非合作式無人機監(jiān)視研究進展

陳 琳，黃宇杰

(中國民航大學(xué) 飛行技術(shù)學(xué)院，天津 300300)

一、引 言

得益于技術(shù)開放和互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟推動，近年來，無人機技術(shù)得到了快速發(fā)展，無人機制造成本持續(xù)下降。目前，我國無人機持有量急劇上升，在給航空攝影、農(nóng)業(yè)植保、快遞物流、救援救災(zāi)等帶來巨大效益的同時，也導(dǎo)致由于非合作式無人機(Non-cooperative UAV)持有人對規(guī)章制度的不明確或蓄意違法等造成的入侵事件頻發(fā)。

無人機入侵事件在我國杭州、昆明、成都、南京、重慶等多地均有發(fā)生?！昂陲w”事件的頻發(fā)已對我國民航正常運行構(gòu)成巨大威脅，社會影響極其惡劣，破除無人機“黑飛”事件已是箭在弦上。但是，和傳統(tǒng)有人駕駛飛機的監(jiān)視不同，現(xiàn)有民用航空器監(jiān)管技術(shù)幾乎完全不適用于無人機：第一，無人機性能差異大，可用飛行速度、高度各不相同。第二，目前無法建立管制員和無人機飛手的直接通信，無法實現(xiàn)即時指揮。第三，無人機物理體積小，雷達反射面小，傳統(tǒng)雷達監(jiān)視不適用于對無人機的監(jiān)視。

事實上，針對無人機監(jiān)視，民航局也發(fā)布過多項規(guī)定，例如《民用無人駕駛航空器實名制登記管理規(guī)定》(AP-45-AA-2017-03)[1]《民用無人駕駛航空器系統(tǒng)空中交通管理辦法》(MD-TM-2016-004)[2]等。在實際運行中，大型正規(guī)無人機廠家在技術(shù)、資金等方面都更有優(yōu)勢，能夠建立或購買屬于自己的無人機云系統(tǒng)(UAV Cloud System)，并可以在無人機系統(tǒng)中預(yù)設(shè)民航局劃定的凈空保護區(qū)域和高度數(shù)據(jù)，如果無人機剛好處于禁飛區(qū)域，系統(tǒng)將鎖定無人機，無人機將無法實施飛行。雖然無人機管理規(guī)章制度建設(shè)較為完善，但是由于我國民航無人機管控缺乏整體有效的技術(shù)監(jiān)督手段，監(jiān)管體系不完整，合作式無人機監(jiān)管系統(tǒng)并未完全有效實施。部分無人機制造商也沒有按規(guī)定安裝無人機電子圍欄，也未按要求建立或接入無人機云系統(tǒng)。因此，非合作式無人機監(jiān)視系統(tǒng)的建立顯得尤為重要[3]。

監(jiān)管技術(shù)一：無人機圍欄。 無人機圍欄是指在無人機系統(tǒng)或者其加入的云系統(tǒng)中根據(jù)民航局規(guī)定所內(nèi)置的特定的地理范圍邊界的軟硬件系統(tǒng)。民航局在2017年10月公布了《無人機圍欄》[4]民航行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，詳細(xì)說明了無人機圍欄的定義、模型、標(biāo)準(zhǔn)及性能要求等。但是，除大疆公司外，大部分公司都未在技術(shù)上實現(xiàn)在無人機上設(shè)置圍欄。

監(jiān)管技術(shù)二：無人機云系統(tǒng)(Unmanned Aerial Vehicle Cloud System)。 它是指為無人機提供飛行服務(wù)、動態(tài)運行數(shù)據(jù)管理、告警等的一體化系統(tǒng)，可為無人機用戶提供導(dǎo)航、氣象服務(wù)等必要運行服務(wù)，同時可以監(jiān)控并實時自動上報無人機的運行數(shù)據(jù)，并可對即將入侵無人機圍欄的無人機觸發(fā)報警[5]。2017年10月20日發(fā)布的《無人機云系統(tǒng)接口數(shù)據(jù)規(guī)范》[6]明確規(guī)定無人機系統(tǒng)和云系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)、編碼的規(guī)則和系統(tǒng)性能要求。《規(guī)范》要求無人機系統(tǒng)與云系統(tǒng)之間通過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口進行雙向通訊。目前,國內(nèi)一共有五家無人機云系統(tǒng)公司獲得了民航局的批準(zhǔn)。按照《無人機云系統(tǒng)接口數(shù)據(jù)規(guī)范》，用戶可根據(jù)需要，自由選擇合適的云系統(tǒng)為無人機提供數(shù)據(jù)和信息支撐。

二、非合作式無人機探測技術(shù)

目前，據(jù)運行可靠的非合作式無人機探測經(jīng)驗，主要有三種檢測非合作式無人機入侵的方法:(1)非合作式無人機雷達探測法；(2)非合作式無人機無線信號探測法；(3)非合作式無人機圖像捕捉、聲音捕捉及融合探測法。

(一)基于雷達的非合作式無人機監(jiān)視技術(shù)

在眾多航空器探測方案中，雷達技術(shù)的發(fā)展最為成熟，也是重要的現(xiàn)行民用航空器監(jiān)視手段。雷達具有距離遠(yuǎn)、位置準(zhǔn)確等優(yōu)點，并且在掃描范圍內(nèi)所有的飛行物體都將無所遁形。雷達作為主動傳感器，無須與航空器達成通信協(xié)議，而且可以全天候工作。

1.超寬帶雷達

超寬帶雷達技術(shù)在雷達應(yīng)用中已經(jīng)非常廣泛，因其具有時間分辨率非常高的特點，常被用于追蹤人體、車輛，檢測心跳及生命體征。美國聯(lián)邦通信委員會的規(guī)定表明，超寬帶雷達目前已經(jīng)可用于探測無人機。

2.毫米波雷達

由于小型無人機雷達散射截面(Rcs)很小，且飛行高度低、速度慢，普通的場監(jiān)雷達很難探測到無人機的出現(xiàn)，想對其識別分類就更難了。而毫米波雷達剛好有著非常大的帶寬，可以實現(xiàn)高分辨率的偵測。毫米波雷達通過精確地分析無人機多普勒頻譜，為實現(xiàn)無人機的識別分類提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)和跟蹤未經(jīng)授權(quán)的無人機。

3.其他雷達技術(shù)

除了基于毫米波和超寬帶雷達技術(shù)之外，中低頻率的窄帶雷達也可用于無人機的探測。 例如，可以考慮使用在2.4GHz工作的多靜態(tài)雷達，分析具有不同有效載荷的微型無人機的微多普勒信號，可將無人機分類為無有效載荷、200g有效載荷和500g有效載荷三類。在雷達與目標(biāo)之間距離小于100 m時，使用23 dBm帶有24 dBi增益發(fā)射功率的10°×10°波束寬度的水平極化天線偵測的檢測技術(shù)，對于不同的有效載荷進行分類，其準(zhǔn)確度可達到90%以上[7]。

(二)無線電信號探測法

無線電信號探測法，是使用射頻傳感器來捕捉無人機與遠(yuǎn)程控制器之間的通信信號以判斷是否有無人機存在。這種信號可以是無人機和遠(yuǎn)程操作員之間的控制信號(通常在2.4GHz)，或者是有效載荷信號。例如：通過分析螺旋槳的反射信號，偵測控制器與無人機之間的通信，以及分析無人機的振動反射模式；通過使用SDR來提取來自無人機的跳頻擴頻信號以檢測無人機[8]。

并且，如果無人機和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)使用的是開放式的通信協(xié)議，偵測系統(tǒng)就可以捕獲通信信號，并且能在信號中快速獲取全球定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)，從而確定無人機的位置。但是若無人機和遠(yuǎn)程控制器之間使用的是自由式通信協(xié)議，通過無線電信號探測法只能確定有無無人機存在，卻無法定位入侵無人機。

(三)聲學(xué)、視覺檢測方法

1.聲學(xué)傳感器

使用聲學(xué)傳感器可以在20米到600米的距離范圍內(nèi)檢測到無人機。例如，使用麥克風(fēng)陣列，可以通過聲波束在3D空間中找到無人機的方向。如果使用多個麥克風(fēng)陣列，就可以準(zhǔn)確識別無人機的位置。并且，幾乎每種類型的無人機的聲學(xué)圖譜都是不同的，就像是生物的遺傳密碼一樣。系統(tǒng)通過將捕獲的聲學(xué)圖譜與提前建立的無人機聲學(xué)圖譜庫中的圖譜進行快速比較以確定無人機型號。無人機的聲學(xué)檢測完全適用于非合作式無人機探測且價格相對便宜，但其缺點也很明顯，一旦風(fēng)或者其他背景噪音(如正常航班、飛鳥、雜物等)過多、過強，系統(tǒng)的分辨力將大大降低。

2.計算機視覺傳感器

使用計算機視覺技術(shù)對未經(jīng)授權(quán)的無人機進行檢測，已經(jīng)在過去幾年里取得了較大的進展。無人機探測的計算機視覺技術(shù)的優(yōu)點包括：(1)能夠檢測沒有射頻傳輸?shù)臒o人機。(2)光學(xué)傳感器價格便宜。(3)固有的定向精度。[9]無人機探測的計算機視覺技術(shù)缺點是：若想保持捕捉精度和穩(wěn)定性，單個傳感器只能固定一個方向，而其監(jiān)視范圍有限，想要實現(xiàn)大空域(如機場凈空區(qū))的監(jiān)視覆蓋則需要安裝多個、多套系統(tǒng)。并且，攝像頭基本上無法在黑夜和濃霧情況下獲取圖像(但如果同時使用不同視場的視/熱相機，便可以在夜間捕捉無人機圖像，并且能實現(xiàn)更快更準(zhǔn)確的檢測)。

三、現(xiàn)有非合作式無人機監(jiān)視系統(tǒng)

目前，國內(nèi)外在非合作式無人機的監(jiān)視系統(tǒng)開發(fā)上均有不同程度的研究和成果，監(jiān)視手段與方法也各不相同，其區(qū)別主要在于無人機多探測技術(shù)的融合。

簡單技術(shù)融合偵測：美國DeUAV公司開發(fā)的名為“UAV Tracker”的無人機監(jiān)視系統(tǒng)，采用圖像傳感器和音頻傳感器作為探測手段，其不僅能夠偵測到無人機入侵信號，還能夠在一定程度上辨別無人機類型。一個小站點只需要其中一個設(shè)備，大型站點可以部署其中的多個設(shè)備。在系統(tǒng)的監(jiān)視范圍內(nèi)偵測到的所有活動都會在客戶端顯示，并且發(fā)出入侵警告。

多技術(shù)融合偵測：中國的華諾星電子科技研制的MSAUDS(多傳感器反無人機防御系統(tǒng))融合了多種傳感器(如圖像、音頻、視頻、2.4GUHF等多種傳感器)和偵測手段，能夠?qū)崿F(xiàn)在系統(tǒng)保護的100米～500米范圍內(nèi)24小時的偵測、預(yù)警和告警。

偵測、跟蹤與反制融合技術(shù)： AUDS系統(tǒng)是英國研發(fā)的一種反無人機防御系統(tǒng)(俗稱的電磁干擾射線槍)，該系統(tǒng)可以偵測多種無人機，并在確定無人機為非法入侵后實時跟蹤，必要時可根據(jù)用戶指令摧毀目標(biāo)。其應(yīng)用雷達探測系統(tǒng)、視頻跟蹤和動態(tài)定位系統(tǒng)、定向射頻干擾系統(tǒng)等設(shè)備對無人機進行搜索、跟蹤以及干擾，使其墜機、迫降或返回飛行[10]。

四、我國低空無人機發(fā)展現(xiàn)狀及監(jiān)管難點概述

(一)我國低空無人機發(fā)展現(xiàn)狀

無人機在中國保有量巨大，目前，僅登記在冊的無人機數(shù)量就達18萬臺。而據(jù)2017年的《中國民航飛行員發(fā)展年度報告》顯示，截至2017年12月31日，我國民用無人機飛行員為24 407人，比上年同比增長了138%[11]。

截至2018年6月，中國有一千二百多家無人機企業(yè)。生產(chǎn)企業(yè)達650家，2017年產(chǎn)量達290萬架。2017年12月由工信部發(fā)布的《民用無人機制造業(yè)促進和規(guī)范發(fā)展綱要》指出，到2020年，我國無人機產(chǎn)業(yè)年產(chǎn)值將達到600億元。由于無人機的使用需求和制造所帶來經(jīng)濟價值巨大，民用無人機市場的快速擴大和無人機的廣泛運用將是強大而不可逆的趨勢，我國低空空域的使用和監(jiān)管也必須隨之進行優(yōu)化和升級。

(二)我國無人機監(jiān)管難點

1.難點一：無人機制造商的監(jiān)管和規(guī)范

要想從源頭上實現(xiàn)無人機的有效監(jiān)管，對制造商的監(jiān)管和規(guī)范是重中之重。要保證無人機本身安全、可靠、規(guī)范、可溯，其不同型號無人機的設(shè)計、制造、系統(tǒng)運用均需獲得適航許可，并保持定期持續(xù)審定。另外，在銷售、注冊環(huán)節(jié)強制實名登記加以規(guī)范和記錄。這樣，在發(fā)生無人機事故時才可以清晰劃分制造商和無人機飛手責(zé)任。

2.難點二：無人機飛手規(guī)范和資質(zhì)管理

作為無人機的“飛行員”，無人機飛手決定了無人機的行動。應(yīng)該明確的是，在無人機活動中，無人機飛手一定是第一負(fù)責(zé)人。目前的無人機不安全事件多數(shù)都是人為因素，而其中很大一部分是無人機飛手對規(guī)章制度不明確、知識技能水平不夠、資質(zhì)能力不足。

3.難點三：低空監(jiān)視與現(xiàn)有空中交通管理融合

低空監(jiān)視與傳統(tǒng)空中交通管理有著很大區(qū)別。目前我國空中交通管理系統(tǒng)只針對有人駕駛航空器，是以雷達監(jiān)視為主，與飛行員建立面對面通訊的管理系統(tǒng)。而無人機在空域、性能、人員資質(zhì)、監(jiān)視手段、通信方式等多個方面都與傳統(tǒng)的空中交通管理不同。只有在規(guī)章制度、空管人員體系、監(jiān)視系統(tǒng)、通信手段等多方面共同發(fā)力，才能真正實現(xiàn)與現(xiàn)有空中交通管理的融合。

五、對非合作式無人機監(jiān)管的思考

(一)協(xié)同合作，共促無人機行業(yè)健康發(fā)展

由于無人機成本低、效益高、使用場景廣泛，我國無人機行業(yè)發(fā)展迅猛，但其涉及的安全、監(jiān)管和責(zé)任問題復(fù)雜多樣，目前無人機行業(yè)發(fā)展?fàn)顩r稱得上是一把“雙刃劍”。為了使無人機行業(yè)的發(fā)展健康、可持續(xù)，既在日常的生產(chǎn)經(jīng)營中產(chǎn)生效益，又不至于對生命財產(chǎn)安全構(gòu)成威脅，需要多部門共同合作，即加強工業(yè)與信息化部門、工商部門、民航局適航審定部門、空管、機場、民航科教部門、無人機制造商、銷售商等的交流溝通，以目的和結(jié)果為導(dǎo)向共同制定規(guī)章制度，加強各個環(huán)節(jié)的規(guī)范管理[12]。

(二)加強培訓(xùn)，減少人為所致的入侵事件

在民航界，“保證飛行安全的最后一道防線”時常被用來比喻飛行員。對于無人機而言也是一樣，無人機飛手掌握著無人機的運行權(quán)，對無人機的行動負(fù)直接責(zé)任。無人機飛手有義務(wù)了解無人機性能、運行條件、空中交通管理規(guī)定以及掌握無人機操作規(guī)范等。因此，應(yīng)當(dāng)把對無人機飛手的培訓(xùn)、資質(zhì)認(rèn)定作為一項重要工作認(rèn)真落實。國內(nèi)民航院校及民航培訓(xùn)機構(gòu)都可開設(shè)相應(yīng)的專業(yè)或培訓(xùn)課程，同時開展資格認(rèn)定，以滿足無人機飛手培訓(xùn)需求，對實際操作人員進行有效管理。

(三)融合非合作式無人機監(jiān)視技術(shù)，實現(xiàn)有效監(jiān)視

有效的監(jiān)視系統(tǒng)不應(yīng)該是割裂的。我國民用航空空域由中國民航空中交通管理局實施管理，因此無論是有人駕駛還是無人駕駛航空器，都應(yīng)由空管統(tǒng)一管理。近年來，低空空域的開放，使得通用航空真正實現(xiàn)了“飛起來、飛得遠(yuǎn)”， 所以融合合作式與非合作式無人機監(jiān)視技術(shù)、大型航空器監(jiān)視技術(shù)，可實現(xiàn)凈空區(qū)全方位24小時監(jiān)視，能更有效實現(xiàn)空域的合理利用和統(tǒng)一管理。在統(tǒng)一的空域中，特別是在凈空區(qū)等重要區(qū)域，融合的監(jiān)視手段能在威脅和沖突發(fā)生前，給出預(yù)判和預(yù)警，甚至能及時實施干預(yù)，確保凈空區(qū)的安全。