無人機防御系統在水電站的應用研究

王 磊，吳 耀

(華電電力科學研究院有限公司，浙江 杭州 310030)

0 引言

水電站是電力系統的重要基礎設施，同時兼具防洪調度、水利灌溉等功能，屬于反恐重點保護對象。隨著中小型無人機研發與生產門檻大幅降低，輕小型民用無人機大量進入市場，未經允許的“黑飛”無人機在水電站重要生產區域內時有出現，一旦其具有恐怖目的或者受強電磁干擾失控，引發大壩、升壓站、出線平臺、輸電線路等區域發生斷電、火災、爆炸等安全事故時，將嚴重影響電站和電網安全運行，并對電站生產人員和大壩下游人民生命安全產生嚴重威脅。為此，國家層面明確提出大型電力設施等高風險行業目標應部署無人機防范設備，以提高安全防范水平。

從國內外的研究來看，無人機防御技術包括無人機偵查探測和無人機反制兩部分[1-3]，其中偵查探測技術以“雷達+光電復合”最為成熟，反制技術則以數據通信干擾、衛星定位干擾和控制系統接管等為主流。針對大型水電站復雜地形、復雜電磁環境，本文借鑒相關行業研究經驗，提出了一種集雷達、頻譜、光電和干擾為一體的無人機防御系統，可對半徑3 km范圍內低空空域進行全天候、全方位不間斷監測，智能識別重要生產區內滯空目標類型、身份，并自動預警、跟蹤與處置，能夠有效防御“黑飛”無人機入侵，全面提高水電站安全反恐水平。

1 無人機防御系統架構及功能設計

1.1 系統拓撲結構

無人機防御系統應用部署在水電廠安全III區的數據平臺或專用服務器上，通過統一數據服務總線實現數據存儲、訪問、監視、分析和預警。系統前端數據采集與處置系統包括雷達、頻譜、光電、干擾等設備，如圖1所示。

圖1 無人機防御系統拓撲結構Fig.1 Topological structure of UAV defense system

1.2 設備功能

1)雷達探測。對重點保護區域半徑3 km內進行有源探測，發現并跟蹤低空空域內低、慢、小目標無人機，確定目標位置、速度、航向，并將數據實時上傳至控制中心，引導光電系統、干擾系統或者誘捕系統進行干預。

2)頻譜探測。對重點保護區域半徑4 km內進行無源探測，不間斷監測低空空域內無線電信號(無人機測控、圖傳及導航信號)，對無人機信號進行識別、特征分析和比對，若信號不在設置的白名單內，系統自動預警并引導雷達系統進行跟蹤。

3)光電干擾一體化。獲取重點保護區內域低空空域無人機等空中目標影像，并對目標進行處置。其中，光電設備根據探測雷達提供的目標信息智能實現目標探測、跟蹤、監視、識別和記錄(可見光大于或等于2 000 m，紅外熱成像大于或等于1 000 m)；定向干擾設備根據指控系統命令，按照探測雷達提供的方位和角度定向發射電磁干擾信號(干擾距離大于或等于3 km)，對無人機通信鏈路進行干擾，實現“黑飛”無人機驅離或迫降。

4)頻譜干擾一體化。對重點保護區域半徑3 km低空空域進行無源探測和目標處置。其中，頻譜探測設備通過無源接收無人機與遙控器之間的通信信號探測、發現、識別入侵無人機；無線電干擾設備全向輻射與無人機遙控、圖傳、導航信號同頻率的電磁干擾信號，對“黑飛”無人機進行驅離或迫降。

1.3 軟件功能

1)綜合展示。展示水電站無人機防御的總體情況，包括系統設備部署、防護范圍、入侵類別、入侵次數統計等。

2)報警、預警。實時識別入侵無人機，顯示全局的“黑飛”無人機飛行路線、狀態和預警態勢，持續地收集情報，提供直觀的指揮界面；定制多級預警區，當無人機進入預警區域時系統發出聲光警報，同時探測、跟蹤及處置目標大于或等于1 000批；根據無人機威脅等級不同，優先處置威脅等級高的無人機目標。

3)防護指揮。具有基于地理位置的可視化地圖信息；通過控制干擾裝置，對入侵無人機進行干擾打擊；與其他安全應急指揮系統聯動控制和指揮。

4)智能識別。根據采集的數據持續深度學習，不斷完善探測的無人機特征數據；在“黑飛”無人機報警的同時給出無人機的相關信息，輔助指揮人員作出處置決策。

5)設備控制及參數配置。控制參數設置、計劃及臨時任務的下達；電源狀態、存儲狀態監視等；遠程控制雷達設備、頻譜探測設備、光電取證設備和反制設備，實現多種異構設備的一體化高效協作。

6)系統管理。配置和管理系統的用戶角色和權限；數據在數據平臺或專屬服務器上長時間保存，可接入第三方存儲；具備探測軌跡回放功能，并能進行視頻取證存儲；根據時間、事件對存儲日志數據進行檢索，便于進行侵入行為分析和統計。

7)可視化要求。提供數據可視化效果庫，包括二維、地理信息組件、圖表組件、展示組件等；提供簡單易操作的方式，通過使用數據可視化效果庫，快速配置生成數據可視化圖表；可根據要求定制復雜的可視化圖表。

2 無人機防御系統應用

2.1 系統部署

某水電站主廠房、主變洞、調壓室等位于地下洞室群內，大壩、開關站、廠房入口、航道等重要生產建筑物及設備、設施分布于狹窄的河谷之間，地形、地質條件復雜。經踏勘分析，“黑飛”無人機可能來襲方向為大壩上下游、航道東北以及開關站東南等方向，其中開關站受壩肩山體遮擋影響，形成孤立的可視低空空域。本著“經濟高效，全局防御”的原則，選取大壩某表孔泵站為前端設備主部署點，覆蓋大壩上下游、廠房入口、航道東北等“黑飛”無人機可能來襲方向；在開關站樓頂增設一套頻譜干擾一體化設備，對開關站東南方向進行補盲，與前端設備主部署點形成互補(見圖2)；利用光纖通信實現前端設備與中控室無人機防御指控系統數據互通。

圖2 無人機防御系統組成Fig.2 Composition of UAV defense system

2.2 應用成效

該水電站無人機防御系統以多點部署的形式，實現了重要生產建筑物及設備設施全覆蓋，形成了低空空域全天候、全天時、全方位的不間斷監測，以及全自動的“黑飛”無人機預警、跟蹤和打擊能力。無人機防御系統上線后運行穩定(見圖3)，能夠在地形復雜、氣候多變等不利因素下，對半徑3 km范圍內低空空域滯空目標類型、身份進行自動識別，實時跟蹤和展示距離、方位、高度、速度等目標信息，智能分析“黑飛”無人機對重要生產建筑物及設備設施安全威脅程度，并發出入侵報警，根據打擊方式的設置對入侵目標進行手動或全自動驅離、迫降處置。

圖3 無人機防御系統功能界面Fig.3 Function interface of UAV defense system

3 結語

水電站事關人民生命財產安全，針對新形勢下“黑飛”無人機的安全威脅，本文研究提出的適應復雜地形、電磁環境的全方位、立體的無人機防御系統，在水電站進行了成功應用，能夠對“黑飛”無人機進行有效預警、驅離或迫降，全面提升了水電站安全防御等級，也為重要電力設施的安全防御、防恐怖襲擊提供了技術參考。