杨房沟水电站无人机防御系统技术研究与设计

麻全，王德兵，徐涵

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,杭州,310014)

1 引言

近年来，随着信息及科学技术的快速发展，涌现出了诸多的智能化、无人化装备，其中最具代表性的是消费类及工业级智能化无人机。无人机技术的普及，对水电站的地质勘测及模式具有一定的积极意义，如利用无人机航拍技术实现工程量核算、险源的监测及调查等[1-4]。然而，缺乏有效管控的无人机飞行也极易影响水电站的正常运行，甚至造成重大安全事故，如无人机袭击事件，此类事件表明简单的消费类无人机已成为了从事特殊目的活动的工具[5]。因此，在大型水电站附近对无人机进行探测、识别与反制，已成为保障电站安全的紧急任务。

近年来，考虑到低空无人机对重点区域及重要场所的安全威胁，无人机防控系统正逐渐受到重视。杨迎等[6-7]调查了国外水电站的安保及反恐措施，提出了采用人防、物防和技防相结合的措施来提高水电站的反恐水平；宋寅[8]论述了建立低慢小目标无人机防御系统的重要意义，并论述了防御系统各部分的组成及其功能；张进等[9]通过结合集成固定式防控系统和移动式防控系统的优势，大幅提高了反无人机系统的性能；黄琦等[10]基于无人机侦测与反制技术，建立了低空防御体系以保障核电站低空区域安全。综上所述，无人机防御系统目前已被广泛应用于各种场所及设施，通过合理设计的无人机防御系统来保障大型水电站的低空安全已成为可能。

本文以雅砻江杨房沟水电站为研究对象，基于无线频谱定位探测技术设计了可实现无人机非法飞行侦测和反制的低空无人机防御系统，为杨房沟水电站的低空防御提供了保障。

2 低空防御系统设计

2.1 技术手段对比

低空无人机防御技术主要利用无线电、雷达、声波、信号、激光等技术手段，干扰阻止无人机的正常运行，必要时甚至直接接管、击落无人机。目前，无人机反制的侦测识别技术主要有雷达探测、无线频谱测向、无线频谱定位、光电探测和声学探测等，表1对比了这5种不同无人机反制侦测识别技术的优点及缺点。

表1 无人机反制侦测识别技术特点比较

表1统计结果显示，雷达探测技术具有探测距离远、测量准确的优点，且技术成熟，然而对地面杂波较敏感，虚警率高且成本较高；无线频谱测向技术优点为部署简单，探测距离较远，缺点为在测向精度不足的情况下无法跟踪无人机，不能给出无人机距离，无法探测到无线电静默的无人机；无线频谱定位技术则部署简单、探测距离远、测向精度高，且能给出无人机的三维坐标，便于出警处置，但无线频谱定位部署较无线频谱测向探测复杂，同样无法探测到无线电静默的无人机；光电探测技术比较直观，便于判别及处置，然而其受天气因素影响很大、仅适用于视野范围内的探测、不能给出无人机的距离信息；声学探测相对简单且成本低，然而探测距离受限，且对环境噪音、气象条件很敏感，易失效。考虑到水电站实际情况，结合系统建设成本及无人机反制侦测技术识别精度、距离等因素，无线频谱定位探测在水电站的低空防御中具有较大的应用前景。

2.2 低空防御系统技术方案

根据杨房沟水电站工程布置，采用无线频谱定位探测技术设计水电站低空无人机防御系统。系统主要由无线频谱定位侦测器、光电干扰一体机、电磁干扰打击设备组成。系统拓扑示意如图1。

图1 低空防御系统拓扑示意

无线频谱定位侦测器通过无线电频率扫描特征识别和解码来侦测、定位非法入侵的无人机，可多站组网，通过时差无源定位算法获取无人机的三维坐标信息，跟踪定向精度高。无线频谱定位侦测器主要技术指标如下：扫描频段以主流频段为基础，可根据需求扩展至多频段，侦测距离为10m～5000m，接受灵敏度≥-100dBm，无人机或操控者定位精度为20m～50m，扫描范围为360°，连接方式为网络连接。

光电干扰一体机可实现自动跟踪目标，截取图像进行识别，确定目标之后发出告警提示，并自动开启干扰设备。系统通过电磁压制技术对目标无人机进行干扰打击，迫使无人机原地悬停、降落或原路返航。整个系统为模块化结构，各频段根据软件平台控制独立工作，自带GPS，能方便地组网部署。光电干扰一体机与管控平台系统联网，可自动启动干扰设备，并根据无线频谱定位侦测器给出的无人机位置信息对无人机图像进行跟踪和锁定。光电干扰一体机的主要参数如下：高清摄像头为200万像素和23倍光学变焦，干扰频段1范围为2400MHz～2500MHz，(45±2)dBm，干扰频段2为5725MHz～5875MHz，(43±2)dBm，干扰频段3为1550MHz～1625MHz，(36±2)dBm，干扰频段4为915MHz～928MHz，(43±2)dBm，转动范围方位角为0°～360°，俯仰-35°～65°，转动速度为Max45°/s～60°/s，定位精度为±0.2°，干扰拦截距离可达1500m(2.4GHz/5.8GHz遥控图传)。

电磁干扰打击设备作用半径不小于500m，在无遮挡情况下可实现360°干扰，信号发射功率≤10dBm(mW)，工作频段为民用无人机导航频段。

图2所示为杨房沟水电站反无人机系统部署方案示意图，该方案包含无线频谱定位侦测器4台，分别部署在水电站周围附近1km～2km的山体上，光电干扰一体机1台、电磁干扰打击设备1台，部署在大坝右岸制高点上。

图2 杨房沟水电站反无人机系统设备布置示意

杨房沟水电站防护目标为地面开关站和大坝，且周围山体较多。为实现精准防御，以管代控，必要时拒止黑飞的目标，系统采用三层防护圈对核心防区形成完全覆盖，各防护圈的距离为1km，如图3所示。规划的三圈防御体系可形成全面的空中电子围栏。当黑飞无人机飞至预警区域时，系统自动告警，并同步追踪目标；而当无人机飞至警戒区时，系统将自动对黑飞无人机实施驱离。

图3 杨房沟水电站低空防御区域示意

此外，低空无人机防御系统实时监控周边约4km～5km的防区，随时侦测无人机飞行位置及动态信息，一旦发现无人机进入核心管控区域，则自动联动反制设备进行光电跟踪和电磁干扰打击，使得无人机失去控制返航或迫降。无人机反制过程中将会启动光电设备全程进行记录，作为取证依据。

2.3 低空防御系统特点

水电站低空无人机防御系统采用到达时间差TDOA定位算法，通过测量无人机频谱信号到达不同无线频谱定位侦测器的时间，可以确定信号源的距离，能够给出目标无人机的具体位置，方便对目标无人机进行处置。系统工作时，各节点对无线电信号及光学实时采集并回传至主控平台，主控平台对相关频段进行扫描。当低空无人机目标进入防御区域时，对可疑信号进行检测，发出警告和目标方位，联动光电跟踪设备，使其快速、高精度地跟踪目标，从而进行视频跟踪并提取目标特征信息。主控平台根据反馈的无人机信息进行判断与评估，做出决策。利用光电跟踪定向干扰打击设备及全向电磁干扰打击设备，根据预案自动对无人机实施打击，或辅助相关人员利用手持式电磁干扰打击设备进行打击抓捕。

此外，本系统还具有以下特点：能描绘目标无人机的轨迹，对无人机全程飞行进行监视，进而判断其危害程度；有利于构建层次化防区，并采取不同等级的拦截措施；定位精度足以引导光电跟踪，对无人机挂载进行可视化判断，便于决策；系统易于组网，可获取无人机精准位置信息；24小时无人值守，可对区域内的无人机进行选择性管控，能区分合法与非法无人机，并可对无人机非法飞行进行监管。

3 结论

本文对比分析了不同的无人机反制侦测识别技术的特点，结合杨房沟水电站工程枢纽布置，采用无线频谱定位探测技术设计了水电站低空无人机防御系统。划分了三层防护区，系统对核心防区进行全面覆盖，能够精准确定目标无人机及操控者的位置，对无人机进行自动追踪、警告及驱离，满足杨房沟水电站的低空防御要求。