民用無人機監管技術進展

孫明權 武治河

近年來，由于操作簡單、使用門檻低、應用范圍廣，民用無人機產業得到快速發展，但隨之而來安全問題也日益突出。2017年4月以來，我國成都、昆明等機場多次發生“無人機擾航”事件，共造成上百架航班備降，嚴重威脅航空安全。此外，無人機偷拍侵犯隱私、竊取情報、墜機傷人、被犯罪分子利用（走私、販毒、暴恐、劫獄）、甚至用于戰爭等事件不斷進入人們的視線。無人機監管不足已引起社會各界的擔憂和重視，政府和業內各界都在積極探索合理的方法，以加強和完善無人機的監管。

國內外監管技術研究現狀

從監管的角度，無人機可分為合作類無人機和非合作類無人機。合作類是指遵循既定規則之下運行的無人機，其安全責任人主動通過某種技術手段按照一定頻率實時上報飛行動態，以接受監管部門的監視與管理；非合作類是指挑戰既定規則運行的無人機，有關部門對此類無人機除了需能探測和監視外，還應具備防御和反制能力。

無人機監管需要技術手段支撐。國外針對無人機監管已開展多項關鍵技術研究，比較知名的一些監管系統有：谷歌、亞馬遜等公司協助美國宇航局（NASA）研發的無人機空中交通管理（UTM）系統、法國空客公司研發的反無人機系統、英國研發的反無人機防御系統（AUDS）、意大利賽雷斯公司研制的獵鷹防護盾反無人機系統、丹麥研發的GROK反無人機系統、以色列拉斐爾公司研發的無人機穹頂（Drone Dome）系統等。國外針對無人機監測、反制技術的研究及產品相當獨立化，還沒完全形成一體化的安全監管技術體系。整體上，國外在合作類和非合作類監管系統的理念和產品研制都落后于我國。

合作類無人機監管技術

對于合作類民用無人機，可用于監管的技術主要有二次雷達（Secondary Surveillance Radar，SSR）、廣播式自動相關監視（Automatic Dependent Surveillance –Broadcast，ADS-B）和基于移動運營商網絡或衛星通信鏈路技術的無人機云系統。

（1）二次監視雷達

航管二次雷達，也叫空管雷達信標系統（Air Traffic Control Radar Beacon System，ATCRBS）。該系統由地面雷達站詢問機和飛機機載應答機組成，在“一問一答”過程中完成識別，管制員從二次雷達上能夠獲取飛機的二次雷達應答機代碼、飛行高度、飛行速度、航向等參數，二次雷達探測距離一般在300～370km。

機載應答機價格較高、一般體積和重量較大，可適應于中大型無人機，如用于可載重3t的干支線物流快遞的無人機。另外，應答機代碼數量少，編碼有4位，每一位上有0～7的八個數字可選，共4096個，有些特殊編碼有特定含義，如1200、2000、7500、7600、7700。對于龐大的無人機基數來說，其編碼數量遠遠不夠。

（2）廣播式自動相關監視技術

在航空業，裝配廣播式自動相關監視設備的飛機，可以自動地向一定范圍內的其他飛機或地面站廣播飛機的地理位置、高度、速度、航向、識別號等信息，以供管制員對飛機狀態進行監控。廣播式自動相關監視設備小型化和微型化使得現有無人機配備廣播式自動相關監視成為可能。agetech XP系列廣播式自動相關監視應答機，信用卡大小，重量僅100g，功耗低，可在2萬米高空以下使用，而uAvionix研發的廣播式自動相關監視接收器pingRx，僅重1.5克。安裝廣播式自動相關監視輸入接收端的無人機不僅能起到警告作用，緊急情況下還能強制無人機進行避讓。但當前市場上絕大部分無人機均在視距內飛行，此類無人機無需配備廣播式自動相關監視系統，如果將這類無人機納入民航廣播式自動相關監視系統中，則系統將不堪重負。

（3）無人機云系統

在2015年10月西安國際通航大會上，青島云世紀信息科技有限公司率先公開展示了無人機監管系統。該系統由用戶移動端APP、空管系統ATC監管端和行業用戶Web端組成，該系統最大亮點還在于可以接入現有民航空管自動化系統中，理念和實現領先于國外。

為加強對無人機的監管，中國民用航空局飛標司2015年12月29日頒布的《輕小無人機運行規定（試行）》首次提出“無人機云系統”的概念。該概念已輸出至國際民航組織，在全球范圍內得以應用。無人機云系統是指輕小型民用無人機運行動態數據庫系統，用于向無人機用戶提供航行服務、氣象服務等服務，對民用無人機運行數據（包括運營信息、位置、高度和速度等）進行實時監測。截止到2018年3月，中國民用航空局共授權6家無人機云系統運營商。目前，無人機的實時位置和狀態信息獲取主要通過移動網絡。具體實施一般有兩種方式，一種是無人機云系統數據接口，另一種是無人機外掛微型智能定位傳輸設備，如U-Care Agent。

（4） 電子圍欄

電子圍欄是指為阻擋即將侵入特定區域的航空器，在相應電子地理范圍中畫出特定區域，并配合飛行控制系統、保障區域安全的軟硬件系統。2017年10月20日，中國民用航空局發布了《無人機圍欄》民航標準。該標準規定了無人機圍欄的范圍、構型、數據結構、性能要求和測試要求等。在技術方面，電子圍欄主要包括兩種：一是基于無人機云系統的電子圍欄，在系統上劃設電子圍欄，無人機云系統監管端對趨勢侵入和侵入圍欄內的無人機提供預警提醒和告警功能。二是通過無人機飛控端內置數據模塊，實現基于無人機機載的電子圍欄。機載電子圍欄主要由無人機廠商自行設置，使無人機在電子圍欄內無法起飛或無法超過限飛高度等，數據要求定期在線或離線更新。目前，國內有些生產商宣稱生產的無人機均內置電子圍欄，但大多數無人機廠商尚未實現。

非合作類無人機監管技術

對非合作類無人機的處置主要分為監測/探測和處置/反制兩個階段，相應可分為監測技術和反制技術。可行的主動探測技術包括雷達探測、光電及紅外攝像平臺探測、無線電監測、聲音識別等；主動處置手段包括定向射頻（電磁）抑制/干擾、物理摧毀/捕捉、接管迫降等。美國巴德學院無人機研究中心近期發布了一份反無人機系統市場報告，報告列出了來自33個國家的155家制造商提供或正在研發的超過235種反無人機系統產品，有88種（37%）僅具備探測功能，有79種（34%）僅具備攔截功能，有65種（28%）可具備探測和攔截兩種功能。

（1） 無線電監測技術

隨著無人機對社會公共安全的威脅越來越大，對無人機主動探測需求日益增加，各類研究機構和廠家紛紛加大了無人機監測技術的研究。當前無人機監測技術主要分為頻譜監測、低空雷達、聲光電監測三大類。

1） 頻譜監測技術

無人機頻譜監測技術是指利用無線電接收裝置，探測無人機無線電通信鏈路，通過無線電頻率掃描特征識別和解碼，來偵測、定位監測區域內的無人機。常用的無人機頻譜監測設備有以下幾類：

一是接收無人機廣播信號，通過已知通信協議，獲取空中無人機的準確位置信息、飛行高度、速度、方向、機型、SN碼、起飛點地址等信息，并通過網絡上報至遠程服務器進行實時展示與數據處理，如北京智宇翔云的云哨，但該設備僅能識別大疆品牌系列無人機。

二是通過建立無人機頻譜特征庫，利用高性能定向天線接收電磁波，對無線電頻率特征識別，測定電波來波方向，通過幾個位置不同的測向站（臺）組網測向，或用移動測向站，在不同位置依次分時交測。無線電測向一般有以下幾種方法：幅度比較式、干涉儀、到達時間差等，偵測頻率范圍可涵蓋9 kHz～20GHz，捕獲各種型號的無人機信號，根據無人機發射信號的功率，覆蓋范圍寬可達幾千米。目前，利用該方式的產品僅能定位無人機方位和距離，無高度信息。著名頻譜儀器和天線生產商安諾尼、安捷倫等均發布了相應產品。因測向天線受制于人，國內廠商同類產品大同小異。

三是采用頻譜監測設備多站組網，通過頻譜特征識別出無人機后，通過波達方向估計（DOA）、波達時間差定位（TDOA）等無線電定位算法確定無人機的位置信息。通過4站以上定位，基本可確定無人機位置和高度信息。青島云世紀信息科技有限公司研制的基于無線電監測組網技術的無人機頻譜監測系統于2017年9月在第七屆中國國際無人駕駛航空器大會暨展覽會上首次亮相，現已分別在某部隊營區和監獄實際部署。

2）低空探測雷達

雷達一直是航空器探測的重要方式。國內相關院所和企業一直在不斷探索針對“低、慢、小”航空器的低空探測雷達，因民用輕小型無人機的雷達反射截面（RCS）小，例如很多消費型無人機的雷達反射截面小于0.01m2，業內普遍選用常作軍用火控雷達的厘米波（大多為X波段、Ku波段或Ka波段）作為無人機探測雷達的工作波段。相比普通雷達，無人機低空探測雷達通常采用全固態全相參脈沖多普勒有源相控陣雷達，其搜索精度高、數據更新快、故障率低，可有效濾除地雜波的影響，對低空飛行的無人機有較好的探測效果，但價格較高。國內多家之前從事軍用雷達研制的院所已研制出針對微小型無人機的雷達探測系統，性能較好，基本可監測無人機范圍可達2km以上。

3）聲光監測技術

聲光監測技術是利用聲學傳感器，識別聲音庫中存儲的無人機獨特引擎聲，輔以光電和紅外攝像機手段來定位無人機。無人機的飛行高度比較低，飛行速度慢，其聲音和影像相比高空高速飛行物更容易被地面傳感器截獲。因此，可將聲音傳感器和高清（紅外）攝像頭等光學傳感器部署于防控區域外圍。當聲音傳感器監聽到聲音后，可通過數據庫比對，從而發現無人機，也可控制光學傳感器進行搜索確認，從而實現對無人機的監測。聲音監測單一技術應用有效距離短，一般不足100m。美國Drone Shield公司最早宣傳利用聲音感知技術來探測無人機。北京理工全盛科技有限公司研制生產的BAT-Capturer集成了音頻偵測器、Wi-Fi頻譜偵測器、廣角攝像機、近紅外攝像機等多種傳感器，可對500m范圍內入侵無人機進行預警，對100m半徑核心區域進行全天候實時偵測和報警，并已在四川某監獄得以實際應用。

（2）無人機反制技術

面對“黑飛”等非合作無人機帶來的威脅，現有常規武器裝備通常無法對其實施有效地攔截處置。早期有人設想過用無人機反制無人機，即在無人機上掛載網槍，當發現“黑飛”無人機后發射繩網將其捕獲。反制無人機的手段主要有干擾阻斷、物理摧毀和監測控制等，主流的無人機反制技術以下幾種：

1）電磁干擾技術

干擾阻斷類主要通過信號干擾、聲波干擾等技術來實現。目前，市面上無人機的控制多使用無線電干擾技術，通過向目標無人機發射大功率干擾信號，對無人機控制信號或衛星導航信號進行壓制，使無人機迫降或返航。此類設備主要針對900MHz、2.4GHz和5.8GHz等無人機常用工作頻段和衛星導航頻段。利用電磁干擾技術的無人機反制設備有便攜式反制設備、固定式（陣地式）反制設備、云臺式反制設備等。

便攜式反制設備通常使用定向天線和內置電池，體積小、重量輕，便于單兵攜帶使用；固定式（陣地式）反制設備通常使用大功率全向或定向天線，一般用于在一定區域內部署無人機電子圍欄，使區域外的無人機無法飛入，區域內的無人機無法起飛；云臺式反制設備是將定向天線裝在云臺上，通常作為無人機偵察、打擊一體化系統的組成部分，可以根據系統偵測到的無人機位置信息，自動向目標發射干擾電磁波進行反制。國內電磁干擾技術產品走在國際前列，在各類展會上、大型活動安保上均能看到此類產品的身影。

2）GPS誘騙技術

由于無人機接收GPS信號總是以信號最強的信號源為準，只要偽造一個強度大的GPS信號，就可以覆蓋真正的衛星GPS信號，從而欺騙無人機的GPS接收模塊。GPS誘騙技術就是利用了這個原理向無人機的控制系統發送虛假的地理位置坐標，從而控制導航系統，誘導無人機飛向錯誤的地點。GPS誘騙信號產生方式有兩種：一是GPS信號錄制方式，是指誘騙設備接收到目標GPS信號后進行錄制、存儲，然后播放給目標無人機，使其定位錯誤；二是使用信號發生器模擬一組偽造的導航衛星標準電文和信號直接，向目標無人機發射，使其定位錯誤。國內使用GPS誘騙技術并公開展示的產品主要有ADS2000基站式無人機誘騙防御系統。

（3）激光技術

反無人機激光武器主要用于軍事領域，可以向目標無人機發射一道高能激光照射，在數秒內致其燒毀。目前，多個國家研制了高精度激光武器系統，例如國內的“低空衛士”系統、“要地近距凈空防御系統”以及歐洲導彈集團德國公司研發的反無人機激光武器系統等。2017年11月26日，“要地近距凈空防御系統”在實裝測試中進行了激光遠程打擊無人機演示。

發展趨勢

通過上述各種無人機監管技術分析，可以看出任何單一技術都有優勢和不足，在實際應用中應形成互補。根據目前的發展現狀來看，無人機監管技術在未來的發展中會呈現出以下幾點趨勢。

（1）基于云架構的合作類無人機監管平臺

基于民用無人機監管體系框架，綜合運用二次雷達、廣播式自動相關監視、移動網絡和衛星通信鏈路等多手段與多目標綜合監視技術，基于云計算、云存儲和區塊鏈技術實現合作目標民用無人機從接入、識別、定位、監視、管理和服務等全過程的無人機監管平臺。

（2）基于多元探測復合攔截的非合作無人機防控技術

針對重點保護區域可能出現的非合作無人機目標，綜合利用頻譜、雷達和聲光電等多種技術手段，突破城市復雜環境下多元傳感器目標識別/協同探測/綜合識別技術，構建支撐多體制探測、多手段攔截的協同防控網絡，確保重點區域的安全。

（3）無人機大數據預警潛在的威脅

通過無人機整機或部件在生產、銷售、流通和應用等整個產業鏈中，每一個環節產生的數據都可為無人機反恐安全分析提供數據支撐，同時區塊鏈技術將確保上述數據可信且不可更改與刪除。

（4）合作類和非合作類無人機監管技術融合應用

合理的無人機監管平臺需將合作類無人機監管技術與非合作類監管技術融合一體，使任何時候運行中的無人機都可被監視，以確保合作類無人機飛行過程中一旦發生特情時依然可被監視，避免其對其他飛行中的無人機造成安全威脅。

結束語

雖然當前無人機技術發展遙遙領先于監管技術的發展，但隨著科技發展，無論是合作類監管技術還是非合作類監管技術也都將進一步發展。監管技術的發展將為無人機的規范應用帶來更多技術保障。同時，我國也應從政策和管理上完善對無人機的監管，使民用無人機產業健康、有序、良性發展。