董建超，彭 麗，辛振芳，蘇成謙，邱旭陽

（1.北京機械設(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、輕型飛機、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，雷達反射面積小于2 m2，具有成本低廉、機動靈活、隱蔽性強等優(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年成都雙流國際機場短期內(nèi)連續(xù)發(fā)生多起無人機“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給站遭受9架無人機襲擊。利用無人機從事違法活動帶來的威脅危害主要有以下方面：機載航拍攝像機和定向拾音麥克風(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；小型無人機的負載可達幾十千克，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；無人機非法在機場附近飛行，將嚴(yán)重影響正常民航飛行秩序，對乘客和機組人員的安全造成威脅；利用小型無人機在邊境進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)，建立無人機等“低慢小”目標(biāo)的防控體系顯得尤為迫切。各國科研機構(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_，使無人機失聯(lián)懸停或者迫降。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、機場、核電站等防護要地的安全與正常秩序保駕護航。

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、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行時間空間初始化，對獲取的探測信息進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，便于指揮者進行統(tǒng)一決策，缺點是上層節(jié)點工作負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，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，所有信息在交換機進行匯聚交互，各個裝備無需關(guān)注網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)層的拓撲結(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)拓撲結(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：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)的故障進行診斷。網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控位于IP層，按嚴(yán)格時序進行解析與分析，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)完成部署后首先進行設(shè)備初始化，進行時空一致性校準(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行目標(biāo)信息融合。根據(jù)被防護對象的位置信息、重要程度、目標(biāo)距離、航速等信息進行威脅態(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>