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【技术交流】“低慢小”无人机侦测反制系统的技术比较

2019-06-11   浏览次数:942


摘要:近年来民用无人飞行器技术日渐成熟,民用无人飞行器引发的控制事故与相关安全问题日益常态化,无人机反制系统应运而生。介绍了当前主要的无人机侦测、反制技术,并对无人机反制系统的组合和选型做了较为全面的探讨。

一、违法飞行器带来的挑战

近年来,民用无人飞行器技术日渐成熟,在应用越来越广泛的同时,由民用无人飞行器引发的控制事故与相关安全问题日益常态化,民用无人飞行器在具有许多有益应用前景的同时,也可能被越来越多的恶意使用。

随着我国经济社会的迅速发展,诸如信息网、电力网、核电站、能源基地、交通枢纽、大型水利设施、政府机关等重要场所的数量不断增多,分布也越来越广,安全防护面临的环境复杂、情况多变;此外,中国经济实力剧增,对外交往日益扩大,大型活动越来越多,并呈现出规模大、规格高的特点,且往往在人口密度大、建筑物密度高的政治、经济中心举办,由于重要设施和大型活动周边的建筑环境、电磁环境、气象环境、交通环境非常复杂,因此,防范、处置以多旋翼无人机为主的无人机目标肇事和恐怖袭击的任务将十分艰巨。

综合来看,非法无人机可能会对维护公众安全和正常生产生活秩序构成潜在与现实的威胁,主要分为三个方面:

1、 空中的“偷窥者”

无人机的飞行高度,超越了绝大多数障碍物,可以轻松地对高墙大院内的要害部门部位进行拍照摄像。无人机拥有相对完备的摄像稳定技术、飞行记录系统、影像实时回传系统,兼具定点巡航拍摄、跟随拍摄、环绕拍摄等功能,无须改装即可用于窃密活动。


无人机"偷窥"/图来源于网络,版权归原作者所有

2、危险的“中转站”

由于重大活动现场或重要设施周围的地面安保严密,防控手段到位,因此不法分子可能通过无人机搭载爆炸物、生物毒剂、放射性物质或非法宣传物向场内投掷。利用GPS导航技术,即使在漆黑的夜间,无人机也能越过目标地的围墙、栅栏,在丝毫不惊动警卫人员和报警设备的情况下,将有害物品准确地投送到指定地点。针对委内瑞拉总统的无人机炸弹给了社会一个极大的警醒!


无人机“恐袭”/图来源于网络,版权归原作者所有

3、不可控风险

一些航模或者航拍爱好者,甚至是普通百姓,出于娱乐、好奇或无意,将无人机飞到活动现场或重要区域上空,几年来在一些敏感区域,如民航机场、监狱码头、重要的物资仓库、重要机关、会议现场等等,都有因微型无人机闯入而造成的混乱现象,甚至造成重大的损失(例如前几年各地民航机场禁空区的黑飞问题)。

同时,除了无人机非法闯入自身的风险,在这些要害场所,由DIY无人机自身质量太差以及操控原因可能导致发生空中碰撞、坠落、着火、爆炸等事故,也会构成极大的危险隐患。


图来源于网络,版权归原作者所有

所以,对于这类低慢小无人机的防范或者说叫做反制系统,也就应运而生。

二、无人机反制系统的主要技术介绍

对于低慢小无人机的反制系统,主要有侦测和反制两大部分。其中,对于侦测来说,又有频谱侦测型和雷达侦测型两类技术体制。而对于反制技术,技术体制就更多了,例如,压制干扰型,欺骗干扰型,物理击毁型,直接抓捕型,等等。但是,不管哪种体制,都会涵盖压制和欺骗干扰,因为对于低慢小无人机来说,采用无线电压制和欺骗干扰是最快速有效且成本最低的技术手段。下文将对于上述的各种技术做个简单介绍。

1. 压制式无线电干扰

如上所说,对于“低慢小”无人机来说,压制式无线电干扰也许是最直接有效且成本最低的反制方式。压制式反制实际上就是对于非法无人机的遥控链路、信息传输链路和GPS导航信号进行无线电压制干扰,让非法无人机在一定的区域内成为瞎子、聋子和哑巴。即使有无人机惯导的作用,也只能维持很短时间的原始姿态,无法按照操控者的愿望继续运动。


通常来说,消费类低慢小无人机的无线数据链大概有2-3个常用的频段,分别是2.4GHZ、5.8GHz和915MHZ,这三个频段往往是消费类非法无人机的主要频段。对于专业型无人机,我国工信部规定的无人机数据链专业频段为845MHZ和1.4GHZ。一般来说,由于我国的专业无人机往往是政府部门甚至是执法部门使用,处于严格受控状态,非法使用的概率很低,再加上这两个专用频段的无线数据链产品产量低且价格高,一般的消费类无人机很少采用这两个频段,所以,一般的反制干扰器主要集中在2.4GHZ、5.8GHz和915MHZ三个频段。


除了无线数据链,无人机还有一个重要的频点,就是用于导航的“卫星导航信号频点”!目前,无人机常用的卫星导航体制有三种,即美国的GPS,俄罗斯的GLONASS和中国的BD。目前的多数卫星导航芯片,都是兼容这三种体制的,而且,主流的芯片技术是采用这其中的2种或者全部三种体制的融合算法。这三种体制的频点如下:


GLONASS频率表:


从原理上来说,只要无线电压制信号的幅度足够强,且频率能够覆盖以上的卫星导航频点,那么,无人机就会失去自动导航的的能力。

从以上分析可以看出,压制式无人机反制并没有什么技术难度,因为通信数据链和导航信号的频点都是公开的,只要制造一个频点相同且幅度足够强的哪怕是噪声信号,都可以起到压制的效果。简单说,这种反制是最为简单、粗暴且没有技术含量的方案!但是这种方案简单却有效。

当然,除了消费类的低慢小系统以外,对于一些专业类无人机,甚至是军用类的无人机,这种简单的压制手段也是有效的,但是对于发射功率的要求就更高了。这里暂时不做讨论。

2. 欺骗式无人机干扰系统

相对于简单的压制式干扰反制系统,欺骗式或者叫做诱导式反制系统,就具有更高的技术含量。欺骗式反制由数据链欺骗和导航信号欺骗两大部分构成。

数据链欺骗的难度比较高,首先,我们必须实现侦测到目标无人机的数据链并且进行解析,如果能够破解整个数据链的频率、带宽、调制方式和通信协议等等所有参数,这就意味着我们可以对于非法入侵的无人机可以实现完全的接管!这项工作的难度比较大,对于跳频通信和采用不同加解密技术的数据链来说,相当困难!如果对于市场上已知的各式各样无人机都实现基于数据链破解技术的反制,工作量和难度几乎是不可能的。即使是针对于某一款无人机破解成功,如果厂家调整数据链的技术体制和加密方式,所有工作又要重来一遍!基于数据链破解技术的反制系统,往往被军方所采用,即针对地方的某一款特定型号的军用无人机进行研究破解,并接管捕获。伊朗多次捕获美军的RQ47无人机,采用的就是这种技术路线。


对于卫星导航信号的欺骗是干扰,主要是针对GPS/GLONASS/BD的导航系统,发射虚假的卫星导航信号。如果虚假的卫星导航信号功率远远高于真正的GPS导航信号,那么,无人机就会按照虚假的导航信号来飞行,直到飞出受保护的区域,并自行降落或者坠毁,实现对于关键区域的保护的目的。导航信号的频点、格式相对固定,甚至是透明的,所以,利用发射虚假卫星导航信号实施的反制,比数据链接管的技术更加简单。如果利用虚假导航信号可以对于非法无人机进行诱导降落并完美抓捕的话,对于今后的破案取证更加有效。这个技术体制,比粗暴的将无人机干扰,并使其降落和坠毁更有技术含量。

当然,最好的技术方案是,既能接管数据链,又能释放虚假的导航信号,对于无人机进行完美抓捕并未破案提供佐证!但是,在民用领域,各种反制手段的经济性也很重要,如果花了很大的人力物力,仅仅是为了一架几千元或者几万元的“低慢小”,似乎不值得;而如果是可以完美缴获一架美国的RQ47(向伊朗那样),或者以色列的苍鹭系列,意义就非常重大了。

3. 物理式反制

物理式反制系统,说白了,就是直接击毁或者抓捕!

对于国家与敌对国家之间的无人机反制,如果对方侵入领空,被侵入一方既有权力进行谴责,也有权强制击落,比如直接导弹击落等等。

对于“低慢小”来说,如果用导弹击落就太不划算了!国际国内曾经报道很多采用激光击落的实验,笔者认为,激光击落将是一个重要的发展方向。


对付“低慢小”还有一种低成本方案,就是用规格更大的无人机,来抓捕较小的无人机。比如,有介绍用无人机携带网枪喷射网的办法,对于“低慢小”目标进行抓捕。按照目前的技术,这类抓捕仅仅限于对微型多旋翼无人机的抓捕。对于“低慢小”固定翼无人机来说,由于其速度较快,很难网捕。

三、 无人机侦测技术介绍

对于无人机的实时侦测技术,目前大概也分为两种技术路线:一种是主动式雷达探测技术;二是被动式的机遇频谱分析的侦测技术。

1. 基于雷达系统的侦测技术

雷达的原理是二次世界大战就已经成熟的技术。近年来,雷达技术的发展突飞猛进,随着高速计算机技术的快速发展,各种新型雷达层出不穷,如相控阵雷达、脉冲多普勒雷达、激光雷达、SAR雷达等等。雷达技术的快速发展,使得应用范围也越来越广,应用的推广有反过来使得雷达的成本大大降低,几近亲民。从早期的海上导航雷达,到现在的各种无人车、无人船和无人机等等的探测和避障雷达,再到各种安防行业的防盗报警雷达。雷达的应用已经渗透到国民经济的各行各业。


对于无人机的雷达探测,主要问题是要解决城市环境下的建筑物反射和电磁干扰的问题。“低慢小”无人机主要的可能出现场景是城市环境,城市环境高楼林立,对于雷达信号的各种反射会影响到真正的目标信号,因此,能否采取不同的算法剔除这些干扰将直接影响探测雷达的实际效果。所以说,我们随便把对海对空的远距离军用雷达,直接用于低慢小侦测,不一定有效,主要就是环境的问题。但是,雷达侦测对于低慢小来说,一定是个最为经典和有效的手段。


多普勒频移的公式如下:


雷达侦测技术主要的理论基础是多普勒频移原理,就是说,雷达发出的反射信号打到运动目标上,目标反射回来的电磁波信号会发生多普勒频移,雷达天线检测到这个频移,反推出运动速度和方向,形成轨迹在屏幕上显示出来。

综上所述,可以看出雷达探测系统的两个问题:一个是对于环境中受风吹的树木,会造成一定的误报概率;另一个是,如果低慢小目标悬停在空中静止不动,雷达就检测不到---误报和失效的问题!

2. 被动式频谱分析侦测技术

被动式频谱侦测,顾名思义,就是侦测设备自己不发射电磁信号,而只是接受空中“低慢小”无人机发出的信号。频谱侦测技术也有两种技术方案:一种是针对无人机辐射频谱的侦测,我们权且称之为“辐射频谱侦测技术”;另一种是,侦测无人机对于其他信号(例如城市的数字电视信号)的反射或者散射信号,我们权且称之为“散射频谱侦测技术”。

首先,我们讨论辐射频谱侦测技术。无人机受地面人员操控,肯定会发射出无线信号。那么,侦测设备收到这些信号以后,对于这些设备的无线电信号进行分析,将这些信号跟后台数据库里预先存储的信号进行比对,如果这个信号符合数据库里面某一个无人机型号的特征,就确认这个信号就是某某型号的无人机。然后,后台计算机通知干扰器施放干扰,达到反制的目的。被动型辐射频谱侦测技术存在几个问题如下:

1)必须事先对市场上的各种无人机无线数据链信号进行采样并存储,对于数据库没有的型号,就会出现遗漏。例如,目前DJI公司的无人机在市场上占有份额很大,其信号特征也很明确,一般不会有问题。但是对于一些不法分子的自行攒机(如委内瑞拉无人机炸弹),你不可能事先知道他的数据链特征,就无能为力了。

2)频谱侦测设备的灵敏度一般比较高,无人机的辐射通过建筑物反射以后造成的多径效应会影响对于目标数量和坐标的准确性。

3)频谱侦测系统必须架设多个接收点(3个以上)才能准确探测出目标的距离和方位。

4)由于消费类无人机使用的频段多数是ISM(工业、科研和医用)自由频段,而社会上的各种通信设备如手机等等也是使用这类频段。这样,误判的机会就比较多了。

但是,被动式辐射频谱侦测技术最大的优势也很突出:

1)一个是本身没有辐射,不会造成对于电磁环境的污染;

2)二是天线可以大一些,灵敏度会大大高于雷达体制,也就是探测距离往往比雷达体制更远。

3)第三个优点,就是可以根据数据库比对,确定入侵无人机的产品型号。

对于散射型侦测技术,相对来说,确定性更强一些,不需要事先建立无人机样品数据库,利用宽带接收机,只要事先知道当地的电视频道,选一个信号幅度最强的即可。这种技术介于雷达探测和辐射频谱探测之间,兼具两者优点,又兼具两者缺点。主要优点有两个:

1)没有辐射,类似于“辐射频谱侦测技术”。

2)不受外界ISM频段的干扰,这个优点类似于雷达侦测技术。

3)这个技术比辐射型侦测和雷达型侦测都具有更远的探测距离!

这个技术也有一个致命的缺点,如果电视信号停播,或者电视信号改频道了,就彻底失效了!

四、 无人机自动反制系统组合

无人机自动反制系统对于重要场所、重要会议安保至关重要,但是,无人机反制系统怎样才能真正发挥作用,这是一个需要认真探讨的课题,应该针对不同的应用场景,例如不同的场合和不同的侵入对象,做不同的配置。

一类是对于一些临时性商业会议现场的安保警卫任务,防范对象为航拍业余爱好者的情况下,简单配置一个干扰式反制枪,由持枪警员人工警戒即可。这是因为,一方面,会议时间不会太长,而业余航拍爱好者一般属于非恶意入侵,无非好奇心、炫耀心促使而已,不会酿成严重后果。

第二类是对于高级领导人的现场安保,就要配置高可靠性的、可以移动布防的无人机反制系统,确保万无一失。这类系统必须具备自动侦测,自动报警和自动反制能力。

第三类是对于固定的重要场所,例如,重要的国家机关,重要的库房(粮库、油库、弹药库等等)重地,重要的监狱等等,由于需要长期防范,就必须装备固定式全方位的无人机侦测、报警和反制一体化的全自动反制系统。

全自动无人机反制系统,应该包括全自动侦测、全自动报警和全自动处置的全部系统。自动侦测系统(雷达式和频谱式)发现目标以后,立即声光报警给值班人员,同时将热备份中的反制干扰系统(压制式和欺骗式)天线对准目标,这是,分为两个选择,一个是天线对准目标以后,立即自动开启干扰装置,对于非法无人机的数据链和卫星导航信号进行施放干扰(压制式或欺骗式),直接将非法无人机在受保护区域外进行迫降或者坠毁。

另一个选择是,增加人为判断的环节,通过光学或者热成像摄像机,值班人员观察并且确认目标以后,再开启干扰压制。

最后一个选择是,将取证无人机飞抵目标上空,进行取证拍摄,争取通过对于地面拍照,能够找到非法操控者的证据(迫降或者坠毁的无人机型号、操控手的图片等等)。

总之,对于这类系统的评价应该集中在“系统可靠,智能化程度高,反制有效,取证成功率高”这四个方面。

五、 无人机反制系统的主要技术指标

雷达或频谱探测距离:1-5Km

距离探测精度:小于5米

侦测角度覆盖:180°-360°

干扰压制距离:1-5Km

六、 无人机反制系统选型的注意事项

1.侦测距离和干扰距离的合理选择

在这些基本参数中,“干扰压制距离”一项,原则上可以考增加发射功率来提高,但是这样做可能会引起别的问题,即电磁污染问题。尤其是对于GPS/BD的干扰,会影响到周围正常GPS用户的权益,例如可能会干扰到手机基站,甚至远处的机场导航等等。目前,我们国家对于无人机反制器的输出功率没有明确的质量标准或者规定,很多厂家是从反制器有效性的角度来任意加大发射功率,这是不科学的。建议反制器厂家应该尽可能减小发射功率,而增加发射天线的增益,使得能量更集中对准目标以便提高作用距离。应该杜绝使用全向天线辐射,任意加大功率的做法。这方面,建立相关技术标准是非常必要的。

对于“低慢小”的侦测雷达作用距离,也应该采用因地制宜的做法,不应该“杀鸡用牛刀”,任意选用大功率雷达,也会造成环境污染。比如500m×500m的防护区域,用作用距离和干扰距离大于1000m的系统就足够了,不必要配置2KM以上距离的反制系统。理论上讲,如果将干扰器的距离提高一倍,发射功率必须提高4倍才行。高功率及增高了成本,也加大了对于周围环境的污染!

2.侦测体制的合理选择

上面已经介绍过不同侦测体制的原理,根据工作原理、实际使用环境和防范对象,我们基本上可以做出合理的选择:

1)比如,我们的防范目标就是类似于DJI的常规航模,防范区域为城市内的某体育馆演唱会,这种情况下,配几把反制枪就足够了。

2)如果是重要场所,如监狱、油库或者弹药及危化仓库,需要24小时戒备,就需要配置带有雷达侦测技术(不应采用频谱侦测)的全自动反制系统。这类场所的设备作用距离在1km左右就足够了(城市环境下,由于建筑物对于地形的影响,距离远了也无法发挥作用)。

3)在偏远地区的重要目标防范,可以购买频谱式侦测(辐射型和散射型),加上全自动干扰系统。作用距离尽可能远一些,比如3-5KM以上的作用距离。空旷地区,频谱侦测距离远的优势才可以发挥出来。

4)对于边境地区的敌对国家的无人机骚扰,为了不引起外交纠纷,最好的方案是将对方的无人机,通过频谱侦测、破解等技术手段,诱导到我国的境内迫降。

5)如果是对于重要领导人的安保的无人机反制,反制目标是“恶意攒机无人机”的话,建议选择全自动雷达侦测、干扰,并配置有效的物理摧毁装置!确保万无一失。

注意,这种应用场合,建议不能选用频谱型侦测设备,因为恐怖分子绝不会让你事先知道他的无人机频谱参数并录入数据库!

6)对于边境地区的敌对国家的无人机骚扰,为了不引起外交纠纷,最好的方案是将对方的无人机,通过频谱侦测、破解等技术手段,诱导到我国的境内迫降。


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