要地防控反無人機(jī)系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)

夏銘禹, 趙　凱, 倪　威

(1.海軍研究院, 北京　100161;2.江蘇自動(dòng)化研究所, 江蘇 連云港　222061)

人們對(duì)未來戰(zhàn)爭(zhēng)以及戰(zhàn)場(chǎng)特點(diǎn)的理解,因領(lǐng)域、立場(chǎng)、層面等因素的差異而不盡相同,由此出現(xiàn)了諸如“無邊”(太空戰(zhàn))、“無聲”(靜默戰(zhàn))、“無人”(無人平臺(tái))、“無形”(賽博戰(zhàn))、“無底”(水下作戰(zhàn))、“無色”(戰(zhàn)爭(zhēng)迷霧消散)等多方面的觀點(diǎn),但是如果將目前相關(guān)技術(shù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)作為重要因素來評(píng)判的話,“無人”這個(gè)特點(diǎn)肯定是最明確的。近幾年來,無人技術(shù)及平臺(tái)已經(jīng)延伸到陸、海、空、天等多個(gè)領(lǐng)域,其中無人機(jī)無疑是眾多無人平臺(tái)發(fā)展最迅速的。

無人機(jī)作為一種新興事物,之所以能夠蓬勃發(fā)展,主要是因?yàn)槠湓谛阅堋⒐δ?、關(guān)鍵技術(shù)等方面百家爭(zhēng)鳴、精彩紛呈,加之無人機(jī)存在研制周期短、研制經(jīng)費(fèi)省、使用風(fēng)險(xiǎn)低等特點(diǎn),引起了廣泛關(guān)注和高度重視。因此在信息化、網(wǎng)絡(luò)化、體系化的背景下,無人機(jī)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。

隨著無人機(jī)的廣泛應(yīng)用以及國(guó)家政策對(duì)低空空域的逐步開放,以“大疆”為代表的商業(yè)級(jí)無人機(jī)造價(jià)低廉,而且能攜帶爆炸物、危險(xiǎn)物、高分辨率攝像頭、進(jìn)行毒品走私等,此類“低慢小”目標(biāo)具有較強(qiáng)的突發(fā)性,對(duì)于軍港、機(jī)場(chǎng)、核電站等要地的安全帶來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),對(duì)國(guó)家和人民的安全構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。

鑒于此類目標(biāo)對(duì)要地的安全隱患越來越大,需要盡快建立并完善相應(yīng)的防控體系,加強(qiáng)軍港、機(jī)場(chǎng)、核電站等要地的安全警戒,及時(shí)探測(cè)發(fā)現(xiàn)可疑目標(biāo),通過適當(dāng)手段進(jìn)行驅(qū)離、防范控制,確保此類重要場(chǎng)所和設(shè)施的安全。因此,要地防控反無人機(jī)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

1　反無人機(jī)系統(tǒng)

無人機(jī)帶來的日漸嚴(yán)峻的威脅,使得反無人機(jī)技術(shù)及其裝備應(yīng)用逐步成為發(fā)展熱點(diǎn),這場(chǎng)“無人機(jī)熱”終于也引發(fā)了一場(chǎng)“反無人機(jī)熱”,近幾年反無人機(jī)系統(tǒng)項(xiàng)目、技術(shù)如雨后春筍般不斷涌現(xiàn)。

反無人機(jī)系統(tǒng)將會(huì)大規(guī)模用于對(duì)付來路不明的無人機(jī),這些無人機(jī)未經(jīng)許可飛入敏感區(qū)域已經(jīng)引發(fā)了極大的安全顧慮,比如機(jī)場(chǎng)當(dāng)局高度關(guān)注非法入侵的無人機(jī)會(huì)與民航客機(jī)碰撞,軍方將關(guān)注如何將反無人機(jī)技術(shù)用于應(yīng)對(duì)無人機(jī)攻擊和無人機(jī)偵察。

從宏觀來看,反無人機(jī)的解決思路如圖1所示,主要包含“審—偵—捕”三個(gè)方面,“審”主要是利用政策手段從源頭對(duì)黑飛無人機(jī)進(jìn)行約束,“偵”和“捕”則指的是對(duì)黑飛無人機(jī)的探測(cè)和防御,也正是這兩部分構(gòu)成了反無人機(jī)系統(tǒng)。

圖1　反無人機(jī)解決思路

1.1　探測(cè)方式

針對(duì)有威脅的無人機(jī),從工作原理上劃分可將其探測(cè)方式分為主動(dòng)和被動(dòng)兩種,主動(dòng)探測(cè)方式主要包括探測(cè)雷達(dá)和光電設(shè)備,被動(dòng)探測(cè)方式主要包括射頻偵測(cè)、聲學(xué)探測(cè)以及廣播自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視(ADS-B)。

1) 低空小目標(biāo)探測(cè)雷達(dá)

探測(cè)雷達(dá)通過發(fā)射電磁波信號(hào),接收無人機(jī)反射的回波信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行分析處理,實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測(cè)和目標(biāo)特征分析識(shí)別。其主要優(yōu)點(diǎn)包括作用距離遠(yuǎn)、可全天時(shí)全天候工作、可大空域范圍覆蓋等,但針對(duì)無人機(jī)這種“低慢小”目標(biāo)來說也有其技術(shù)難點(diǎn),主要包括:

①低:被探測(cè)目標(biāo)飛行高度低,容易受到地面目標(biāo)干擾;

②慢:被探測(cè)目標(biāo)飛行速度慢,多普勒頻率小,不易與地面雜波區(qū)分;

③小:被探測(cè)目標(biāo)反射面積小,目標(biāo)回波微弱。

2) 光電設(shè)備

光電設(shè)備采用可見光或紅外成像的方式,可實(shí)現(xiàn)對(duì)空中“低慢小”目標(biāo)的搜索和跟蹤,配合激光測(cè)距儀可通過圖像處理提供距離、方位角、俯仰角等精確的目標(biāo)信息,并且可提供圖像的實(shí)時(shí)顯示與存儲(chǔ)取證。該手段的缺點(diǎn)主要包括:

①對(duì)天氣具有依賴性;

②在復(fù)雜背景下對(duì)小型目標(biāo)測(cè)距困難。

3) 射頻偵測(cè)設(shè)備

射頻偵測(cè)設(shè)備可對(duì)20M～6G頻段范圍內(nèi)的無線電信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)管理,可實(shí)現(xiàn)掃描、分析、解調(diào)、測(cè)向等功能,多站部署可實(shí)現(xiàn)信號(hào)定位功能。由于其具有輕便小巧的緊湊外形尺寸,可滿足全天候、全地形、便攜可搬移、便攜快布式的部署要求。

射頻偵測(cè)設(shè)備主要技術(shù)特點(diǎn)包括:

①采用被動(dòng)探測(cè)方式,對(duì)周圍環(huán)境無輻射信號(hào);

②通過TDOA組網(wǎng)技術(shù),提高了被測(cè)目標(biāo)探測(cè)精度;

③通過合理的布局組網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)被測(cè)目標(biāo)大范圍覆蓋;

④具有信號(hào)參數(shù)的頻譜展示功能;

⑤單個(gè)無線探測(cè)設(shè)備成本低,合理布局可控制整套系統(tǒng)成本。

主要缺點(diǎn)有:

①測(cè)量精度有限;

②需要多點(diǎn)協(xié)同、提前布陣。

4) 廣播自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視設(shè)備

ADS-B(1090ES)數(shù)據(jù)鏈地面站是一種能夠接收1090ES廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視信息的地面端系統(tǒng),系統(tǒng)由1090ES數(shù)據(jù)鏈地面站主機(jī)、全向/定向天線、天線放大器及GNSS天線等組成,可以通過單站/雙站熱備份的方式進(jìn)行工作。

ADS-B設(shè)備的主要功能是實(shí)現(xiàn)地-空監(jiān)視,1090ES數(shù)據(jù)鏈地面站接收飛機(jī)廣播的ADS-B報(bào)文,提供空域內(nèi)的飛機(jī)信息,包含經(jīng)緯度、高度、速度、呼號(hào)、S模式地址、飛機(jī)類型等。該設(shè)備提供空域內(nèi)已注冊(cè)飛機(jī)的廣播信息,可對(duì)探測(cè)雷達(dá)生成的目標(biāo)航跡進(jìn)行相關(guān)確認(rèn),并重點(diǎn)標(biāo)識(shí)出未注冊(cè)的無人機(jī)目標(biāo)。

5) 聲學(xué)探測(cè)設(shè)備

聲學(xué)探測(cè)設(shè)備可以通過識(shí)別無人機(jī)的聲學(xué)特征實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)的探測(cè),其優(yōu)點(diǎn)是無需目標(biāo)的直線視距、無輻射部件,可全天時(shí)全天候工作,傳感器尺寸小、重量輕。其主要缺點(diǎn)有:

①高噪聲強(qiáng)度條件下,很難發(fā)揮作用;

②作用距離有限;

③需要具備聲學(xué)特征庫;

④局部物體存在聲學(xué)信號(hào)再反射;

⑤測(cè)量精度有限。

1.2　防御手段

目前針對(duì)無人機(jī)的防御手段有很多種,特點(diǎn)和效果也各不相同,主要可以分為以下幾大類:

1) 干擾阻斷類

①壓制式干擾

針對(duì)目標(biāo)無人機(jī)實(shí)施通信或者導(dǎo)航干擾,通過產(chǎn)生相對(duì)較大功率的干擾射頻信號(hào),并對(duì)目標(biāo)無人機(jī)定向發(fā)射,使得無人機(jī)與遙控器之間的飛控和圖傳連接斷開,進(jìn)而無人機(jī)就會(huì)按照程序預(yù)先設(shè)定模式自行降落、懸停或者返航。除此之外,也可以對(duì)無人機(jī)的導(dǎo)航定位信號(hào)進(jìn)行干擾,導(dǎo)致無人機(jī)無法正常定位而失去精確飛行能力。目前無人機(jī)使用的主流頻段有900MHz、1.5GHz(GPS)、2.4GHz(通信)、5.8GHz(圖傳)等頻段,實(shí)際應(yīng)用中頻段可根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景定制。

②瞄準(zhǔn)式干擾

該方式和壓制式干擾的主要區(qū)別在于瞄準(zhǔn)式干擾可根據(jù)射頻偵測(cè)設(shè)備獲取到目標(biāo)無人機(jī)通信頻率,然后對(duì)其進(jìn)行有針對(duì)性的通信干擾,射頻偵測(cè)可覆蓋頻率范圍:20MHz～6GHz。

③此外,韓國(guó)KAIST的研究人員發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的無人機(jī)干擾手段,利用聲波使得無人機(jī)上的陀螺儀發(fā)生共振從而輸出錯(cuò)誤信息導(dǎo)致無人機(jī)無法平穩(wěn)飛行。

2) 誘騙控制類

通過模擬偽GPS等導(dǎo)航信號(hào),實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)的壓制和欺騙,確保無人機(jī)在保護(hù)區(qū)域平滑無意識(shí)地切換接收欺騙信號(hào),讓無人機(jī)快速定位到預(yù)設(shè)位置,或者給其一個(gè)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景,使無人機(jī)快速飛行,脫離操作者控制,進(jìn)行誘騙。根據(jù)不同的誘騙目的,可構(gòu)建相應(yīng)的誘騙策略,規(guī)劃相應(yīng)目標(biāo)航路,控制目標(biāo)無人機(jī)到達(dá)指定區(qū)域。

3) 直接摧毀類

該類別的代表當(dāng)屬激光武器,傳統(tǒng)常規(guī)武器通常用動(dòng)能或化學(xué)能摧毀目標(biāo),而激光武器是以光速或接近光速運(yùn)動(dòng)的光子或粒子對(duì)目標(biāo)施加能量,從而達(dá)到摧毀無人機(jī)的目的。其主要優(yōu)點(diǎn)包括:

①反應(yīng)速度快;

②瞄準(zhǔn)打擊精度高;

③附帶損傷小;

④毀傷程度可控;

⑤單次作戰(zhàn)效費(fèi)比高。

4) 其他

此外,還有一些新型反無人機(jī)手段,比如利用雷達(dá)對(duì)抗技術(shù)干擾或攻擊機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng),利用光電對(duì)抗技術(shù)干擾機(jī)載光電設(shè)備等。

1.3　要地防控反無人機(jī)系統(tǒng)

綜合各設(shè)備優(yōu)缺點(diǎn),本文提出要地防控反無人機(jī)系統(tǒng)方案,系統(tǒng)組成圖和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖分別如圖2和圖3所示。

圖2　要地防控反無人機(jī)系統(tǒng)組成圖

圖3　反無人機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)主要功能包括:

1)系統(tǒng)能夠利用多種傳感器在復(fù)雜背景環(huán)境下有效探測(cè)“低慢小”無人機(jī),實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)探測(cè)、識(shí)別及跟蹤;

2)系統(tǒng)具有合作目標(biāo)身份識(shí)別和確認(rèn)的能力;

3)系統(tǒng)能夠利用光電設(shè)備精確跟蹤無人機(jī)目標(biāo);

4)系統(tǒng)能夠?qū)τ型{的無人機(jī)進(jìn)行定向干擾/誘騙、激光打擊等;

5)系統(tǒng)具有對(duì)無人機(jī)和操作手進(jìn)行定位的能力;

6)系統(tǒng)具有視頻取證、存儲(chǔ)及回放能力。

系統(tǒng)主要特點(diǎn)有:

1)系統(tǒng)利用成熟技術(shù)進(jìn)行模塊化、組合化設(shè)計(jì),并可根據(jù)用戶需求進(jìn)行配置;

2)系統(tǒng)具有便攜、快速布放、撤收的能力,可有效提高任務(wù)執(zhí)行時(shí)的靈活性、機(jī)動(dòng)性;

3)系統(tǒng)適裝性強(qiáng),可根據(jù)用戶需求進(jìn)行車載集成設(shè)計(jì)。

此外,該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)運(yùn)行,核心思想是采用蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)區(qū)域探測(cè)和攔截全覆蓋,圖4為部署示意圖。

圖4　反無人機(jī)系統(tǒng)組網(wǎng)示意圖

2　關(guān)鍵技術(shù)

2.1　“低慢小”目標(biāo)信息處理技術(shù)

1)“低慢小”目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)

①檢測(cè)前跟蹤技術(shù)

利用雷達(dá)探測(cè)“低慢小”目標(biāo)一直都是一個(gè)難點(diǎn),傳統(tǒng)的方法是先對(duì)每幀原始數(shù)據(jù)做過門限檢測(cè),然后對(duì)過門限的測(cè)量數(shù)據(jù)做后續(xù)的跟蹤處理。這樣可以抑制數(shù)據(jù)流,但不可避免地造成了許多有用信息的損失,特別是對(duì)無人機(jī)等“低慢小”目標(biāo)。檢測(cè)前跟蹤技術(shù)對(duì)未經(jīng)門限處理的多幀原始數(shù)據(jù)進(jìn)行能量積累,使得檢測(cè)與跟蹤同時(shí)進(jìn)行,可以有效提高對(duì)“低慢小”目標(biāo)的檢測(cè)與跟蹤性能。圖5為檢測(cè)前跟蹤技術(shù)原理示意圖。

圖5　檢測(cè)前跟蹤技術(shù)原理示意圖

②基于目標(biāo)信號(hào)特征和雜波圖的虛假目標(biāo)抑制技術(shù)

在復(fù)雜背景環(huán)境下,對(duì)無人機(jī)等“低慢小”類目標(biāo)具有很高的檢測(cè)難度,特別是存在虛假目標(biāo)干擾時(shí),探測(cè)雷達(dá)需要解決抗干擾問題。

通過對(duì)典型場(chǎng)景雜波圖分析,結(jié)合無人機(jī)和其他小目標(biāo)回波信號(hào)的特征分析,突破基于雜波圖的“低慢小”目標(biāo)跟蹤場(chǎng)景下的虛假目標(biāo)抑制技術(shù)可有效解決這一難題。

2)多目標(biāo)跟蹤技術(shù)

多目標(biāo)跟蹤主要包括數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和狀態(tài)估計(jì)兩大技術(shù),主要是對(duì)所接收的量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,目的是維持對(duì)多個(gè)無人機(jī)目標(biāo)當(dāng)前狀態(tài)的估計(jì)。其中數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的作用是分配量測(cè)數(shù)據(jù)和目標(biāo)航跡,而狀態(tài)估計(jì)則利用關(guān)聯(lián)上目標(biāo)航跡的量測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)航跡的當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行濾波估計(jì)。

①數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)技術(shù)

數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的目的是以最小的計(jì)算復(fù)雜度來獲取最大的正確關(guān)聯(lián)概率,在多目標(biāo)以及復(fù)雜背景環(huán)境下存在很多不確定因素,比如目標(biāo)環(huán)境和目標(biāo)個(gè)數(shù)的不確定性,傳感器的不完備性,跟蹤環(huán)境缺乏先驗(yàn)知識(shí),無法判斷量測(cè)數(shù)據(jù)來自于目標(biāo)還是雜波等,這一切使得傳感器的量測(cè)和目標(biāo)源之間無法很好地對(duì)應(yīng)。

因此,要想有效降低錯(cuò)誤關(guān)聯(lián)的概率,需要根據(jù)統(tǒng)計(jì)假設(shè)和問題的實(shí)際背景選擇合適的跟蹤門,減少需要關(guān)聯(lián)的有效量測(cè)數(shù),從而使跟蹤門內(nèi)來自非本目標(biāo)和干擾的回波相應(yīng)減少。隨著目標(biāo)數(shù)、量測(cè)數(shù)及雜波密度的增加,計(jì)算量迅速增加,需要探索更合理的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)算法,提高跟蹤性能并且改善算法的復(fù)雜度和實(shí)時(shí)性。

②狀態(tài)估計(jì)技術(shù)

狀態(tài)估計(jì)是在數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)之后進(jìn)行的,目的是通過概括傳感器提供的目標(biāo)點(diǎn)參數(shù)建立和更新航跡,并濾除噪聲,進(jìn)而外推下一周期目標(biāo)可能出現(xiàn)的位置。狀態(tài)估計(jì)性能的好壞取決于數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)正確與否,并且如果所采用的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模型和目標(biāo)的真實(shí)運(yùn)動(dòng)不一致,濾波器可能會(huì)發(fā)散。

3)多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)

由于反無人機(jī)系統(tǒng)包含雷達(dá)和光電等傳感器,并且可能組網(wǎng)運(yùn)行,所以在無人機(jī)探測(cè)方面涉及多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)。數(shù)據(jù)融合的目的是通過對(duì)多個(gè)傳感器獲得的目標(biāo)信息進(jìn)行推理和識(shí)別,得到目標(biāo)一致性的描述,然后根據(jù)這些一致性描述信息做出更準(zhǔn)確的估計(jì)和判斷。多傳感器數(shù)據(jù)融合的概念體現(xiàn)在數(shù)據(jù)處理層面,同時(shí)也體現(xiàn)在系統(tǒng)層面。它一方面強(qiáng)調(diào)如何優(yōu)化綜合傳感器數(shù)據(jù),另一方面又強(qiáng)調(diào)如何優(yōu)化管理傳感器資源,最大限度地獲得有用的目標(biāo)信息,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器資源的最佳利用,使得整個(gè)系統(tǒng)性能最優(yōu),有時(shí)其融合結(jié)果可能發(fā)生質(zhì)的飛躍。

2.2　射頻偵測(cè)定位技術(shù)

射頻偵測(cè)定位技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)通信頻率的偵測(cè),以及對(duì)無人機(jī)和操作手進(jìn)行定位,其中定位操作手是公安等部門關(guān)注的熱點(diǎn),為抓捕黑飛操作手提供了有力的技術(shù)支撐。

1) I/Q數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)

射頻偵測(cè)接收機(jī)在10MHz到6GHz的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行掃頻,掃頻過程中將產(chǎn)生大量冗余數(shù)據(jù),I/Q信號(hào)預(yù)處理技術(shù)主要包括以下兩個(gè)部分。

①目標(biāo)信號(hào)探測(cè)

目前民用級(jí)無人機(jī)的控制信號(hào)位于幾個(gè)不同的頻段內(nèi),射頻接收機(jī)需要通過分段搜索來提高目標(biāo)探測(cè)成功概率。同時(shí),Wifi信號(hào)和藍(lán)牙信號(hào)通常在2.4GHz與5.8GHz這兩個(gè)頻段內(nèi)活動(dòng),會(huì)合成為非常活躍的噪聲,所以在2.4GHz和5.8GHz頻段內(nèi)探測(cè)目標(biāo)信號(hào)時(shí),需要克服噪聲影響,鎖定目標(biāo)信號(hào)所在的頻段。無人機(jī)控制信號(hào)持續(xù)時(shí)間極短(約2-3ms),且存在跳頻現(xiàn)象。目標(biāo)信號(hào)探測(cè)技術(shù)可以精準(zhǔn)地確定控制信號(hào)位于的頻段,從而指揮射頻接收機(jī)只記錄該頻段內(nèi)的數(shù)據(jù),達(dá)到減小數(shù)據(jù)冗余信息的目的。

②數(shù)據(jù)壓縮

射頻接收機(jī)以二進(jìn)制的形式輸出目標(biāo)頻段內(nèi)的I/Q數(shù)據(jù),在進(jìn)行4G網(wǎng)絡(luò)傳輸之前,可對(duì)二進(jìn)制原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮。壓縮算法包括游程編碼、算術(shù)編碼、子帶編碼、差分編碼或哈夫曼編碼等。數(shù)據(jù)壓縮的目的是在4G傳輸時(shí),減小數(shù)據(jù)量,緩解4G傳輸壓力,并且可降低數(shù)據(jù)傳輸過程中卡頓與丟包的風(fēng)險(xiǎn)。

2)二維TDOA定位技術(shù)

對(duì)已經(jīng)完成預(yù)處理的I/Q數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算。采用相關(guān)算法對(duì)不同射頻接收機(jī)觀測(cè)的I/Q數(shù)據(jù)做相關(guān),找到最強(qiáng)大相關(guān)峰的位置。根據(jù)射頻接收機(jī)自帶的GPS時(shí)間戳找到目標(biāo)信號(hào)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻,計(jì)算出不同測(cè)站偵測(cè)到同一個(gè)信號(hào)的時(shí)間差,最終獲取目標(biāo)信號(hào)到達(dá)各個(gè)測(cè)站的距離差。利用三個(gè)及三個(gè)以上的測(cè)站間的距離差,可以組建多個(gè)雙曲線方程,求解雙曲線方程計(jì)算出收斂的位置。二維TDOA技術(shù)主要包括兩個(gè)部分:

①相關(guān)算法

合適的濾波方法可以使得算法具有更高的分辨率和穩(wěn)定性,可采用基于FFT的相關(guān)算法或廣義互相關(guān)算法來進(jìn)行目標(biāo)信號(hào)達(dá)到時(shí)間差估計(jì)。在FFT相關(guān)算法中,通過對(duì)I/Q數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換得到基帶復(fù)信號(hào),將不同測(cè)站的基帶復(fù)信號(hào)相乘并將乘積做IFFT變換。對(duì)IFFT的結(jié)果取模并對(duì)結(jié)果進(jìn)行門限判決。如果有足夠強(qiáng)的相關(guān)峰出現(xiàn),則說明實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)信號(hào)的提取。廣義互相關(guān)與FFT相關(guān)算法在實(shí)現(xiàn)步驟上類似,但在算法公式上有些區(qū)別,尤其是廣義化的濾波加權(quán),也就是濾波函數(shù)的選取有所不同。濾波函數(shù)的選取有利于提高信噪比,增強(qiáng)相關(guān)峰值,但是濾波后也會(huì)使輸出對(duì)噪聲更加敏感。

②基于Chan的TDOA雙曲線方程解算算法

傳統(tǒng)的網(wǎng)格搜索算法解算TDOA雙曲線方程,在實(shí)現(xiàn)過程中穩(wěn)定性較好,卻無法同時(shí)保證精度和實(shí)時(shí)性,并且該算法通常情況下無法收斂到真實(shí)的目標(biāo)坐標(biāo)值,所以網(wǎng)格搜索算法存在定位精度極限。Chan算法充分考慮了時(shí)間延遲估計(jì),通過選取目標(biāo)函數(shù)或者主站循環(huán)定位的方式解決Chan定位算法的模糊度等問題,從而提高解算的精度和實(shí)時(shí)性。

2.3　干擾誘騙技術(shù)

1)微波定向干擾技術(shù)

針對(duì)主流商業(yè)無人機(jī)通信頻段,采用超高頻寬帶干擾技術(shù),對(duì)無人機(jī)各信號(hào)段進(jìn)行干擾,干擾樣式主要采用噪聲干擾、點(diǎn)頻干擾、掃頻干擾等幾種。

針對(duì)大疆等商業(yè)無人機(jī)研究干擾效能,具體體現(xiàn)在天線頻段、極化方式、波束寬度、增益,射頻功率大小以及自適應(yīng)配置。

2)導(dǎo)航誘騙技術(shù)

①導(dǎo)航誘騙信息生成技術(shù)

導(dǎo)航誘騙技術(shù)包含轉(zhuǎn)發(fā)式誘騙和生成式誘騙兩種方式。

轉(zhuǎn)發(fā)式誘騙干擾是通過誘騙干擾機(jī)直接對(duì)真實(shí)導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā),通過延時(shí)和功率放大等手段,能夠使一定范圍內(nèi)的接收機(jī)捕獲到誘騙干擾信號(hào),由于這種方式只是完成信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā),對(duì)干擾信號(hào)的逼真度沒有太大要求,所以技術(shù)上相對(duì)容易實(shí)現(xiàn),并且由于它的功率要比真實(shí)信號(hào)強(qiáng),所以被無人機(jī)捕獲的概率也較高。此外,從GNSS定位原理可知,偽距決定定位結(jié)果,它是信號(hào)傳播時(shí)間差的函數(shù),延時(shí)手段即對(duì)信號(hào)傳播時(shí)間進(jìn)行改變,從而實(shí)現(xiàn)誘騙目的。

生成式誘騙干擾的前提是已知民用碼的產(chǎn)生方式,干擾機(jī)不依賴GNSS系統(tǒng),可以自主產(chǎn)生并發(fā)射與真實(shí)信號(hào)相似的誘騙信號(hào),在二者相關(guān)峰相對(duì)運(yùn)動(dòng)過程中,由于誘騙峰具有功率優(yōu)勢(shì),因此可以將真實(shí)峰逐漸剝離跟蹤環(huán)路,進(jìn)而控制跟蹤環(huán)路以達(dá)到誘騙目的。

②GPS干擾誘騙控制技術(shù)

第一,誘騙功率控制,包括捕獲和跟蹤兩個(gè)階段。接收機(jī)接收到誘騙干擾信號(hào)和真實(shí)信號(hào)的混合信號(hào)之后進(jìn)入捕獲階段,在搜索范圍內(nèi)會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)相關(guān)峰,捕獲之后將碼相位與載波頻率的粗略值傳遞給跟蹤環(huán)路;進(jìn)入跟蹤階段后,當(dāng)誘騙干擾信號(hào)碼相位和真實(shí)信號(hào)碼相位完全對(duì)齊時(shí),緩慢增加誘騙干擾信號(hào)的功率,使得誘騙相關(guān)峰值高于真實(shí)信號(hào)相關(guān)峰值。在此期間誘騙干擾信號(hào)功率不能驟增,目的是防止接收機(jī)功率檢測(cè)手段檢測(cè)到信號(hào)異常。在二者相關(guān)峰相對(duì)運(yùn)動(dòng)過程中,誘騙干擾信號(hào)利用功率優(yōu)勢(shì),將真實(shí)信號(hào)逐漸剝離跟蹤環(huán)路,最終接收機(jī)跟蹤環(huán)路跟蹤上誘騙信號(hào),從而達(dá)到誘騙目的。

第二,誘騙航路規(guī)劃控制。剛開始時(shí),接收機(jī)接收誘騙信息解算出的定位參數(shù)與其實(shí)際參數(shù)相一致,根據(jù)欺騙防御、誘騙管控捕獲等不同誘騙目的,構(gòu)建不同的誘騙策略,規(guī)劃不同的目標(biāo)航路。欺騙防御時(shí),構(gòu)建圓周無人機(jī)禁飛區(qū);誘騙管控捕獲時(shí),采用螺旋線運(yùn)動(dòng)軌跡模板,基于實(shí)時(shí)航路偏差估計(jì),控制無人機(jī)達(dá)到預(yù)定捕獲區(qū)域。

3　演示試驗(yàn)

目前已就本文提到的要地防控反無人機(jī)系統(tǒng)中部分設(shè)備及有關(guān)技術(shù)進(jìn)行了初步試驗(yàn)驗(yàn)證。

1)低空小目標(biāo)探測(cè)雷達(dá)

圖6所示為反無人機(jī)系統(tǒng)中的探測(cè)雷達(dá)。試驗(yàn)表明,針對(duì)大疆精靈4四旋翼無人機(jī)目標(biāo),該雷達(dá)的作用距離不低于5km。

圖6　低空小目標(biāo)探測(cè)雷達(dá)

2)射頻偵測(cè)設(shè)備

為驗(yàn)證射頻偵測(cè)設(shè)備對(duì)無人機(jī)操作手的定位精度,試驗(yàn)人員在市區(qū)展開試驗(yàn),三個(gè)射頻偵測(cè)點(diǎn)之間相隔一定距離呈三角形布置,對(duì)無人機(jī)操作手進(jìn)行定位,試驗(yàn)結(jié)果分別如表1和圖7所示。

表1　射頻偵測(cè)定位無人機(jī)操作手試驗(yàn)結(jié)果

圖7　射頻偵測(cè)定位無人機(jī)操作手結(jié)果圖

3)手持式干擾槍

圖8所示為手持式干擾槍,發(fā)現(xiàn)無人機(jī)目標(biāo)后利用該設(shè)備瞄準(zhǔn)無人機(jī)方向?qū)ζ滹w控和圖傳信號(hào)進(jìn)行干擾,無人機(jī)遙控器顯示“無人機(jī)連接已斷開”,操控者無法操控?zé)o人機(jī)且無法接收回傳圖像,無人機(jī)按預(yù)設(shè)模式實(shí)施迫降,干擾達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

圖8　手持式干擾槍

4)干擾誘騙一體化設(shè)備

圖9所示為轉(zhuǎn)臺(tái)式干擾誘騙一體化設(shè)備,針對(duì)典型目標(biāo)對(duì)其進(jìn)行通信、圖傳、GPS信號(hào)干擾試驗(yàn),結(jié)果表明干擾設(shè)備的作用距離不小于5km。

圖9　干擾誘騙一體化設(shè)備

5)激光武器

利用激光武器針對(duì)大疆精靈4四旋翼無人機(jī)進(jìn)行了多次打擊試驗(yàn),均成功將無人機(jī)摧毀擊落,試驗(yàn)對(duì)無人機(jī)的打擊效果如圖10所示。

6)ADS-B設(shè)備

將ADS-B天線架設(shè)于較空曠的位置,ADS-B地面站接收到當(dāng)前空域內(nèi)飛行器的廣播信息,解析后便可在終端上的電子地圖和列表里顯示,包括代號(hào)、經(jīng)度、緯度、高度、速度等信息。

4　結(jié)束語

時(shí)至今日反無人機(jī)作戰(zhàn)在探測(cè)和攔截方面還存在諸多困難,并且未來無人機(jī)群作戰(zhàn)的發(fā)展會(huì)給防空體系帶來更多更大的挑戰(zhàn),因此針對(duì)反無人機(jī)系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)的研究愈顯迫切。目前國(guó)內(nèi)外在反無人機(jī)方面均處于萌芽狀態(tài),面臨技術(shù)狀態(tài)不確定、產(chǎn)品成本高的瓶頸制約。面臨這種形勢(shì),應(yīng)重點(diǎn)著眼于最亟須功能的研制,在此基礎(chǔ)上結(jié)合多種手段完善反無人機(jī)體系。

此外,需要深入剖析各類無人機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn),研究世界上反無人機(jī)作戰(zhàn)的案例,理清反無人機(jī)作戰(zhàn)的需求和基本思路;充分利用現(xiàn)有傳感器和武器完善反無人機(jī)作戰(zhàn)策略,并加快研發(fā)新型無人機(jī)對(duì)抗裝備的步伐,爭(zhēng)取在未來反無人機(jī)作戰(zhàn)中獲得主動(dòng)。

圖10　激光武器打擊無人機(jī)試驗(yàn)效果

參考文獻(xiàn):

[1]柏如玉.國(guó)內(nèi)外反無人機(jī)技術(shù)發(fā)展分析[J].中國(guó)安防,2016(9):31-34.

[2]潘興宏,秦志強(qiáng). 反無人機(jī)系統(tǒng)淺析[J]. 科學(xué)中國(guó)人,2016(5):29.

[3]陶于金,李沛峰. 無人機(jī)系統(tǒng)發(fā)展與關(guān)鍵技術(shù)綜述[J]. 航空制造技術(shù),2014(20):34-39.

[4]楊勇,王誠,吳洋.反無人機(jī)策略及武器裝備現(xiàn)狀與發(fā)展動(dòng)向[J].飛航導(dǎo)彈,2013(8):27-31.

[5]董建軍.“低慢小”目標(biāo)的對(duì)抗措施研究[A].中國(guó)無人機(jī)大會(huì)論文集,2014:4.

[6]諸寒梅.雷達(dá)慢速小目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)研究[D].西安：西安電子科技大學(xué),2010.

[7]張承志,任清安. 一種利用TBD自動(dòng)檢測(cè)低慢小目標(biāo)的方法[J]. 空軍預(yù)警學(xué)院學(xué)報(bào),2013,27(2):118-121.

[8]李延堯. 基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的多目標(biāo)跟蹤技術(shù)研究[D].西安：西安電子科技大學(xué),2007.

[9]段芳芳. 多傳感器多目標(biāo)跟蹤技術(shù)研究[D].西安：西北工業(yè)大學(xué),2006.

[10] 游偉. 無線電監(jiān)測(cè)測(cè)向與定位技術(shù)研究[D].成都：電子科技大學(xué),2008.

[11] 施林,劉偉.基于衛(wèi)星導(dǎo)航欺騙干擾的無人機(jī)管制技術(shù)[J].指揮信息系統(tǒng)與技術(shù),2017,8(1):22-26.

[12] 何亮. GNSS欺騙式干擾仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué),2016.

[13] Praisler D J. Counter-UAV Solutions for the Joint Force[R]. Air War College, Air University Maxwell United States, 2017.

[14] Kilian J C, Wegener B J, Wharton E, et al. Counter-unmanned aerial vehicle system and method: U.S. Patent 9,085,362[P]. 2015-7-21.