hào)以進(jìn)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(hào)。

未來的UAS幾乎肯定會(huì)繼續(xù)擴(kuò)大所使用的RF頻段，從而使檢測更具挑戰(zhàn)性。快速掃描大范圍的射頻頻譜以尋找UAS的明顯射頻特征的能力至關(guān)重要。同樣，對(duì)于采用快速跳頻快速從一個(gè)RF通道移動(dòng)到下一個(gè)RF通道的UAS，SDR也必須能夠執(zhí)行相同的跳頻操作，或者消耗UAS可能跳頻進(jìn)行數(shù)字后處理的整個(gè)RF通道。此操作使SDR能夠跟上無人機(jī)發(fā)送的RF傳輸。

多個(gè)接收器：在多種部署方案中，擁有多個(gè)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(gè)獨(dú)立可調(diào)諧的RF接收器使一個(gè)RF接收器能夠?qū)Ｗ⒂诮邮?處理來自檢測到的UAS的RF信號(hào)，而第二個(gè)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?shù)腞F信號(hào)的來源方向通常是有益的。確定RF信號(hào)到達(dá)角的最常用方法是在相位相干配置中使用多個(gè)RF接收器。當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)RF接收器相位相干地工作時(shí)，可以計(jì)算出無人機(jī)發(fā)出的RF信號(hào)方向的合理估計(jì)。擴(kuò)展到四個(gè)或更多接收器可以進(jìn)一步提高此方向估計(jì)的準(zhǔn)確性。

射頻發(fā)射功率：預(yù)計(jì)會(huì)發(fā)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(fā)射功率。射頻信號(hào)必須具有足夠的強(qiáng)度，不僅要以所需的遠(yuǎn)距離到達(dá)UAS，而且在干擾或覆蓋來自遠(yuǎn)程操作員終端的實(shí)際命令/控制信號(hào)的情況下，功率可能需要明顯高于操作員終端。大多數(shù)包含RF發(fā)射器的SDR發(fā)射的RF信號(hào)水平相當(dāng)?shù)停ǔＴ? dBm和+10 dBm之間（分別為1 mW和10 mW）。因此，需要一個(gè)外部RF功率放大器將該電平提升到適當(dāng)?shù)乃剑ㄍǔＴ?.5W至5W的范圍內(nèi)，具體取決于用例）。

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

審核編輯：郭婷