■ 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(shù)有限公司 田真真

關(guān)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(fā)展異?；馃?，無人機目前正在應(yīng)用于國計民生的很多領(lǐng)域，比如國土測繪、海洋巡查、電力巡線、氣象探測、搶險救災(zāi)、環(huán)保監(jiān)測、城市監(jiān)測、農(nóng)林植保、工業(yè)礦用、森林防火、警用巡邏、物流快遞、醫(yī)療救護等，整體處于爆發(fā)前的積累階段。民用無人機發(fā)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(yè)。

近年來，民用消費級無人機呈爆發(fā)式增長，無人機“黑飛”事件也被不斷曝光，引發(fā)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(shù)的創(chuàng)新，低空飛行目標(biāo)數(shù)量激增，高價值安防目標(biāo)低空安保問題已經(jīng)成為各方關(guān)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(zhì)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(dǎo)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(qū)域，導(dǎo)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(shù)十架無人機入侵。防御無人機“黑飛”成了亟需解決的現(xiàn)實問題。本文提出，低空安保無人機防御不僅要靠法規(guī)制度對合作目標(biāo)的管控，還要靠多維一體、立體防控的安保系統(tǒng)對非合作目標(biāo)的管控。故本文根據(jù)多次參與低空安保任務(wù)的經(jīng)驗，從無人機防御的任務(wù)和目標(biāo)入手，按照管控流程探討管控關(guān)鍵技術(shù)，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(biāo)為例）探測與防御系統(tǒng)解決方案。

2 低慢小飛行物探測與防御目標(biāo)

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(fēng)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(dá)反射截面積)小于0.2 平方米。

2018 年2 月，國務(wù)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(jù)運行風(fēng)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(yīng)當(dāng)通過實名認(rèn)證，配合做好相關(guān)信息核實?！稐l例》還規(guī)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(nèi)的無人機。綜合低慢小飛行物特征，本系統(tǒng)擬防御1000 米以下空域內(nèi)的低慢小目標(biāo)。

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(xù)航時間30 分鐘以上，遙控半徑2km 左右，GPS 自主導(dǎo)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(gòu)成了極大威脅。一旦被犯罪或恐怖分子利用，可實現(xiàn)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(biāo)價格低廉，從幾百元到數(shù)十萬，可通過廠商定制，也可在普通商場或網(wǎng)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(biāo)的地理信息位置數(shù)據(jù)GPS 限制設(shè)定等手段。但是由于無人機技術(shù)已擴散，犯罪分子很容易進行改裝，實現(xiàn)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(shù)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(dá)反射截面積）小于0.2 平方米，當(dāng)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(guī)安防手段發(fā)現(xiàn)并預(yù)警，在夜晚城市微光環(huán)境下探測和識別的難度更大。

遠(yuǎn)程操作、易逃離。如果使用續(xù)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(yuǎn)的安全距離外遙控襲擊目標(biāo)，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(yuǎn)的新型遙控技術(shù)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(guī)監(jiān)管方式分析

無人機常規(guī)監(jiān)管方式可以分為如下三種形式。

2.3.1 法律規(guī)范方面

法律規(guī)范包括飛機注冊、飛行牌照、駕駛執(zhí)照和空域申請。特點是官方注冊、認(rèn)證機構(gòu)、飛行員培訓(xùn)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(fēng)險和事故等優(yōu)點。缺點為對于恐怖分子和犯罪活動防范打擊仍需技術(shù)裝備和防控手段。

2.3.2 無人機生產(chǎn)制造標(biāo)準(zhǔn)方面

無人機生產(chǎn)制造標(biāo)準(zhǔn)包括禁飛區(qū)/地理圍欄。特點是無人機廠商通過內(nèi)置軟件阻止無人機在預(yù)先定義的安全敏感區(qū)域內(nèi)飛行。具有減少非敵意威脅的優(yōu)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(guān)閉。

2.3.3 無人機行業(yè)監(jiān)管平臺、無人機導(dǎo)航服務(wù)平臺方面

特點是實時采集無人機的狀態(tài)信息向無人機提供禁飛區(qū)信息，將無人機飛行計劃通知監(jiān)管部門。具有無人機可監(jiān)管、規(guī)避禁飛區(qū)等優(yōu)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(xiàn)和持續(xù)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(guī)監(jiān)管方式均是針對合作目標(biāo)，無人機常規(guī)監(jiān)管方式和技術(shù)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(biāo)。無人機的大規(guī)模應(yīng)用不僅帶來反無人機低空安防市場的剛需，也必將引發(fā)傳統(tǒng)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(tǒng)實現(xiàn)的目標(biāo)就是“立體化探測與防御”，做到方案前置“發(fā)現(xiàn)即拒止”。

3 防御系統(tǒng)設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)

存儲有戰(zhàn)略物資的高價值安防目標(biāo)大多在一些空曠海域，為了確保安保萬無一失，單靠一款產(chǎn)品、一種手段是不可能實現(xiàn)的，必須多措并舉、實時聯(lián)動、全維立體管控。按照管控流程，低空一體化安保系統(tǒng)必須能夠全天候、全實時、主動式預(yù)警偵察，及時發(fā)現(xiàn)低空飛行、地面來襲目標(biāo)，準(zhǔn)確識別輸出目標(biāo)身份，并能采取適當(dāng)處置手段，保障低空安全。系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。

圖1 低慢小飛行物探測與防御系統(tǒng)架構(gòu)

3.1 探測

探測功能設(shè)計具體參見圖2。

圖2 探測功能設(shè)計圖

及時發(fā)現(xiàn)可疑飛行目標(biāo)是防御的關(guān)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(biāo)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(jù)飛行器目標(biāo)的特點，目前常見的偵察手段主要獲取物理目標(biāo)、頻率特征信號，包括聲紋信號、圖像信號、雷達(dá)信號和頻譜信號。具體技術(shù)手段詳情見表1。綜合考慮各類技術(shù)手段的優(yōu)缺點，系統(tǒng)采用雷達(dá)探測與光電監(jiān)控一體化、頻譜偵測的復(fù)合偵察手段。

表1 各類偵察手段特點

雷達(dá)與光電監(jiān)控識別低慢小無人機的關(guān)鍵技術(shù)在于，根據(jù)目標(biāo)運動特征運用精準(zhǔn)、實時算法發(fā)現(xiàn)可疑飛行目標(biāo)，其中二維雷達(dá)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(dá)采用俯仰面數(shù)字波束形成（DBF）的三坐標(biāo)相控陣，實現(xiàn)在復(fù)雜城市環(huán)境中，通過空域濾波將各類地雜波進行濾除，實現(xiàn)高發(fā)現(xiàn)概率和低虛警率的低慢小目標(biāo)精確、實時發(fā)現(xiàn)定位（水平、俯仰、距離），雷達(dá)覆蓋區(qū)域為360°x 90°全覆蓋，及時發(fā)現(xiàn)低空可疑飛行目標(biāo)。然而，因雷達(dá)采用多普勒原理跟蹤目標(biāo)，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(shù)可以彌補雷達(dá)探測的短板。頻譜偵測的關(guān)鍵技術(shù)在于當(dāng)前無線電頻譜資源緊缺，在頻率使用規(guī)劃上存在頻率復(fù)用與一些不規(guī)范用頻，要從多種復(fù)雜信號中提取低慢小目標(biāo)信號的識別技術(shù)。對高速跳頻信號的測向定位在安防應(yīng)用領(lǐng)域是需要不斷處理提高性能的難題，無人機飛控信號應(yīng)用的跳頻通信技術(shù)所需的高速處理算法技術(shù)。基于方案前置，系統(tǒng)要求及早發(fā)現(xiàn)與報警，需要采用特別的算法對弱小信號提取技術(shù)。在復(fù)雜電磁環(huán)境下，單一設(shè)備獲取相關(guān)信息有限，無法對目標(biāo)多方位綜合判斷，需要多個站點的設(shè)備結(jié)果數(shù)據(jù)進行融合、分析判別多源數(shù)據(jù)融合識別技術(shù)。可同時對地對空進行7*24 小時偵測，實現(xiàn)全時化、立體化安防。

具體偵察流程如下：雷達(dá)探測與光電監(jiān)控一體化、頻譜偵測設(shè)備組網(wǎng)結(jié)合，實現(xiàn)從偵察到預(yù)警的全自動處理；雷達(dá)和頻譜監(jiān)測設(shè)備全天候不間斷的對任務(wù)區(qū)內(nèi)的運動和靜止目標(biāo)進行探測，并根據(jù)目標(biāo)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(biāo)，對其進行持續(xù)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(biāo)，立即引導(dǎo)視頻監(jiān)控對準(zhǔn)該目標(biāo)，并根據(jù)目標(biāo)距離控制視頻設(shè)備焦距，使其在一定時間內(nèi)保持對該目標(biāo)的監(jiān)視和跟蹤，以便獲得目標(biāo)的清晰視頻圖像，視頻監(jiān)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(biāo)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(tǒng)運用雷達(dá)與光電監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)在于，當(dāng)雷達(dá)發(fā)現(xiàn)無人機后，可對其進行持續(xù)跟蹤，并輸出目標(biāo)精確的三維坐標(biāo)（水平、俯仰、距離），聯(lián)動光電實現(xiàn)快速鎖定目標(biāo)。通過實時的智能圖像識別對目標(biāo)進行模式匹配。經(jīng)過雷達(dá)指示的精確距離信息，光電系統(tǒng)可實現(xiàn)30～60 倍變焦，自適應(yīng)目標(biāo)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(tǒng)運用頻譜監(jiān)測識別無人機時，關(guān)鍵技術(shù)在于精準(zhǔn)分析導(dǎo)航、圖像傳輸和遙控信號頻譜特征，與現(xiàn)有頻譜特征數(shù)據(jù)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(shù)構(gòu)建基于三維地圖的飛行目標(biāo)態(tài)勢圖。與此同時，根據(jù)無人機生產(chǎn)廠商的公開數(shù)據(jù)，應(yīng)用特征比對算法識別其型號。

總體來說，系統(tǒng)采用頻譜監(jiān)測、視頻技術(shù)、三維雷達(dá)獲取無人機的特征數(shù)據(jù)進行精確識別，如圖4 所示。

圖4 目標(biāo)識別

3.3 處置

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

表2 各類反制手段特點

該系統(tǒng)根據(jù)無人機特點采用電磁壓制技術(shù)，制定了嚴(yán)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(dǎo)航定位信號、遙控信號實施電磁干擾。其關(guān)鍵技術(shù)在于根據(jù)無人機所用信號的帶寬、頻譜調(diào)制特征，生成與目標(biāo)信號強相關(guān)的干擾信號，從而準(zhǔn)確干擾目標(biāo)。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(qū)域。使用偽導(dǎo)航信號可誘導(dǎo)無人機降落到指定地域。通過偽遙控信號，可根據(jù)無人機型號發(fā)射偽遙控信號，實現(xiàn)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(wěn)妥，不易引發(fā)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(yè)無人機拖曳編織網(wǎng)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(tǒng)解決方案

4.1 系統(tǒng)解決方案原則

系統(tǒng)研制遵循“先進、實用、經(jīng)濟、可靠”的原則，設(shè)計中需貫徹以下設(shè)計原則：以可靠性為設(shè)計首要考慮，盡量采用成熟技術(shù)，充分借鑒軍隊類似裝備建設(shè)經(jīng)驗。系統(tǒng)與各分系統(tǒng)設(shè)計與實施參照相關(guān)的軍標(biāo)、國標(biāo)，暫時無標(biāo)準(zhǔn)可依的，建立內(nèi)部的協(xié)議、規(guī)范；堅持已有的、成熟的系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計思路，采用模塊化、通用化和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，進一步提高產(chǎn)品的成熟度和可靠性。

圖5 處置全流程架構(gòu)圖

（1）采用“硬件軟件化、軟件層次化、接口標(biāo)準(zhǔn)化、功能模塊化”的設(shè)計思想，力求硬件可重組，軟件可加載，系統(tǒng)功能可重構(gòu)。

（2）開放性和可擴展性。系統(tǒng)平臺采用開放式設(shè)計，預(yù)留必要的軟硬件接口，便于發(fā)揮用戶自身的優(yōu)勢，自研設(shè)備接入系統(tǒng)和擴展升級，以適應(yīng)信號情況的變化和技偵領(lǐng)域發(fā)展的需求。

（3）軟件工程化。采用軟件工程化設(shè)計的思想，提高軟件設(shè)計的水平，滿足可拆卸、可重構(gòu)、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(shè)計和維修性設(shè)計，強調(diào)重要部件備份，提高系統(tǒng)可維護性。

（5）重視機動性和環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計，滿足不同環(huán)境條件使用要求。

4.2 系統(tǒng)解決方案案例

本文以參加某低空安保任務(wù)為例，介紹在高價值安防目標(biāo)中無人機探測與防御系統(tǒng)的具體部署。圖6 與圖7 概略說明了防御系統(tǒng)布設(shè)的區(qū)域。按照系統(tǒng)布設(shè)要求，選擇偵察預(yù)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(wù)采用可搬移式無人機防御系統(tǒng)形成半徑約為1 公里的立體禁飛區(qū)，并與低空雷達(dá)探測系統(tǒng)（見圖8）、頻譜監(jiān)測系統(tǒng)（見圖9）、視頻監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)互聯(lián)，實現(xiàn)全天候預(yù)警偵察和威脅自動識別。

在處置手段上，主要采用軟殺傷設(shè)備。軟打擊設(shè)備采用槍式電磁壓制器對“黑飛”目標(biāo)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(shè)防御期間，通過各方的共同努力，對防控區(qū)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(tǒng)布設(shè)區(qū)域示例1

圖7 低慢小防御系統(tǒng)布設(shè)區(qū)域示例2

圖8 低慢小防御系統(tǒng)布設(shè)雷達(dá)系統(tǒng)

圖9 低慢小防御系統(tǒng)布設(shè)頻譜監(jiān)測系統(tǒng)

4.3 系統(tǒng)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(shù)大大提升了低慢小目標(biāo)的捕獲概率。通信信號監(jiān)測采用超外差加數(shù)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(yuǎn)距離、高精度的測向能力?？蓪Τ咚偬l信號、短時信號等進行測向。數(shù)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?shù)據(jù)庫，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(rèn)無人機的型號。多頻段窄波束干擾器可實現(xiàn)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(fù)合全頻段壓制。窄波束可將干擾能量發(fā)射的更遠(yuǎn)、更集中，通過探測設(shè)備的精確定位，實現(xiàn)小功率遠(yuǎn)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(shè)備。

系統(tǒng)可實現(xiàn)集成化，并安裝于車載，便于移動和快速部署。系統(tǒng)也可對外輸出目標(biāo)數(shù)據(jù)與警報信息，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和指揮系統(tǒng)聯(lián)動。系統(tǒng)基于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計，可快速擴展，部署可實現(xiàn)多雷達(dá)、多頻譜、多反制設(shè)備組網(wǎng)聯(lián)動模式。

5 結(jié)語

隨著無人機防控技術(shù)的不斷創(chuàng)新，低慢小飛行物探測與防御的實現(xiàn)手段將不斷豐富。但無論技術(shù)如何創(chuàng)新，其“全天候立體化偵察預(yù)警”和“發(fā)現(xiàn)與拒止”的系統(tǒng)目標(biāo)不會改變。目前，該低慢小飛行物探測與防御系統(tǒng)的公共安全行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)立項，在可以預(yù)見的未來，低空安保無人機防控系統(tǒng)將與現(xiàn)有安防系統(tǒng)不斷融合，在保障重大活動和重點空域的低空安全方面發(fā)揮不可或缺的作用。