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專家觀點|“低慢小”無人機偵測反制系統的技術比較

2019-06-16 15:55 性質:供稿 作者:呂振義 來源:科衛泰
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摘要:近年來民用無人飛行器技術日漸成熟,民用無人飛行器引發的控制事故與相關安全問題日益常態化,無人機反制系統應運而生。介...


摘要:

近年來民用無人飛行器技術日漸成熟,民用無人飛行器引發的控制事故與相關安全問題日益常態化,無人機反制系統應運而生。介紹了當前主要的無人機偵測、反制技術,并對無人機反制系統的組合和選型做了較為全面的探討。



一、違法飛行器帶來的挑戰


  近年來,民用無人飛行器技術日漸成熟,在應用越來越廣泛的同時,由民用無人飛行器引發的控制事故與相關安全問題日益常態化,民用無人飛行器在具有許多有益應用前景的同時,也可能被越來越多的惡意使用。


  隨著我國經濟社會的迅速發展,諸如信息網、電力網、核電站、能源基地、交通樞紐、大型水利設施、政府機關等重要場所的數量不斷增多,分布也越來越廣,安全防護面臨的環境復雜、情況多變;此外,中國經濟實力劇增,對外交往日益擴大,大型活動越來越多,并呈現出規模大、規格高的特點,且往往在人口密度大、建筑物密度高的政治、經濟中心舉辦,由于重要設施和大型活動周邊的建筑環境、電磁環境、氣象環境、交通環境非常復雜,因此,防范、處置以多旋翼無人機為主的無人機目標肇事和恐怖襲擊的任務將十分艱巨。



  綜合來看,非法無人機可能會對維護公眾安全和正常生產生活秩序構成潛在與現實的威脅,主要分為三個方面:


1、 空中的“偷窺者”

  無人機的飛行高度,超越了絕大多數障礙物,可以輕松地對高墻大院內的要害部門部位進行拍照攝像。無人機擁有相對完備的攝像穩定技術、飛行記錄系統、影像實時回傳系統,兼具定點巡航拍攝、跟隨拍攝、環繞拍攝等功能,無須改裝即可用于竊密活動。

無人機"偷窺"/圖來源于網絡,版權歸原作者所有

2、危險的“中轉站”

  由于重大活動現場或重要設施周圍的地面安保嚴密,防控手段到位,因此不法分子可能通過無人機搭載爆炸物、生物毒劑、放射性物質或非法宣傳物向場內投擲。利用GPS導航技術,即使在漆黑的夜間,無人機也能越過目標地的圍墻、柵欄,在絲毫不驚動警衛人員和報警設備的情況下,將有害物品準確地投送到指定地點。針對委內瑞拉總統的無人機炸彈給了社會一個極大的警醒!

無人機“恐襲”/圖來源于網絡,版權歸原作者所有

3、不可控風險

  一些航模或者航拍愛好者,甚至是普通百姓,出于娛樂、好奇或無意,將無人機飛到活動現場或重要區域上空,幾年來在一些敏感區域,如民航機場、監獄碼頭、重要的物資倉庫、重要機關、會議現場等等,都有因微型無人機闖入而造成的混亂現象,甚至造成重大的損失(例如前幾年各地民航機場禁空區的黑飛問題)。

  同時,除了無人機非法闖入自身的風險,在這些要害場所,由DIY無人機自身質量太差以及操控原因可能導致發生空中碰撞、墜落、著火、爆炸等事故,也會構成極大的危險隱患。

圖來源于網絡,版權歸原作者所有

  所以,對于這類低慢小無人機的防范或者說叫做反制系統,也就應運而生。



二、無人機反制系統的主要技術介紹


  對于低慢小無人機的反制系統,主要有偵測和反制兩大部分。其中,對于偵測來說,又有頻譜偵測型和雷達偵測型兩類技術體制。而對于反制技術,技術體制就更多了,例如,壓制干擾型,欺騙干擾型,物理擊毀型,直接抓捕型,等等。但是,不管哪種體制,都會涵蓋壓制和欺騙干擾,因為對于低慢小無人機來說,采用無線電壓制和欺騙干擾是最快速有效且成本最低的技術手段。下文將對于上述的各種技術做個簡單介紹。


1. 壓制式無線電干擾

  如上所說,對于“低慢小”無人機來說,壓制式無線電干擾也許是最直接有效且成本最低的反制方式。壓制式反制實際上就是對于非法無人機的遙控鏈路、信息傳輸鏈路和GPS導航信號進行無線電壓制干擾,讓非法無人機在一定的區域內成為瞎子、聾子和啞巴。即使有無人機慣導的作用,也只能維持很短時間的原始姿態,無法按照操控者的愿望繼續運動。

  通常來說,消費類低慢小無人機的無線數據鏈大概有2-3個常用的頻段,分別是2.4GHZ、5.8GHz和915MHZ,這三個頻段往往是消費類非法無人機的主要頻段。對于專業型無人機,我國工信部規定的無人機數據鏈專業頻段為845MHZ和1.4GHZ。一般來說,由于我國的專業無人機往往是政府部門甚至是執法部門使用,處于嚴格受控狀態,非法使用的概率很低,再加上這兩個專用頻段的無線數據鏈產品產量低且價格高,一般的消費類無人機很少采用這兩個頻段,所以,一般的反制干擾器主要集中在2.4GHZ、5.8GHz和915MHZ三個頻段。


  除了無線數據鏈,無人機還有一個重要的頻點,就是用于導航的“衛星導航信號頻點”!目前,無人機常用的衛星導航體制有三種,即美國的GPS,俄羅斯的GLONASS和中國的BD。目前的多數衛星導航芯片,都是兼容這三種體制的,而且,主流的芯片技術是采用這其中的2種或者全部三種體制的融合算法。這三種體制的頻點如下:


  GLONASS頻率表:


  從原理上來說,只要無線電壓制信號的幅度足夠強,且頻率能夠覆蓋以上的衛星導航頻點,那么,無人機就會失去自動導航的的能力。


  從以上分析可以看出,壓制式無人機反制并沒有什么技術難度,因為通信數據鏈和導航信號的頻點都是公開的,只要制造一個頻點相同且幅度足夠強的哪怕是噪聲信號,都可以起到壓制的效果。簡單說,這種反制是最為簡單、粗暴且沒有技術含量的方案!但是這種方案簡單卻有效。


  當然,除了消費類的低慢小系統以外,對于一些專業類無人機,甚至是軍用類的無人機,這種簡單的壓制手段也是有效的,但是對于發射功率的要求就更高了。這里暫時不做討論。


2. 欺騙式無人機干擾系統

  相對于簡單的壓制式干擾反制系統,欺騙式或者叫做誘導式反制系統,就具有更高的技術含量。欺騙式反制由數據鏈欺騙和導航信號欺騙兩大部分構成。


  數據鏈欺騙的難度比較高,首先,我們必須實現偵測到目標無人機的數據鏈并且進行解析,如果能夠破解整個數據鏈的頻率、帶寬、調制方式和通信協議等等所有參數,這就意味著我們可以對于非法入侵的無人機可以實現完全的接管!這項工作的難度比較大,對于跳頻通信和采用不同加解密技術的數據鏈來說,相當困難!如果對于市場上已知的各式各樣無人機都實現基于數據鏈破解技術的反制,工作量和難度幾乎是不可能的。即使是針對于某一款無人機破解成功,如果廠家調整數據鏈的技術體制和加密方式,所有工作又要重來一遍!基于數據鏈破解技術的反制系統,往往被軍方所采用,即針對地方的某一款特定型號的軍用無人機進行研究破解,并接管捕獲。伊朗多次捕獲美軍的RQ47無人機,采用的就是這種技術路線。


  對于衛星導航信號的欺騙是干擾,主要是針對GPS/GLONASS/BD的導航系統,發射虛假的衛星導航信號。如果虛假的衛星導航信號功率遠遠高于真正的GPS導航信號,那么,無人機就會按照虛假的導航信號來飛行,直到飛出受保護的區域,并自行降落或者墜毀,實現對于關鍵區域的保護的目的。導航信號的頻點、格式相對固定,甚至是透明的,所以,利用發射虛假衛星導航信號實施的反制,比數據鏈接管的技術更加簡單。如果利用虛假導航信號可以對于非法無人機進行誘導降落并完美抓捕的話,對于今后的破案取證更加有效。這個技術體制,比粗暴的將無人機干擾,并使其降落和墜毀更有技術含量。


  當然,最好的技術方案是,既能接管數據鏈,又能釋放虛假的導航信號,對于無人機進行完美抓捕并未破案提供佐證!但是,在民用領域,各種反制手段的經濟性也很重要,如果花了很大的人力物力,僅僅是為了一架幾千元或者幾萬元的“低慢小”,似乎不值得;而如果是可以完美繳獲一架美國的RQ47(向伊朗那樣),或者以色列的蒼鷺系列,意義就非常重大了。


3. 物理式反制

  物理式反制系統,說白了,就是直接擊毀或者抓捕!


  對于國家與敵對國家之間的無人機反制,如果對方侵入領空,被侵入一方既有權力進行譴責,也有權強制擊落,比如直接導彈擊落等等。


  對于“低慢小”來說,如果用導彈擊落就太不劃算了!國際國內曾經報道很多采用激光擊落的實驗,筆者認為,激光擊落將是一個重要的發展方向。


  對付“低慢小”還有一種低成本方案,就是用規格更大的無人機,來抓捕較小的無人機。比如,有介紹用無人機攜帶網槍噴射網的辦法,對于“低慢小”目標進行抓捕。按照目前的技術,這類抓捕僅僅限于對微型多旋翼無人機的抓捕。對于“低慢小”固定翼無人機來說,由于其速度較快,很難網捕。



三、 無人機偵測技術介紹


  對于無人機的實時偵測技術,目前大概也分為兩種技術路線:一種是主動式雷達探測技術;二是被動式的機遇頻譜分析的偵測技術。


1. 基于雷達系統的偵測技術

  雷達的原理是二次世界大戰就已經成熟的技術。近年來,雷達技術的發展突飛猛進,隨著高速計算機技術的快速發展,各種新型雷達層出不窮,如相控陣雷達、脈沖多普勒雷達、激光雷達、SAR雷達等等。雷達技術的快速發展,使得應用范圍也越來越廣,應用的推廣有反過來使得雷達的成本大大降低,幾近親民。從早期的海上導航雷達,到現在的各種無人車、無人船和無人機等等的探測和避障雷達,再到各種安防行業的防盜報警雷達。雷達的應用已經滲透到國民經濟的各行各業。


  對于無人機的雷達探測,主要問題是要解決城市環境下的建筑物反射和電磁干擾的問題。“低慢小”無人機主要的可能出現場景是城市環境,城市環境高樓林立,對于雷達信號的各種反射會影響到真正的目標信號,因此,能否采取不同的算法剔除這些干擾將直接影響探測雷達的實際效果。所以說,我們隨便把對海對空的遠距離軍用雷達,直接用于低慢小偵測,不一定有效,主要就是環境的問題。但是,雷達偵測對于低慢小來說,一定是個最為經典和有效的手段。



  多普勒頻移的公式如下:


  雷達偵測技術主要的理論基礎是多普勒頻移原理,就是說,雷達發出的反射信號打到運動目標上,目標反射回來的電磁波信號會發生多普勒頻移,雷達天線檢測到這個頻移,反推出運動速度和方向,形成軌跡在屏幕上顯示出來。


  綜上所述,可以看出雷達探測系統的兩個問題:一個是對于環境中受風吹的樹木,會造成一定的誤報概率;另一個是,如果低慢小目標懸停在空中靜止不動,雷達就檢測不到---誤報和失效的問題!


2. 被動式頻譜分析偵測技術

  被動式頻譜偵測,顧名思義,就是偵測設備自己不發射電磁信號,而只是接受空中“低慢小”無人機發出的信號。頻譜偵測技術也有兩種技術方案:一種是針對無人機輻射頻譜的偵測,我們權且稱之為“輻射頻譜偵測技術”;另一種是,偵測無人機對于其他信號(例如城市的數字電視信號)的反射或者散射信號,我們權且稱之為“散射頻譜偵測技術”。


  首先,我們討論輻射頻譜偵測技術。無人機受地面人員操控,肯定會發射出無線信號。那么,偵測設備收到這些信號以后,對于這些設備的無線電信號進行分析,將這些信號跟后臺數據庫里預先存儲的信號進行比對,如果這個信號符合數據庫里面某一個無人機型號的特征,就確認這個信號就是某某型號的無人機。然后,后臺計算機通知干擾器施放干擾,達到反制的目的。被動型輻射頻譜偵測技術存在幾個問題如下:


  1)必須事先對市場上的各種無人機無線數據鏈信號進行采樣并存儲,對于數據庫沒有的型號,就會出現遺漏。例如,目前DJI公司的無人機在市場上占有份額很大,其信號特征也很明確,一般不會有問題。但是對于一些不法分子的自行攢機(如委內瑞拉無人機炸彈),你不可能事先知道他的數據鏈特征,就無能為力了。


  2)頻譜偵測設備的靈敏度一般比較高,無人機的輻射通過建筑物反射以后造成的多徑效應會影響對于目標數量和坐標的準確性。


  3)頻譜偵測系統必須架設多個接收點(3個以上)才能準確探測出目標的距離和方位。


  4)由于消費類無人機使用的頻段多數是ISM(工業、科研和醫用)自由頻段,而社會上的各種通信設備如手機等等也是使用這類頻段。這樣,誤判的機會就比較多了。



  但是,被動式輻射頻譜偵測技術最大的優勢也很突出:

  1)一個是本身沒有輻射,不會造成對于電磁環境的污染;


  2)二是天線可以大一些,靈敏度會大大高于雷達體制,也就是探測距離往往比雷達體制更遠。


  3)第三個優點,就是可以根據數據庫比對,確定入侵無人機的產品型號。



  對于散射型偵測技術,相對來說,確定性更強一些,不需要事先建立無人機樣品數據庫,利用寬帶接收機,只要事先知道當地的電視頻道,選一個信號幅度最強的即可。這種技術介于雷達探測和輻射頻譜探測之間,兼具兩者優點,又兼具兩者缺點。主要優點有兩個:

  1)沒有輻射,類似于“輻射頻譜偵測技術”。


  2)不受外界ISM頻段的干擾,這個優點類似于雷達偵測技術。


  3)這個技術比輻射型偵測和雷達型偵測都具有更遠的探測距離!


  這個技術也有一個致命的缺點,如果電視信號停播,或者電視信號改頻道了,就徹底失效了!



四、 無人機自動反制系統組合


  無人機自動反制系統對于重要場所、重要會議安保至關重要,但是,無人機反制系統怎樣才能真正發揮作用,這是一個需要認真探討的課題,應該針對不同的應用場景,例如不同的場合和不同的侵入對象,做不同的配置。


  一類是對于一些臨時性商業會議現場的安保警衛任務,防范對象為航拍業余愛好者的情況下,簡單配置一個干擾式反制槍,由持槍警員人工警戒即可。這是因為,一方面,會議時間不會太長,而業余航拍愛好者一般屬于非惡意入侵,無非好奇心、炫耀心促使而已,不會釀成嚴重后果。


  第二類是對于高級領導人的現場安保,就要配置高可靠性的、可以移動布防的無人機反制系統,確保萬無一失。這類系統必須具備自動偵測,自動報警和自動反制能力。


  第三類是對于固定的重要場所,例如,重要的國家機關,重要的庫房(糧庫、油庫、彈藥庫等等)重地,重要的監獄等等,由于需要長期防范,就必須裝備固定式全方位的無人機偵測、報警和反制一體化的全自動反制系統。


  全自動無人機反制系統,應該包括全自動偵測、全自動報警和全自動處置的全部系統。自動偵測系統(雷達式和頻譜式)發現目標以后,立即聲光報警給值班人員,同時將熱備份中的反制干擾系統(壓制式和欺騙式)天線對準目標,這是,分為兩個選擇,一個是天線對準目標以后,立即自動開啟干擾裝置,對于非法無人機的數據鏈和衛星導航信號進行施放干擾(壓制式或欺騙式),直接將非法無人機在受保護區域外進行迫降或者墜毀。


  另一個選擇是,增加人為判斷的環節,通過光學或者熱成像攝像機,值班人員觀察并且確認目標以后,再開啟干擾壓制。


  最后一個選擇是,將取證無人機飛抵目標上空,進行取證拍攝,爭取通過對于地面拍照,能夠找到非法操控者的證據(迫降或者墜毀的無人機型號、操控手的圖片等等)。


  總之,對于這類系統的評價應該集中在“系統可靠,智能化程度高,反制有效,取證成功率高”這四個方面。



五、 無人機反制系統的主要技術指標


  雷達或頻譜探測距離:1-5Km

  距離探測精度:小于5米

  偵測角度覆蓋:180°-360°

  干擾壓制距離:1-5Km



六、 無人機反制系統選型的注意事項


1.偵測距離和干擾距離的合理選擇

  在這些基本參數中,“干擾壓制距離”一項,原則上可以考增加發射功率來提高,但是這樣做可能會引起別的問題,即電磁污染問題。尤其是對于GPS/BD的干擾,會影響到周圍正常GPS用戶的權益,例如可能會干擾到手機基站,甚至遠處的機場導航等等。目前,我們國家對于無人機反制器的輸出功率沒有明確的質量標準或者規定,很多廠家是從反制器有效性的角度來任意加大發射功率,這是不科學的。建議反制器廠家應該盡可能減小發射功率,而增加發射天線的增益,使得能量更集中對準目標以便提高作用距離。應該杜絕使用全向天線輻射,任意加大功率的做法。這方面,建立相關技術標準是非常必要的。

  對于“低慢小”的偵測雷達作用距離,也應該采用因地制宜的做法,不應該“殺雞用牛刀”,任意選用大功率雷達,也會造成環境污染。比如500m×500m的防護區域,用作用距離和干擾距離大于1000m的系統就足夠了,不必要配置2KM以上距離的反制系統。理論上講,如果將干擾器的距離提高一倍,發射功率必須提高4倍才行。高功率及增高了成本,也加大了對于周圍環境的污染!


2.偵測體制的合理選擇

  上面已經介紹過不同偵測體制的原理,根據工作原理、實際使用環境和防范對象,我們基本上可以做出合理的選擇:

  1)比如,我們的防范目標就是類似于DJI的常規航模,防范區域為城市內的某體育館演唱會,這種情況下,配幾把反制槍就足夠了。

  2)如果是重要場所,如監獄、油庫或者彈藥及危化倉庫,需要24小時戒備,就需要配置帶有雷達偵測技術(不應采用頻譜偵測)的全自動反制系統。這類場所的設備作用距離在1km左右就足夠了(城市環境下,由于建筑物對于地形的影響,距離遠了也無法發揮作用)。

  3)在偏遠地區的重要目標防范,可以購買頻譜式偵測(輻射型和散射型),加上全自動干擾系統。作用距離盡可能遠一些,比如3-5KM以上的作用距離。空曠地區,頻譜偵測距離遠的優勢才可以發揮出來。

  4)對于邊境地區的敵對國家的無人機騷擾,為了不引起外交糾紛,最好的方案是將對方的無人機,通過頻譜偵測、破解等技術手段,誘導到我國的境內迫降。

  5)如果是對于重要領導人的安保的無人機反制,反制目標是“惡意攢機無人機”的話,建議選擇全自動雷達偵測、干擾,并配置有效的物理摧毀裝置!確保萬無一失。

  注意,這種應用場合,建議不能選用頻譜型偵測設備,因為恐怖分子絕不會讓你事先知道他的無人機頻譜參數并錄入數據庫!


  6)對于邊境地區的敵對國家的無人機騷擾,為了不引起外交糾紛,最好的方案是將對方的無人機,通過頻譜偵測、破解等技術手段,誘導到我國的境內迫降。

  深圳市科衛泰實業發展有限公司成立于1997年,是國內應急指揮和無線移動視頻傳輸領域的領導者, 致力于無線移動視頻傳輸系統、無線網絡傳輸產品、計算機系統集成及多旋翼無人機系統的研發、生產與應用。

  科衛泰的營銷和服務網絡覆蓋海內外,在國內10個省市建立營銷和服務中心,為客戶提供端對端快速、優質服務。產品廣泛應用于應急指揮、巡邏值守、安防監控、廣播電視等關 鍵領域。作為國內高端無線圖像傳輸產品的制造商,科衛泰為國務院應急辦、中央電視臺、解放軍、武警部隊和大量公安和執法部門以及電視臺提供了高端先進的無線移動視頻傳輸系統。

  近年來,科衛泰基于多年在無線通信、視頻編解碼等領域的技術積累,在專業微型無人機相關研發與制造領域持續發力。先后在復合材料成型工藝、無人機飛行控制系統、無人機數據鏈通信系統、低延時視頻傳輸系統、無人機機器視覺系統、微型自穩定云臺、地面站軟 件及一體化控制系統、地面站自動跟蹤天線系統等諸多方面進行長期的技術研究和投入,我們的目標是為行業用戶提供世界一流的微型無人機系統解決方案及服務。

  科衛泰始終以振興民族科技為己任,秉承竭誠為用戶服務的宗旨,為用戶提供全方位的服務。公司全體員工團結一致,遵循“胸懷祖國,放眼世界”的企業使命,以“讓人類在面對突發事件和災難時,因我們的產品而更加從容”為公司愿景,用先進可靠的產品占領全球無線移動視頻及多旋翼無人機高端市場。

  科衛泰公司在國內外具有領先水平,具有多個世界第一和國內第一。

  世界第一:全世界唯一進行480公里高速測試和應用的無線移動視頻傳輸系統,2010年12月3日我國高速動車組CHR380A“和諧號”即京滬高速棗莊至蚌埠間的220公里先導段聯調 聯試和綜合試驗直播現場,我公司MV2025型車載無線移動視頻在486.1公里的時速情況下將動車組內視頻穩定傳送給中央電視臺,成為全世界唯一利用COFDM技術搭載地面無線移動視 頻傳輸系統在高速移動情況下傳輸的案例。

  國內第一:

  (1) 第一個獲得工信部國家無委無線電發射設備型號核準證(無線移動視頻傳輸系統便攜臺);

  (2) 第一個獲得無線移動視頻傳輸系統國家防爆認證;

  (3) 國內最早推出HD1080i高清無線圖傳的公司;

  (4) 國內最早推出重量只有70克的微型高清無線圖傳模塊;

  (5)國內最先推出遠距離高清多旋翼無人機傳輸系統。

  今天,科衛泰正以強大的研發實力和市場競爭力引領產業發展;明天,科衛泰將繼續以卓越的創新能力推動產業變革,為用戶創造應急與安防的新價值。

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