夏銘禹, 趙　凱, 倪　威

(1.海軍研究院, 北京　100161;2.江蘇自動化研究所, 江蘇 連云港　222061)

人們對未來戰(zhàn)爭以及戰(zhàn)場特點的理解,因領域、立場、層面等因素的差異而不盡相同,由此出現(xiàn)了諸如“無邊”(太空戰(zhàn))、“無聲”(靜默戰(zhàn))、“無人”(無人平臺)、“無形”(賽博戰(zhàn))、“無底”(水下作戰(zhàn))、“無色”(戰(zhàn)爭迷霧消散)等多方面的觀點,但是如果將目前相關技術發(fā)展狀態(tài)作為重要因素來評判的話,“無人”這個特點肯定是最明確的。近幾年來,無人技術及平臺已經(jīng)延伸到陸、海、空、天等多個領域,其中無人機無疑是眾多無人平臺發(fā)展最迅速的。

無人機作為一種新興事物,之所以能夠蓬勃發(fā)展,主要是因為其在性能、功能、關鍵技術等方面百家爭鳴、精彩紛呈,加之無人機存在研制周期短、研制經(jīng)費省、使用風險低等特點,引起了廣泛關注和高度重視。因此在信息化、網(wǎng)絡化、體系化的背景下,無人機得到了突飛猛進的發(fā)展。

隨著無人機的廣泛應用以及國家政策對低空空域的逐步開放,以“大疆”為代表的商業(yè)級無人機造價低廉,而且能攜帶爆炸物、危險物、高分辨率攝像頭、進行毒品走私等,此類“低慢小”目標具有較強的突發(fā)性,對于軍港、機場、核電站等要地的安全帶來嚴峻的挑戰(zhàn),對國家和人民的安全構成了嚴重的威脅。

鑒于此類目標對要地的安全隱患越來越大,需要盡快建立并完善相應的防控體系,加強軍港、機場、核電站等要地的安全警戒,及時探測發(fā)現(xiàn)可疑目標,通過適當手段進行驅離、防范控制,確保此類重要場所和設施的安全。因此,要地防控反無人機系統(tǒng)應運而生。

1　反無人機系統(tǒng)

無人機帶來的日漸嚴峻的威脅,使得反無人機技術及其裝備應用逐步成為發(fā)展熱點,這場“無人機熱”終于也引發(fā)了一場“反無人機熱”,近幾年反無人機系統(tǒng)項目、技術如雨后春筍般不斷涌現(xiàn)。

反無人機系統(tǒng)將會大規(guī)模用于對付來路不明的無人機,這些無人機未經(jīng)許可飛入敏感區(qū)域已經(jīng)引發(fā)了極大的安全顧慮,比如機場當局高度關注非法入侵的無人機會與民航客機碰撞,軍方將關注如何將反無人機技術用于應對無人機攻擊和無人機偵察。

從宏觀來看,反無人機的解決思路如圖1所示,主要包含“審—偵—捕”三個方面,“審”主要是利用政策手段從源頭對黑飛無人機進行約束,“偵”和“捕”則指的是對黑飛無人機的探測和防御,也正是這兩部分構成了反無人機系統(tǒng)。

圖1　反無人機解決思路

1.1　探測方式

針對有威脅的無人機,從工作原理上劃分可將其探測方式分為主動和被動兩種,主動探測方式主要包括探測雷達和光電設備,被動探測方式主要包括射頻偵測、聲學探測以及廣播自動相關監(jiān)視(ADS-B)。

1) 低空小目標探測雷達

探測雷達通過發(fā)射電磁波信號,接收無人機反射的回波信號并對其進行分析處理,實現(xiàn)目標探測和目標特征分析識別。其主要優(yōu)點包括作用距離遠、可全天時全天候工作、可大空域范圍覆蓋等,但針對無人機這種“低慢小”目標來說也有其技術難點,主要包括:

①低:被探測目標飛行高度低,容易受到地面目標干擾;

②慢:被探測目標飛行速度慢,多普勒頻率小,不易與地面雜波區(qū)分;

③小:被探測目標反射面積小,目標回波微弱。

2) 光電設備

光電設備采用可見光或紅外成像的方式,可實現(xiàn)對空中“低慢小”目標的搜索和跟蹤,配合激光測距儀可通過圖像處理提供距離、方位角、俯仰角等精確的目標信息,并且可提供圖像的實時顯示與存儲取證。該手段的缺點主要包括:

①對天氣具有依賴性;

②在復雜背景下對小型目標測距困難。

3) 射頻偵測設備

射頻偵測設備可對20M～6G頻段范圍內(nèi)的無線電信號進行監(jiān)測管理,可實現(xiàn)掃描、分析、解調(diào)、測向等功能,多站部署可實現(xiàn)信號定位功能。由于其具有輕便小巧的緊湊外形尺寸,可滿足全天候、全地形、便攜可搬移、便攜快布式的部署要求。

射頻偵測設備主要技術特點包括:

①采用被動探測方式,對周圍環(huán)境無輻射信號;

②通過TDOA組網(wǎng)技術,提高了被測目標探測精度;

③通過合理的布局組網(wǎng)可實現(xiàn)被測目標大范圍覆蓋;

④具有信號參數(shù)的頻譜展示功能;

⑤單個無線探測設備成本低,合理布局可控制整套系統(tǒng)成本。

主要缺點有:

①測量精度有限;

②需要多點協(xié)同、提前布陣。

4) 廣播自動相關監(jiān)視設備

ADS-B(1090ES)數(shù)據(jù)鏈地面站是一種能夠接收1090ES廣播式自動相關監(jiān)視信息的地面端系統(tǒng),系統(tǒng)由1090ES數(shù)據(jù)鏈地面站主機、全向/定向天線、天線放大器及GNSS天線等組成,可以通過單站/雙站熱備份的方式進行工作。

ADS-B設備的主要功能是實現(xiàn)地-空監(jiān)視,1090ES數(shù)據(jù)鏈地面站接收飛機廣播的ADS-B報文,提供空域內(nèi)的飛機信息,包含經(jīng)緯度、高度、速度、呼號、S模式地址、飛機類型等。該設備提供空域內(nèi)已注冊飛機的廣播信息,可對探測雷達生成的目標航跡進行相關確認,并重點標識出未注冊的無人機目標。

5) 聲學探測設備

聲學探測設備可以通過識別無人機的聲學特征實現(xiàn)對無人機的探測,其優(yōu)點是無需目標的直線視距、無輻射部件,可全天時全天候工作,傳感器尺寸小、重量輕。其主要缺點有:

①高噪聲強度條件下,很難發(fā)揮作用;

②作用距離有限;

③需要具備聲學特征庫;

④局部物體存在聲學信號再反射;

⑤測量精度有限。

1.2　防御手段

目前針對無人機的防御手段有很多種,特點和效果也各不相同,主要可以分為以下幾大類:

1) 干擾阻斷類

①壓制式干擾

針對目標無人機實施通信或者導航干擾,通過產(chǎn)生相對較大功率的干擾射頻信號,并對目標無人機定向發(fā)射,使得無人機與遙控器之間的飛控和圖傳連接斷開,進而無人機就會按照程序預先設定模式自行降落、懸停或者返航。除此之外,也可以對無人機的導航定位信號進行干擾,導致無人機無法正常定位而失去精確飛行能力。目前無人機使用的主流頻段有900MHz、1.5GHz(GPS)、2.4GHz(通信)、5.8GHz(圖傳)等頻段,實際應用中頻段可根據(jù)應用場景定制。

②瞄準式干擾

該方式和壓制式干擾的主要區(qū)別在于瞄準式干擾可根據(jù)射頻偵測設備獲取到目標無人機通信頻率,然后對其進行有針對性的通信干擾,射頻偵測可覆蓋頻率范圍:20MHz～6GHz。

③此外,韓國KAIST的研究人員發(fā)現(xiàn)了一個新的無人機干擾手段,利用聲波使得無人機上的陀螺儀發(fā)生共振從而輸出錯誤信息導致無人機無法平穩(wěn)飛行。

2) 誘騙控制類

通過模擬偽GPS等導航信號,實現(xiàn)對無人機的壓制和欺騙,確保無人機在保護區(qū)域平滑無意識地切換接收欺騙信號,讓無人機快速定位到預設位置,或者給其一個運動場景,使無人機快速飛行,脫離操作者控制,進行誘騙。根據(jù)不同的誘騙目的,可構建相應的誘騙策略,規(guī)劃相應目標航路,控制目標無人機到達指定區(qū)域。

3) 直接摧毀類

該類別的代表當屬激光武器,傳統(tǒng)常規(guī)武器通常用動能或化學能摧毀目標,而激光武器是以光速或接近光速運動的光子或粒子對目標施加能量,從而達到摧毀無人機的目的。其主要優(yōu)點包括:

①反應速度快;

②瞄準打擊精度高;

③附帶損傷小;

④毀傷程度可控;

⑤單次作戰(zhàn)效費比高。

4) 其他

此外,還有一些新型反無人機手段,比如利用雷達對抗技術干擾或攻擊機載雷達系統(tǒng),利用光電對抗技術干擾機載光電設備等。

1.3　要地防控反無人機系統(tǒng)

綜合各設備優(yōu)缺點,本文提出要地防控反無人機系統(tǒng)方案,系統(tǒng)組成圖和系統(tǒng)結構圖分別如圖2和圖3所示。

圖2　要地防控反無人機系統(tǒng)組成圖

圖3　反無人機系統(tǒng)結構圖

系統(tǒng)主要功能包括:

1)系統(tǒng)能夠利用多種傳感器在復雜背景環(huán)境下有效探測“低慢小”無人機,實現(xiàn)多目標探測、識別及跟蹤;

2)系統(tǒng)具有合作目標身份識別和確認的能力;

3)系統(tǒng)能夠利用光電設備精確跟蹤無人機目標;

4)系統(tǒng)能夠對有威脅的無人機進行定向干擾/誘騙、激光打擊等;

5)系統(tǒng)具有對無人機和操作手進行定位的能力;

6)系統(tǒng)具有視頻取證、存儲及回放能力。

系統(tǒng)主要特點有:

1)系統(tǒng)利用成熟技術進行模塊化、組合化設計,并可根據(jù)用戶需求進行配置;

2)系統(tǒng)具有便攜、快速布放、撤收的能力,可有效提高任務執(zhí)行時的靈活性、機動性;

3)系統(tǒng)適裝性強,可根據(jù)用戶需求進行車載集成設計。

此外,該系統(tǒng)可實現(xiàn)組網(wǎng)運行,核心思想是采用蜂窩網(wǎng)絡結構實現(xiàn)重點區(qū)域探測和攔截全覆蓋,圖4為部署示意圖。

圖4　反無人機系統(tǒng)組網(wǎng)示意圖

2　關鍵技術

2.1　“低慢小”目標信息處理技術

1)“低慢小”目標檢測技術

①檢測前跟蹤技術

利用雷達探測“低慢小”目標一直都是一個難點,傳統(tǒng)的方法是先對每幀原始數(shù)據(jù)做過門限檢測,然后對過門限的測量數(shù)據(jù)做后續(xù)的跟蹤處理。這樣可以抑制數(shù)據(jù)流,但不可避免地造成了許多有用信息的損失,特別是對無人機等“低慢小”目標。檢測前跟蹤技術對未經(jīng)門限處理的多幀原始數(shù)據(jù)進行能量積累,使得檢測與跟蹤同時進行,可以有效提高對“低慢小”目標的檢測與跟蹤性能。圖5為檢測前跟蹤技術原理示意圖。

圖5　檢測前跟蹤技術原理示意圖

②基于目標信號特征和雜波圖的虛假目標抑制技術

在復雜背景環(huán)境下,對無人機等“低慢小”類目標具有很高的檢測難度,特別是存在虛假目標干擾時,探測雷達需要解決抗干擾問題。

通過對典型場景雜波圖分析,結合無人機和其他小目標回波信號的特征分析,突破基于雜波圖的“低慢小”目標跟蹤場景下的虛假目標抑制技術可有效解決這一難題。

2)多目標跟蹤技術

多目標跟蹤主要包括數(shù)據(jù)關聯(lián)和狀態(tài)估計兩大技術,主要是對所接收的量測數(shù)據(jù)進行處理,目的是維持對多個無人機目標當前狀態(tài)的估計。其中數(shù)據(jù)關聯(lián)的作用是分配量測數(shù)據(jù)和目標航跡,而狀態(tài)估計則利用關聯(lián)上目標航跡的量測數(shù)據(jù)對航跡的當前狀態(tài)進行濾波估計。

①數(shù)據(jù)關聯(lián)技術

數(shù)據(jù)關聯(lián)的目的是以最小的計算復雜度來獲取最大的正確關聯(lián)概率,在多目標以及復雜背景環(huán)境下存在很多不確定因素,比如目標環(huán)境和目標個數(shù)的不確定性,傳感器的不完備性,跟蹤環(huán)境缺乏先驗知識,無法判斷量測數(shù)據(jù)來自于目標還是雜波等,這一切使得傳感器的量測和目標源之間無法很好地對應。

因此,要想有效降低錯誤關聯(lián)的概率,需要根據(jù)統(tǒng)計假設和問題的實際背景選擇合適的跟蹤門,減少需要關聯(lián)的有效量測數(shù),從而使跟蹤門內(nèi)來自非本目標和干擾的回波相應減少。隨著目標數(shù)、量測數(shù)及雜波密度的增加,計算量迅速增加,需要探索更合理的數(shù)據(jù)關聯(lián)算法,提高跟蹤性能并且改善算法的復雜度和實時性。

②狀態(tài)估計技術

狀態(tài)估計是在數(shù)據(jù)關聯(lián)之后進行的,目的是通過概括傳感器提供的目標點參數(shù)建立和更新航跡,并濾除噪聲,進而外推下一周期目標可能出現(xiàn)的位置。狀態(tài)估計性能的好壞取決于數(shù)據(jù)關聯(lián)正確與否,并且如果所采用的目標運動模型和目標的真實運動不一致,濾波器可能會發(fā)散。

3)多傳感器數(shù)據(jù)融合技術

由于反無人機系統(tǒng)包含雷達和光電等傳感器,并且可能組網(wǎng)運行,所以在無人機探測方面涉及多傳感器數(shù)據(jù)融合技術。數(shù)據(jù)融合的目的是通過對多個傳感器獲得的目標信息進行推理和識別,得到目標一致性的描述,然后根據(jù)這些一致性描述信息做出更準確的估計和判斷。多傳感器數(shù)據(jù)融合的概念體現(xiàn)在數(shù)據(jù)處理層面,同時也體現(xiàn)在系統(tǒng)層面。它一方面強調(diào)如何優(yōu)化綜合傳感器數(shù)據(jù),另一方面又強調(diào)如何優(yōu)化管理傳感器資源,最大限度地獲得有用的目標信息,從而實現(xiàn)對傳感器資源的最佳利用,使得整個系統(tǒng)性能最優(yōu),有時其融合結果可能發(fā)生質的飛躍。

2.2　射頻偵測定位技術

射頻偵測定位技術可實現(xiàn)對無人機通信頻率的偵測,以及對無人機和操作手進行定位,其中定位操作手是公安等部門關注的熱點,為抓捕黑飛操作手提供了有力的技術支撐。

1) I/Q數(shù)據(jù)預處理技術

射頻偵測接收機在10MHz到6GHz的頻率范圍內(nèi)進行掃頻,掃頻過程中將產(chǎn)生大量冗余數(shù)據(jù),I/Q信號預處理技術主要包括以下兩個部分。

①目標信號探測

目前民用級無人機的控制信號位于幾個不同的頻段內(nèi),射頻接收機需要通過分段搜索來提高目標探測成功概率。同時,Wifi信號和藍牙信號通常在2.4GHz與5.8GHz這兩個頻段內(nèi)活動,會合成為非常活躍的噪聲,所以在2.4GHz和5.8GHz頻段內(nèi)探測目標信號時,需要克服噪聲影響,鎖定目標信號所在的頻段。無人機控制信號持續(xù)時間極短(約2-3ms),且存在跳頻現(xiàn)象。目標信號探測技術可以精準地確定控制信號位于的頻段,從而指揮射頻接收機只記錄該頻段內(nèi)的數(shù)據(jù),達到減小數(shù)據(jù)冗余信息的目的。

②數(shù)據(jù)壓縮

射頻接收機以二進制的形式輸出目標頻段內(nèi)的I/Q數(shù)據(jù),在進行4G網(wǎng)絡傳輸之前,可對二進制原始數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)編碼以實現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮。壓縮算法包括游程編碼、算術編碼、子帶編碼、差分編碼或哈夫曼編碼等。數(shù)據(jù)壓縮的目的是在4G傳輸時,減小數(shù)據(jù)量,緩解4G傳輸壓力,并且可降低數(shù)據(jù)傳輸過程中卡頓與丟包的風險。

2)二維TDOA定位技術

對已經(jīng)完成預處理的I/Q數(shù)據(jù)進行相關運算。采用相關算法對不同射頻接收機觀測的I/Q數(shù)據(jù)做相關,找到最強大相關峰的位置。根據(jù)射頻接收機自帶的GPS時間戳找到目標信號對應的時刻,計算出不同測站偵測到同一個信號的時間差,最終獲取目標信號到達各個測站的距離差。利用三個及三個以上的測站間的距離差,可以組建多個雙曲線方程,求解雙曲線方程計算出收斂的位置。二維TDOA技術主要包括兩個部分:

①相關算法

合適的濾波方法可以使得算法具有更高的分辨率和穩(wěn)定性,可采用基于FFT的相關算法或廣義互相關算法來進行目標信號達到時間差估計。在FFT相關算法中,通過對I/Q數(shù)據(jù)進行FFT變換得到基帶復信號,將不同測站的基帶復信號相乘并將乘積做IFFT變換。對IFFT的結果取模并對結果進行門限判決。如果有足夠強的相關峰出現(xiàn),則說明實現(xiàn)了目標信號的提取。廣義互相關與FFT相關算法在實現(xiàn)步驟上類似,但在算法公式上有些區(qū)別,尤其是廣義化的濾波加權,也就是濾波函數(shù)的選取有所不同。濾波函數(shù)的選取有利于提高信噪比,增強相關峰值,但是濾波后也會使輸出對噪聲更加敏感。

②基于Chan的TDOA雙曲線方程解算算法

傳統(tǒng)的網(wǎng)格搜索算法解算TDOA雙曲線方程,在實現(xiàn)過程中穩(wěn)定性較好,卻無法同時保證精度和實時性,并且該算法通常情況下無法收斂到真實的目標坐標值,所以網(wǎng)格搜索算法存在定位精度極限。Chan算法充分考慮了時間延遲估計,通過選取目標函數(shù)或者主站循環(huán)定位的方式解決Chan定位算法的模糊度等問題,從而提高解算的精度和實時性。

2.3　干擾誘騙技術

1)微波定向干擾技術

針對主流商業(yè)無人機通信頻段,采用超高頻寬帶干擾技術,對無人機各信號段進行干擾,干擾樣式主要采用噪聲干擾、點頻干擾、掃頻干擾等幾種。

針對大疆等商業(yè)無人機研究干擾效能,具體體現(xiàn)在天線頻段、極化方式、波束寬度、增益,射頻功率大小以及自適應配置。

2)導航誘騙技術

①導航誘騙信息生成技術

導航誘騙技術包含轉發(fā)式誘騙和生成式誘騙兩種方式。

轉發(fā)式誘騙干擾是通過誘騙干擾機直接對真實導航信號進行轉發(fā),通過延時和功率放大等手段,能夠使一定范圍內(nèi)的接收機捕獲到誘騙干擾信號,由于這種方式只是完成信號轉發(fā),對干擾信號的逼真度沒有太大要求,所以技術上相對容易實現(xiàn),并且由于它的功率要比真實信號強,所以被無人機捕獲的概率也較高。此外,從GNSS定位原理可知,偽距決定定位結果,它是信號傳播時間差的函數(shù),延時手段即對信號傳播時間進行改變,從而實現(xiàn)誘騙目的。

生成式誘騙干擾的前提是已知民用碼的產(chǎn)生方式,干擾機不依賴GNSS系統(tǒng),可以自主產(chǎn)生并發(fā)射與真實信號相似的誘騙信號,在二者相關峰相對運動過程中,由于誘騙峰具有功率優(yōu)勢,因此可以將真實峰逐漸剝離跟蹤環(huán)路,進而控制跟蹤環(huán)路以達到誘騙目的。

②GPS干擾誘騙控制技術

第一,誘騙功率控制,包括捕獲和跟蹤兩個階段。接收機接收到誘騙干擾信號和真實信號的混合信號之后進入捕獲階段,在搜索范圍內(nèi)會出現(xiàn)兩個相關峰,捕獲之后將碼相位與載波頻率的粗略值傳遞給跟蹤環(huán)路;進入跟蹤階段后,當誘騙干擾信號碼相位和真實信號碼相位完全對齊時,緩慢增加誘騙干擾信號的功率,使得誘騙相關峰值高于真實信號相關峰值。在此期間誘騙干擾信號功率不能驟增,目的是防止接收機功率檢測手段檢測到信號異常。在二者相關峰相對運動過程中,誘騙干擾信號利用功率優(yōu)勢,將真實信號逐漸剝離跟蹤環(huán)路,最終接收機跟蹤環(huán)路跟蹤上誘騙信號,從而達到誘騙目的。

第二,誘騙航路規(guī)劃控制。剛開始時,接收機接收誘騙信息解算出的定位參數(shù)與其實際參數(shù)相一致,根據(jù)欺騙防御、誘騙管控捕獲等不同誘騙目的,構建不同的誘騙策略,規(guī)劃不同的目標航路。欺騙防御時,構建圓周無人機禁飛區(qū);誘騙管控捕獲時,采用螺旋線運動軌跡模板,基于實時航路偏差估計,控制無人機達到預定捕獲區(qū)域。

3　演示試驗

目前已就本文提到的要地防控反無人機系統(tǒng)中部分設備及有關技術進行了初步試驗驗證。

1)低空小目標探測雷達

圖6所示為反無人機系統(tǒng)中的探測雷達。試驗表明,針對大疆精靈4四旋翼無人機目標,該雷達的作用距離不低于5km。

圖6　低空小目標探測雷達

2)射頻偵測設備

為驗證射頻偵測設備對無人機操作手的定位精度,試驗人員在市區(qū)展開試驗,三個射頻偵測點之間相隔一定距離呈三角形布置,對無人機操作手進行定位,試驗結果分別如表1和圖7所示。

表1　射頻偵測定位無人機操作手試驗結果

圖7　射頻偵測定位無人機操作手結果圖

3)手持式干擾槍

圖8所示為手持式干擾槍,發(fā)現(xiàn)無人機目標后利用該設備瞄準無人機方向對其飛控和圖傳信號進行干擾,無人機遙控器顯示“無人機連接已斷開”,操控者無法操控無人機且無法接收回傳圖像,無人機按預設模式實施迫降,干擾達到預期目標。

圖8　手持式干擾槍

4)干擾誘騙一體化設備

圖9所示為轉臺式干擾誘騙一體化設備,針對典型目標對其進行通信、圖傳、GPS信號干擾試驗,結果表明干擾設備的作用距離不小于5km。

圖9　干擾誘騙一體化設備

5)激光武器

利用激光武器針對大疆精靈4四旋翼無人機進行了多次打擊試驗,均成功將無人機摧毀擊落,試驗對無人機的打擊效果如圖10所示。

6)ADS-B設備

將ADS-B天線架設于較空曠的位置,ADS-B地面站接收到當前空域內(nèi)飛行器的廣播信息,解析后便可在終端上的電子地圖和列表里顯示,包括代號、經(jīng)度、緯度、高度、速度等信息。

4　結束語

時至今日反無人機作戰(zhàn)在探測和攔截方面還存在諸多困難,并且未來無人機群作戰(zhàn)的發(fā)展會給防空體系帶來更多更大的挑戰(zhàn),因此針對反無人機系統(tǒng)及其關鍵技術的研究愈顯迫切。目前國內(nèi)外在反無人機方面均處于萌芽狀態(tài),面臨技術狀態(tài)不確定、產(chǎn)品成本高的瓶頸制約。面臨這種形勢,應重點著眼于最亟須功能的研制,在此基礎上結合多種手段完善反無人機體系。

此外,需要深入剖析各類無人機的優(yōu)缺點,研究世界上反無人機作戰(zhàn)的案例,理清反無人機作戰(zhàn)的需求和基本思路;充分利用現(xiàn)有傳感器和武器完善反無人機作戰(zhàn)策略,并加快研發(fā)新型無人機對抗裝備的步伐,爭取在未來反無人機作戰(zhàn)中獲得主動。

圖10　激光武器打擊無人機試驗效果

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