董建超，彭 麗，辛振芳，蘇成謙，邱旭陽

（1.北京機(jī)械設(shè)備研究所，北京 100854；2.中國人民解放軍93160部隊，北京 100076）

0 引言

“低慢小”飛行器是指具備飛行速度慢、飛行高度低、散射面積小等全部或者部分特征的無人機(jī)、輕型飛機(jī)、滑翔傘、動力傘等航空器?！暗吐　蹦繕?biāo)飛行高度一般在1 500 m以下的低空空域，飛行速度小于200 km/h，雷達(dá)反射面積小于2 m2，具有成本低廉、機(jī)動靈活、隱蔽性強(qiáng)等優(yōu)勢，在世界各國航空領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-2]。然而，飛速發(fā)展的飛行器技術(shù)也是一把雙刃劍，利用無人機(jī)等“低慢小”飛行器違規(guī)飛行或者從事違法犯罪活動將會嚴(yán)重影響到國家安全和發(fā)展[3-5]，例如：2017年成都雙流國際機(jī)場短期內(nèi)連續(xù)發(fā)生多起無人機(jī)“黑飛”事件；2018年1月6日俄羅斯赫梅米姆空軍基地和塔爾圖斯補(bǔ)給站遭受9架無人機(jī)襲擊。利用無人機(jī)從事違法活動帶來的威脅危害主要有以下方面：機(jī)載航拍攝像機(jī)和定向拾音麥克風(fēng)可以在高空偷窺和竊聽，竊取國家秘密及重要商業(yè)秘密；小型無人機(jī)的負(fù)載可達(dá)幾十千克，如果攜帶小型炸彈和危險化學(xué)品，將對防控要地和公眾安全帶來嚴(yán)重影響；無人機(jī)非法在機(jī)場附近飛行，將嚴(yán)重影響正常民航飛行秩序，對乘客和機(jī)組人員的安全造成威脅；利用小型無人機(jī)在邊境進(jìn)行走私貨物甚至毒品等犯罪活動，將會威脅邊境秩序，影響國內(nèi)市場和人民群眾的生命健康；敵對勢力利用無人機(jī)散播傳單、懸掛反動標(biāo)語，嚴(yán)重影響社會正常秩序。

針對低空空域的監(jiān)測管控盲區(qū)，建立無人機(jī)等“低慢小”目標(biāo)的防控體系顯得尤為迫切。各國科研機(jī)構(gòu)和科技公司均投入了大量人力物力開展“低慢小”目標(biāo)防控技術(shù)及裝備的研究[6-10]。德國安諾尼公司研發(fā)的單點及多點布控的無人機(jī)偵測系統(tǒng)，可用于居民區(qū)、商業(yè)中心等人員密集區(qū)域的無人機(jī)目標(biāo)監(jiān)測。美國巴特勒國家安全研究與發(fā)展公司研發(fā)出一款外形酷似步槍的無線電射線步槍，設(shè)備前端上部安裝了桿狀天線，能夠?qū)嵤┓瞧茐男愿蓴_，使無人機(jī)失聯(lián)懸?；蛘咂冉?。中國航天科工二院研制的柔性網(wǎng)攔截系統(tǒng)，通過光電跟蹤瞄準(zhǔn)，可對無人機(jī)目標(biāo)實施空中捕獲。雖然“低慢小”防控技術(shù)發(fā)展迅猛，但是仍然難以完全消除“低慢小”目標(biāo)帶來的威脅。防控技術(shù)難點主要在于：低空空域的復(fù)雜氣候、建筑物遮擋等因素，對探測過程形成噪聲、衰減干擾；“低慢小”目標(biāo)低速飛行或者懸停，導(dǎo)致基于動目標(biāo)監(jiān)測的雷達(dá)難以發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，需要適用于慢速運動的光電探測裝備完成協(xié)同跟蹤；“低慢小”目標(biāo)反射截面小，向外界發(fā)射的光信號和聲信號比較微弱，使得傳統(tǒng)探測手段的探測距離、發(fā)現(xiàn)概率都受到很大限制，需要對防控區(qū)域進(jìn)行多裝備布防，統(tǒng)一指揮調(diào)配；“低慢小”目標(biāo)操控靈活機(jī)動，需要處置攔截裝備具有快速響應(yīng)能力和高精度打擊能力，而且兼具安全性和可靠性，避免攔截過程造成二次毀傷，而這些要求很難在單一的攔截裝備上得到滿足。因此，有必要構(gòu)建預(yù)警探測、偵察監(jiān)視、攔截打擊一體化的“低慢小”目標(biāo)協(xié)同防控指揮控制體系，提高對“低慢小”目標(biāo)的整體防控能力，為城市、機(jī)場、核電站等防護(hù)要地的安全與正常秩序保駕護(hù)航。

1 協(xié)同防控指揮控制系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)組成

“低慢小”目標(biāo)協(xié)同防控指揮控制系統(tǒng)的基本組成包括3大功能單元，即預(yù)警探測單元（輸入）、信息處理指揮控制單元（系統(tǒng)）、處置攔截單元（輸出），如圖1所示。

圖1 “低慢小”目標(biāo)協(xié)同防控指揮控制系統(tǒng)示意圖

預(yù)警探測單元由雷達(dá)、光電/紅外、聲學(xué)等多種類型的傳感器組成，它的主要功能是采用聲、光、電等多元傳感設(shè)備探測“低慢小”目標(biāo)的位置、航跡航速等信息，提高監(jiān)測精度和速度以及降低虛警概率。信息處理指揮控制單元的主要功能是對各個裝備進(jìn)行時間空間初始化，對獲取的探測信息進(jìn)行特征提取與信息融合，形成實時、連續(xù)、準(zhǔn)確的威脅態(tài)勢評估與協(xié)同防控策略，制定協(xié)同防控作戰(zhàn)策略，發(fā)送攔截作戰(zhàn)指令。處置攔截單元由定向電子干擾、激光攔截、柔性網(wǎng)攔截等多種類型的攔截裝備組成，它的主要功能是接收攔截策略，通過毀傷、遣返、捕獲等軟硬殺傷方式完成相應(yīng)的攔截任務(wù)。

1.2 指揮控制架構(gòu)特征

隨著信息交互技術(shù)的發(fā)展，指揮控制體系由傳統(tǒng)的自頂向下層次型指揮控制模式逐漸向去中心化指控模式轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)模式結(jié)構(gòu)簡單，易于控制，便于指揮者進(jìn)行統(tǒng)一決策，缺點是上層節(jié)點工作負(fù)載和信息交互量很大，容易造成過載現(xiàn)象，而且系統(tǒng)抗毀性弱，當(dāng)某一節(jié)點受損或失效，可能造成其下屬節(jié)點癱瘓。去中心化指控模式采用扁平架構(gòu)，能夠減少指揮層次，探測裝備、攔截裝備等資源裝備主體具有自主控制權(quán)，裝備之間通過信息共享交互，實現(xiàn)橫向協(xié)作。去中心化指揮控制模式強(qiáng)調(diào)縱向貫通和橫向融合，最大化地發(fā)揮資源主體的協(xié)同自主特性，系統(tǒng)靈活性得到提升，同時抗毀能力得到增強(qiáng)，是現(xiàn)階段最適合低空空域“低慢小”目標(biāo)協(xié)同防控的指揮控制方式。

“低慢小”目標(biāo)協(xié)同指揮控制系統(tǒng)指揮控制架構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)采用扁平結(jié)構(gòu)形式，指揮控制中心制定任務(wù)規(guī)劃，將控制權(quán)下放到探測裝備、攔截裝備等各個資源主體，同時對資源主體進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控，所有的目標(biāo)信息、攔截策略、攔截效果均通過信息處理網(wǎng)絡(luò)平臺實時地共享交互，各個資源主體協(xié)作同步完成防控任務(wù)。

圖2 指揮控制架構(gòu)

2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)平臺設(shè)計

“低慢小”協(xié)同防控指揮控制系統(tǒng)基于網(wǎng)絡(luò)平臺搭建，可快速擴(kuò)展，部署多探測跟蹤裝備、多攔截反制裝備的組網(wǎng)聯(lián)動模式。通過約定的通訊協(xié)議，所有信息在交換機(jī)進(jìn)行匯聚交互，各個裝備無需關(guān)注網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)層的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，只需按照接收的目標(biāo)信息、攔截策略等通訊報文，協(xié)同執(zhí)行防控作戰(zhàn)任務(wù)。“低慢小”協(xié)同防控指揮控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 指揮控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)平臺基本構(gòu)成設(shè)計如下：

1）網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)：采用雙網(wǎng)卡設(shè)備相互備份，提高網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性，當(dāng)其中1臺出現(xiàn)故障，不會影響整個網(wǎng)絡(luò)的工作；

2）網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控設(shè)備：監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)運行和數(shù)據(jù)錄取，并能對網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的故障進(jìn)行診斷。網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控位于IP層，按嚴(yán)格時序進(jìn)行解析與分析，判斷平臺通信基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的狀態(tài)；

3）無線中繼：當(dāng)裝備地理位置不適合布置網(wǎng)線或光纖時，采用無線中繼方式，實現(xiàn)設(shè)備與交換機(jī)的連接。無線中繼在數(shù)據(jù)鏈路層實現(xiàn)有線—無線—有線的轉(zhuǎn)換；

4）有線中繼：當(dāng)有線非光纖連接的裝備與交換機(jī)距離超過規(guī)范規(guī)定的距離時，需要采用有線中繼實現(xiàn)對信號的再生與重整。有線中繼實現(xiàn)在數(shù)據(jù)鏈路層的信號再生與重整；

5）光纖：設(shè)備與交換機(jī)采用光纖連接。光纖采用多模多芯形式。

3 系統(tǒng)工作流程

“低慢小”協(xié)同防控指揮控制系統(tǒng)的基本工作流程如圖4所示，具體工作內(nèi)容闡釋如下。

圖4 “低慢小”目標(biāo)協(xié)同防控指揮控制系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)完成部署后首先進(jìn)行設(shè)備初始化，進(jìn)行時空一致性校準(zhǔn)，消除信息交互誤差。通過網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控設(shè)備實時監(jiān)測系統(tǒng)各個裝配狀態(tài)以及防控區(qū)域的綜合態(tài)勢，包括被防護(hù)區(qū)域位置信息、當(dāng)前防控區(qū)域覆蓋情況等。同時，接收市政報備信息，防止誤打擊。

防控指揮控制系統(tǒng)開始工作，多元傳感裝備進(jìn)行實時預(yù)警探測，將威脅目標(biāo)信息上報信息處理指揮控制單元進(jìn)行目標(biāo)信息融合。根據(jù)被防護(hù)對象的位置信息、重要程度、目標(biāo)距離、航速等信息進(jìn)行威脅態(tài)勢評估。防控目標(biāo)與防衛(wèi)目標(biāo)的距離越近，則對防衛(wèi)目標(biāo)的威脅程度越大，威脅度增速越快，反之，威脅程度越小。根據(jù)裝備狀態(tài)，形成實時、連續(xù)、準(zhǔn)確的威脅態(tài)勢評估與協(xié)同防控策略，包括：目標(biāo)分配、單裝配攔截/復(fù)合裝配攔截等。

處置攔截單元接收到攔截策略后，開展實時攔截作戰(zhàn)，并反饋攔截結(jié)果，依據(jù)攔截效果決定是否實施二次攔截。若目標(biāo)消失或者遠(yuǎn)離防控區(qū)域，表示成功攔截，完成本次防控。若目標(biāo)仍然存在威脅，信息處理指揮控制單元繼續(xù)進(jìn)行目標(biāo)信息融合，形成新的攔截策略，實施二次攔截。

系統(tǒng)在某些裝備單元失去探測或者攔截能力時，仍可有序協(xié)同地執(zhí)行“低慢小”目標(biāo)防控任務(wù)，具有較強(qiáng)的生存能力和任務(wù)完成能力。各個裝備能夠根據(jù)任務(wù)需求載荷，完成協(xié)同探測、協(xié)同攻擊等協(xié)同防控任務(wù)。

4 結(jié)束語

本文針對低空空域“低慢小”飛行器難以監(jiān)管的問題，開展了預(yù)警探測、偵察監(jiān)視、攔截打擊一體化的“低慢小”目標(biāo)協(xié)同防控指揮控制系統(tǒng)研究。系統(tǒng)基于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計，采用去中心化指揮控制模式，將控制權(quán)下放到探測裝備、攔截裝備等各個資源主體，同時對資源主體進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控，所有的目標(biāo)信息、攔截策略、攔截效果均通過信息處理網(wǎng)絡(luò)平臺實時地共享交互，實現(xiàn)“低慢小”目標(biāo)的協(xié)同防控。系統(tǒng)具備快速部署能力和可擴(kuò)展性，發(fā)揮資源主體的協(xié)同自主特性，能夠為“低慢小”目標(biāo)防控系統(tǒng)研制和集成應(yīng)用提供設(shè)計指導(dǎo)?！?/p>