立体化低慢小飞行物探测与防御系统设计及应用

■ 文/ 公安部第一研究所 范殿梁 徐常星 邢更力重庆市兰空无人机技术有限公司 田真真

关键字：无人机 低慢小 探测与防御 低空安保

1 引言

我国民用无人机市场起步较晚，但是发展异常火热，无人机目前正在应用于国计民生的很多领域，比如国土测绘、海洋巡查、电力巡线、气象探测、抢险救灾、环保监测、城市监测、农林植保、工业矿用、森林防火、警用巡逻、物流快递、医疗救护等，整体处于爆发前的积累阶段。民用无人机发展势头迅不可挡，诸如淘宝、亚马逊、顺丰、谷歌、Facebook 等知名巨头均抢先布局无人机行业。

近年来，民用消费级无人机呈爆发式增长，无人机“黑飞”事件也被不断曝光，引发了低空安保问题。随着低空空域管理体制改革的深化和无人机技术的创新，低空飞行目标数量激增，高价值安防目标低空安保问题已经成为各方关注和研究的热点。2016 年12 月28 日、29 日，北京一家不具备航空摄影测绘资质的公司，在没有申请空域的情况下，擅自安排人员操纵无人机升空拍摄，导致多架次民航班机避让、延误。2017 年4 月14 日、5 月9 日，因无人机非法闯入成都双流机场、重庆江北机场净空保护区域，导致百余架次航班被迫备降或返航。2017 年9 月厦门金砖会议期间，会议空域遭到数十架无人机入侵。防御无人机“黑飞”成了亟需解决的现实问题。本文提出，低空安保无人机防御不仅要靠法规制度对合作目标的管控，还要靠多维一体、立体防控的安保系统对非合作目标的管控。故本文根据多次参与低空安保任务的经验，从无人机防御的任务和目标入手，按照管控流程探讨管控关键技术，介绍了一套实用的立体化低慢小飞行物（以无人机典型目标为例）探测与防御系统解决方案。

2 低慢小飞行物探测与防御目标

2.1 低慢小飞行物概念和特点

低慢小飞行物包括：动力三角翼、轻型直升机、探空气球、滑翔机、山坡滑翔伞、动力伞、热气球、飞艇、无人机、航空模型（如遥控直升机、遥控飞机等） 、航天模型、空飘气球、风筝、孔明灯等。

低慢小飞行物主要具有以下三个特点：

（1）低空：飞行高度在1000 米以下；

（2）慢速：飞行时速小于200 公里/小时；

（3）小型：RCS(雷达反射截面积)小于0.2 平方米。

2018 年2 月，国务院、中央军委就《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例》（以下简称《条例》）面向社会征集意见。根据运行风险大小，将民用无人机分为微型、轻型、小型、中型、大型，意在放开对消费级轻、微型无人机的飞行限制。《条例》中明确，购买除微型无人机以外的民用无人机的单位、个人应当通过实名认证，配合做好相关信息核实。《条例》还规定，重量不超过4 千克的轻、微型无人机在真高120 米以下适飞空域飞行无需申请飞行计划。

所以，从空域划分来看，低空安保无人机防御对象主要是120 米以下适飞空域内的无人机。综合低慢小飞行物特征，本系统拟防御1000 米以下空域内的低慢小目标。

2.2 无人机安全威胁特点

精度高、功能丰富、危害极大。无人机飞行高度100-1000 米，续航时间30 分钟以上，遥控半径2km 左右，GPS 自主导航飞行距离超过10km，载荷能力超过10 公斤，此类无人机多搭载高清摄像头，可实时回传高清图像，这些功能为犯罪分子提供了巨大的帮助，对公共安全构成了极大威胁。一旦被犯罪或恐怖分子利用，可实现低空侦察、窥探隐私等功能；能够运输违禁物品，实施自爆攻击、低空投毒等恐怖袭击。

易制作、成本低、易操作。此类目标价格低廉，从几百元到数十万，可通过厂商定制，也可在普通商场或网上方便购买。尽管无人机厂商采取了一定的安全防护措施，如：机身闪灯提示，提高在夜间肉眼识别；敏感目标的地理信息位置数据GPS 限制设定等手段。但是由于无人机技术已扩散，犯罪分子很容易进行改装，实现无限制飞行，且多采用无线遥控和自主控制，操控上不存在技术门槛，而且对起降场地几乎没有要求。

低小轻慢、难防范。普通无人机展翼飞行时可视面积不超过1 平方米，RCS（雷达反射截面积）小于0.2 平方米，当在100 米左右低空降噪飞行时，由于其体积小、速度快，很难第一时间通过常规安防手段发现并预警，在夜晚城市微光环境下探测和识别的难度更大。

远程操作、易逃离。如果使用续航能力较长的遥控飞行器作为携弹载体，可保证其在足够远的安全距离外遥控袭击目标，袭击后有足够的时间和空间逃跑。而抗干扰强和遥控距离远的新型遥控技术极大增强了民用无人机“安全”地实施犯罪和恐怖活动的能力。

2.3 无人机常规监管方式分析

无人机常规监管方式可以分为如下三种形式。

2.3.1 法律规范方面

法律规范包括飞机注册、飞行牌照、驾驶执照和空域申请。特点是官方注册、认证机构、飞行员培训和空域申请。具有更容易识别无人机，拥有者更加透明，减少飞行风险和事故等优点。缺点为对于恐怖分子和犯罪活动防范打击仍需技术装备和防控手段。

2.3.2 无人机生产制造标准方面

无人机生产制造标准包括禁飞区/地理围栏。特点是无人机厂商通过内置软件阻止无人机在预先定义的安全敏感区域内飞行。具有减少非敌意威胁的优点。缺点为很多无人机未配置地理围栏，地理围栏也可以被关闭。

2.3.3 无人机行业监管平台、无人机导航服务平台方面

特点是实时采集无人机的状态信息向无人机提供禁飞区信息，将无人机飞行计划通知监管部门。具有无人机可监管、规避禁飞区等优点。缺点为需要无人机操纵者主动安装，无法防控犯罪和恐袭等恶意无人机。

2.4 立体化安防需求分析

近年来，不断出现和持续增长的无人机安全隐患与事故使得反无人机市场需求迫在眉睫。常规监管方式均是针对合作目标，无人机常规监管方式和技术手段无法防控实施违法犯罪和恐怖袭击的恶意的非合作目标。无人机的大规模应用不仅带来反无人机低空安防市场的刚需，也必将引发传统地面安防与30 米以上低空安防的深度融合，最终形成一体化、立体化和全方位的安全防控体系。本系统实现的目标就是“立体化探测与防御”，做到方案前置“发现即拒止”。

3 防御系统设计及关键技术

存储有战略物资的高价值安防目标大多在一些空旷海域，为了确保安保万无一失，单靠一款产品、一种手段是不可能实现的，必须多措并举、实时联动、全维立体管控。按照管控流程，低空一体化安保系统必须能够全天候、全实时、主动式预警侦察，及时发现低空飞行、地面来袭目标，准确识别输出目标身份，并能采取适当处置手段，保障低空安全。系统架构见图1。

图1 低慢小飞行物探测与防御系统架构

3.1 探测

探测功能设计具体参见图2。

图2 探测功能设计图

及时发现可疑飞行目标是防御的关键难点。民用消费级无人机飞行高度低、速度慢、体积小，而大多高价值安防目标都在空旷及海域，适合飞行器贴地飞行，为探测侦察提高了难度。根据飞行器目标的特点，目前常见的侦察手段主要获取物理目标、频率特征信号，包括声纹信号、图像信号、雷达信号和频谱信号。具体技术手段详情见表1。综合考虑各类技术手段的优缺点，系统采用雷达探测与光电监控一体化、频谱侦测的复合侦察手段。

表1 各类侦察手段特点

雷达与光电监控识别低慢小无人机的关键技术在于，根据目标运动特征运用精准、实时算法发现可疑飞行目标，其中二维雷达容易受到地面移动物体（如建筑物、树木、来往车辆等）的干扰，误判率较高，而三维雷达采用俯仰面数字波束形成（DBF）的三坐标相控阵，实现在复杂城市环境中，通过空域滤波将各类地杂波进行滤除，实现高发现概率和低虚警率的低慢小目标精确、实时发现定位（水平、俯仰、距离），雷达覆盖区域为360°x 90°全覆盖，及时发现低空可疑飞行目标。然而，因雷达采用多普勒原理跟踪目标，所以对悬停无人机的侦测效果有限。

在这种情形下，利用频谱侦测技术可以弥补雷达探测的短板。频谱侦测的关键技术在于当前无线电频谱资源紧缺，在频率使用规划上存在频率复用与一些不规范用频，要从多种复杂信号中提取低慢小目标信号的识别技术。对高速跳频信号的测向定位在安防应用领域是需要不断处理提高性能的难题，无人机飞控信号应用的跳频通信技术所需的高速处理算法技术。基于方案前置，系统要求及早发现与报警，需要采用特别的算法对弱小信号提取技术。在复杂电磁环境下，单一设备获取相关信息有限，无法对目标多方位综合判断，需要多个站点的设备结果数据进行融合、分析判别多源数据融合识别技术。可同时对地对空进行7*24 小时侦测，实现全时化、立体化安防。

具体侦察流程如下：雷达探测与光电监控一体化、频谱侦测设备组网结合，实现从侦察到预警的全自动处理；雷达和频谱监测设备全天候不间断的对任务区内的运动和静止目标进行探测，并根据目标的飞行轨迹和频谱特征进行初步威胁识别，对于无威胁的目标，对其进行持续探测和跟踪，并定期对其威胁等级进行识别；对于可能存在威胁的目标，立即引导视频监控对准该目标，并根据目标距离控制视频设备焦距，使其在一定时间内保持对该目标的监视和跟踪，以便获得目标的清晰视频图像，视频监控将获取的图像信息传递给信息处理控制中心，控制中心的视频跟踪软件对目标进行精确识别。具体流程参见图3。

图3 侦察过程

3.2 识别

系统运用雷达与光电监控关键技术在于，当雷达发现无人机后，可对其进行持续跟踪，并输出目标精确的三维坐标（水平、俯仰、距离），联动光电实现快速锁定目标。通过实时的智能图像识别对目标进行模式匹配。经过雷达指示的精确距离信息，光电系统可实现30～60 倍变焦，自适应目标大小，从而获得最适合算法分析的图像。通过先进的图像识别算法，对无人机进行图像识别。

系统运用频谱监测识别无人机时，关键技术在于精准分析导航、图像传输和遥控信号频谱特征，与现有频谱特征数据库比对，从而确定无人机。另外，可以通过无线电测向定位技术构建基于三维地图的飞行目标态势图。与此同时，根据无人机生产厂商的公开数据，应用特征比对算法识别其型号。

总体来说，系统采用频谱监测、视频技术、三维雷达获取无人机的特征数据进行精确识别，如图4 所示。

图4 目标识别

3.3 处置

处置是对入侵和威胁的目标飞行器进行拒止，包括电磁压制阻断图传、控制及导航信号，地面抛网及激光火炮等直接武力摧毁技术，难点在于避免环境干扰及无人机坠落导致的二次威胁问题。反制技术手段详见表2。

表2 各类反制手段特点

该系统根据无人机特点采用电磁压制技术，制定了严密的处置计划，处置手段分为软杀伤和硬打击两类，可视情采用。软杀伤主要是针对无人机的导航定位信号、遥控信号实施电磁干扰。其关键技术在于根据无人机所用信号的带宽、频谱调制特征，生成与目标信号强相关的干扰信号，从而准确干扰目标。但该手段容易造成无人机失控，造成次生危害，并不适用于人群密集的区域。使用伪导航信号可诱导无人机降落到指定地域。通过伪遥控信号，可根据无人机型号发射伪遥控信号，实现对无人机的接管，从而捕获无人机。该方法对遥控信号破解能力要求较高，但较为稳妥，不易引发次生危害。而实施硬杀伤是一种最彻底的保底处置方法。处置时，用直升机、专业无人机拖曳编织网凌空捕捉黑飞无人机，或使用激光等武器直接将黑飞无人机击落。

4 探测与防御系统解决方案

4.1 系统解决方案原则

系统研制遵循“先进、实用、经济、可靠”的原则，设计中需贯彻以下设计原则：以可靠性为设计首要考虑，尽量采用成熟技术，充分借鉴军队类似装备建设经验。系统与各分系统设计与实施参照相关的军标、国标，暂时无标准可依的，建立内部的协议、规范；坚持已有的、成熟的系统软、硬件设计思路，采用模块化、通用化和标准化设计，进一步提高产品的成熟度和可靠性。

图5 处置全流程架构图

（1）采用“硬件软件化、软件层次化、接口标准化、功能模块化”的设计思想，力求硬件可重组，软件可加载，系统功能可重构。

（2）开放性和可扩展性。系统平台采用开放式设计，预留必要的软硬件接口，便于发挥用户自身的优势，自研设备接入系统和扩展升级，以适应信号情况的变化和技侦领域发展的需求。

（3）软件工程化。采用软件工程化设计的思想，提高软件设计的水平，满足可拆卸、可重构、好用、实用和可靠的要求，并且尽可能满足用户的需求。

（4）余度和可维护性。加强冗余设计和维修性设计，强调重要部件备份，提高系统可维护性。

（5）重视机动性和环境适应性设计，满足不同环境条件使用要求。

4.2 系统解决方案案例

本文以参加某低空安保任务为例，介绍在高价值安防目标中无人机探测与防御系统的具体部署。图6 与图7 概略说明了防御系统布设的区域。按照系统布设要求，选择侦察预警和情况处置最佳的位置，即建筑物制高点（图6、图7 中五角星所示位置）。该安保任务采用可搬移式无人机防御系统形成半径约为1 公里的立体禁飞区，并与低空雷达探测系统（见图8）、频谱监测系统（见图9）、视频监控系统组网互联，实现全天候预警侦察和威胁自动识别。

在处置手段上，主要采用软杀伤设备。软打击设备采用枪式电磁压制器对“黑飞”目标进行定向打击，具有很强的方向性和实时性。由于该安保级别极高，低空域要求绝对安全，故不宜采用硬打击方式。架设防御期间，通过各方的共同努力，对防控区域的无人机进行了有效的探测与防御，收到了良好的效果。

图6 低慢小防御系统布设区域示例1

图7 低慢小防御系统布设区域示例2

图8 低慢小防御系统布设雷达系统

图9 低慢小防御系统布设频谱监测系统

4.3 系统方案特点

能自动滤除各种杂波，不受天气或夜间光线影响，不受薄雾、浓雾影响，并利用相控阵技术大大提升了低慢小目标的捕获概率。通信信号监测采用超外差加数字信道化接收机的混合接收体制，具备全频段、高灵敏度、高精度的侦收能力。测向体制为比幅测向体制，具备宽频段、远距离、高精度的测向能力。可对超高速跳频信号、短时信号等进行测向。数字接收机可兼顾宽带通信信号检测和高灵敏度、高精度检测。基于通信信号特征数据库，支持多种类型图传、飞控信号的分析。

通过先进的图像识别算法，对无人机进行图像识别，可确认无人机的型号。多频段窄波束干扰器可实现对定位信号（GPS、GNSS、BDS、北斗等）、图传信号和遥控信号（433MHz、915MHz、1.4 GHz、2.4GHz、5.8GHz）进行复合全频段压制。窄波束可将干扰能量发射的更远、更集中，通过探测设备的精确定位，实现小功率远距离对无人机的精确打击，而又不干扰到周围其他电子、传输设备。

系统可实现集成化，并安装于车载，便于移动和快速部署。系统也可对外输出目标数据与警报信息，实现远程监控和指挥系统联动。系统基于网络架构设计，可快速扩展，部署可实现多雷达、多频谱、多反制设备组网联动模式。

5 结语

随着无人机防控技术的不断创新，低慢小飞行物探测与防御的实现手段将不断丰富。但无论技术如何创新，其“全天候立体化侦察预警”和“发现与拒止”的系统目标不会改变。目前，该低慢小飞行物探测与防御系统的公共安全行业标准已经立项，在可以预见的未来，低空安保无人机防控系统将与现有安防系统不断融合，在保障重大活动和重点空域的低空安全方面发挥不可或缺的作用。