立體化低慢小飛行物探測與防御系統設計及應用

■ 文/ 公安部第一研究所 范殿梁 徐常星 邢更力重慶市蘭空無人機技術有限公司 田真真

關鍵字：無人機 低慢小 探測與防御 低空安保

1 引言

我國民用無人機市場起步較晚，但是發展異?；馃?，無人機目前正在應用于國計民生的很多領域，比如國土測繪、海洋巡查、電力巡線、氣象探測、搶險救災、環保監測、城市監測、農林植保、工業礦用、森林防火、警用巡邏、物流快遞、醫療救護等，整體處于爆發前的積累階段。民用無人機發展勢頭迅不可擋，諸如淘寶、亞馬遜、順豐、谷歌、Facebook 等知名巨頭均搶先布局無人機行業。

近年來，民用消費級無人機呈爆發式增長，無人機“黑飛”事件也被不斷曝光，引發了低空安保問題。隨著低空空域管理體制改革的深化和無人機技術的創新，低空飛行目標數量激增，高價值安防目標低空安保問題已經成為各方關注和研究的熱點。2016 年12 月28 日、29 日，北京一家不具備航空攝影測繪資質的公司，在沒有申請空域的情況下，擅自安排人員操縱無人機升空拍攝，導致多架次民航班機避讓、延誤。2017 年4 月14 日、5 月9 日，因無人機非法闖入成都雙流機場、重慶江北機場凈空保護區域，導致百余架次航班被迫備降或返航。2017 年9 月廈門金磚會議期間，會議空域遭到數十架無人機入侵。防御無人機“黑飛”成了亟需解決的現實問題。本文提出，低空安保無人機防御不僅要靠法規制度對合作目標的管控，還要靠多維一體、立體防控的安保系統對非合作目標的管控。故本文根據多次參與低空安保任務的經驗，從無人機防御的任務和目標入手，按照管控流程探討管控關鍵技術，介紹了一套實用的立體化低慢小飛行物（以無人機典型目標為例）探測與防御系統解決方案。

2 低慢小飛行物探測與防御目標

2.1 低慢小飛行物概念和特點

低慢小飛行物包括：動力三角翼、輕型直升機、探空氣球、滑翔機、山坡滑翔傘、動力傘、熱氣球、飛艇、無人機、航空模型（如遙控直升機、遙控飛機等） 、航天模型、空飄氣球、風箏、孔明燈等。

低慢小飛行物主要具有以下三個特點：

（1）低空：飛行高度在1000 米以下；

（2）慢速：飛行時速小于200 公里/小時；

（3）小型：RCS(雷達反射截面積)小于0.2 平方米。

2018 年2 月，國務院、中央軍委就《無人駕駛航空器飛行管理暫行條例》（以下簡稱《條例》）面向社會征集意見。根據運行風險大小，將民用無人機分為微型、輕型、小型、中型、大型，意在放開對消費級輕、微型無人機的飛行限制?！稐l例》中明確，購買除微型無人機以外的民用無人機的單位、個人應當通過實名認證，配合做好相關信息核實。《條例》還規定，重量不超過4 千克的輕、微型無人機在真高120 米以下適飛空域飛行無需申請飛行計劃。

所以，從空域劃分來看，低空安保無人機防御對象主要是120 米以下適飛空域內的無人機。綜合低慢小飛行物特征，本系統擬防御1000 米以下空域內的低慢小目標。

2.2 無人機安全威脅特點

精度高、功能豐富、危害極大。無人機飛行高度100-1000 米，續航時間30 分鐘以上，遙控半徑2km 左右，GPS 自主導航飛行距離超過10km，載荷能力超過10 公斤，此類無人機多搭載高清攝像頭，可實時回傳高清圖像，這些功能為犯罪分子提供了巨大的幫助，對公共安全構成了極大威脅。一旦被犯罪或恐怖分子利用，可實現低空偵察、窺探隱私等功能；能夠運輸違禁物品，實施自爆攻擊、低空投毒等恐怖襲擊。

易制作、成本低、易操作。此類目標價格低廉，從幾百元到數十萬，可通過廠商定制，也可在普通商場或網上方便購買。盡管無人機廠商采取了一定的安全防護措施，如：機身閃燈提示，提高在夜間肉眼識別；敏感目標的地理信息位置數據GPS 限制設定等手段。但是由于無人機技術已擴散，犯罪分子很容易進行改裝，實現無限制飛行，且多采用無線遙控和自主控制，操控上不存在技術門檻，而且對起降場地幾乎沒有要求。

低小輕慢、難防范。普通無人機展翼飛行時可視面積不超過1 平方米，RCS（雷達反射截面積）小于0.2 平方米，當在100 米左右低空降噪飛行時，由于其體積小、速度快，很難第一時間通過常規安防手段發現并預警，在夜晚城市微光環境下探測和識別的難度更大。

遠程操作、易逃離。如果使用續航能力較長的遙控飛行器作為攜彈載體，可保證其在足夠遠的安全距離外遙控襲擊目標，襲擊后有足夠的時間和空間逃跑。而抗干擾強和遙控距離遠的新型遙控技術極大增強了民用無人機“安全”地實施犯罪和恐怖活動的能力。

2.3 無人機常規監管方式分析

無人機常規監管方式可以分為如下三種形式。

2.3.1 法律規范方面

法律規范包括飛機注冊、飛行牌照、駕駛執照和空域申請。特點是官方注冊、認證機構、飛行員培訓和空域申請。具有更容易識別無人機，擁有者更加透明，減少飛行風險和事故等優點。缺點為對于恐怖分子和犯罪活動防范打擊仍需技術裝備和防控手段。

2.3.2 無人機生產制造標準方面

無人機生產制造標準包括禁飛區/地理圍欄。特點是無人機廠商通過內置軟件阻止無人機在預先定義的安全敏感區域內飛行。具有減少非敵意威脅的優點。缺點為很多無人機未配置地理圍欄，地理圍欄也可以被關閉。

2.3.3 無人機行業監管平臺、無人機導航服務平臺方面

特點是實時采集無人機的狀態信息向無人機提供禁飛區信息，將無人機飛行計劃通知監管部門。具有無人機可監管、規避禁飛區等優點。缺點為需要無人機操縱者主動安裝，無法防控犯罪和恐襲等惡意無人機。

2.4 立體化安防需求分析

近年來，不斷出現和持續增長的無人機安全隱患與事故使得反無人機市場需求迫在眉睫。常規監管方式均是針對合作目標，無人機常規監管方式和技術手段無法防控實施違法犯罪和恐怖襲擊的惡意的非合作目標。無人機的大規模應用不僅帶來反無人機低空安防市場的剛需，也必將引發傳統地面安防與30 米以上低空安防的深度融合，最終形成一體化、立體化和全方位的安全防控體系。本系統實現的目標就是“立體化探測與防御”，做到方案前置“發現即拒止”。

3 防御系統設計及關鍵技術

存儲有戰略物資的高價值安防目標大多在一些空曠海域，為了確保安保萬無一失，單靠一款產品、一種手段是不可能實現的，必須多措并舉、實時聯動、全維立體管控。按照管控流程，低空一體化安保系統必須能夠全天候、全實時、主動式預警偵察，及時發現低空飛行、地面來襲目標，準確識別輸出目標身份，并能采取適當處置手段，保障低空安全。系統架構見圖1。

圖1 低慢小飛行物探測與防御系統架構

3.1 探測

探測功能設計具體參見圖2。

圖2 探測功能設計圖

及時發現可疑飛行目標是防御的關鍵難點。民用消費級無人機飛行高度低、速度慢、體積小，而大多高價值安防目標都在空曠及海域，適合飛行器貼地飛行，為探測偵察提高了難度。根據飛行器目標的特點，目前常見的偵察手段主要獲取物理目標、頻率特征信號，包括聲紋信號、圖像信號、雷達信號和頻譜信號。具體技術手段詳情見表1。綜合考慮各類技術手段的優缺點，系統采用雷達探測與光電監控一體化、頻譜偵測的復合偵察手段。

表1 各類偵察手段特點

雷達與光電監控識別低慢小無人機的關鍵技術在于，根據目標運動特征運用精準、實時算法發現可疑飛行目標，其中二維雷達容易受到地面移動物體（如建筑物、樹木、來往車輛等）的干擾，誤判率較高，而三維雷達采用俯仰面數字波束形成（DBF）的三坐標相控陣，實現在復雜城市環境中，通過空域濾波將各類地雜波進行濾除，實現高發現概率和低虛警率的低慢小目標精確、實時發現定位（水平、俯仰、距離），雷達覆蓋區域為360°x 90°全覆蓋，及時發現低空可疑飛行目標。然而，因雷達采用多普勒原理跟蹤目標，所以對懸停無人機的偵測效果有限。

在這種情形下，利用頻譜偵測技術可以彌補雷達探測的短板。頻譜偵測的關鍵技術在于當前無線電頻譜資源緊缺，在頻率使用規劃上存在頻率復用與一些不規范用頻，要從多種復雜信號中提取低慢小目標信號的識別技術。對高速跳頻信號的測向定位在安防應用領域是需要不斷處理提高性能的難題，無人機飛控信號應用的跳頻通信技術所需的高速處理算法技術?；诜桨盖爸?，系統要求及早發現與報警，需要采用特別的算法對弱小信號提取技術。在復雜電磁環境下，單一設備獲取相關信息有限，無法對目標多方位綜合判斷，需要多個站點的設備結果數據進行融合、分析判別多源數據融合識別技術。可同時對地對空進行7*24 小時偵測，實現全時化、立體化安防。

具體偵察流程如下：雷達探測與光電監控一體化、頻譜偵測設備組網結合，實現從偵察到預警的全自動處理；雷達和頻譜監測設備全天候不間斷的對任務區內的運動和靜止目標進行探測，并根據目標的飛行軌跡和頻譜特征進行初步威脅識別，對于無威脅的目標，對其進行持續探測和跟蹤，并定期對其威脅等級進行識別；對于可能存在威脅的目標，立即引導視頻監控對準該目標，并根據目標距離控制視頻設備焦距，使其在一定時間內保持對該目標的監視和跟蹤，以便獲得目標的清晰視頻圖像，視頻監控將獲取的圖像信息傳遞給信息處理控制中心，控制中心的視頻跟蹤軟件對目標進行精確識別。具體流程參見圖3。

圖3 偵察過程

3.2 識別

系統運用雷達與光電監控關鍵技術在于，當雷達發現無人機后，可對其進行持續跟蹤，并輸出目標精確的三維坐標（水平、俯仰、距離），聯動光電實現快速鎖定目標。通過實時的智能圖像識別對目標進行模式匹配。經過雷達指示的精確距離信息，光電系統可實現30～60 倍變焦，自適應目標大小，從而獲得最適合算法分析的圖像。通過先進的圖像識別算法，對無人機進行圖像識別。

系統運用頻譜監測識別無人機時，關鍵技術在于精準分析導航、圖像傳輸和遙控信號頻譜特征，與現有頻譜特征數據庫比對，從而確定無人機。另外，可以通過無線電測向定位技術構建基于三維地圖的飛行目標態勢圖。與此同時，根據無人機生產廠商的公開數據，應用特征比對算法識別其型號。

總體來說，系統采用頻譜監測、視頻技術、三維雷達獲取無人機的特征數據進行精確識別，如圖4 所示。

圖4 目標識別

3.3 處置

處置是對入侵和威脅的目標飛行器進行拒止，包括電磁壓制阻斷圖傳、控制及導航信號，地面拋網及激光火炮等直接武力摧毀技術，難點在于避免環境干擾及無人機墜落導致的二次威脅問題。反制技術手段詳見表2。

表2 各類反制手段特點

該系統根據無人機特點采用電磁壓制技術，制定了嚴密的處置計劃，處置手段分為軟殺傷和硬打擊兩類，可視情采用。軟殺傷主要是針對無人機的導航定位信號、遙控信號實施電磁干擾。其關鍵技術在于根據無人機所用信號的帶寬、頻譜調制特征，生成與目標信號強相關的干擾信號，從而準確干擾目標。但該手段容易造成無人機失控，造成次生危害，并不適用于人群密集的區域。使用偽導航信號可誘導無人機降落到指定地域。通過偽遙控信號，可根據無人機型號發射偽遙控信號，實現對無人機的接管，從而捕獲無人機。該方法對遙控信號破解能力要求較高，但較為穩妥，不易引發次生危害。而實施硬殺傷是一種最徹底的保底處置方法。處置時，用直升機、專業無人機拖曳編織網凌空捕捉黑飛無人機，或使用激光等武器直接將黑飛無人機擊落。

4 探測與防御系統解決方案

4.1 系統解決方案原則

系統研制遵循“先進、實用、經濟、可靠”的原則，設計中需貫徹以下設計原則：以可靠性為設計首要考慮，盡量采用成熟技術，充分借鑒軍隊類似裝備建設經驗。系統與各分系統設計與實施參照相關的軍標、國標，暫時無標準可依的，建立內部的協議、規范；堅持已有的、成熟的系統軟、硬件設計思路，采用模塊化、通用化和標準化設計，進一步提高產品的成熟度和可靠性。

圖5 處置全流程架構圖

（1）采用“硬件軟件化、軟件層次化、接口標準化、功能模塊化”的設計思想，力求硬件可重組，軟件可加載，系統功能可重構。

（2）開放性和可擴展性。系統平臺采用開放式設計，預留必要的軟硬件接口，便于發揮用戶自身的優勢，自研設備接入系統和擴展升級，以適應信號情況的變化和技偵領域發展的需求。

（3）軟件工程化。采用軟件工程化設計的思想，提高軟件設計的水平，滿足可拆卸、可重構、好用、實用和可靠的要求，并且盡可能滿足用戶的需求。

（4）余度和可維護性。加強冗余設計和維修性設計，強調重要部件備份，提高系統可維護性。

（5）重視機動性和環境適應性設計，滿足不同環境條件使用要求。

4.2 系統解決方案案例

本文以參加某低空安保任務為例，介紹在高價值安防目標中無人機探測與防御系統的具體部署。圖6 與圖7 概略說明了防御系統布設的區域。按照系統布設要求，選擇偵察預警和情況處置最佳的位置，即建筑物制高點（圖6、圖7 中五角星所示位置）。該安保任務采用可搬移式無人機防御系統形成半徑約為1 公里的立體禁飛區，并與低空雷達探測系統（見圖8）、頻譜監測系統（見圖9）、視頻監控系統組網互聯，實現全天候預警偵察和威脅自動識別。

在處置手段上，主要采用軟殺傷設備。軟打擊設備采用槍式電磁壓制器對“黑飛”目標進行定向打擊，具有很強的方向性和實時性。由于該安保級別極高，低空域要求絕對安全，故不宜采用硬打擊方式。架設防御期間，通過各方的共同努力，對防控區域的無人機進行了有效的探測與防御，收到了良好的效果。

圖6 低慢小防御系統布設區域示例1

圖7 低慢小防御系統布設區域示例2

圖8 低慢小防御系統布設雷達系統

圖9 低慢小防御系統布設頻譜監測系統

4.3 系統方案特點

能自動濾除各種雜波，不受天氣或夜間光線影響，不受薄霧、濃霧影響，并利用相控陣技術大大提升了低慢小目標的捕獲概率。通信信號監測采用超外差加數字信道化接收機的混合接收體制，具備全頻段、高靈敏度、高精度的偵收能力。測向體制為比幅測向體制，具備寬頻段、遠距離、高精度的測向能力。可對超高速跳頻信號、短時信號等進行測向。數字接收機可兼顧寬帶通信信號檢測和高靈敏度、高精度檢測?；谕ㄐ判盘柼卣鲾祿?，支持多種類型圖傳、飛控信號的分析。

通過先進的圖像識別算法，對無人機進行圖像識別，可確認無人機的型號。多頻段窄波束干擾器可實現對定位信號（GPS、GNSS、BDS、北斗等）、圖傳信號和遙控信號（433MHz、915MHz、1.4 GHz、2.4GHz、5.8GHz）進行復合全頻段壓制。窄波束可將干擾能量發射的更遠、更集中，通過探測設備的精確定位，實現小功率遠距離對無人機的精確打擊，而又不干擾到周圍其他電子、傳輸設備。

系統可實現集成化，并安裝于車載，便于移動和快速部署。系統也可對外輸出目標數據與警報信息，實現遠程監控和指揮系統聯動。系統基于網絡架構設計，可快速擴展，部署可實現多雷達、多頻譜、多反制設備組網聯動模式。

5 結語

隨著無人機防控技術的不斷創新，低慢小飛行物探測與防御的實現手段將不斷豐富。但無論技術如何創新，其“全天候立體化偵察預警”和“發現與拒止”的系統目標不會改變。目前，該低慢小飛行物探測與防御系統的公共安全行業標準已經立項，在可以預見的未來，低空安保無人機防控系統將與現有安防系統不斷融合，在保障重大活動和重點空域的低空安全方面發揮不可或缺的作用。