毛謹(jǐn) 吳琳擁＊ 羅俊海 王星 蒲桃園

(1.四川九洲防控科技有限責(zé)任公司 四川綿陽(yáng) 621000；2.電子科技大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 四川成都 610000)

隨著飛行器技術(shù)的發(fā)展，低空空域目標(biāo)廣泛應(yīng)用于攝影娛樂(lè)、農(nóng)林作業(yè)、環(huán)境監(jiān)控、森林防火等任務(wù)，特別是以消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)為代表的低空空域目標(biāo)，其操作簡(jiǎn)單、低成本優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步凸顯，使得大眾紛紛參與到低空空域活動(dòng)中。在此基礎(chǔ)上，無(wú)人機(jī)，特別是頻繁的“黑飛”無(wú)人機(jī)入侵管制空域，對(duì)飛機(jī)安全運(yùn)行造成隱患，如北京、上海、深圳、武漢、杭州、昆明、成都、重慶、西安等多次發(fā)生無(wú)人機(jī)入侵機(jī)場(chǎng)管制空域影響民航運(yùn)行安全事件，對(duì)旅客生命安全和民航正常運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)重威脅。此外，小微無(wú)人機(jī)容易被不法分子利用，針對(duì)電站、港口、監(jiān)獄等要害區(qū)域?qū)嵤┛植酪u擊，對(duì)社會(huì)和公共安全造成巨大隱患[1-2]。針對(duì)日趨嚴(yán)重的無(wú)人機(jī)威脅，低空域無(wú)人機(jī)防控技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，低空空域目標(biāo)防控行業(yè)作為一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)獲得了高速發(fā)展的機(jī)遇[3]。

1 低空空域防控技術(shù)研究進(jìn)展

低空空域防控技術(shù)來(lái)源于傳統(tǒng)的低空探測(cè)，結(jié)合無(wú)線電、大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化等，形成對(duì)低空空域目標(biāo)的探測(cè)、識(shí)別、組網(wǎng)、協(xié)同、處置等一系列手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)低空空域的有效感知和態(tài)勢(shì)分析，達(dá)到對(duì)低空空域的有效防控。

1.1 技術(shù)進(jìn)展

實(shí)現(xiàn)對(duì)低空域無(wú)人機(jī)的探測(cè)、識(shí)別、組網(wǎng)、協(xié)同是低空空域管理的主要任務(wù)和難點(diǎn)，一方面，基于傳統(tǒng)的雷達(dá)、光電等探測(cè)技術(shù)，針對(duì)無(wú)人機(jī)目標(biāo)的特點(diǎn)，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)等新技術(shù)，通過(guò)深挖現(xiàn)有技術(shù)潛力，提升雷達(dá)、光電探測(cè)技術(shù)能力；另一方面，通過(guò)有效集成雷達(dá)、光電等多種技術(shù)，利用特征認(rèn)知技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)目標(biāo)的多維協(xié)同認(rèn)知和安全態(tài)勢(shì)感知。

在傳統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，雷達(dá)探測(cè)通過(guò)獲取無(wú)人機(jī)目標(biāo)的回波信息，利用回波信息的幅值，即信噪比，從雜波和背景中檢測(cè)出目標(biāo)。針對(duì)無(wú)人機(jī)目標(biāo)，特別是小微型無(wú)人機(jī)目標(biāo)回波能量弱，信噪比低的情況，普遍采用長(zhǎng)時(shí)間相參積累的方式提升目標(biāo)的回波能量。由于目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)和雷達(dá)的性能，隨著長(zhǎng)時(shí)間的相參積累，目標(biāo)的回波能量在距離-多普勒上發(fā)生二維擴(kuò)散，為了解決這個(gè)問(wèn)題，西安電子科技大學(xué)的王俊、張守宏提出一種基于距離拉伸和時(shí)頻分析的包絡(luò)移動(dòng)補(bǔ)償方法，將不同單元中的目標(biāo)回波作為暫態(tài)信號(hào)，通過(guò)時(shí)頻聯(lián)合處理來(lái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償和匹配相參積累。國(guó)防科技大學(xué)霍凱等人采用Keystone變換校正距離走動(dòng)問(wèn)題。國(guó)防科技大學(xué)許稼等人通過(guò)變換域的方法，利用Radon-Fourier變換，沿目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)給出的目標(biāo)觀測(cè)值軌跡進(jìn)行積累，從而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的相參積累。傳統(tǒng)的光電探測(cè)領(lǐng)域，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)弱小目標(biāo)的能力積累檢測(cè)，通常采用檢測(cè)前跟蹤方法，通過(guò)積累連續(xù)多幀的光電信息實(shí)現(xiàn)弱小目標(biāo)檢測(cè)。

表1 三種無(wú)人機(jī)探測(cè)方式對(duì)比

表2 無(wú)人機(jī)攔截處置手段對(duì)比

上述傳統(tǒng)的無(wú)人機(jī)目標(biāo)檢測(cè)方法，沒(méi)有脫離傳統(tǒng)的能量檢測(cè)范疇，沒(méi)有能夠充分利用雷達(dá)、光電獲得的目標(biāo)多維信息，結(jié)合當(dāng)前大力發(fā)展的深度學(xué)習(xí)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，雷達(dá)發(fā)展出利用環(huán)境和目標(biāo)的特征感知來(lái)檢測(cè)目標(biāo)，雷達(dá)獲取的環(huán)境特征一方面取決于雷達(dá)參數(shù)（雷達(dá)頻段、極化方式、分辨率單元、脈沖波型、掃描速度等），另一方面取決于環(huán)境參數(shù)（城市建筑、風(fēng)速、云雨等），是一個(gè)復(fù)雜的非線性過(guò)程。隨著雷達(dá)性能的提升，能夠?qū)走_(dá)回波信號(hào)進(jìn)行精細(xì)化的時(shí)-頻分析，獲取目標(biāo)自身結(jié)構(gòu)的微多普勒信息，提取目標(biāo)的微動(dòng)特征。微動(dòng)特征反映了目標(biāo)精細(xì)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)和幾何結(jié)構(gòu)對(duì)電磁散射的綜合調(diào)制，能夠?yàn)槟繕?biāo)的特征提取和檢測(cè)提供新的途徑。Sparr T等人對(duì)給出了不同微動(dòng)形式（旋轉(zhuǎn)、振動(dòng)等）下雷達(dá)信號(hào)的回波形式，P.Molchanov等利用用短時(shí)傅立葉變化分析了無(wú)人機(jī)和飛鳥(niǎo)的時(shí)頻信息特征，杜蘭等人利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解獲得空中飛機(jī)目標(biāo)的時(shí)頻特征, 吳琳擁[2]等人通過(guò)奇異值處理以及多傳感器手段處理低空目標(biāo)檢測(cè)和防御問(wèn)題。通過(guò)精細(xì)化時(shí)頻特征提取，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)等方法，提升了雷達(dá)等探測(cè)技術(shù)的能力。

1.2 系統(tǒng)建設(shè)情況

四川九洲防控科技有限公司自主研發(fā)的“大盾”低空超低空防御系統(tǒng)，針對(duì)大區(qū)域低空安全，通過(guò)分布式網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)，構(gòu)建了對(duì)低空空域目標(biāo)探測(cè)-指揮-處置的智能化防控系統(tǒng)，該系統(tǒng)在用戶使用過(guò)程中反應(yīng)迅速、操作簡(jiǎn)單，能有效防控入侵的低空目標(biāo)。

2 無(wú)人機(jī)防控技術(shù)對(duì)比

2.1 無(wú)人機(jī)探測(cè)手段對(duì)比

無(wú)人機(jī)探測(cè)方式主要有雷達(dá)探測(cè)、無(wú)線電偵測(cè)、光電探測(cè)和聲音探測(cè)，其中聲音探測(cè)在城市環(huán)境或復(fù)雜環(huán)境下很難有效區(qū)分無(wú)人機(jī)目標(biāo)，且探測(cè)距離僅100～200m，尚不具備工程化應(yīng)用條件?，F(xiàn)將雷達(dá)探測(cè)、無(wú)線電偵測(cè)和光電探測(cè)等三種方式進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表1。

2.2 目標(biāo)攔截處置手段對(duì)比

現(xiàn)階段無(wú)人機(jī)攔截處置有多種手段，其中以電磁干擾、強(qiáng)激光打擊、網(wǎng)彈和網(wǎng)捕無(wú)人機(jī)最為典型，目標(biāo)攔截處置手段優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表2。

3 無(wú)人機(jī)防控面臨的挑戰(zhàn)

3.1 防控系統(tǒng)分布式協(xié)同處理能力和可擴(kuò)展性需持續(xù)優(yōu)化

對(duì)于機(jī)場(chǎng)、大型油田等區(qū)域型無(wú)人機(jī)防控需求，需采取構(gòu)建分布式、網(wǎng)格化的防控體系方式，要求各網(wǎng)格站點(diǎn)通過(guò)高效的通信網(wǎng)絡(luò)快速將目標(biāo)信息和控制指令上報(bào)指揮終端，并將區(qū)域內(nèi)和附近的人防力量集中調(diào)用，提高對(duì)無(wú)人機(jī)的協(xié)同處理能力。

緊密跟蹤無(wú)人機(jī)防控前沿技術(shù)成果，系統(tǒng)采取開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，預(yù)留未來(lái)成熟有效的偵測(cè)和處置設(shè)備接入能力，使新增設(shè)備易于納入一體化指控體系，具備持續(xù)優(yōu)化的能力。

3.2 單一設(shè)備對(duì)無(wú)人機(jī)偵測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性與用戶需求不符

當(dāng)前，無(wú)人機(jī)偵測(cè)技術(shù)手段主要包括雷達(dá)探測(cè)、無(wú)線電偵測(cè)和光電探測(cè)等三種方式，雷達(dá)探測(cè)存在一定的虛警；無(wú)線電偵測(cè)不具備全頻段偵測(cè)能力，且城市環(huán)境中電磁頻譜復(fù)雜，偵測(cè)效果一般；光電探測(cè)不具備快速大范圍搜索能力，受天氣環(huán)境影響較大。單一設(shè)備對(duì)無(wú)人機(jī)的偵測(cè)結(jié)果，無(wú)法滿足用戶提出的100%準(zhǔn)確性需求。通過(guò)優(yōu)化設(shè)備探測(cè)能力，采取多種技術(shù)手段聯(lián)合檢測(cè)方式，提高探測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.3 無(wú)人機(jī)處置效率低，末端管控力量薄弱

無(wú)人機(jī)處置技術(shù)包括電磁干擾設(shè)備、無(wú)人機(jī)網(wǎng)捕設(shè)備等，在缺乏實(shí)時(shí)目標(biāo)導(dǎo)引信息的情況下，以上設(shè)備均不具備對(duì)無(wú)人機(jī)的處置能力。因此，無(wú)人機(jī)防控指揮系統(tǒng)需優(yōu)化信息傳輸環(huán)節(jié)，縮短反應(yīng)時(shí)間，提高處置效率。

3.4 缺少核心技術(shù)試驗(yàn)和驗(yàn)證平臺(tái)，成果轉(zhuǎn)化周期長(zhǎng)

無(wú)人機(jī)防控設(shè)備研制和生產(chǎn)單位具備單一設(shè)備或技術(shù)的測(cè)試和驗(yàn)證能力，但由于缺少系統(tǒng)試驗(yàn)、測(cè)試缺少專用平臺(tái)，對(duì)無(wú)人機(jī)精確發(fā)現(xiàn)、實(shí)時(shí)跟蹤、準(zhǔn)確定位、快速引導(dǎo)、實(shí)時(shí)干擾的全系統(tǒng)功能測(cè)試和驗(yàn)證能力不足，導(dǎo)致新技術(shù)迭代、轉(zhuǎn)化周期長(zhǎng)，無(wú)法滿足市場(chǎng)對(duì)高效的無(wú)人機(jī)防控系統(tǒng)的迫切需求。

3.5 無(wú)人機(jī)防控行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)缺失，制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展

無(wú)人機(jī)防控行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)缺失，造成產(chǎn)品品質(zhì)無(wú)法保證，導(dǎo)致市場(chǎng)上產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊、魚(yú)龍混雜，很多廠家為搶占市場(chǎng)，把很多不成熟、不穩(wěn)定的產(chǎn)品進(jìn)行包裝、宣傳，惡意競(jìng)爭(zhēng)。技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)缺失不僅會(huì)造成行業(yè)混亂，也會(huì)給用戶對(duì)無(wú)人機(jī)防控產(chǎn)品的選用產(chǎn)生不信任感，對(duì)無(wú)人機(jī)防控行業(yè)應(yīng)用的持續(xù)深入帶來(lái)極大困難，嚴(yán)重制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

4 無(wú)人機(jī)防控關(guān)鍵技術(shù)

4.1 基于開(kāi)放式的分布式網(wǎng)絡(luò)化無(wú)人機(jī)防控系統(tǒng)架構(gòu)研究

無(wú)人機(jī)防控系統(tǒng)架構(gòu)是整個(gè)低空空域管理體系中最核心、最重要的模塊。隨著無(wú)人機(jī)的興起，針對(duì)無(wú)人機(jī)防控的研究開(kāi)始起步，經(jīng)過(guò)近幾年的發(fā)展，針對(duì)無(wú)人機(jī)的探測(cè)、指控、處置等手段逐步形成，實(shí)現(xiàn)了核心技術(shù)的突破并形成了一定的產(chǎn)業(yè)規(guī)模。但是，針對(duì)無(wú)人機(jī)防控的整體體系構(gòu)架研究不足，在無(wú)人機(jī)防控的穩(wěn)定性、可靠性、降成本等方面缺乏評(píng)估手段，極大地制約了無(wú)人機(jī)防控的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)規(guī)模。

無(wú)人機(jī)防控系統(tǒng)架構(gòu)研究，進(jìn)行無(wú)人機(jī)防控優(yōu)化布局，系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)，分布式組網(wǎng)優(yōu)化，集探測(cè)、識(shí)別、指控、處置一體的高效系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)整體性能、可擴(kuò)展性、環(huán)境適應(yīng)性、費(fèi)效比的研究，整合無(wú)人機(jī)防控產(chǎn)業(yè)上下游資源，提升無(wú)人機(jī)防控系統(tǒng)層級(jí)。

4.2 基于多模式探測(cè)的多源數(shù)據(jù)融合和目標(biāo)分類識(shí)別技術(shù)研究

當(dāng)前無(wú)人機(jī)防控面臨的威脅更加復(fù)雜、防控能力仍有欠缺，集中體現(xiàn)在探測(cè)無(wú)人機(jī)目標(biāo)時(shí)，未能有效區(qū)別低空民航機(jī)、地面運(yùn)動(dòng)汽車等其它目標(biāo)，導(dǎo)致無(wú)人機(jī)防控效率較低。多源數(shù)據(jù)融合和目標(biāo)分類識(shí)別是提升無(wú)人機(jī)防控系統(tǒng)關(guān)鍵性能的有效手段，由各種傳感器設(shè)備和數(shù)據(jù)資源形成的大數(shù)據(jù)分析、目標(biāo)特征提取和融合、目標(biāo)分類識(shí)別構(gòu)成了無(wú)人機(jī)防控的核心能力，通過(guò)建立目標(biāo)特征數(shù)據(jù)庫(kù)，整合無(wú)人機(jī)防控系統(tǒng)資源，獲取低空空域有效態(tài)勢(shì)，保障空域安全的重要途徑。

4.3 全頻段無(wú)線電偵測(cè)及瞄準(zhǔn)式干擾技術(shù)研究

一方面，無(wú)人機(jī)在復(fù)雜的電磁環(huán)境（城市、機(jī)場(chǎng)等）中使用，另一方面，無(wú)線電是控制（控制信號(hào)、圖傳信號(hào)等）無(wú)人機(jī)的有效手段。無(wú)人機(jī)防控系統(tǒng)必須全面掌握使用環(huán)境的無(wú)線電態(tài)勢(shì)，管控合法的無(wú)線電用戶，使其工作在制定的頻段上，同時(shí)要偵測(cè)、定位、查處、干擾非法的、未知的無(wú)線電信號(hào)，特別是無(wú)人機(jī)飛行時(shí)的控制信號(hào)和圖傳信號(hào)等。以全頻段無(wú)線電偵測(cè)及瞄準(zhǔn)式干擾技術(shù)為中心，結(jié)合信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、集成化等需求，實(shí)現(xiàn)區(qū)域范圍內(nèi)雷達(dá)引導(dǎo)下的無(wú)線電全頻段偵測(cè)、信息共享、瞄準(zhǔn)式干擾處置，提升無(wú)線電管控水平。

4.4 關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證、系統(tǒng)集成試驗(yàn)平臺(tái)及試點(diǎn)試驗(yàn)工程

關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證、系統(tǒng)集成試驗(yàn)平臺(tái)是對(duì)無(wú)人機(jī)防控的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證和系統(tǒng)集成試驗(yàn)驗(yàn)證的平臺(tái)，是實(shí)現(xiàn)科研技術(shù)成果化的必要條件，通過(guò)關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證，系統(tǒng)集成試驗(yàn)，驗(yàn)證系統(tǒng)總體架構(gòu)、設(shè)備功能、關(guān)鍵技術(shù)，為無(wú)人機(jī)防控提供技術(shù)支撐。

5 低空域目標(biāo)防控研究展望

隨著低空空域改革的推進(jìn)，低空空域開(kāi)放的需求推動(dòng)民用直升機(jī)、消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)等各類航空器飛行需求的快速增長(zhǎng)，航空主體多元化、活動(dòng)多樣化的趨勢(shì)更加凸顯，需要有效監(jiān)視空域，獲取航空情報(bào)等各類信息，為低空空域管理提供合理、透明、共享的空域態(tài)勢(shì)信息，從而為低空及超低空航空器實(shí)施智能化管理提供完整一致的信息支撐。因此，未來(lái)低空域無(wú)人機(jī)探測(cè)與防范系統(tǒng)將向著網(wǎng)絡(luò)化、智能化、一體化方向發(fā)展。

5.1 全天候全天時(shí)低空空域信息獲取促進(jìn)目標(biāo)防控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展

雷達(dá)系統(tǒng)是低空空域管理的最重要的基礎(chǔ)設(shè)施，通過(guò)分布式雷達(dá)協(xié)同探測(cè)實(shí)現(xiàn)大面積低空空域的全天候全天時(shí)監(jiān)測(cè)，為低空管理者提供實(shí)時(shí)的空域態(tài)勢(shì)信息。基于分布式雷達(dá)組網(wǎng)協(xié)同探測(cè)是獲取空域信息的最有效途徑，是現(xiàn)代防空技術(shù)發(fā)展的必然。面向城市、要害部位的區(qū)域航空管理系統(tǒng)通過(guò)構(gòu)建低空域無(wú)人機(jī)探測(cè)與防范系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)凈空區(qū)域內(nèi)各類航空器的無(wú)縫探測(cè)覆蓋，保證對(duì)空域信息的實(shí)時(shí)性，使一個(gè)管理中心同時(shí)監(jiān)控方圓數(shù)百千米內(nèi)上千架飛機(jī)成為可能。隨著以消費(fèi)級(jí)無(wú)人跡為主的航空器的不斷發(fā)展，建立面向低空及超低空空域的無(wú)縫監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)、實(shí)現(xiàn)空域無(wú)縫覆蓋和有效管理，成為未來(lái)發(fā)展的主要方向。

5.2 高度信息共享與決策促進(jìn)目標(biāo)防控系統(tǒng)智能化發(fā)展

隨著空中飛行流量的不斷上升，監(jiān)測(cè)管理人員的任務(wù)越來(lái)越重，對(duì)空域監(jiān)測(cè)管理的自動(dòng)化、智能化程度要求也越來(lái)越高。新一代低空及超低空監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要高度的信息共享及決策，達(dá)到更高的自動(dòng)化、智能化程度，減輕管理的信息負(fù)荷，提高管理效率。低空域目標(biāo)防控要具有高效的探測(cè)能力、系統(tǒng)間信息互用共享、目標(biāo)信息分類識(shí)別、威脅度自動(dòng)判斷、信息綜合決策等能力，才能實(shí)現(xiàn)低空空域監(jiān)管的智能化發(fā)展。

5.3 全空域無(wú)縫連接促進(jìn)空中防控一體化發(fā)展

低空及超低空空域涉及國(guó)家安全、政治、經(jīng)濟(jì)和外交等敏感重大問(wèn)題，航空器除了作為最優(yōu)先的交通、運(yùn)輸工具，其功能和性能也在不斷地延伸。隨著低空及超低空航空器的發(fā)展，需要高度兼容的空中監(jiān)視管理系統(tǒng)。因此，低空域目標(biāo)防控與各類現(xiàn)有空管系統(tǒng)的高度一體化已成為技術(shù)發(fā)展的主要方向。

6 結(jié)語(yǔ)

低空域無(wú)人機(jī)防控技術(shù)一方面針對(duì)無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，不停的優(yōu)化對(duì)無(wú)人機(jī)的探測(cè)、跟蹤、識(shí)別、處置等手段，從單一的設(shè)備向系統(tǒng)集成方向發(fā)展，綜合多種體制設(shè)備形成無(wú)人機(jī)探測(cè)系統(tǒng)，大力提升無(wú)人機(jī)防控性能。另一方面吸收引進(jìn)不同領(lǐng)域的技術(shù)，隨著無(wú)人機(jī)防控技術(shù)與深度學(xué)習(xí)、人工智能、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新興領(lǐng)域的創(chuàng)新融合和不斷深化，推進(jìn)一系列理論和方法的研究，積極探索無(wú)人機(jī)防控的新體制，使得無(wú)人機(jī)防控技術(shù)不斷迭代進(jìn)步。