行业动态 | 【低空技术专栏】基于定向发射的铁路沿线无人机反制技术研究

1 概述

随着低空经济的迅速发展，无人机技术已广泛应用于物流配送、线路巡检、农业植保等多个领域。然而，这一迅猛发展也带来了新的安全挑战，尤其在高铁站场、机场及铁路沿线等关键基础设施周围，无人机非法飞行（“黑飞”）已成为不可忽视的隐患。例如，一些机场因无人机闯入导致航班大规模延误甚至取消的事件时有发生。近期，某农场工人操作无人机洒农药过程中，无人机失控坠落到铁路桥上，影响两趟列车通行。因此铁路沿线作为带状长距离区域，因防护范围广、地形复杂等特点，更容易受到无人机威胁。

现有无人机反制技术在一些封闭式区域的防护需求相对固定，布局清晰，适合部署固定式设备进行防护。相比之下，铁路沿线等带状区域因其长距离和多变地形，面临更大的探测和反制挑战。尽管现有技术具备一定的探测和干扰能力，但在这些特殊场景中仍难以完全满足需求。

本文提出一种基于信号接收与定向发射技术的铁路沿线远距离无人机反制方案，旨在解决现有技术在铁路沿线带状区域中覆盖不足的问题。通过引入该技术，能够确保反制信号覆盖整个铁路沿线，防止“黑飞”无人机接近铁路，且不影响正常巡检的无人机，从而保障铁路安全，实现低成本、持续稳定的防护。

2 铁路沿线的无人机反制方案

由于铁路沿线覆盖范围较长，为了降低无人机的探测与反制成本，本文提出的反制方案放弃了对无人机的探测措施而仅保留反制手段。在实施中，本文采用模块化部署方式，以适应铁路沿线的长距离和复杂地形特性，具体部署方式如图1所示。通过一台反制设备产生干扰信号，利用铁路沿线的信号接收与定向发射设备进行不断接力，实现干扰信号对铁路沿线无死角的覆盖。由于定向发射设备是针对特定区域发射干扰信号，所以进入到干扰信号覆盖区域的无人机都会受到干扰，进而迫降或自动返航。

2.1 无人机反制技术

民用反制无人机的手段主要包括无线电压制干扰技术和导航诱骗技术。无线电压制干扰技术通过干扰无人机的通信链路、控制信号和图像传输频段，切断无人机与地面站的连接，或导致无人机失去控制。具体而言，无线电压制干扰可以通过发射强大的电磁波干扰无人机的工作频段，使其无法正常接收控制信号或图像数据，从而影响无人机的飞行稳定性，并迫使其自动返航或迫降。

导航诱骗技术则通过模拟或伪造GPS信号来干扰无人机的定位与导航系统，使其误判位置或偏离预定航线。然而，铁路沿线等带状长距离区域不适合使用GPS干扰技术，因为GPS干扰会对周边的其他导航定位设备产生较大范围的影响。因此，针对铁路沿线的安全需求，无线电压制干扰技术更加适用。该技术可以针对无人机的通信频段、图传信号等进行精准干扰，从而有效阻止非法飞行的无人机接近铁路区域，避免其靠近铁路造成安全隐患。通过这种无线电压制干扰技术，可以有效防止“黑飞”无人机进入铁路沿线，同时避免对周围其他正常运行的设备造成影响，保障铁路运行的安全。因此本文所提出的反制方案仅使用无线电压制干扰技术。

2.2 信号接收和定向发射技术

本文所提出的反制方案的核心在于使用了信号接收和定向发射设备，具体示意如图2所示，它包含接收天线、信号处理单元与定向发射天线。接收天线用于接收前一级发射的无人机反制信号，信号处理单元负责对接收到的干扰信号进行处理和放大，最终通过定向发射天线进行发射，将干扰信号传递至下一级的信号接收与定向发射设备。该设备部署在铁路沿线的间隔位置，形成高效的中继链路，实现在不同位置对干扰信号的接收、放大和重新定向发射。通过精确设计定向发射天线的参数，可以改变主瓣宽度等特性来适应发射反制信号的需求。

八木天线（Yagi-Uda Antenna）是一种高度定向的无线电天线，由八木秀次和宇田新太郎于20世纪20年代共同发明。由于其强方向性、高增益、轻便且成本低，八木天线被广泛应用于无线通信、电视接收、无线电定位和军事领域。在特定频段内，它能够有效提高信号强度，同时减少来自非目标方向的干扰，因此是一种高性价比的优选天线。微带八木天线在传统八木天线的基础上，引入微带技术，进一步优化了结构和性能。这一设计不仅显著减小天线体积和重量，还便于批量生产和集成。此外，其低剖面和柔性设计使其在受空间限制的应用场景中（如无人机、移动通信、卫星通信以及铁路沿线信号传输系统）表现出色。

为了控制成本，本文选择微带八木天线作为定向发射天线，并设计一种工作在2.4 GHz频段（无人机常用遥控频段之一）的微带八木天线，如图3所示。天线结构中，正反面各有1个浅蓝色L形贴片，作为对称振子天线，起到驱动单元的作用；正反面各有2个红色L形贴片，作为反射器，负责反射背向的电磁波；位于另一侧的正反面各有8个绿色矩形贴片，作为引向器，增强信号的接收和辐射方向性。所有贴片均为金属材质，浅绿色长方体为介质基板，采用的介电材料为FR4。

本文设计并优化的微带八木天线在HFSS中进行仿真，其结果展示如图4～6所示。在2.4 GHz频段，天线增益达到12.5 dBi，驻波比为1.3，在2.35～2.45 GHz频段范围内，天线的旁瓣电平均低于-10 dB，且3 dB主瓣宽度稳定在40°以内。对于八木天线而言，可通过调整引向器的数量，并对各个贴片的尺寸和间距进行优化，以此来有效控制天线的辐射特性，如增益和波束宽度等。同时，合理地控制天线的输入功率，能够实现对天线在不同方向上辐射功率的精确控制。这意味着，通过同时优化天线的辐射特性以及调整输入功率，可以根据实际需求，精准控制干扰信号的有效范围及其作用区域。

为验证方案的可行性，本文对设计的天线进行加工，加工的天线如图7所示。测量的驻波比展示如图8所示，在2.3～2.5 GHz内，天线的驻波比小于2。仿真和实验结果显示，该微带八木天线不仅具有优异的性能，还具备低成本特点，适合应用于本文所提出的定向发射设备中。

由于定向发射设备会持续发射干扰信号，为了降低对铁路沿线信号系统与通信设备等电子设备的影响，本方案采取两个措施：首先，将定向发射设备适当远离铁轨，然后，通过合理优化天线的辐射方向图，选择合适的发射功率，可以极大地降低对铁路沿线电子设备的影响，保证铁路运行安全。

2.3 巡检无人机抗干扰模块

定向天线持续实时发射无人机干扰信号，也会影响到铁路周围正常巡检的无人机，可能使其信号中断或飞行轨迹偏离。为了避免这种干扰对巡检无人机正常运行的影响，本文提出的方案使用了一款定制化的抗干扰模块。反制信号通常是针对无人机常用的通信频段实施干扰，而巡检无人机抗干扰模块的原理是启用巡检无人机的备用通信频段，从根源上规避干扰信号对巡检无人机造成的影响。该抗干扰模块将被安装在巡检无人机的机身上，形成一个紧凑而有效的保护系统，以此确保无人机在处于干扰信号覆盖区域时仍能正常工作，避免出现失控或任务中断的情况。通过采用这一方案，能够有效保障铁路沿线巡检无人机在复杂电磁环境下正常工作，使其在受到干扰信号影响时依旧可以稳定运行，进而实现铁路巡检任务的安全、高效执行。

对于未安装抗干扰模块的无人机，无论其属于“黑飞”还是正常飞行的情况，当它们穿越铁路沿线时，都必然会受到干扰。为了避免无人机失控对铁路造成二次伤害，本文所提出的方案将扩大干扰信号的覆盖范围，以使无人机在进入铁路沿线的敏感区域之前就受到干扰，进而迫降或返航。

3 结论

本文提出的基于信号接收与定向发射技术的无人机反制方案，有效解决了铁路沿线带状区域内反制覆盖不足的问题。通过精确设计定向发射天线的主瓣宽度和选择合适的发射功率，以及模块化的部署，可以实现干扰信号对铁路沿线的无死角覆盖，防止非法飞行无人机接近铁路区域。方案中还设计了抗干扰模块，保障了巡检无人机在干扰环境中的稳定性。该反制系统不仅具有较高的技术可行性，还能提供低成本、持续稳定的铁路安全防护，满足铁路沿线复杂环境下的安全需求。