反无人机电子对抗侦察系统解决方案

          随着无人机的快速发展及其作战效能的显著提升，世界各国的防空体系都面临着极大的威胁与挑战。无人机作为现代战争中集“侦、打、评、扰”于一体的高端武器系统，具有价格低廉、打击精确、战法灵活、伤亡率低等优势，已被广泛用于空袭作战。在未来冲突和战争中，无人机将成为世界各国必须应对的重要挑战，推进反无人机作战理论研究、武器系统研制、试验演练演习已成为世界各国军事领域的热点课题。

----《军事文摘》2022-02-01期刊

1. 系统概述

          反无人机电子对抗侦察系统主要用于开展无人机数传或图传等遥测链路信号侦察实验，实现遥测信号侦察、分析，并采用双通道相位干涉仪体制对目标实施测向，从而为后续有效开展反无人机作战提供目标指示。

          系统主要包括电子对抗侦察设备、无人机遥测信号侦察控制软件等组成。其中，电子对抗侦察设备包括侦察测向天线、USRP-LW X310（搭配两张UBX-LW 160射频子板）及上位机等模块组成，主要负责对无人机遥测信号的侦察、截获；无人机遥测信号侦察控制软件包括遥测信号分析模块、测向控制模块等模块组成，主要负责对无人机遥测信号的分析并实现测向，软件主要基于LabView或Matlab开发，具备二次开发功能。

2. 技术参数

3. 系统组成

图1 反无人机电子对抗侦察系统

          反无人机电子对抗侦察系统如图1所示，系统由两根测向天线、USRP-LW X310及工控机构成。工控机控制USRP-LW X310在民用无人机遥控或图传信号2.4GHz、5.8GHz频段范围内通过扫频或者实时监测感知信号；若2.4GHz、5.8GHz频段有信号，则根据遥控信号及图传信号特点识别遥控与图传信号。当出现目标信号时，工控机再控制USRP-LW X310两通道接收图传信号，将接收的数据经过信号处理并测向。

4. 系统原理

          本系统可分为信号感知、遥控信号与图传信号识别、以及图传信号测向三部分。由于民用无人机上下行链路信号没有统一的标准与制式，不同厂家或同一厂家不同型号采用的信号制式（频率、频带范围、调频方式、信道数、信道带宽等）不一样。

          目前无人机遥控信号主要工作在2.4GHz和5.8GHz的ISM频段，频率范围：2400MHz-2483MHz、5725MHz-5850MHz，以FHSS（跳频）或者 DSSS/FHSS(直扩/跳频)为主。此外，主流无人机的图传信号都是采用OFDM调制，中心频率大约为2476.5MHz或者 5722MHZ，带宽为9.5MHz。虽然不同无人机遥控与图传信号特点不同，但目前主流无人机信号有一些共性， 根据以上特点可以识别遥控信号与图传信号。本系统正是基于主流无人机信号特点进行识别与测向。

4.1 信号感知

          无人机遥控信号常出现的2个中心频率为2.44GHz、5.775GHz，带宽约为100MHz。USRP-LW X310（搭配UBX-LW 160子板）实时带宽大于100MHz，可控制USRP-LW X310在2.44GHz或者5.775GHz实时监测感知信号。如有信号出现，触发USRP接收信号并进行后续识别。

4.2 遥控信号与图传信号识别

          对于ISM频段来说，它属于一个开放的频段，且只需要满足一定的发射功率就可以，通常会小于1W，因此ISM频带会相对的拥挤及复杂，另外，ISM频段一般会具有定频信号、跳频信号、随机噪声信号、突发信号等四种信号，如图3所示。环境中2.4GHz或者5.8GHz频段常见的信号有WIFI信号（直扩）、ZigBee（直扩）、蓝牙（跳频，每秒1600次，79个1MHz）等。

图2 常见信号的时频图

          基于时频分析的分选方法可以区分以上信号，时频分析方法是通过分析时间、频率的二维函数来分析非平稳信号，是一种行之有效的方法。由于不同的信号有着自己独特的特征，我们可以根据这些特征来区分不同信号。如图2，定频信号在一个频率点附近连续出现，信号频率不随时间的推移而变化，在时频分析图上是一条直线的形式；跳频信号是指信号频率随时间进行周期性变化，每个频点上的持续时间是相同的，在时频分析图上表现为一系列相同长度的短直线，且时间上相互连接；噪声信号是指不同的信道噪声和空间干扰噪声，在时域、频域范围覆盖十分广泛，且幅度一般小于目标信号，在时频分析图上表现为杂乱的点。根据不同信号的时频域特征，通过设置阈值分选信号，其步骤如图3所示。

图3 遥控信号分选

          在对接收信号频谱的实际分析中，会存在着很多的随机噪声点，而由于随机噪声的幅度通常会比无人机信号的特性弱，因此通过设置幅度阈值，可以有效地剔除掉随机噪声对跳频信号检测带来的影响。在时频域上，定频信号表现为一条较长的直线，而跳频信号是较短的直线的联合。此时，可根据不同信道持续时间长短设阈值，此时可消除定频信号干扰。在时域上，突发信号的驻留时间通常会很短且无周期性，然而跳频信号的频谱则属于一条周期性的短直线。因此，跳频信号一般可以通过计算停留的时间进行区分，但如果突发信号和跳频信号的持续时间相差不大的话，则可以通过计算短直线的规律来进行区分。所以，可以逐行计算出图谱分析结果二维阵列组不为0的时间宽度，并且按照驻留的时间宽度规律与时间不频率点上的不连续性对突发信号进行消除。

          图4是接收信噪比为10dB时跳频、突发、定频等混合信号的仿真与分选图。由仿真可知，以上分选方法可以识别无人机遥控跳频信号。此外，基于时频分析的分选方法还可以获得跳频速率，跳频图案，跳频通道数等其他信号参数。

图4 混合信号的仿真与分选图

          主流无人机的图传信号都是采用OFDM调制，中心频率大约为2476.5MHz或者5722MHZ,带宽为9.5MHz，本方案主要针对OFDM调制的图传信号进行识别。根据中心频率与带宽几乎可以识别图传信号。

4.3 图传信号测向

          当识别到无人机图传信号，便可进行测向。由于主流无人机图传信号是定频信号，且不测俯仰角，只需测方位角，因此可采用两通道相位干涉仪体制测向。

系统结构如图5所示，两测向天线连接到USRP-LW X310两通道，工控机控制USRP-LW X310接收信号并信号处理。

图5 系统结构图

图6是双通道相位干涉仪测向图，d表示两天线之间距离，根据不同频率信号选择合适的距离，若两天线与两通道幅相特性完全一致，由两天线接收信号相位差便可以测量天线方位角。实际实验测量表明，USRP-LW X310作为接收机的两通道相位干涉仪可以达到本方案要求的测向精度。

图6 双通道相位干涉仪测向图

5. 推荐硬件型号

（1）USRP-LW X310+两张UBX-LW 160射频子板

          USRP-LW X310是一款性能卓越，定位于高端的，服务于下一代软件无线电设计和开发的软件无线电设备。

Xilinx  Kintex-7 410T作为USRP-LW X310的数字处理核心提供了包括射频前端，DDR3以及主机接口在内的主要元器件的高速连接。FPGA默认提供了所有UHD用于控制数字下变频和数字上变频，精细的频率调谐以及一些其他的DSP功能模块。用户可以利用资源丰富的Kintex-7 FPGA的空余空间，加上USRP支持的RFNoC开发框架，开发实现自己的DSP处理模块。

          UBX-LW 160是一款全双工宽带收发器，覆盖10 MHz至6 GHz的频段，瞬时带宽为40MHz/160 MHz。多个UBX子板的相干和相位对齐操作使用户能够探索MIMO和测向应用。

（2）独立软件无线电设备 SDR-LW 3980

          SDR-LW 3980是武汉珞光电子有限公司最新推出的一款8通道高性能SDR（软件无线电）独立设备，由板载处理器、FPGA和射频前端组成。FPGA采用资源丰富、用户可编程的Xilinx MPSoC ZU11EG。该SDR设备内置Ubuntu系统，并集成 GNU Radio等应用软件。一体机的设计框架使其可以在室内或室外快速地搭建反无人机电子对抗侦察系统。

          SDR-LW 3980是构建一系列先进研究应用的理想原型，包括独立的5G或802.11设备仿真，媒体访问控制(MAC)算法的开发，多输入多输出(MIMO)系统，异构网络，5G传送，射频抗压取样，光谱遥感，认知无线电，波束形成和测向。