劉 卓 李 路 蘭 天 陳 良

（長(zhǎng)沙市公安局科技與信息化支隊(duì)，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

0 引言

當(dāng)前國(guó)內(nèi)民用無(wú)人機(jī)市場(chǎng)規(guī)模處于快速增長(zhǎng)期，截至2021年末無(wú)人機(jī)實(shí)名登記數(shù)量已達(dá)到83.02萬(wàn)架，同比增長(zhǎng)58.6%。但在從業(yè)規(guī)模擴(kuò)張、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)的同時(shí)，“低慢小”無(wú)人機(jī)存在的失控、“黑飛”、惡意偵察、引導(dǎo)攻擊等主要威脅形式，也為機(jī)場(chǎng)跑道、監(jiān)獄、人流量大的公共區(qū)域以及軍事基地等場(chǎng)景帶來(lái)嚴(yán)重安全隱患。研究“低慢小”無(wú)人機(jī)的偵測(cè)技術(shù)方法，從中選擇探測(cè)性能、應(yīng)用場(chǎng)景及市場(chǎng)前景綜合較優(yōu)的偵測(cè)技術(shù)，并將其應(yīng)用于反制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)，對(duì)完成“低慢小”無(wú)人機(jī)反制任務(wù)、實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)打擊具有顯著現(xiàn)實(shí)意義。因此研究該項(xiàng)課題具有十分重要的意義。

1 “低慢小”飛行器探測(cè)難點(diǎn)

低空、慢速、小目標(biāo)無(wú)人機(jī)（簡(jiǎn)稱(chēng)為“低慢小”）包括飛行高度、飛行時(shí)速、雷達(dá)反射面積、巡航范圍和重量等性能參數(shù)，其中飛行高度要求小于1000 m，飛行速度控制在200 km/h以內(nèi)，雷達(dá)反射面積小于2 ㎡[1]?？紤]無(wú)人機(jī)的空機(jī)/起飛重量、飛行時(shí)速、巡航范圍以及機(jī)翼平面參數(shù)等不同指標(biāo)之間存在一定的正相關(guān)性，選取大疆-曉Spark、大疆-精靈Phantom4ProV2.0、測(cè)圖鷹X100、大疆-御Mavic Air、測(cè)圖鷹X6、大疆-悟INSPIRE2等無(wú)人機(jī)進(jìn)行性能參數(shù)比較分析，擬將該文研究的“低慢小”無(wú)人機(jī)關(guān)鍵指標(biāo)設(shè)計(jì)為起飛重量<25 kg，飛行高度<500 m，飛行速度＜180 km/h[2]。但在“低慢小”無(wú)人機(jī)的探測(cè)技術(shù)應(yīng)用環(huán)節(jié)，由于在低空空域飛行常面臨噪聲、地形地物遮擋和信號(hào)衰減等干擾因素，在低速飛行或懸停狀態(tài)下影響雷達(dá)測(cè)速與光電跟蹤效果，加之體積較小、部分采用非金屬材料制成，因此會(huì)導(dǎo)致探測(cè)的聲、光信號(hào)較為微弱，進(jìn)一步增加了無(wú)人機(jī)探測(cè)難度。

2 無(wú)人機(jī)反制與偵測(cè)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 反制技術(shù)

2.1.1 壓制式無(wú)線電干擾

壓制式反制技術(shù)利用無(wú)線電對(duì)進(jìn)入?yún)^(qū)域內(nèi)的非法無(wú)人機(jī)的上行遙控鏈路、下行遙測(cè)信息傳輸鏈路以及GPS信號(hào)進(jìn)行壓制干擾，使無(wú)人機(jī)僅能在較短時(shí)間內(nèi)維持原始姿態(tài)，無(wú)法沿操控路線靈活運(yùn)動(dòng)。我國(guó)工信部規(guī)定的無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈頻段為845 MHz、1.4 GHz，而“低慢小”屬于消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)，適用頻段為2.4 GHz、5.8 GHz以及915 MHz，并基于GPS、GLONASS和BD這3種體制進(jìn)行衛(wèi)星導(dǎo)航芯片的選型，通過(guò)增強(qiáng)無(wú)線電壓制信號(hào)強(qiáng)度，使頻率覆蓋至所有頻點(diǎn)，起到壓制效果[3]。以遙測(cè)信息傳輸鏈路為例，將大功率干擾信號(hào)發(fā)送至無(wú)人機(jī)工作頻段，增加接收設(shè)備端的噪聲電平，降低信噪比至捕獲跟蹤門(mén)限以下，借此GPS接收機(jī)的跟蹤環(huán)路阻斷無(wú)人機(jī)與控制端的通信傳輸鏈路，借此觸發(fā)預(yù)設(shè)的自動(dòng)保護(hù)機(jī)制，使無(wú)人機(jī)自主返航或降落。

2.1.2 欺騙式反制系統(tǒng)

欺騙式反制技術(shù)由數(shù)據(jù)鏈欺騙、衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)欺騙組成。以衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)欺騙形式為例，采用通用電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行干擾信號(hào)源設(shè)計(jì)，基于RS-232協(xié)議進(jìn)行串口通信，基帶信號(hào)模塊利用FPGA芯片輸出具有不同帶寬、干擾樣式的信號(hào)，并由頻綜電路、調(diào)制電路與放大電路構(gòu)成射頻信號(hào)模塊，生成頻率為400 MHz～6 GHz的射頻干擾信號(hào)。鑒于“低慢小”無(wú)人機(jī)屬民用無(wú)人機(jī)，其衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的導(dǎo)航電文公開(kāi)，因此可采用生成式欺騙方式進(jìn)行無(wú)人機(jī)導(dǎo)航信號(hào)的覆蓋干擾，具體實(shí)現(xiàn)方式如圖1所示。將該系統(tǒng)應(yīng)用于干擾測(cè)試環(huán)節(jié)，觀察導(dǎo)航欺騙干擾效果可以發(fā)現(xiàn)，目標(biāo)無(wú)人機(jī)無(wú)法根據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)修正機(jī)身位置與運(yùn)動(dòng)軌跡，難以在一段時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定懸停，并且在欺騙干擾技術(shù)影響下觸發(fā)強(qiáng)制降落機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)非法無(wú)人機(jī)的有效反制。

圖1 基于導(dǎo)航信號(hào)欺騙無(wú)人機(jī)的實(shí)現(xiàn)方式

2.1.3 KU05雷達(dá)系統(tǒng)

這里所說(shuō)的雷達(dá)系統(tǒng)，其所處的工作頻率是KU波段，具有諸多方面的優(yōu)點(diǎn)，主要包括靈敏性強(qiáng)、安裝和拆卸便捷、系統(tǒng)便于攜帶、操作簡(jiǎn)單和具有非常強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性。其體制為全固態(tài)、全相參脈沖多普照勒體制。和普通的雷達(dá)系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)攻克了發(fā)現(xiàn)低、小、慢目標(biāo)難度大的技術(shù)難題。該雷達(dá)對(duì)低、小、慢警戒雷達(dá)方案進(jìn)行了運(yùn)用，其俯仰上、下傾角可達(dá)15°，可實(shí)現(xiàn)360°掃描，能夠在極短的時(shí)間內(nèi)對(duì)無(wú)人機(jī)速度、距離和方位等信息進(jìn)行上報(bào)。其具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 KU05雷達(dá)系統(tǒng)

2.2 偵測(cè)技術(shù)

2.2.1 主動(dòng)式雷達(dá)探測(cè)技術(shù)

現(xiàn)階段多種新型雷達(dá)技術(shù)普及，以相控陣?yán)走_(dá)、多普勒雷達(dá)為代表的雷達(dá)技術(shù)及裝置被廣泛應(yīng)用于無(wú)人機(jī)、無(wú)人駕駛領(lǐng)域以及安防行業(yè)中。將雷達(dá)探測(cè)技術(shù)應(yīng)用于無(wú)人機(jī)偵測(cè)環(huán)節(jié)，主要適用于在建筑密度較大場(chǎng)景下解決反射、電磁干擾等問(wèn)題，并基于相應(yīng)算法進(jìn)行干擾元素的剔除，獲取目標(biāo)信號(hào)的準(zhǔn)確檢測(cè)及運(yùn)算結(jié)果，如距離、徑向速度等參數(shù)。

將雷達(dá)探測(cè)技術(shù)應(yīng)用于非法無(wú)人機(jī)偵測(cè)時(shí)，需要合理選擇雷達(dá)體制、調(diào)節(jié)信號(hào)頻率以及開(kāi)發(fā)關(guān)鍵算法等，具體來(lái)說(shuō)可圍繞以下5個(gè)方面進(jìn)行合理選型：1） 脈沖多普勒雷達(dá)，該雷達(dá)在信號(hào)處理方式上較為便捷，但存在一定的近距盲區(qū)，且分辨率較低，因此可選用線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)作為替代。該雷達(dá)體積較小、距離分辨率高，可適應(yīng)城市場(chǎng)景中非法無(wú)人機(jī)的探測(cè)距離條件，具備更優(yōu)使用效果。2）在雷達(dá)中添加動(dòng)目標(biāo)顯示算法，可有效減輕回波干擾，但不適用于對(duì)懸停狀態(tài)下的無(wú)人機(jī)或飛行速度過(guò)低的無(wú)人機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，存在較高漏檢率。3）相控陣?yán)走_(dá)的更新速率與分辨率均較高，適用于多目標(biāo)追蹤，但功率消耗相對(duì)較大。4）X波段雷達(dá)能夠滿足長(zhǎng)距離探測(cè)要求，但精度相對(duì)較差，因此常采用Ku波段雷達(dá)進(jìn)行替代，能夠減輕地面干擾，提高探測(cè)精度，以20 GHz頻率進(jìn)行目標(biāo)精準(zhǔn)探測(cè)，配合地雜波MTI抑制技術(shù)的應(yīng)用，滿足無(wú)人機(jī)探測(cè)需求。5）三坐標(biāo)雷達(dá)能夠獲取目標(biāo)無(wú)人機(jī)的X、Y、Z三坐標(biāo)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)無(wú)人機(jī)的精確定位與打擊。此外，還需要配合雜波抑制技術(shù)的應(yīng)用，如引入Hough變換算法來(lái)減小回波信息的衰減值，有效抑制雜波，提高目標(biāo)探測(cè)精度。

2.2.2 被動(dòng)式頻譜分析技術(shù)

被動(dòng)式偵測(cè)主要指?jìng)蓽y(cè)設(shè)備僅接收“低慢小”無(wú)人機(jī)發(fā)出的信號(hào)，設(shè)備自身不發(fā)出電磁信號(hào)，可分為2種類(lèi)型：1）輻射頻譜。利用偵測(cè)設(shè)備接收無(wú)人機(jī)地面操作人員發(fā)出的無(wú)線電信號(hào)，經(jīng)信號(hào)分析、調(diào)用后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)后，生成符合指定無(wú)人機(jī)特征的信號(hào)，由此確認(rèn)具體的無(wú)人機(jī)型號(hào)，并控制干擾器發(fā)出干擾信號(hào)，實(shí)現(xiàn)偵測(cè)與反制。2）散射頻譜。以寬帶接收機(jī)為核心設(shè)備，從中選擇相對(duì)較強(qiáng)的信號(hào)幅值確認(rèn)為目標(biāo)無(wú)人機(jī)發(fā)出的信號(hào)，可有效屏蔽外部ISM頻段干擾，且適用于長(zhǎng)距離探測(cè)，但對(duì)電視信號(hào)的依賴(lài)度較高。其他偵測(cè)方法包括光電探測(cè)、聲學(xué)探測(cè)和無(wú)線電探測(cè)等，需要結(jié)合無(wú)人機(jī)型號(hào)、性能參數(shù)與使用場(chǎng)景等情況進(jìn)行技術(shù)選擇及應(yīng)用[4]。

將上述探測(cè)技術(shù)方法進(jìn)行比較，圍繞以下2個(gè)層面進(jìn)行分析：從技術(shù)層面入手，以探測(cè)距離、應(yīng)用場(chǎng)景作為衡量技術(shù)方法適用價(jià)值的關(guān)鍵指標(biāo)。市場(chǎng)上現(xiàn)有產(chǎn)品的理論探測(cè)距離最高可達(dá)15 km，但整合仿真分析與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果可知，實(shí)際探測(cè)距離控制在3 km～5 km，無(wú)線電探測(cè)產(chǎn)品在市區(qū)范圍內(nèi)的有效探測(cè)距離不足1 km，紅外系統(tǒng)的最大探測(cè)距離約為3.6 km，聲探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)距離控制在200 m～500 m，且氣候條件、地物環(huán)境、電磁干擾等因素分別影響不同探測(cè)技術(shù)的使用范圍，對(duì)多傳感器、多技術(shù)融合應(yīng)用提出了現(xiàn)實(shí)要求；從實(shí)際應(yīng)用層面入手，以有無(wú)信號(hào)源、安裝方式作為核心指標(biāo)，合理選擇有源或無(wú)源探測(cè)技術(shù)方法，在復(fù)雜場(chǎng)景下需要采取有源+無(wú)源探測(cè)技術(shù)，并根據(jù)地面固定、移動(dòng)等不同安裝方式進(jìn)行雷達(dá)及相應(yīng)裝置的選型優(yōu)化，并兼顧算法實(shí)現(xiàn)等因素，保證有效提升探測(cè)性能。

3 無(wú)人機(jī)自動(dòng)反制系統(tǒng)技術(shù)組合及選型優(yōu)化

3.1 技術(shù)組合方案

為最大限度擴(kuò)大無(wú)人機(jī)反制系統(tǒng)的適用場(chǎng)景，需要針對(duì)自動(dòng)偵測(cè)、反制技術(shù)進(jìn)行科學(xué)組合及優(yōu)化，基于偵測(cè)、報(bào)警和處置等流程的自動(dòng)化運(yùn)行需求進(jìn)行應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，如將雷達(dá)、頻譜探測(cè)技術(shù)進(jìn)行組合，當(dāng)探測(cè)設(shè)備發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后立即啟動(dòng)聲光報(bào)警模塊，提示值班員執(zhí)行具體操作，并調(diào)用熱備份中的天線對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，啟動(dòng)干擾裝置發(fā)出信號(hào)，利用數(shù)據(jù)鏈欺騙、衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)欺騙方式對(duì)非法無(wú)人機(jī)施加干擾，使其離開(kāi)保護(hù)區(qū)域后下降或直接墜毀；或增設(shè)光學(xué)攝像機(jī)，由值班員進(jìn)行目標(biāo)確認(rèn)及判斷，啟用干擾壓制模塊對(duì)目標(biāo)無(wú)人機(jī)施加干擾。以攔截非法無(wú)人機(jī)為目標(biāo)進(jìn)行技術(shù)組合與系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在探測(cè)跟蹤技術(shù)方案設(shè)計(jì)上，將雷達(dá)探測(cè)技術(shù)與光電探測(cè)技術(shù)進(jìn)行有機(jī)整合，具體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)步驟如下：

首先，根據(jù)四旋翼無(wú)人機(jī)飛行原理，將4個(gè)電機(jī)提供的總升力設(shè)為U1，以機(jī)體坐標(biāo)系Y軸方向?yàn)榛鶞?zhǔn)產(chǎn)生的電機(jī)升力差為U2，以機(jī)體坐標(biāo)系X軸方向?yàn)榛鶞?zhǔn)產(chǎn)生的電機(jī)升力差為U3，4 個(gè)電機(jī)的總扭矩記為U4，由此建立跟蹤控制器結(jié)構(gòu)框圖（如圖2所示），并整合多次無(wú)人機(jī)飛行尋優(yōu)控制器參數(shù)，基于Mavlink通信協(xié)議進(jìn)行控制參數(shù)的在線調(diào)節(jié)。

圖2 跟蹤控制器結(jié)構(gòu)框圖

其次，獲取目標(biāo)無(wú)人機(jī)在原飛行坐標(biāo)系下的飛行速度、航向角和俯仰角3項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)，以指控中心為原點(diǎn)建立站心直角坐標(biāo)系，以坐標(biāo)系為基準(zhǔn)進(jìn)行無(wú)人機(jī)飛行軌跡建模（各飛行階段的飛行參數(shù)模擬結(jié)果見(jiàn)表2）。

表2 模擬飛行參數(shù)

再次進(jìn)行探測(cè)設(shè)備攔截?zé)o人機(jī)位置的解算（見(jiàn)表3），將預(yù)測(cè)目標(biāo)無(wú)人機(jī)的攔截位置以GPS格式、經(jīng)Mavlink協(xié)議發(fā)送至反制設(shè)備端，將預(yù)測(cè)攔截點(diǎn)位的相對(duì)位置參數(shù)設(shè)定為極徑R、仰角Ω、方位角Φ，以指控中心原點(diǎn)為基準(zhǔn)，建立雷達(dá)球坐標(biāo)系，根據(jù)獲取的GPS坐標(biāo)值（B1，L1，H1）轉(zhuǎn)換為大地直角坐標(biāo)（X1，Y1，Z1），經(jīng)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、平移后獲得預(yù)估攔截位置的大地直角坐標(biāo)值（X2，Y2，Z2），并基于近似直接法獲得預(yù)測(cè)目標(biāo)攔截位置的GPS坐標(biāo)值（B2，L2，H2）。

表3 不同測(cè)量點(diǎn)位的坐標(biāo)值計(jì)算結(jié)果

從次，進(jìn)行反制策略設(shè)計(jì)，由視覺(jué)導(dǎo)引、飛行控制、動(dòng)力裝置、通訊系統(tǒng)及地面站組成反制無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，基于目標(biāo)圖像搜索、識(shí)別、跟蹤和控制等流程，最終獲取飛行尋優(yōu)控制器參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)反制設(shè)備參數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)整。

最后，在仿真測(cè)試環(huán)節(jié)，根據(jù)目標(biāo)無(wú)人機(jī)的飛行航跡生成不同場(chǎng)景下目標(biāo)檢測(cè)結(jié)果（見(jiàn)表4），測(cè)得反制無(wú)人機(jī)的目標(biāo)正確率平均值達(dá)到0.96%、單幀檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)為8 ms，能夠有效跟蹤非法無(wú)人機(jī)飛行，實(shí)現(xiàn)反制目標(biāo)。

表4 不同場(chǎng)景下目標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

3.2 技術(shù)選型優(yōu)化結(jié)果

該文通過(guò)將光電反制技術(shù)、雷達(dá)探測(cè)技術(shù)進(jìn)行組合，完成無(wú)人機(jī)自動(dòng)反制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)方案的編制，整合理論分析與實(shí)際測(cè)試結(jié)果，可歸結(jié)出以下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：1） 和傳統(tǒng)電磁干擾等反制手段相比，應(yīng)用無(wú)人機(jī)設(shè)備反制無(wú)人機(jī)的技術(shù)方案時(shí)更為簡(jiǎn)潔高效、節(jié)約成本，為低空近程反制“低慢小”提供可靠借鑒思路，并實(shí)現(xiàn)跟蹤效率、跟蹤精度的顯著優(yōu)化，保障反制無(wú)人機(jī)跟蹤目標(biāo)飛行過(guò)程的穩(wěn)定性。2） 基于先跟蹤、后識(shí)別的技術(shù)路線雖然一定程度上削弱了系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，但考慮“低慢小”無(wú)人機(jī)自身運(yùn)動(dòng)速度受限，因此該系統(tǒng)能夠在以后滿足低速、懸停等作業(yè)情況下的跟蹤與反制要求。3）依托反制策略的精細(xì)化設(shè)計(jì)，有助于降低系統(tǒng)虛警率和漏檢率，提高反制無(wú)人機(jī)防御系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用性能。

4 結(jié)論

該文通過(guò)整合現(xiàn)有關(guān)于“低慢小”無(wú)人機(jī)的偵測(cè)與反制技術(shù)研究成果，結(jié)合指定場(chǎng)景建立了一種反制無(wú)人機(jī)防御系統(tǒng)，整體設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)潔、技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度低，且適用于非法無(wú)人機(jī)的近空低程反制處理，可有效防御非法無(wú)人機(jī)飛行帶來(lái)的安全威脅，為同類(lèi)無(wú)人機(jī)反制與偵測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)及應(yīng)用提供良好示范經(jīng)驗(yàn)。