方鵬 張晨波 張振 陸德琳

摘 ?要：文章首先分析了當前我國無人機監(jiān)管的現(xiàn)狀以及管控的必要性，然后介紹了現(xiàn)有的無人機監(jiān)測與反制方法，通過對比分析得出管控方案。無人機管控系統(tǒng)分為指控分系統(tǒng)、探測分系統(tǒng)、處置分系統(tǒng)、通信分系統(tǒng)，各個系統(tǒng)采用分布式組網架構，起到良好的防護作用。

關鍵詞：電網;無人機;管控系統(tǒng)

中圖分類號：V355 ? ? ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）35-0041-04

Abstract： This paper first analyzes the current situation of UAV supervision in China and the necessity of UAV control， then introduces the existing UAV monitoring and control methods， and obtains the management and control scheme through comparative analysis. UAV management and control system is divided into command and control subsystem， detection subsystem， disposal subsystem， communication subsystem. Each system adopts distributed networking architecture， which plays a good role in protection.

Keywords： power grid; UAV; management and control system

引言

無人機是一種特殊的航空器，在中國民用航空局制定的《輕小無人機運行規(guī)定（試行）》[1]中，無人機被定義為“一架由遙控站管理（包括遠程操縱或自主飛行）的航空器，也稱遙控駕駛航空器”。隨著科技的發(fā)展和社會經濟的不斷進步，民用無人機逐步進入人們日常生活，并在遙感、測繪、防災減災等工作中發(fā)揮出重要作用[2]。近年來無人機非法闖入的新聞事件出現(xiàn)爆發(fā)式增長，電力設施關系到全面的生活，是民生工程的重要環(huán)節(jié)，當前隨著能源網和互聯(lián)網的發(fā)送，人民的生活已經離不開電力，若電力設施收到破壞，將極大擾亂人民的生活。同時，電力設施是生產環(huán)節(jié)不可或缺的一部分，對無人機的管控，將極大避免重要電力設施來自空中的威脅，將大大提高現(xiàn)有電力設施的安全防護水平。

1 緒論

1.1 我國無人機監(jiān)管現(xiàn)狀

目前隨著無人機的用途越來越廣泛，2017年底我國民用無人機市場規(guī)模已達500億，目前無人機每年銷量百萬臺以上，年年遞增，無人機給很多行業(yè)帶來方便的同時也正在威脅著公共設施和重要電力設施的安全。反無人機非法入侵系統(tǒng)已用于大型公司總部防止非法入侵窺測，大型會議公安防止來自空中襲擊，敏感宣判會議防止記者偷拍等場所，但針對電力重要設施反無人機非法入侵系統(tǒng)還是空白，尚未有產品面世[3]。

2017年上半年已發(fā)生40余起無人機入侵電網造成線路跳閘等重大損失，隨著越來越多的國際國內重要會議將在杭州召開，為了保障安全供電，防止無人機的非法入侵，通過在變電站加裝無人機低空入侵防范系統(tǒng)，提出經濟合理、技術安全的安全解決方案，對保障電網的可靠供電具有重要的現(xiàn)實意義[4]。

1.2 電力行業(yè)無人機監(jiān)管必要性

變電站實行無人值守后，變電運檢人員對管轄設備也無有效監(jiān)視手段，無法實時掌握站內設備狀態(tài)[5]。特別是火災、防外破和設備損壞事故無法提前有效預防，同時因無監(jiān)視手段，運維人員無法預判故障嚴重程度，需頻繁進站檢查設備，在運維班和變電站間反復往返，造成人力浪費。進行無人機監(jiān)管系統(tǒng)體系的設計，能夠大大加快變電站無人值守的進程。按照“信息安全第一、功能先進實用、界面統(tǒng)一友好、服務基層一線”的思路優(yōu)化提升監(jiān)控平臺和完善變電運檢管理手段，實現(xiàn)運維班對所轄無人值守站的主輔設備運行信息全面采集、集中監(jiān)視、狀態(tài)判斷和運檢作業(yè)全流程管控，切實承擔設備主人職責。

1.3 研究目標

目前在變電站的防護設備上僅有視頻監(jiān)控措施，而對于無人機的防護卻無措施。本項目的目的是通過在國網變電站內加裝低空入侵防范系統(tǒng)，用以提高電網運行環(huán)境的可靠性、降低新型技術對電網設備帶來的新的安全風險，降低設備故障率，滿足相關企業(yè)標準和反措要求，保障電網設備的安全運行。

2 無人機管控系統(tǒng)的設計方案

面對無人機帶來的各種威脅，除了制訂相應的政策法規(guī)，還需要強有力的無人機反制技術手段來實現(xiàn)對無人機的有效管控[6]。當前，對無人機的反制主要分為兩個階段：一是對無人機的探測和識別;二是對無人機進行反制，讓其迫降、返航或者引導其安全降落。本章從監(jiān)測和反制角度對現(xiàn)有無人機管控方案進行了梳理，并進行對比分析。

2.1 監(jiān)測角度下的管控系統(tǒng)方案分析

當前常規(guī)的監(jiān)測手段主要有3種：光電、頻譜監(jiān)測、雷達，這三種手段各有優(yōu)缺點詳見表1。

2.1.1 基于光電技術的管控方案分析

無人機搭載光電探測系統(tǒng)可以實現(xiàn)對目標的搜索與跟蹤定位[7]。光電跟蹤技術是以光學成像和圖像識別為核心的探測跟蹤技術，利用可見光或目標的熱紅外反射，采用超視距、高清、透霧的可見光攝像機和紅外熱成像儀傳感器組合來進行無人機探測。光電探測系統(tǒng)采用被動工作模式，即由載荷操作人員選定感興趣的目標區(qū)域，經系統(tǒng)提取目標輪廓，在保持穩(wěn)定跟蹤目標的同時，實時將角度測量數據傳回任務控制臺。通過光學成像、紅外成像、激光紅外成像以及熱成像技術采集無人機圖像進行分析對比，從而判斷無人機型號、位置等。

2.1.2 基于頻譜檢測的管控方案分析

無線電頻譜探測技術主要是偵測無人機圖傳/遙控的無線電信號，具備探測精度高、環(huán)境適應性好、探測距離遠、無電磁輻射等優(yōu)點，同時對運動靜止目標均能探測，能夠定位飛控手位置，識別目標型號，精確引導干擾。對少數采用無線電靜默模式飛行的無人機無法探測。無人機與地面遙控者的“溝通”是通過遙控系統(tǒng)和數傳或圖傳系統(tǒng)進行的，遙控系統(tǒng)負責把操作者的指令傳達給無人機，數傳或圖傳系統(tǒng)把相機的取景畫面、飛行數據等信息傳給操作者，兩個系統(tǒng)均采用不同頻率的無線電信號進行傳送。

2.1.3 基于雷達技術的管控方案分析

雷達技術是一種非常成熟的探測技術，具備的優(yōu)勢有探測距離遠、定位較精確、反應速度快等，現(xiàn)階段雷達可以偵測和識別的最小無人機目標范圍在0.006平方米到0.01平方米。但由于無人機材料具有透波特性，雷達散射面積非常小，在懸?；蚵僖苿訒r，雷達難以識別，還無法辨認風箏、飛鳥和無人機的型號。隨著無人機技術的提升，微型無人機越來越小型化，極小型的無人機會被雷達誤認為噪聲點而忽略掉。

2.2 反制角度下的管控系統(tǒng)方案分析

在反制方面，目前有采用硬殺傷、誘騙干擾技術及壓制干擾技術。這三種手段各有優(yōu)缺點詳見表2。

2.2.1 基于硬殺傷技術的管控系統(tǒng)方案分析

硬殺傷手段包括高能激光、常規(guī)導彈、氣壓彈、激光武器、微波武器、格斗型無人機等。硬殺傷手段效果明顯，但這些方式比較極端，運動瞄準困難，且實戰(zhàn)瞄準精度要求高、造價昂貴，無人機被擊毀后墜落可能會造成其他損失不可控，墜毀殘骸可能對地面建筑和人群造成二次危害，所以使用熱武器或激光炮直接摧毀無人機的方式在民用無人機行業(yè)幾乎不可行。

2.2.2 基于誘騙干擾技術的管控系統(tǒng)方案分析

誘騙干擾技術即仿真發(fā)射虛假衛(wèi)星導航信號，實現(xiàn)導航欺騙導致入侵無人機導航信息錯誤而偏離目標區(qū)域。誘騙干擾雖然發(fā)射功率小，但需24小時開啟，誘騙信號會直接影響防護區(qū)域所有導航設備的正常使用，同時誘騙信號只對無人機導航信號有影響，對于遙控操作的無人機起不到管控作用。

2.2.3 基于壓制干擾技術的管控系統(tǒng)方案分析

壓制干擾技術是通過發(fā)射同頻段電磁波信號，將無人機遙控信號（上行鏈路信號）以及導航信號淹沒在干擾信號中，導致無人機無法接收遙控信號和導航信號，可使無人機產生緩慢下降或就地返航的效果，壓制式干擾技術基本不會造成二次傷害，且效果明確，全天候適用，因其處置效果明顯，處置時間短，對周邊電磁環(huán)境影響較小，因此壓制干擾技術是目前反無人機行業(yè)絕大部分廠家采用的管制手段。

3 無人機管控系統(tǒng)的工作原理

基于檢測和反制角度下的無人機管控系統(tǒng)方案選取，我們將無人機管控系統(tǒng)分為指控分系統(tǒng)、探測分系統(tǒng)、處置分系統(tǒng)、通信分系統(tǒng)，各個系統(tǒng)采用分布式組網架構，起到良好的防護作用。本節(jié)將從無人機管控系統(tǒng)、系統(tǒng)架構以及系統(tǒng)工作流程進行詳細分析。

3.1 系統(tǒng)組成

低空入侵檢測防護系統(tǒng)集目標探測、跟蹤識別、指揮控制、打擊處置功能于一體，系統(tǒng)集成度高，適用性強，擴展性好，可不受氣候條件限制全天候工作。完備的低空入侵檢測防護系統(tǒng)主要由探測分系統(tǒng)、干擾處置分系統(tǒng)、指控分系統(tǒng)以及通信分系統(tǒng)四部分組成，可根據不同任務配置組合分系統(tǒng)設備應用于重點區(qū)域和大型活動的低空安防，系統(tǒng)形態(tài)可呈現(xiàn)為固定式、車載式及便攜式，可有效應對隨著低空空域開放及無人機廣泛應用而日益增長的各類公共安全威脅。完備系統(tǒng)組成配置如表3所示。

3.2 系統(tǒng)架構

察打一體反無人機系統(tǒng)采用分布式組網架構，通過全IP網絡化部署實現(xiàn)低空廣域覆蓋，提供豐富的API開發(fā)接口實現(xiàn)地面安防監(jiān)控系統(tǒng)無縫集成。低空入侵檢測防護系統(tǒng)采架構如圖1所示。

3.3 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)構建的防御態(tài)勢分為預警區(qū)域和拒止區(qū)域。在預警區(qū)域，探測前端發(fā)現(xiàn)識別入侵目標、雷達設備遠距離探測發(fā)現(xiàn)區(qū)分目標、頻譜設備基于分布式部署實現(xiàn)目標交叉定位，探測前端通過專網上報數據信息至指控分系統(tǒng)，指控分系統(tǒng)分析、解算及實時顯示無人機頻點、方位、距離等信息并啟動入侵預警。當無人機進入拒止區(qū)域，指控分系統(tǒng)調動干擾處置分系統(tǒng)設備對入侵目標進行干擾處置，處置完成后，指控分系統(tǒng)調動探測前端確認處置結果。系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

4 管控系統(tǒng)的防護策略

無人機防護策略是設計無人機管控系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，本系統(tǒng)采用完備的防護措施辦法，以確保重要電力設施安全不受無人機困擾與威脅。本節(jié)內容就防護策略的基本原理、防護策略的基本流程、防護策略的基本方式來進行介紹。

4.1 防護策略的基本原理

對無人機的發(fā)現(xiàn)是無人機無線電管控的首要步驟，只有在準確發(fā)現(xiàn)、識別目標的基礎上，才能有針對性地對目標無人機進行無線電管控。采用雷達探測和無線電監(jiān)測等技術發(fā)現(xiàn)疑似無人機目標后，需要進一步通過視覺辨認、路徑識別等技術對目標進行確認。確認為目標無人機后，下一步就是對目標的定位測向，以實現(xiàn)對目標企圖的預測和持續(xù)追蹤?？梢蔁o人機被確定為管控目標無人機后，可采取物理摧毀、生物抓捕、無線電干擾等壓制等手段使目標無人機無法繼續(xù)工作。

4.2 防護策略的基本流程

系統(tǒng)防護策略如圖3所示。系統(tǒng)工作過程中，頻譜監(jiān)測設備實時進行全空域掃描。當發(fā)現(xiàn)無人機頻譜信號或無人機目標后，主控計算機開始實時跟蹤無人機目標軌跡。當無人機進入系統(tǒng)設置的防護區(qū)域時，主控計算機向反制主機發(fā)送開機指令，反制主機開機一段固定時間。若開機結束后目標消失，主控計算機重新進入掃描狀態(tài)。

4.3 防護策略的基本方式

反制設備的電磁頻譜干擾策略存在以下三種常規(guī)方式：

（1）阻塞飛控

無人機失控，但有GPS信號的情況下，如果設定了自動返航，將會自動上升到提前設定的返航高度，通過GPS信號返航到起飛地點自動降落;如果未設定自動返航，無人機將會懸?；蚓徑?。工作頻率一般為2.4GHz和5.8GHz，部分無人機選用900MHz。

（2）阻塞GPS（含北斗，GLONASS）

無人機飛控正常，GPS信號不正常，無人機將會進行手動模式操控無人機，無人機姿態(tài)將會左右擺動，不穩(wěn)定，但可以通過遙控器控制。工作頻率一般為1.15-1.65GHz。

（3）阻塞飛控&GPS

無人機失控，GPS信號也不正常的情況下，無人機將會失去控制，并且姿態(tài)左右擺動，或朝某方向直飛，或緩降，或直接墜毀。

由于220kV云棲變電站內有GPS對時設備，在阻塞無人機GPS信號的同時可能會影響到對時設備的正常工作。因此，反制動作擬采用阻塞飛控的手段，迫使無人機返航或懸停。

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