无人机侦测和定位系统

Drone Detection and Location Systems

编辑：Patrick Hindle

《Microwave Journal》编辑

无线电控制的商用无人机迅速吸引了消费者和企业家的注意力，他们为此创造了许多新颖的商业用途。从摄像到农作物和基础设施的检验再到货物交付，无人机不仅成为业余爱好者的消遣方式，也是企业家必不可少的工具。随着无人机为许多商业应用和数百万爱好者所用，有报道称，无人机的商业销售在2025年预计将达到近100亿美元。

然而，随着一些轰动事件的发生，例如：无人机降落在白宫花园，无人机差点撞上机场着陆的飞机等等，关键设施或私人设施、基础设施、公共场所甚至边界管理机构面临新的安全保障挑战，亟需对商用无人机进行侦测和定位以减轻其可能造成的威胁。

在过去六个月中，美国联邦航空管理局记录了约600次无人机事故。民用无人机的问题变得越来越严峻——据报道，今年4月17日，英国航空公司的一架航班在降落伦敦希思罗机场时与无人机相撞。两个月前，刚从希思罗机场起飞的另一架飞机险些与无人机相撞。

2013年9月，一架无人机在德国总理默克尔面前降落；2015年4月，另一架无人机降落在日本首相安倍晋三的办公室屋顶上，这些无人机都是由抗议者放飞的。将来，这样的无人机可能携带爆炸品或是生化武器来发动恐怖袭击。它们也可能用于运输非法物品如毒品，或用于干扰无线电信号，如GPS或Wi-Fi，导致服务中断。鉴于这些担忧，根据ASD报告，到2022年，无人机侦测系统的市场估计将增至约160亿美元。

无人机无线电控制（RC）通常使用为遥控设备保留的三段频谱之一进行操作（表1）。这些频段可能非常拥挤，特别是2.4GHz ISM，大多数商业Wi-Fi、蓝牙和物联网（如ZigBee、Z-Wave、LoRa）系统都在这个频段上运行。在这些频段上传输的信号受到的管制很松，使用的是随机接入规则而不是时间控制或频分接入方案。因此，在2.4GHz ISM频段的80MHz附近堆积了大量信号。SRD和5.8GHz ISM频段目前使用率还不高，但很快它们必将成为最密集的频段。

表1 无人机无线电控制使用的典型频段（是德科技提供）
频段名称	起始频率	终止频率	功率限制
UHF短程设备	433.05MHz	434.79MHz	≤10mW ERP
ISM 2.4GHz	2.4GHz	2.4835GHz	≤100mW EIRP
ISM 5.8GHz	5.725GHz	5.85GHz	≤100mW EIRP
ERP：有效辐射功率；EIRP：等效各向同性辐射功率

《Microwave Journal》收集了来自Rohde & Schwarz、是德科技和Aaronia AG的三篇文章，文章内容均是探讨射频无人机侦测和定位系统，包括无人机侦测面临的挑战，这些系统的优缺点以及一些关于其系统的信息。虽然还有很多公司也在开发这些系统，但我们选择了这三家领先的测试和测量公司，作为频谱监测领域的专家来分享他们的方法和观点。

射频无人机侦测和定位系统的挑战与解决方案

Darren McCarthy

Rohde & Schwarz

美国俄勒冈州比福顿市

禁止无人机飞行并不是一个轻而易举的任务，没有一个解决办法是万能的。用视觉和听觉进行侦测可能因环境干扰造成性能下降和错误。雷达可能无法侦测到外形较小的无人机，电/光（EO）传感器在遇到恶劣的天气条件（如雨或雾）时可能会失灵。即使是射频侦测，对使用GPS航点导向的预编程无人机也不完全有效。无线电链路的存在对于射频侦测来说必不可少。然而，射频侦测系统对于大多数在用的商用无人机技术来说都是十分有效的，与其它技术相比，它在侦测速度方面具有明显的优势。

射频侦测系统要想发挥作用，必须具有高灵敏度，能够提供预警而不能产生假报警。一个完整的反制系统还需要安全、可靠的手段来阻止威胁。对于一个包括其它传感器技术的系统来说，射频侦测系统可能只是其完整工作流程的一个有用部分。

保护系统的一个关键缺点是侦测系统之间的工作流程整合，以及侦测与反制系统之间为获得成功保护所进行的即时互动。

图1给出了在侦测无人机可能带来的威胁时，可供考虑的工作流程以及设计挑战。在本文中，我们将重点关注侦测和定位射频链路控制的无人机，以及随着技术进步而产生的互操作性和定制需求。

 

▲图1：无人机定位和侦测系统的框架。

情境感知：侦测、分类和地理定位

虽然无人机的远程控制并没有通用标准，但大多数无人机技术都采用无线电控制，并将上行链路（设备控制器）和下行链路遥测信号或视频信号发送回用户。射频侦测系统在用于侦测无线电控制的无人机时具有明显的优势，这个优势就是时间！

控制器和无人机之间建立的射频链路使得射频侦测系统在评估威胁状况方面具有显著的优势。

虽然大多数用户是在2.4GHz或5.8GHz的免许可ISM频段内操作，但他们也使用其它频段，包括433MHz和4.3GHz。无线电控制设备使用的一些较旧的频率包括27、35、40.68和72MHz，能将控制范围扩展到几千米。跟踪和侦测可能有威胁的设备，需要宽带天线和接收机系统能够监视所有感兴趣的关键频段，寻找可能存在的威胁。此外，由于这些ISM频段和器件的运行功率非常低（~100mW），并且有其它合法的射频使用（如WLAN等类似技术），因此，想要高度灵敏地发现远程范围内的信号并且辨别合法目标与未授权的威胁目标，需要操作人员具备专业的信号分析和自动侦测知识。

图2显示了在2.4GHz ISM频段使用FHSS技术的无人机示例。在显示屏幕上部，射频频谱显示出信号在温度标度上具有持续性，这表明有一段时间的信号被信道化为四个频率信道。显示屏幕下部显示同一信号在不同时间的频谱图或瀑布图，其中颜色标度表示振幅。该信号的详细分析会显示该信号不同的射频频谱信道之间以特定的跳变率（~100跳/秒）跳变，这些频谱信道具有特定的突发脉冲持续时间、信道序列或跳频码型。从这个显示中可以看出，干净的频谱和没有其它信号的干扰，使得识别这种FHSS无人机的码型非常容易，类似于人们在实验室或受控环境中可能发现的码型。

▲图2：用于2.4GHz无人机的FHSS技术示例。

 

▲图3：存在无线局域网正常流量时的无人机信号。

考虑一下图3所示的环境。在ISM频段技术非常拥挤的典型环境中，它对于系统操作员来说变得不那么明显。多个WLAN接入点和用户终端、蓝牙技术和物联网设备都可以存在于同一频谱中，并且FHSS无人机可能会在视图中丢失。另外，请记住，一些无人机使用WLAN信号进行控制或传输下行视频，因此对WLAN信号的深入检查和解码有助于对无人机动作的侦测。

为了对无人机信号进行可靠的侦测，自动分类十分重要。我们不能期望操作员能及时了解和评测出现在各种频段上的各种信号。许多基础频谱监测系统提供一种基于阈值的简单射频报警信号，会在侦测到信号阈值时造成误报警。自动分类系统必须识别预期的环境，并且能够寻找发射系统，以便对来自已知无人机信号库的预期威胁进行特征分类。时间是链路建立过程中射频侦测系统的最大优势，必须利用这一优势来改进情境感知。

多无人机的环境也必须加以考虑。可能会出现“友方”无人机（白名单）执行边界监视、警务调查或人群观察等任务的情况。已知“友方”信号的单独识别必须对应环境进行评估。有可能存在无人机威胁（黑名单）与友方无人机（白名单）共存的情况。这就带来了一个问题，即一个环境中预期存在多少威胁。

在多威胁环境中快速分类信号是一个复杂的挑战（图4），特别是考虑到这些商用无人机可能在同一频段上使用FHSS、WLAN和蓝牙技术以及在其它频段上使用其它技术，分辨它们的信号特征更为复杂。这不仅在信号分类过程中是个挑战，而且还必须注意，并非所有测向技术在多信号环境中都能平等地执行地理定位。尤其是有些测向技术不能区分在同一频率上同时出现、只有到达角不同的多个信号。

▲图4：识别出多架无人机（上行链路和下行链路）的多威胁环境（左下）。

测向技术的选择还必须考虑到系统对相同频率上同时发生的威胁进行地理定位的能力，以及在整个预期操作频段上运行的能力。重要的是，在系统的技术背后，这些威胁能以明确的方式呈现给用户，使他们能够对威胁采取行动。图5所示为同时侦测到的四架无人机以及每架威胁无人机和友方警用无人机的到达角度。

▲图5：地理定位无人机威胁示例以及“友方”无人机的互操作性和面向未来的考虑。

射频侦测系统是无人机防御系统的重要组成部分，然而，有些无人机技术能够应用GPS或其它GNSS技术以及不发射射频信号的航点系统来导航。在这种情况下，完全依靠射频侦测系统不足以保护高价值目标。

完整的解决方案必须考虑引入其它技术进行协同工作，以取长补短，克服对单一技术的依赖。因此，支持这些其它技术“接入”防御系统的开放系统接口很重要。其它系统的示警或接入也应当考虑采用视觉或听觉方法，以及向预定义的移动电话组发送短信（SMS）或通过IP网络发送XML消息。

随着无人机技术的不断发展，这些商用设备中会继续采用新的射频接口。对于侦测系统而言，采取可升级的方法以便在新的射频信号特征出现时进行扩展和合并至关重要。数据库只对已知的威胁有效。对射频接口技术的最新发展保持持续警惕非常重要，而拓展保护系统的能力使之能应对最新威胁也势在必行。

以R&S^® ARDRONIS技术为例（图6），这个示例系统已经证明自己可以提供最高级别的安全性。在德国埃尔毛城堡举行的七国集团峰会上，以及在美国总统巴拉克•奥巴马访问2016年汉诺威工业博览会期间，该系统的基础技术得以用于保护这些地点的安全，避免未经授权的遥控无人机侵入。

▲图6：Rohde & Schwarz公司的R&S ARDRONIS-D无线电监测解决方案将侦测、分类和地理定位功能整合在一个单一的便携式高可靠性系统中。

R&S ARDRONIS自动无线电控制无人机分类解决方案是一款全面的解决方案，具有侦测、分类、地理定位、记录和干扰无人机遥控链路的专门功能。该解决方案经过优化，专门反制无线电控制（RC）无人机带来的威胁。通过成功的试验、重要客户的部署以及参与保护各种重要的公共活动和保护VIP人士，R&S ARDRONIS已经证实是一种有效的技术手段。

R&S ARDRONIS是一种能有效侦测和监测无人机活动并实现预警的可靠方法。它通过测定活跃遥控器和无人机的方向来确定操作者的方位。采用这种方法可以及时部署有效的反制措施，通过干扰无线电通信链路来反制和阻止无线电控制的无人机进入限定区域。R&S ARDRONIS的能力和关键功能包括分类、地理定位和反制无线电控制的无人机带来的威胁。

小结

如何应对无人机带来的潜在威胁，需要考虑的因素有很多。商用无人机的广泛使用给人们带来越来越多的威胁，需要警惕可能对潜在的高价值目标和关键场所带来的威胁。

解决方案的深度显然需要权衡威胁的可能性以及威胁随时间变化的可能。射频侦测系统在反应时间以及高使用概率上具有明显优势。应对威胁所采取的行动和工作流程必须与防御性系统的各个组件形成互补，使得其行动能构成完整的解决方案。

仔细考虑射频侦测系统的类型还必须考虑到能够在密集的频谱环境中筛选出无数的射频信号，同时降低误报率。用户需要能够区分他人作为自己的个人热点开启的Wi-Fi信号与无人机的Wi-Fi信号。随着新信号的出现和技术的进步，熟练的用户应当能够将自己的威胁定义为包含在分类数据库中，或者应当具备服务级别协议来更新数据库或保持数据库与技术同步。

地理定位技术需要仔细加以考虑，并应针对预期场景进行技术评估。选择对多威胁环境无视的测向技术可能会导致灾难性的后果。

用于侦测、分类和定位商用无人机的射频技术

I. C. Tillman

是德科技

美国加州圣罗莎市

有效的无人机侦测系统能监测全部三个频段：433MHz SRD以及2.4或5.8GHz ISM，同时跳过中间宽广的频谱（图7）。这带来了一种快速高效的方法，只将注意力集中在已知的无人机运行频谱部分。基于无人机控制信号的典型带宽和特征，每个频段采用不同的分辨率带宽（RBW）和跟踪平均方案。例如，在SRD频段（400MHz）发现的无人机控制信号通常只有几十kHz宽，具有独特的谱形。因此，该频段适用窄分辨率带宽（如低于3kHz）。2.4GHz和5.8GHz ISM频段中的感兴趣信号倾向于1~2MHz宽；因此，更高的分辨率带宽（如20kHz）比较好。更高的分辨率带宽允许更快地处理频谱，拦截无人机RC传输的概率也更高。

 

▲图7：是德科技Surveyor 4D无人机侦测系统显示屏。

隔离正确的信号

我们需要一种强大的方法来自动侦测与本底“噪声”相对的能量，这种能量可能在全部三个频段上现身。我们使用了一种噪声搭乘技术，这种技术最初是作为是德科技高频频段（2~32MHz）信号开发系统的一部分开发的。该算法具有与裕量（幅偏）、分段（频率粒度）和平滑（运行平均值）相关的变量。通过正确设置这些值，自动阈值可以上下“搭乘”活跃的Wi-Fi信道，但仍然可以正确地响应和隔离来自其它得到合法授权操作的发射机所发射的无人机控制信号。

图8所示为算法工作原理。垂直的绿线表示无人机RC的频率侦测。红线表示位于Wi-Fi信号上但是在侦测控制信号的噪声“搭乘”阈值。下一个挑战是区分不同类型的无人机控制信号。噪音搭乘阈值有助于排除环境Wi-Fi信号，将其视作本底噪声。然而，还有其它信号可能与感兴趣的无人机射频信号类似。如果有一个以上的RC在操作，如何进行区分？

 

▲图8：ISM频段中自动阈值算法的操作。

区分无人机控制类型

通过谱形相关可以解决这一问题。这种隔离技术使用一根频谱相关线，它由水平分隔的频点间隔（与FFT滤波器形状因子相关的RBW值）组成。这些点根据传输的独特振幅特征进行垂直定位。侦测器中的点数以信号带宽或信号可利用特征的带宽为基础。基本上，它们都是匹配的滤波器，用于在定义的容限内对扫描中的每组频率点进行匹配（以百分比或dB表示）。特定信号的相关线根据记录建立，并在投入使用前经过几个步骤加以验证。

各种无线电控制器都采用略有差异的方案与无人机进行通信。正是这些差异可以为谱形相关器所用。图9所示为某种控制器的信号特征。

▲图9：用于特定无人机信号特征的谱形相关器。

是德科技的Signal Surveyor 4D有一项称为“通用信号侦测器”（USD）的功能，它具有被称为宽带侦测器的谱形相关器。这一功能使得用户能应用信号鉴别器以最低的错误识别率来识别不同的无人机控制器。USD“侦测器”应用三个可同步或独立工作的其它要素来区分不同类型的信号。该功能最初的开发目的是用于高频频谱，在高频频谱中的信号通常具有可被利用的唯一频谱特征。USD功能应用的其它要素包括：

•     频率计划，其中可能包括具有或不具有信道化和单个频率的频段；

•     带宽滤波器，公差以百分比表示；

•     调制和符号率的窄带确认，通常不需要用于无人机RC鉴别。

使用到达时差（TDOA）定位无线电控制器

出于诸多原因，在ISM频段中定位传输可能具有挑战性。由于Wi-Fi信道和蓝牙活动的重叠以及存在于这80MHz宽带中的越来越多的物联网信号，环境信号能量可以说是无处不在（图10）。信号具有持续时间短、跳频（在大部分频段）和功率相对较低等特点。价格适中的网络传感器可以在一个区域周围分布，用于侦测和定位这些信号。分布式侦测系统有利于扩大覆盖面积。由于无人机控制信号很可能是从地面发出，高度大约为1.5米，监测系统对其的侦测范围将小于对架高发射机的侦测范围。此外，由于信号具有宽度适中的带宽（1~2MHz），因此功率谱密度低于PMR无线电的功率谱密度（12.5~25kHz）。如此一来，传播距离更短。

▲图10：2.4GHz ISM频段Wi-Fi信道的重叠。

鉴于这些条件，为了使用TDOA进行成功的地理定位，信号必须在频率和时间上进行隔离。要使TDOA工作，必须在公共主机上收集和关联每个传感器的同步IQ数据的正确“代码片断”。更大的挑战是从所有传感器中分离正确的IQ样本（即包含RC信号的样本）。为了实现这一点，每个传感器必须配有带精确时间戳的IQ存储器才能获得正确的脉冲。鉴于无人机可能出现在三个频段中的任意一个，我们假设接收机会扫描所有频段。这意味着，对应调谐器中频带宽每个频段的IQ必须在传感器存储器中进行适当的时间标记和索引。当侦测到RC信号时，系统必须将精确的时间传达给每个传感器，并特别向存储器请求该数据。然后，主计算机可以将所有传感器对之间的IQ数据进行关联并估计位置。图11所示为这种测量的外观示例。

▲图11：是德科技N6854A射频地理位置服务器软件中的无人机RC突发脉冲捕获和TDOA地理定位。

这四个传感器同步隔离了来自2.4GHz ISM频段的RC信号，并在时间上成功隔离了1.2ms的突发脉冲。主计算机能够将IQ时间序列数据进行关联，以成功估计控制器的位置。这个测量是在现场测试期间进行的，所以时间记录比所需时间长3倍。隔离持续时间短的信号这种“回顾”方法经证明对于定位无人机RC有效。

ISM频段带来的另一个挑战是同信道干扰，这对于发射机采用的任何技术都存在问题。如果使用传统的测向器（即到达角技术），在信号采集期间存在的强同信道信号可能产生角度误差，或者测向结果是基于干扰源而不是预期的信号。角度误差可能难以克服，无论它们是通过反射还是同信道干扰产生，这两种情况会成为主导，特别是在考虑到城市环境中的ISM频段时。TDOA算法通常基于最强相关性得出结果。这也是为什么在时间上隔离RC突发信号如此重要。通过在准确的RC信号特征上触发地理定位测量窗口，强相关性的可能性非常高。由于RC在跳变，因此多个TDOA测量会在短时间内完成，从而进一步增加地理定位结果聚类的机会（图12）。采用多信道相关技术的测向系统可以克服这种情况，但其费用要高得多。

▲图12：RC周围聚集的TDOA结果。

为侦测、隔离和分类高频信号而开发的技术可以有效抵抗ISM频段中的信号。虽然高频频段的本底噪声不佳，会随着环境条件发生变化，但ISM频段也具有非常活跃的环境信号本底噪声，其中包含各种重叠的宽带和频率捷变窄带活动。这种信号活动的特性有点像高频频段，但它的变化速度更快。自动噪声搭乘阈值结合光谱形状相关侦测，能够经济、有效地侦测和隔离特定信号能量。一旦侦测到信号，使用传感器存储器的TDOA方法可以有效隔离用于交叉关联的脉冲信号数据，以估计射频控制器的位置。这样的系统可以通过低成本的同步传感器网络实现。

以是德科技的Surveyor 4D系统（图13）为例，它能有效地侦测、分类和定位在1千米范围内运行的无人机控制器。通过提升系统高程延展视线，侦测范围可以进一步延伸。它采用的支持技术是Surveyor 4D的高速多频段搜索模式和通用信号侦测（USD）宽带侦测器。当有新的无人机系统推出时，该系统可以创建侦测器。这使得用户有能力在新的控制装置和无人机产品进入市场时更新无人机侦测器库。

▲图13：是德科技Surveyor 4D无人机侦测系统。

是德科技提供了一款出色的建模和仿真工具，称为SPOT（传感器规划和优化工具），可用于规划射频传感器装置。使用这款工具，用户可以对侦测点进行规划，以便为关键基础设施或活动地点提供最佳覆盖。如果部署四个或更多个传感器，可以通过“到达时差”（TDOA）来定位发射器的位置。

基于射频辐射侦测无人机

AaroniaAG

德国Strickscheid

最后一个例子是Aaronia的无人机侦测器，这个产品利用的是无人机机载系统和操作员控制装置发射的射频辐射（图14）。Aaronia认为需要一种可靠的方法来侦测微小的空中入侵者。经过四年的开发，它推出了这款产品。实时射频信号侦测与该公司所称的“码型触发”相结合后，可以对监测区域内的任何无人机或正在运行的无人机控制装置提供快速预警。

▲图14：Aaronia的无人机侦测系统。

军用通信链路通常利用频率捷变等技术来降低信号被拦截的可能性，但无人机设计人员销售的是便宜的商用产品。因此，无人机的通信链路采用的是低成本、复杂程度较低的子系统，隐秘性相当低。由于无人机侦测器具有比无人机及其控制装置更复杂的接收机设备，因此它的工作距离比无人机操作员的更远。

无人机侦测器提供两种类型的3D测向天线：IsoLOG 3D 80和IsoLOG 3D 160。这两种天线分别具有8扇区16根天线和16扇区32根天线。两者的覆盖范围均为680MHz到6GHz，如果要求覆盖低频、中频、高频和超低频（9kHz至680MHz）以及6至20GHz范围的话，可以提供扩频器。这些天线与XFR V5 PRO（用于便携式装置）或射频命令中心（用于固定装置）相结合。二者都能覆盖从9kHz到20GHz的频率范围，这包括了常用于无人机控制和视频链路的频率——通常为433、990、915MHz和1.3、2.4、5.8GHz。

无人机及其控制装置的定位

使用这些基本组件，用户可以选择具有不同复杂性的系统。最简单的系统包括单根IsoLOG 3D天线和固定式或移动式频谱分析仪。这足以监测半径达4至5千米的区域。如果需要完全移动的解决方案，系统可以安装在车辆上并通过电池供电操作。它的天线能够抵抗盐水或盐雾腐蚀，因此可以在船上部署。

一旦侦测到信号，它会显示信号的大致方位，根据所使用的天线型号，方位精度达到2至3度。如果使用标准的IsoLOG 3D 80，单个天线扇区的方位精度至少在4到6度范围内。

如果必须覆盖较大的区域，可以将多根天线和多个频谱分析仪连接到一台中央计算机同步进行管理。要覆盖的面积越大，必须部署的天线和分析仪的数量就越多。任何威胁信号都可能被天线接收，结果经过三角测量，可以提供关于无人机和/或其操作员位置的详细、准确的信息。

系统的侦测范围没有限制；侦测范围通常与操作员到无人机之间的可用距离相当（或更远），它始终取决于无人机/操作员的发射机功率。根据无人机的类型，侦测范围可能是几千米（例如，DJI Phantom 4的操作距离约为5千米）。

由于该系统旨在通过对频率和其它特性进行观察来识别与无人机相关的射频信号，因此在面对其它类型的射频信号时不会提供虚假预警。如果出现多架无人机的情况，系统可以侦测到这些无人机，无论它们是否是同一类型（图15）。

▲图15：多架无人机的识别。

侦测一架无人机所需的平均时间在10微秒到500毫秒之间。这取决于所部署的系统的复杂程度以及使用的天线阵列数量等因素。虽然天线到无人机或其操作员之间没有障碍的情况下能提供最佳结果，但系统也能侦测到被树木、灌木丛或人群遮挡的射频信号。该系统是无源系统，本身不会发出信号而对邻近设施（如机场）正常运行产生干扰，也不会给无人机操作员发出系统存在的警告。系统性能不受光线或恶劣天气影响，只要气象条件允许无人机飞行，就可以对其进行侦测。

Aaronia系统具有一些独特的功能，如全天候记录和播放。此外，它可以配备多个接收器，以便实时测量每个单独的频段（如2.4和5.8GHz、434和868MHz），无需在频段之间切换。

总结

虽然无人机将在商业市场实现许多新兴的应用，但它们也会对公共安全构成潜在威胁。由于它们小巧灵活，因此它们可以进入大多数受保护区域，发现并阻止无人机进入这些地区有一定难度。然而，主要以射频技术为基础的新型无人机侦测和定位系统正在迅速发展，以保护公众免受这些威胁。许多射频测试和测量公司在这方面占据了独特的地位，可以利用自身的频谱监测能力引入到这一领域的现场系统中。