核電站區域無人機防御系統研究

丁大弸，溫勝昔，劉劍豪

(1.中國核電工程有限公司，北京 100080；2.北京星際聯盟科技有限公司，北京 100039；3.空軍預警學院，湖北 武漢 430019)

0 引 言

核電站戰略地位特殊，要害目標眾多，人員活動密集，一旦遭破壞，將對我國政治、經濟、民生等方面造成不可承受的重大損失。近年來，隨著網絡、人工智能、自主系統、大數據等前沿技術的發展與應用，無人機得到了迅猛發展，生產成本越來越低，運用范圍越來越廣，對核電站等重要目標帶來的襲擊、肇事、黑飛等空防安全威脅也越來越嚴重。因此應未雨綢繆，超前謀劃，加快提升核電站等重要目標的反無人機能力，有效處置各類突發情況，確保核電站空防安全。

1 核電站面臨的無人機威脅

1.1 民用無人機違規肇事威脅

無人機保有量持續攀升，違規進入核電站上空的問題頻繁發生，既影響正常生產、工作秩序，又對核電站安全產生隱患。一是飛行事故不斷增多。受城市環境、操作人員技術水平、無人機自身可靠性等因素影響，無人機飛行事故難以避免，一旦墜毀到核電站，必將造成地面附帶損傷，甚至引發核事故。二是黑飛問題屢禁不止。部分無人機愛好者通過屏蔽定位信號、利用飛控軟件漏洞等方式，破解廠家禁飛區域設置，在核電站及周邊使用無人機，極易發生失管失控問題，嚴重危害核電站安全。三是激情犯罪隱患凸顯。少數利益受損群體及個人為發泄不滿情緒，可能使用無人機對核電站或核設施實施惡意破壞，以達到其打擊報復社會的目的。

1.2 軍用無人機威脅

核電站在軍事安全方面具有特殊地位和重要意義。未來戰爭中，強敵極有可能利用無人機對核電站進行先期打擊或技術偵察，以達成戰略威懾的目的。一是滲透偵察。在網電力量支援下，“全球鷹”等偵察無人機隱蔽穿越防空預警體系，對核電站及周邊區域的重要目標、重要設施實施戰略偵察。二是灌頂打擊。X-37、SR-72等空天無人機迅速到達核電站及周邊區域上空，對核電站的重要設施、防御力量實施精確攻擊，癱瘓核電站，實現區域電力供給中斷。三是潛入破壞。通過戰前預置、隱身機投放等多種方式，向核電站地區投放大量微小型無人機，摧毀核電站及周邊的防御力量和基礎民生設施。

1.3 無人機竊密恐襲威脅

無人機具有成本低廉、攜帶方便、操作簡單等優點，是敵對勢力對核電站地區滲透破壞的重要手段。一是竊密破壞。使用微小無人機攜帶攝錄像裝置潛入核電站辦公場所、重要設施，收集聲像情報，竊取核機密，或進入隔離設施蓄意破壞，擾亂秩序。二是引發騷亂。使用無人機攜帶反宣材料、生化制劑、爆炸裝置，在核電站地區特別是核心區進行襲擾破壞，制造恐慌，影響政治穩定。三是網絡攻擊。利用無人機攜帶無線通訊設備侵入核電站網絡系統，通過向核電站計算機植入病毒，癱瘓核電站的控制系統，可對周邊地區帶來致命性核災難。如2003年美Davis-Besse核電站因一名工程師違規使用虛擬網絡訪問核電站，導致核電站的計算機感染蠕蟲病毒，一個關鍵的安全控制系統失效，險些鑄成大錯。威脅等級劃分見圖1。

圖1 核電站區域無人機威脅等級示意圖

2 核電站區域無人機防御系統構想

針對當前核電站面臨的無人機威脅，可以按照整體規劃、循序漸進、協調發展的思路，盡快建立一套體系結構合理、指揮流暢高效、自動化程度高、保障手段齊全完備的一體化聯合防御系統，提高核電站反無人機能力。

核電站區域無人機防御系統是綜合各類反無人機技術的優缺點(詳見表1、表2)，通過資源整合與優化配置，在統一技術框架下，將各類技術集成為一個相互補充、協同配合的整體防御系統，實現“1+1>2”的整體效能。

表1 當前主流的探測識別類技術特點

表2 當前主流的反制類技術特點

該系統分為偵察系統、指揮信息系統和攻擊/防御系統。詳細結構如圖2所示。

圖2 無人機防御系統功能結構圖

2.1 偵察系統

該系統主要由情報偵察、情報處理、情報傳輸等要素構成，集成了各種防御場信息“傳感器”，是獲取整體態勢、提供情報支援的主要信息來源，也是展開處置行動的首要環節。情報偵察主要是靈活使用雷達、無線電、光電偵察等技術多渠道獲取情報信息。根據不同手段的優缺點，對偵察資源進行科學籌劃、合理安排和靈活協同，形成遠、中、近和高、中、低多層立體的偵察體系。情報處理主要是輔助偵察行動籌劃和目標識別，支持情報融合、分析、處理。偵察來襲無人機的覆蓋區域更大，目標數量更多，情報處理更復雜，要求具備多源情報融合和大數據處理能力，并在人工參與、人機交互等方面具有突出的滿足應用能力，充分考慮情報分析在手段上、人機結合上的特殊性。情報傳輸主要是按上級要求、情報用戶使用需求、信息共享權限等使用要素，及時上傳、共享信息。依托現有通信網絡，形成全域覆蓋、全向傳遞的信息傳輸網絡。

2.2 攻擊/防御系統

該系統主要由軟殺傷手段、硬摧毀手段等要素構成，是該系統處置無人機的重要組成部分，也是關系處置行動成敗的主要環節。軟殺傷手段主要包括無線電干擾設備、導航干擾設備、雷達干擾設備和光電干擾設備；硬摧毀手段主要包括激光打擊設備、高功率微波攻擊設備、網捕設備和火力攔截設備。根據不同技術的作用距離、作用對象對來襲的無人機目標靈活實施干擾、欺騙、摧毀，降低無人機的信息感知，阻斷無人機的信息傳輸，摧毀無人機的關鍵設備。如單架無人機，優先選用導航干擾/欺騙或無線電干擾；無人機群來襲方向多、數量大，優先選用高功率微波攔截等。各種手段要在指揮體系的統一指揮下，自動進行方位跟蹤、數據引導、樣式選擇，及時評估處置信息，確保準確、高效地完成防御任務。

2.3 指揮系統

該系統主要由數據處理、輔助決策、通信控制等要素構成，集指揮、控制、通信、情報、決策、管理等功能于一體，是融合所屬感知與處置單元的中樞，也是無人機防御行動的關鍵環節。數據處理主要是對多源信息進行收集、識別、融合、存儲、回放等處理和管理。輔助決策主要是按要求、規則，對無人機進行飛行預估、威脅判定、處置資源使用建議等分析計算和評估，輔助安防人員在適當時機進行有效處置。通信控制主要是在安防人員下達處置命令后，通過數據解析與引導、云臺自動跟蹤控制、干擾樣式與參數配置、火力自動瞄準等自動化控制和命令通信，實現對目標無人機的自動跟蹤、自動處置、自動記錄、自動評估等功能，也可支持人工處置操作。同時通信控制還要與外部系統(民航系統等)保持信息交換，實現信息共享。指揮系統需要依賴云計算、大數據等新技術處理巨大數量的信息數據，提供實時、準確的共享態勢，形成高度融合的一體化聯合防御力量體系。指揮系統的功能與數據流轉如圖3所示。

圖3 指揮系統功能與數據流轉圖

將偵察系統、攻擊防御系統整合在指揮控制系統中，使得安防人員能夠監控整體態勢，選擇處置手段，指揮控制處置過程，實時進行處置評估，是實現核電站無人機防御的關鍵。

3 核電站區域無人機防御系統效能評估

3.1 指標評估體系

基于模糊層次分析法，根據防御系統的手段編成，從偵察、指揮、軟殺傷、硬摧毀4類能力出發建立指標體系，如圖4所示。

圖4 簡化的效能評估指標體系

3.2 確定評估體系中各指標權重

根據系統特性和各種手段作用原理的不同，雷達/無線電/光電偵察性能是根據該手段的探測距離、跟蹤數量等指標進行綜合量化確定；情報傳輸/處理性能是根據傳輸/處理目標最大數量、最快速度等指標綜合量化確定；數據處理/輔助決策性能是根據制定方案的速度、數量等指標綜合量化確定；通信控制性能是根據指令傳輸的速度、最多控制手段數量等指標綜合量化確定；無線電/導航/雷達/光電干擾性能是根據最大干擾距離、干擾范圍、有效干擾數量等指標綜合量化確定；激光打擊/高功率微波/網捕/火力打擊是根據最大打擊距離、有效打擊數量等指標綜合量化確定。

3.2.1 三角模糊數的計算方法

(1)

(2)

(3) 設判斷矩陣：

(3)

(4)

(5)

(6)

3.2.2 權重向量計算

根據上述三角模糊數計算方法，首先計算能力層對系統效能層的權重向量：

(1) 建立能力層的三角模糊數互補判斷矩陣：

(2) 計算期望值矩陣、正反判斷矩陣：

最大實特征根=4.063 5。

(3) 對正反判斷矩陣進行一致性檢驗：

=(-)(-1)=(40635-4)

(4-1)=0021 2

=09

==0023 5<01

因此矩陣滿足一致性檢驗。

(4) 計算該矩陣的模糊評價值、期望值：

(5) 對期望值矩陣歸一化處理，可得能力層權重向量：

=(0324 8,0175 2,0285 8,0137 0)

(6) 同理可求出性能層的權重向量分別為：

=(0219 3,0238 8,0222 0，0208 8,0216 0)

=(0346 9,0250 1,0400 1)

=(0287 4,0362 2,0212 6,0137 8)

=(0362 2,0285 4,0213 6,0136 9)

各性能層指標關于系統效能層的最終權重為：=(0058 9,0093 8,0072 1,0096 3,0078 9,0082 1,0103 5,0060 8,0039 4,0042 6,0056 3,0038 1,0078 9,0082 1,0043 5,0060 8)

系統會根據每個指標的權重，合理、靈活使用技術手段，選擇最優方案，高效防御無人機。

3.2.3 軟件實現

為了驗證算法的可行性和有效性，進行了算例分析。情況是敵方6架大疆“精靈4A”無人機群，從多個方向對我核電站區域進行集群攻擊，我方隨機選擇2種方案應對，如表3所示。

表3 2種不同的防御方案

將各指標進行量化取值，并根據：

進行規范化處理。

表4 2種防御方案的評估指標值

再根據性能層關于系統效能層的最終權重，可得出方案1的防御性能值為0.724 9，方案2的防御性能值為0.659 8，由此看出方案1的防御效果要好于方案2，與實兵驗證結果一致。

利用計算機編程語言實現模糊理論的評價過程，將上述復雜的計算過程程序化、簡便化，提高指揮效率和攔截的成功率。軟件驗證結果見圖5～圖7。

圖5 部分無人機防御試驗數據

圖6 無人機防御指揮控制系統偵察定位圖

圖7 無人機防御指揮控制系統指揮攔截圖

4 結束語

核電站作為重要的保衛目標，如何防御無人機的威脅已經引起了各國的重視。因此研發高效的防御系統，采取靈活的應對策略顯得異常重要。本文從偵察、指揮、打擊3個方面構建了體系防御系統，并以模糊理論為基礎，結合層次分析法對該系統進行了效能評估。通過多次試驗，研發了將各種手段靈活搭配的指控系統，驗證了此方法的可行性，為后續更加深入的研究奠定了基礎。