重要電力設施防止外來無人機管控系統研究

王法治 韓玉 郭大勇

【摘? 要】隨著無人機任務復雜程度不斷提升，反無人機技術、干擾對抗技術不斷發展，無人機適應復雜任務環境，應對各類干擾、對抗和故障情形的能力亟待提高.目前，多源干擾和各類故障是導致無人機安全事故的主要因素，極大地限制了無人機的應用環境、應用對象和應用領域.近年來無人機事故不勝枚舉，損失觸目驚心，無人機對復雜環境適應性不足的難題凸顯，解決其安全性問題刻不容緩.鑒于此，本文對重要電力設施防止外來無人機管控系統進行分析，以供參考。

【關鍵詞】電網;無人機;管控系統

引言

該領域的研究應重視干擾、對抗和故障等復雜極端環境下無人機系統的動態行為表征、因果溯源分析、能力量化與評估、“小回路”智能檢測、“全回路”優化控制和“任務–控制”一體化設計，將基礎理論研究、測試分析技術與實際工程應用有機結合.在取得無人機安全控制系統相關關鍵技術突破以后，亟需將相關算法在無人機自動駕駛儀中實現，最終達到保證無人機安全性的目的.因此，未來的重點建議逐步從控制理論和算法的研究拓展到研制無人機抗擾與自愈控制軟件、系統，服務于國家重大需求和工程實踐.

1 我國無人機監管現狀

目前隨著無人機的用途越來越廣泛，2017年底我國民用無人機市場規模已達500億，目前無人機每年銷量百萬臺以上，年年遞增，無人機給很多行業帶來方便的同時也正在威脅著公共設施和重要電力設施的安全。反無人機非法入侵系統已用于大型公司總部防止非法入侵窺測，大型會議公安防止來自空中襲擊，敏感宣判會議防止記者偷拍等場所，但針對電力重要設施反無人機非法入侵系統還是空白，尚未有產品面世[3]。

2 電力行業無人機監管必要性

變電站實行無人值守后，變電運檢人員對管轄設備也無有效監視手段，無法實時掌握站內設備狀態。特別是火災、防外破和設備損壞事故無法提前有效預防，同時因無監視手段，運維人員無法預判故障嚴重程度，需頻繁進站檢查設備，在運維班和變電站間反復往返，造成人力浪費。進行無人機監管系統體系的設計，能夠大大加快變電站無人值守的進程。按照“信息安全第一、功能先進實用、界面統一友好、服務基層一線”的思路優化提升監控平臺和完善變電運檢管理手段，實現運維班對所轄無人值守站的主輔設備運行信息全面采集、集中監視、狀態判斷和運檢作業全流程管控，切實承擔設備主人職責。

3 無人機管控系統的工作原理

3.1系統組成低空入侵檢測防護系統集目標探測、跟蹤識別、指揮控制、打擊處置功能于一體，系統集成度高，適用性強，擴展性好，可不受氣候條件限制全天候工作。完備的低空入侵檢測防護系統主要由探測分系統、干擾處置分系統、指控分系統以及通信分系統四部分組成，可根據不同任務配置組合分系統設備應用于重點區域和大型活動的低空安防，系統形態可呈現為固定式、車載式及便攜式，可有效應對隨著低空空域開放及無人機廣泛應用而日益增長的各類公共安全威脅。

3.2系統工作流程

系統構建的防御態勢分為預警區域和拒止區域。在預警區域，探測前端發現識別入侵目標、雷達設備遠距離探測發現區分目標、頻譜設備基于分布式部署實現目標交叉定位，探測前端通過專網上報數據信息至指控分系統，指控分系統分析、解算及實時顯示無人機頻點、方位、距離等信息并啟動入侵預警。當無人機進入拒止區域，指控分系統調動干擾處置分系統設備對入侵目標進行干擾處置，處置完成后，指控分系統調動探測前端確認處置結果。

4 管控系統的防護策略

4.1防護策略的基本原理

對無人機的發現是無人機無線電管控的首要步驟，只有在準確發現、識別目標的基礎上，才能有針對性地對目標無人機進行無線電管控。采用雷達探測和無線電監測等技術發現疑似無人機目標后，需要進一步通過視覺辨認、路徑識別等技術對目標進行確認。確認為目標無人機后，下一步就是對目標的定位測向，以實現對目標企圖的預測和持續追蹤。可疑無人機被確定為管控目標無人機后，可采取物理摧毀、生物抓捕、無線電干擾等壓制等手段使目標無人機無法繼續工作。

4.2設置多邊形管控區

對于復雜的多邊形類型，很難知道點是在邊界內部還是邊界外部。對于這種多邊形解決方案，將創建橫跨無人機位置的水平閾值。與多邊形邊緣的水平門檻線的交點表示為節點。如果UAV位置的每邊都有奇數節點，那么它就在邊界范圍內;如果每邊都有偶數的節點，那么它就超出了邊界;如果無人機直接位于多邊形的邊緣，它也可能位于邊界內。

4.3驅離無人機

通過控制臺產生數字信號流，通過控制臺發射端發出GPS控制信號，并在目標無人機GPS接收器控制臺發出控制信號后，模擬控制臺中第一顆衛星的信號滿足擴展碼的相位對準。目標接收機的載波相位跟蹤回路和代碼相位捕獲后，控制裝置調整其控制臺的相對代碼相位，以便感知最終接收機相對于其真實位置報告模擬的錯誤位置。

4.4無人機容錯控制方法與技術

容錯控制技術最初的發展動力源自航空航天領域，美國空軍在20世紀80年代提出了“自修復飛行控制系統”等概念，以保證飛行器在故障情況下能安全著陸。容錯控制器設計一般可分為被動容錯方法和主動容錯方法。前者的思路是在設計之初就考慮各種可能發生的故障，對于每一類故障求得一組可行解，最后綜合各組可行解找到一個共同解.主動容錯控制器通常由故障診斷和重構控制器構成：主動容錯控制器通過診斷模塊獲取故障信息后，進行控制重構求得針對該類故障的最優解，并替換標稱控制器.與被動容錯設計方法相比，主動容錯設計具有更小的保守性、更強的針對性和更好的性能.

基于控制重分配的容錯控制系統具有結構相對簡單、故障發生時無需改變控制器架構等優點.設計了基于自適應滑模控制分配的多旋翼無人機容錯控制器，其中自適應滑模控制方法用于設計虛擬控制，二次型優化策略用于控制重分配.基于PID控制方法設計了標稱控制器，然后利用控制重分配技術保證在電機故障、建模誤差和傳感器噪聲等條件下旋翼無人機的安全。最新發表的研究論文討論了無人機的容錯控制問題，利用PI控制器實現了單個升降副翼卡死條件下的安全著陸.

4.5無人機安全控制系統框架

為實現干擾、故障等復雜極端條件下的抗擾功能和自愈功能，所提出的控制系統包括估計模塊、任務重構模塊、安全控制模塊（抗干擾控制和容錯控制）等.當干擾/故障發生時，估計模塊應快速有效地對干擾/故障進行估計與診斷;獲取估計信息后結合無人機實際能力進行任務重規劃，在線規劃無人機繼續執行任務或返回基地的安全航跡;抗干擾控制和容錯控制模塊則依據實時估計信息、無人機當前物理約束以及需重構的航跡，抑制或抵消干擾/故障的影響，保證無人機安全.隨著無人機的廣泛應用，無人機的安全性已成為亟待突破的瓶頸問題，無人機安全控制系統可望成為解決無人機產品安全性與實用性的有效途徑.

結束語

總之，近幾年，無人機產業發展迅速。無人機數量逐漸增多，重要性日益彰顯。無人機的應用范圍非常廣泛，如在軍事上無人機被用來監視敵方活動，消除未爆炸的彈藥，在民用上無人機被用于空中偵查、航拍，轉播體育賽事，評估地震風險，施工管理等。在電力巡檢工作中，巡檢方法也從原先的人工巡檢，升級為無人機智能巡檢。

參考文獻：

[1]王鵬，郝小龍，朱耀康，楊光，崔漾，彭啟偉，何道敬.防止惡意無人機入侵電力巡檢區的管控方法[J].網絡與信息安全學報，2018，4（06）：70-76.

[2]秦漢.多旋翼無人機管控系統設計[D].南京信息工程大學，2018.

[3]黃志清，付成鵬，王琳，商重遠，楊斌.基于無人機視覺監測的基建現場管控技術[J].自動化與儀器儀表，2018（04）：102-105.

[4]肖倩，李潔.無人機管理控制平臺數據庫設計[J].科技風，2018（12）：6.

[5]周鈺哲.無人機無線電管控技術研究[J].數字通信世界，2018（S1）：31-34.

（作者單位：國網安徽省電力有限公司檢修分公司）