楊房溝水電站無人機(jī)防御系統(tǒng)技術(shù)研究與設(shè)計(jì)

麻全，王德兵，徐涵

(中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,杭州,310014)

1 引言

近年來，隨著信息及科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，涌現(xiàn)出了諸多的智能化、無人化裝備，其中最具代表性的是消費(fèi)類及工業(yè)級智能化無人機(jī)。無人機(jī)技術(shù)的普及，對水電站的地質(zhì)勘測及模式具有一定的積極意義，如利用無人機(jī)航拍技術(shù)實(shí)現(xiàn)工程量核算、險源的監(jiān)測及調(diào)查等[1-4]。然而，缺乏有效管控的無人機(jī)飛行也極易影響水電站的正常運(yùn)行，甚至造成重大安全事故，如無人機(jī)襲擊事件，此類事件表明簡單的消費(fèi)類無人機(jī)已成為了從事特殊目的活動的工具[5]。因此，在大型水電站附近對無人機(jī)進(jìn)行探測、識別與反制，已成為保障電站安全的緊急任務(wù)。

近年來，考慮到低空無人機(jī)對重點(diǎn)區(qū)域及重要場所的安全威脅，無人機(jī)防控系統(tǒng)正逐漸受到重視。楊迎等[6-7]調(diào)查了國外水電站的安保及反恐措施，提出了采用人防、物防和技防相結(jié)合的措施來提高水電站的反恐水平；宋寅[8]論述了建立低慢小目標(biāo)無人機(jī)防御系統(tǒng)的重要意義，并論述了防御系統(tǒng)各部分的組成及其功能；張進(jìn)等[9]通過結(jié)合集成固定式防控系統(tǒng)和移動式防控系統(tǒng)的優(yōu)勢，大幅提高了反無人機(jī)系統(tǒng)的性能；黃琦等[10]基于無人機(jī)偵測與反制技術(shù)，建立了低空防御體系以保障核電站低空區(qū)域安全。綜上所述，無人機(jī)防御系統(tǒng)目前已被廣泛應(yīng)用于各種場所及設(shè)施，通過合理設(shè)計(jì)的無人機(jī)防御系統(tǒng)來保障大型水電站的低空安全已成為可能。

本文以雅礱江楊房溝水電站為研究對象，基于無線頻譜定位探測技術(shù)設(shè)計(jì)了可實(shí)現(xiàn)無人機(jī)非法飛行偵測和反制的低空無人機(jī)防御系統(tǒng)，為楊房溝水電站的低空防御提供了保障。

2 低空防御系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 技術(shù)手段對比

低空無人機(jī)防御技術(shù)主要利用無線電、雷達(dá)、聲波、信號、激光等技術(shù)手段，干擾阻止無人機(jī)的正常運(yùn)行，必要時甚至直接接管、擊落無人機(jī)。目前，無人機(jī)反制的偵測識別技術(shù)主要有雷達(dá)探測、無線頻譜測向、無線頻譜定位、光電探測和聲學(xué)探測等，表1對比了這5種不同無人機(jī)反制偵測識別技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)。

表1 無人機(jī)反制偵測識別技術(shù)特點(diǎn)比較

表1統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，雷達(dá)探測技術(shù)具有探測距離遠(yuǎn)、測量準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，且技術(shù)成熟，然而對地面雜波較敏感，虛警率高且成本較高；無線頻譜測向技術(shù)優(yōu)點(diǎn)為部署簡單，探測距離較遠(yuǎn)，缺點(diǎn)為在測向精度不足的情況下無法跟蹤無人機(jī)，不能給出無人機(jī)距離，無法探測到無線電靜默的無人機(jī)；無線頻譜定位技術(shù)則部署簡單、探測距離遠(yuǎn)、測向精度高，且能給出無人機(jī)的三維坐標(biāo)，便于出警處置，但無線頻譜定位部署較無線頻譜測向探測復(fù)雜，同樣無法探測到無線電靜默的無人機(jī)；光電探測技術(shù)比較直觀，便于判別及處置，然而其受天氣因素影響很大、僅適用于視野范圍內(nèi)的探測、不能給出無人機(jī)的距離信息；聲學(xué)探測相對簡單且成本低，然而探測距離受限，且對環(huán)境噪音、氣象條件很敏感，易失效。考慮到水電站實(shí)際情況，結(jié)合系統(tǒng)建設(shè)成本及無人機(jī)反制偵測技術(shù)識別精度、距離等因素，無線頻譜定位探測在水電站的低空防御中具有較大的應(yīng)用前景。

2.2 低空防御系統(tǒng)技術(shù)方案

根據(jù)楊房溝水電站工程布置，采用無線頻譜定位探測技術(shù)設(shè)計(jì)水電站低空無人機(jī)防御系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由無線頻譜定位偵測器、光電干擾一體機(jī)、電磁干擾打擊設(shè)備組成。系統(tǒng)拓?fù)涫疽馊鐖D1。

圖1 低空防御系統(tǒng)拓?fù)涫疽?/p>

無線頻譜定位偵測器通過無線電頻率掃描特征識別和解碼來偵測、定位非法入侵的無人機(jī)，可多站組網(wǎng)，通過時差無源定位算法獲取無人機(jī)的三維坐標(biāo)信息，跟蹤定向精度高。無線頻譜定位偵測器主要技術(shù)指標(biāo)如下：掃描頻段以主流頻段為基礎(chǔ)，可根據(jù)需求擴(kuò)展至多頻段，偵測距離為10m～5000m，接受靈敏度≥-100dBm，無人機(jī)或操控者定位精度為20m～50m，掃描范圍為360°，連接方式為網(wǎng)絡(luò)連接。

光電干擾一體機(jī)可實(shí)現(xiàn)自動跟蹤目標(biāo)，截取圖像進(jìn)行識別，確定目標(biāo)之后發(fā)出告警提示，并自動開啟干擾設(shè)備。系統(tǒng)通過電磁壓制技術(shù)對目標(biāo)無人機(jī)進(jìn)行干擾打擊，迫使無人機(jī)原地懸停、降落或原路返航。整個系統(tǒng)為模塊化結(jié)構(gòu)，各頻段根據(jù)軟件平臺控制獨(dú)立工作，自帶GPS，能方便地組網(wǎng)部署。光電干擾一體機(jī)與管控平臺系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，可自動啟動干擾設(shè)備，并根據(jù)無線頻譜定位偵測器給出的無人機(jī)位置信息對無人機(jī)圖像進(jìn)行跟蹤和鎖定。光電干擾一體機(jī)的主要參數(shù)如下：高清攝像頭為200萬像素和23倍光學(xué)變焦，干擾頻段1范圍為2400MHz～2500MHz，(45±2)dBm，干擾頻段2為5725MHz～5875MHz，(43±2)dBm，干擾頻段3為1550MHz～1625MHz，(36±2)dBm，干擾頻段4為915MHz～928MHz，(43±2)dBm，轉(zhuǎn)動范圍方位角為0°～360°，俯仰-35°～65°，轉(zhuǎn)動速度為Max45°/s～60°/s，定位精度為±0.2°，干擾攔截距離可達(dá)1500m(2.4GHz/5.8GHz遙控圖傳)。

電磁干擾打擊設(shè)備作用半徑不小于500m，在無遮擋情況下可實(shí)現(xiàn)360°干擾，信號發(fā)射功率≤10dBm(mW)，工作頻段為民用無人機(jī)導(dǎo)航頻段。

圖2所示為楊房溝水電站反無人機(jī)系統(tǒng)部署方案示意圖，該方案包含無線頻譜定位偵測器4臺，分別部署在水電站周圍附近1km～2km的山體上，光電干擾一體機(jī)1臺、電磁干擾打擊設(shè)備1臺，部署在大壩右岸制高點(diǎn)上。

圖2 楊房溝水電站反無人機(jī)系統(tǒng)設(shè)備布置示意

楊房溝水電站防護(hù)目標(biāo)為地面開關(guān)站和大壩，且周圍山體較多。為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)防御，以管代控，必要時拒止黑飛的目標(biāo)，系統(tǒng)采用三層防護(hù)圈對核心防區(qū)形成完全覆蓋，各防護(hù)圈的距離為1km，如圖3所示。規(guī)劃的三圈防御體系可形成全面的空中電子圍欄。當(dāng)黑飛無人機(jī)飛至預(yù)警區(qū)域時，系統(tǒng)自動告警，并同步追蹤目標(biāo)；而當(dāng)無人機(jī)飛至警戒區(qū)時，系統(tǒng)將自動對黑飛無人機(jī)實(shí)施驅(qū)離。

圖3 楊房溝水電站低空防御區(qū)域示意

此外，低空無人機(jī)防御系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)控周邊約4km～5km的防區(qū)，隨時偵測無人機(jī)飛行位置及動態(tài)信息，一旦發(fā)現(xiàn)無人機(jī)進(jìn)入核心管控區(qū)域，則自動聯(lián)動反制設(shè)備進(jìn)行光電跟蹤和電磁干擾打擊，使得無人機(jī)失去控制返航或迫降。無人機(jī)反制過程中將會啟動光電設(shè)備全程進(jìn)行記錄，作為取證依據(jù)。

2.3 低空防御系統(tǒng)特點(diǎn)

水電站低空無人機(jī)防御系統(tǒng)采用到達(dá)時間差TDOA定位算法，通過測量無人機(jī)頻譜信號到達(dá)不同無線頻譜定位偵測器的時間，可以確定信號源的距離，能夠給出目標(biāo)無人機(jī)的具體位置，方便對目標(biāo)無人機(jī)進(jìn)行處置。系統(tǒng)工作時，各節(jié)點(diǎn)對無線電信號及光學(xué)實(shí)時采集并回傳至主控平臺，主控平臺對相關(guān)頻段進(jìn)行掃描。當(dāng)?shù)涂諢o人機(jī)目標(biāo)進(jìn)入防御區(qū)域時，對可疑信號進(jìn)行檢測，發(fā)出警告和目標(biāo)方位，聯(lián)動光電跟蹤設(shè)備，使其快速、高精度地跟蹤目標(biāo)，從而進(jìn)行視頻跟蹤并提取目標(biāo)特征信息。主控平臺根據(jù)反饋的無人機(jī)信息進(jìn)行判斷與評估，做出決策。利用光電跟蹤定向干擾打擊設(shè)備及全向電磁干擾打擊設(shè)備，根據(jù)預(yù)案自動對無人機(jī)實(shí)施打擊，或輔助相關(guān)人員利用手持式電磁干擾打擊設(shè)備進(jìn)行打擊抓捕。

此外，本系統(tǒng)還具有以下特點(diǎn)：能描繪目標(biāo)無人機(jī)的軌跡，對無人機(jī)全程飛行進(jìn)行監(jiān)視，進(jìn)而判斷其危害程度；有利于構(gòu)建層次化防區(qū)，并采取不同等級的攔截措施；定位精度足以引導(dǎo)光電跟蹤，對無人機(jī)掛載進(jìn)行可視化判斷，便于決策；系統(tǒng)易于組網(wǎng)，可獲取無人機(jī)精準(zhǔn)位置信息；24小時無人值守，可對區(qū)域內(nèi)的無人機(jī)進(jìn)行選擇性管控，能區(qū)分合法與非法無人機(jī)，并可對無人機(jī)非法飛行進(jìn)行監(jiān)管。

3 結(jié)論

本文對比分析了不同的無人機(jī)反制偵測識別技術(shù)的特點(diǎn)，結(jié)合楊房溝水電站工程樞紐布置，采用無線頻譜定位探測技術(shù)設(shè)計(jì)了水電站低空無人機(jī)防御系統(tǒng)。劃分了三層防護(hù)區(qū)，系統(tǒng)對核心防區(qū)進(jìn)行全面覆蓋，能夠精準(zhǔn)確定目標(biāo)無人機(jī)及操控者的位置，對無人機(jī)進(jìn)行自動追蹤、警告及驅(qū)離，滿足楊房溝水電站的低空防御要求。