要地防護反無人機系統設計與實現

王詩年， 孫家平， 郭 琰

(南京電子技術研究所，江蘇 南京 210039)

小型無人機已在各行各業得到廣泛應用，同時小型無人機飛行也給低空安全帶來巨大挑戰。商用及消費級小型無人機，購置成本低廉、易于獲取、操控智能簡單、使用機動靈活。一般小型無人機飛行高度在500 m以下，經改裝后可達4000～6000 m，遙控最遠距離可達7000 m；一般裝載量為5～7 kg，即使“大疆”精靈無人機也可承載2～3 kg。這些小型無人機極有可能成為犯罪分子的工具，用于越境走私、販毒等犯罪活動，甚至會被恐怖分子利用，通過搭載各類常規或生化爆炸裝置，對通信中心、交通樞紐、大型集會活動以及監獄等重要政治、經濟設施實施恐怖襲擊[1-10]。

現有的基于無人機飛控軟件的區域限制技術、無人機實名購買且ID唯一、無人機飛手考證等手段，有可能在管理層面避免無意的空域干擾。對于惡意無人機空域威脅，必須采用不依賴基于無人機飛控限制技術的方案，防止有人在破解、改裝無人機的情況下實施破壞行為。

本文提出一種基于多傳感器協同的要地防護反無人機系統，該系統針對小型無人機，集探測、識別、指揮、攔截于一體化，調度雷達、無線電偵測、光電紅外等多種探測手段協同工作，匯集處理多源探測信息，實現對小型無人機目標的盡早發現、快速識別、及時告警，分析判斷目標威脅情況，并進行干擾及攔截，從而保障城市、要地安全。

1 系統組成

要地防護反無人機系統由智能管控子系統、雷達探測子系統、光電紅外跟蹤子系統、無線電偵測子系統以及干擾處置子系統組成。

圖1 系統組成圖

智能管控子系統可實現雷達、光電紅外、無線電偵測等傳感器探測信息的接入、融合處理，形成綜合航跡，基于GIS一體顯示空情態勢與光電紅外視頻，并能實時監視各設備工作狀態，對異常情況給予告警。

雷達探測子系統采用兩維相掃圓陣雷達，能對360°空域內的目標進行搜索，相比機掃雷達，具有較高的數據率，最高可達0.2 s，能對小型無人機持續穩定跟蹤，并可為光電紅外跟蹤識別提供引導信息，為干擾設備實施反制提供引導。

無線電偵測子系統在無人機開機后即可截獲遙控信號、圖傳信號，自動告警測向，并引導雷達對重點區域進行搜索，甚至能對無人機操控者測向。

光電紅外跟蹤子系統獲取的圖像分辨率高，易于辨識目標，低空/超低空偵察性能好，觀測可靠、直觀，探測跟蹤精度高，尤其在強電磁干擾和目標進入低角盲區等情況下仍能有效探測、跟蹤，具有不受電磁干擾、目標識別能力強等特點。

干擾處置子系統通過釋放遙控、圖傳、GPS定位信號實施壓制干擾，根據無人機控制策略，通過釋放不同信號的組合，可迫使無人機返航或迫降。

2 總體設計

2.1 體系架構

根據系統應用場景與性能要求，采用客戶端/服務器模式架構。系統體系架構主要由硬件平臺、基礎層、服務層、應用層構成，如圖2所示。硬件平臺提供信息感知、通信網絡、計算存儲等設備要素，為系統信息獲取、處理、顯示提供支撐。數據層基于硬件平臺要素，提供航跡數據、地理數據、基礎數據這三類數據。其中，航跡數據包括雷達三坐標航跡、光電紅外兩坐標航跡與視頻圖像數據、無線電偵測設備單站一維航跡與雙站交叉定位兩維航跡數據等；地理數據包括矢量地圖、影像地圖數據及各設備部署位置信息；基礎數據包括告警規則、無線電偵測設備的目標頻率樣本數據、光電紅外設備識別目標的圖像樣本數據等。服務層基于數據層要素，提供信息接入、信息處理、地理圖形等服務，為應用提供各類信息和服務支撐。應用層基于應用場景，構建綜合顯示、指揮控制、協同探測、威脅分析、調查取證等應用。

圖2 體系架構

2.2 工作流程

系統工作流程主要由多源異構信息處理與顯示和智能管控組成，如圖3所示。

多源異構信息處理與顯示流程主要包括數據接入、信息處理、態勢顯示、數據存儲與回放等。數據接入軟件分別接入無線電偵測子系統單站輸出的目標方位信息與雙站輸出的經緯度信息，光電紅外跟蹤子系統輸出視頻信息與目標方位、俯仰信息，雷達探測子系統輸出的距離、方位、俯仰三維信息，并對各種航跡數據進行解析，轉換為統一格式。多源異構信息處理軟件通過時空配準、誤差校正等對數據進行歸一化處理，對單傳感器數據管理形成單站航跡，對異類傳感器數據進行關聯、融合為綜合航跡。態勢顯示軟件可同時同步顯示實時態勢與視頻圖像，并可根據圖層控制對單站航跡與綜合航跡的分層顯示。數據記錄與回放軟件對各類航跡數據與視頻圖像數據記錄并同步回放。

圖3 系統工作流程圖

智能管控流程主要包括多傳感器協同與自動告警。無線電偵測能夠盡早發現小型無人機目標方位，系統根據發現方向設置雷達重點搜索區域，進行重點搜索；雷達發現跟蹤目標后，系統根據綜合航跡控制光電紅外的云臺方位、俯仰，搜索跟蹤目標；光電紅外鎖定目標后，系統根據目標距離自動或半自動引導無線電干擾設備實施干擾。系統基于內置的告警規則，依據目標距離、速度大小、目標屬性等信息，綜合判斷目標威脅情況，進行自動告警。

3 關鍵技術

要地防護反無人機系統集成的雷達、無線電偵測、光電紅外等傳感器應用場景、作用距離、定位精度均不同。無線電偵測設備優點在于能盡快獲取目標方位，雙站可實現交叉定位，而且能識別目標載頻甚至能識別常用商用無人機的型號，其缺點是定位精度較低，在復雜電磁環境下會有較高虛警。雷達能實現全天候全天時主動探測，定位精度、數據率較高，其缺點是不能判定目標類型。光電紅外能通過視頻圖像直觀形象地識別目標，其缺點是需要在雷達引導下搜索跟蹤，受天氣、氣候影響較大。為實現對小型無人機的早期預警、及時連續跟蹤、準確識別，需要多傳感器協同工作，優勢互補，關鍵在于實現異類傳感器的數據融合處理與多傳感器協同探測[11]。

3.1 多傳感器數據融合處理

多傳感器數據融合處理包括同類多傳感器的融合與異類傳感器的融合，主要流程如圖4所示。同類傳感器的融合主要是多雷達組網融合，異類傳感器的融合主要是雷達與無線電偵測的融合、雷達與光電紅外的融合。

圖4 異類傳感器數據融合處理算法

多雷達組網融合是為了消除多雷達數據間可能存在的冗余和矛盾，提升探測精度，主要步驟包括剔除野值、時空配準、誤差校正、融合匹配、信息關聯等。采用“基準航跡關聯法”，根據各雷達精度，選取某一目標精度最高的雷達航跡作為基準航跡，將后續航跡與基準航跡進行關聯判斷[12]。

異類傳感器的融合主要在于取長補短、綜合印證、優勢互補，屬性補全，擴展監視空間，提高目標威脅分析能力，增強信息可信任度。異類傳感器的融合的具體規則為：① 雷達未掌握、無線電偵測掌握時，采用無線電偵測航跡；② 雷達掌握、無線電偵測設備未掌握時，采用雷達航跡；③ 雷達與無線電偵測同時發現目標時，優先利用雷達航跡，同時采用無線電偵測識別的型號與載頻；④ 雷達與光電紅外同時跟蹤時，將雷達的距離與光電紅外的方位、俯仰進行解算融合。

一次試驗中，雷達與光電紅外融合前，綜合航跡的三維距離偏差平均值為39.7 m；雷達與光電紅外融合后，綜合航跡的三維距離偏差平均值為11.53 m，顯著提高了定位精度，如圖5所示。

3.2 多傳感器協同探測

多傳感器協同探測主要包括無線電偵測與雷達協同、雷達與光電紅外協同。無線電偵測遠距離對目標進行偵測，發現目標后，引導雷達設置搜索扇區，進行重點搜索，如果無線電偵測未發現目標，則雷達全空域搜索；雷達發現目標后，保持對目標的穩定跟蹤，引導光電紅外控制云臺方位、俯仰進行搜索跟蹤；光電紅外鎖定目標后持續穩定跟蹤，系統根據威脅情況引導無線電干擾設備實施干擾，流程如圖6所示，系統軟件界面如圖7和圖8所示。

圖5 多傳感器融合處理前后三維距離比較

圖6 異類傳感器協同探測流程

圖7 系統軟件界面主屏

圖8 系統軟件界面輔屏

通過無線電偵測與雷達的協同，雷達在無線電偵測方位信息的引導下，對重點區域進行搜索，可減少雷達搜索時間，提高發現概率，并且降低鳥類等其他“低慢小”目標造成的虛警；雷達與光電紅外的協同，能提升目標定位精度和綜合航跡數據率。

雷達與光電紅外協同的難點在于雷達的精度與光電紅外的視場角之間的矛盾引起雷達光電紅外協同失效。所采用的雷達測量精度為：方位≤1°，仰角≤2°(7°以上)，光電紅外的視場角方位為1°，俯仰為0.8°，雷達方位精度值與光電紅外方位視場角相當，在方位上能引導成功；雷達的俯仰角精度值大于光電紅外俯仰視場角，在俯仰上難以引導成功。采用“光電紅外俯仰扇掃”，即以雷達探測俯仰角度為基準，以光電紅外俯仰視場角的一半0.4°為步長，以雷達俯仰精度值為范圍，即[-2°,2°]的區間，進行俯仰扇掃，掃描一個完成的周期需要10個步長，光電紅外伺服機構轉動一個步長進行一次識別耗時1.2 s，因此一次完整的扇掃時間為12 s，示意圖如圖9所示。經過多次試驗驗證，在光電紅外觀測范圍內，從啟動協同引導指令開始到光電紅外鎖定目標耗時為12 s左右，與理論計算時間一致。

4 結束語

本文綜合利用雷達、光電紅外、無線電干擾設備，提出了一種小型無人機探測、識別與反制的方法和流程，提出了多傳感器融合方法和規則以及雷達與光電紅外協同探測方法，經過多次試驗驗證了該方法和流程的合理性與有效性。針對多傳感器數據融合策略還有待進一步研究，從而提升融合算法健壯性與冗余性。

圖9 光電紅外扇掃示意圖

該系統中采用了異類傳感器數據融合處理、多傳感器協同探測技術，實現了多傳感器接力探測與目標的連續穩定跟蹤，為實施干擾提供了可靠引導，操作簡單，實戰性強。該系統已在2017年國家公祭日重大安保、某核電站低空防御中得到實戰應用，并在國內多次反無人機比賽中獲得優異成績。