重要電力設(shè)施防止外來無人機(jī)管控系統(tǒng)研究

方鵬 張晨波 張振 陸德琳

摘 ?要：文章首先分析了當(dāng)前我國無人機(jī)監(jiān)管的現(xiàn)狀以及管控的必要性，然后介紹了現(xiàn)有的無人機(jī)監(jiān)測與反制方法，通過對比分析得出管控方案。無人機(jī)管控系統(tǒng)分為指控分系統(tǒng)、探測分系統(tǒng)、處置分系統(tǒng)、通信分系統(tǒng)，各個(gè)系統(tǒng)采用分布式組網(wǎng)架構(gòu)，起到良好的防護(hù)作用。

關(guān)鍵詞：電網(wǎng);無人機(jī);管控系統(tǒng)

中圖分類號：V355 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）35-0041-04

Abstract： This paper first analyzes the current situation of UAV supervision in China and the necessity of UAV control， then introduces the existing UAV monitoring and control methods， and obtains the management and control scheme through comparative analysis. UAV management and control system is divided into command and control subsystem， detection subsystem， disposal subsystem， communication subsystem. Each system adopts distributed networking architecture， which plays a good role in protection.

Keywords： power grid; UAV; management and control system

引言

無人機(jī)是一種特殊的航空器，在中國民用航空局制定的《輕小無人機(jī)運(yùn)行規(guī)定（試行）》[1]中，無人機(jī)被定義為“一架由遙控站管理（包括遠(yuǎn)程操縱或自主飛行）的航空器，也稱遙控駕駛航空器”。隨著科技的發(fā)展和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷進(jìn)步，民用無人機(jī)逐步進(jìn)入人們?nèi)粘Ｉ睿⒃谶b感、測繪、防災(zāi)減災(zāi)等工作中發(fā)揮出重要作用[2]。近年來無人機(jī)非法闖入的新聞事件出現(xiàn)爆發(fā)式增長，電力設(shè)施關(guān)系到全面的生活，是民生工程的重要環(huán)節(jié)，當(dāng)前隨著能源網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)送，人民的生活已經(jīng)離不開電力，若電力設(shè)施收到破壞，將極大擾亂人民的生活。同時(shí)，電力設(shè)施是生產(chǎn)環(huán)節(jié)不可或缺的一部分，對無人機(jī)的管控，將極大避免重要電力設(shè)施來自空中的威脅，將大大提高現(xiàn)有電力設(shè)施的安全防護(hù)水平。

1 緒論

1.1 我國無人機(jī)監(jiān)管現(xiàn)狀

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

2017年上半年已發(fā)生40余起無人機(jī)入侵電網(wǎng)造成線路跳閘等重大損失，隨著越來越多的國際國內(nèi)重要會(huì)議將在杭州召開，為了保障安全供電，防止無人機(jī)的非法入侵，通過在變電站加裝無人機(jī)低空入侵防范系統(tǒng)，提出經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)安全的安全解決方案，對保障電網(wǎng)的可靠供電具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[4]。

1.2 電力行業(yè)無人機(jī)監(jiān)管必要性

變電站實(shí)行無人值守后，變電運(yùn)檢人員對管轄設(shè)備也無有效監(jiān)視手段，無法實(shí)時(shí)掌握站內(nèi)設(shè)備狀態(tài)[5]。特別是火災(zāi)、防外破和設(shè)備損壞事故無法提前有效預(yù)防，同時(shí)因無監(jiān)視手段，運(yùn)維人員無法預(yù)判故障嚴(yán)重程度，需頻繁進(jìn)站檢查設(shè)備，在運(yùn)維班和變電站間反復(fù)往返，造成人力浪費(fèi)。進(jìn)行無人機(jī)監(jiān)管系統(tǒng)體系的設(shè)計(jì)，能夠大大加快變電站無人值守的進(jìn)程。按照“信息安全第一、功能先進(jìn)實(shí)用、界面統(tǒng)一友好、服務(wù)基層一線”的思路優(yōu)化提升監(jiān)控平臺(tái)和完善變電運(yùn)檢管理手段，實(shí)現(xiàn)運(yùn)維班對所轄無人值守站的主輔設(shè)備運(yùn)行信息全面采集、集中監(jiān)視、狀態(tài)判斷和運(yùn)檢作業(yè)全流程管控，切實(shí)承擔(dān)設(shè)備主人職責(zé)。

1.3 研究目標(biāo)

目前在變電站的防護(hù)設(shè)備上僅有視頻監(jiān)控措施，而對于無人機(jī)的防護(hù)卻無措施。本項(xiàng)目的目的是通過在國網(wǎng)變電站內(nèi)加裝低空入侵防范系統(tǒng)，用以提高電網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境的可靠性、降低新型技術(shù)對電網(wǎng)設(shè)備帶來的新的安全風(fēng)險(xiǎn)，降低設(shè)備故障率，滿足相關(guān)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和反措要求，保障電網(wǎng)設(shè)備的安全運(yùn)行。

2 無人機(jī)管控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

面對無人機(jī)帶來的各種威脅，除了制訂相應(yīng)的政策法規(guī)，還需要強(qiáng)有力的無人機(jī)反制技術(shù)手段來實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)的有效管控[6]。當(dāng)前，對無人機(jī)的反制主要分為兩個(gè)階段：一是對無人機(jī)的探測和識(shí)別;二是對無人機(jī)進(jìn)行反制，讓其迫降、返航或者引導(dǎo)其安全降落。本章從監(jiān)測和反制角度對現(xiàn)有無人機(jī)管控方案進(jìn)行了梳理，并進(jìn)行對比分析。

2.1 監(jiān)測角度下的管控系統(tǒng)方案分析

當(dāng)前常規(guī)的監(jiān)測手段主要有3種：光電、頻譜監(jiān)測、雷達(dá)，這三種手段各有優(yōu)缺點(diǎn)詳見表1。

2.1.1 基于光電技術(shù)的管控方案分析

無人機(jī)搭載光電探測系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的搜索與跟蹤定位[7]。光電跟蹤技術(shù)是以光學(xué)成像和圖像識(shí)別為核心的探測跟蹤技術(shù)，利用可見光或目標(biāo)的熱紅外反射，采用超視距、高清、透霧的可見光攝像機(jī)和紅外熱成像儀傳感器組合來進(jìn)行無人機(jī)探測。光電探測系統(tǒng)采用被動(dòng)工作模式，即由載荷操作人員選定感興趣的目標(biāo)區(qū)域，經(jīng)系統(tǒng)提取目標(biāo)輪廓，在保持穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)的同時(shí)，實(shí)時(shí)將角度測量數(shù)據(jù)傳回任務(wù)控制臺(tái)。通過光學(xué)成像、紅外成像、激光紅外成像以及熱成像技術(shù)采集無人機(jī)圖像進(jìn)行分析對比，從而判斷無人機(jī)型號、位置等。

2.1.2 基于頻譜檢測的管控方案分析

無線電頻譜探測技術(shù)主要是偵測無人機(jī)圖傳/遙控的無線電信號，具備探測精度高、環(huán)境適應(yīng)性好、探測距離遠(yuǎn)、無電磁輻射等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)對運(yùn)動(dòng)靜止目標(biāo)均能探測，能夠定位飛控手位置，識(shí)別目標(biāo)型號，精確引導(dǎo)干擾。對少數(shù)采用無線電靜默模式飛行的無人機(jī)無法探測。無人機(jī)與地面遙控者的“溝通”是通過遙控系統(tǒng)和數(shù)傳或圖傳系統(tǒng)進(jìn)行的，遙控系統(tǒng)負(fù)責(zé)把操作者的指令傳達(dá)給無人機(jī)，數(shù)傳或圖傳系統(tǒng)把相機(jī)的取景畫面、飛行數(shù)據(jù)等信息傳給操作者，兩個(gè)系統(tǒng)均采用不同頻率的無線電信號進(jìn)行傳送。

2.1.3 基于雷達(dá)技術(shù)的管控方案分析

雷達(dá)技術(shù)是一種非常成熟的探測技術(shù)，具備的優(yōu)勢有探測距離遠(yuǎn)、定位較精確、反應(yīng)速度快等，現(xiàn)階段雷達(dá)可以偵測和識(shí)別的最小無人機(jī)目標(biāo)范圍在0.006平方米到0.01平方米。但由于無人機(jī)材料具有透波特性，雷達(dá)散射面積非常小，在懸停或慢速移動(dòng)時(shí)，雷達(dá)難以識(shí)別，還無法辨認(rèn)風(fēng)箏、飛鳥和無人機(jī)的型號。隨著無人機(jī)技術(shù)的提升，微型無人機(jī)越來越小型化，極小型的無人機(jī)會(huì)被雷達(dá)誤認(rèn)為噪聲點(diǎn)而忽略掉。

2.2 反制角度下的管控系統(tǒng)方案分析

在反制方面，目前有采用硬殺傷、誘騙干擾技術(shù)及壓制干擾技術(shù)。這三種手段各有優(yōu)缺點(diǎn)詳見表2。

2.2.1 基于硬殺傷技術(shù)的管控系統(tǒng)方案分析

硬殺傷手段包括高能激光、常規(guī)導(dǎo)彈、氣壓彈、激光武器、微波武器、格斗型無人機(jī)等。硬殺傷手段效果明顯，但這些方式比較極端，運(yùn)動(dòng)瞄準(zhǔn)困難，且實(shí)戰(zhàn)瞄準(zhǔn)精度要求高、造價(jià)昂貴，無人機(jī)被擊毀后墜落可能會(huì)造成其他損失不可控，墜毀殘骸可能對地面建筑和人群造成二次危害，所以使用熱武器或激光炮直接摧毀無人機(jī)的方式在民用無人機(jī)行業(yè)幾乎不可行。

2.2.2 基于誘騙干擾技術(shù)的管控系統(tǒng)方案分析

誘騙干擾技術(shù)即仿真發(fā)射虛假衛(wèi)星導(dǎo)航信號，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航欺騙導(dǎo)致入侵無人機(jī)導(dǎo)航信息錯(cuò)誤而偏離目標(biāo)區(qū)域。誘騙干擾雖然發(fā)射功率小，但需24小時(shí)開啟，誘騙信號會(huì)直接影響防護(hù)區(qū)域所有導(dǎo)航設(shè)備的正常使用，同時(shí)誘騙信號只對無人機(jī)導(dǎo)航信號有影響，對于遙控操作的無人機(jī)起不到管控作用。

2.2.3 基于壓制干擾技術(shù)的管控系統(tǒng)方案分析

壓制干擾技術(shù)是通過發(fā)射同頻段電磁波信號，將無人機(jī)遙控信號（上行鏈路信號）以及導(dǎo)航信號淹沒在干擾信號中，導(dǎo)致無人機(jī)無法接收遙控信號和導(dǎo)航信號，可使無人機(jī)產(chǎn)生緩慢下降或就地返航的效果，壓制式干擾技術(shù)基本不會(huì)造成二次傷害，且效果明確，全天候適用，因其處置效果明顯，處置時(shí)間短，對周邊電磁環(huán)境影響較小，因此壓制干擾技術(shù)是目前反無人機(jī)行業(yè)絕大部分廠家采用的管制手段。

3 無人機(jī)管控系統(tǒng)的工作原理

基于檢測和反制角度下的無人機(jī)管控系統(tǒng)方案選取，我們將無人機(jī)管控系統(tǒng)分為指控分系統(tǒng)、探測分系統(tǒng)、處置分系統(tǒng)、通信分系統(tǒng)，各個(gè)系統(tǒng)采用分布式組網(wǎng)架構(gòu)，起到良好的防護(hù)作用。本節(jié)將從無人機(jī)管控系統(tǒng)、系統(tǒng)架構(gòu)以及系統(tǒng)工作流程進(jìn)行詳細(xì)分析。

3.1 系統(tǒng)組成

低空入侵檢測防護(hù)系統(tǒng)集目標(biāo)探測、跟蹤識(shí)別、指揮控制、打擊處置功能于一體，系統(tǒng)集成度高，適用性強(qiáng)，擴(kuò)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(hù)系統(tǒng)主要由探測分系統(tǒng)、干擾處置分系統(tǒng)、指控分系統(tǒng)以及通信分系統(tǒng)四部分組成，可根據(jù)不同任務(wù)配置組合分系統(tǒng)設(shè)備應(yīng)用于重點(diǎn)區(qū)域和大型活動(dòng)的低空安防，系統(tǒng)形態(tài)可呈現(xiàn)為固定式、車載式及便攜式，可有效應(yīng)對隨著低空空域開放及無人機(jī)廣泛應(yīng)用而日益增長的各類公共安全威脅。完備系統(tǒng)組成配置如表3所示。

3.2 系統(tǒng)架構(gòu)

察打一體反無人機(jī)系統(tǒng)采用分布式組網(wǎng)架構(gòu)，通過全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)化部署實(shí)現(xiàn)低空廣域覆蓋，提供豐富的API開發(fā)接口實(shí)現(xiàn)地面安防監(jiān)控系統(tǒng)無縫集成。低空入侵檢測防護(hù)系統(tǒng)采架構(gòu)如圖1所示。

3.3 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)構(gòu)建的防御態(tài)勢分為預(yù)警區(qū)域和拒止區(qū)域。在預(yù)警區(qū)域，探測前端發(fā)現(xiàn)識(shí)別入侵目標(biāo)、雷達(dá)設(shè)備遠(yuǎn)距離探測發(fā)現(xiàn)區(qū)分目標(biāo)、頻譜設(shè)備基于分布式部署實(shí)現(xiàn)目標(biāo)交叉定位，探測前端通過專網(wǎng)上報(bào)數(shù)據(jù)信息至指控分系統(tǒng)，指控分系統(tǒng)分析、解算及實(shí)時(shí)顯示無人機(jī)頻點(diǎn)、方位、距離等信息并啟動(dòng)入侵預(yù)警。當(dāng)無人機(jī)進(jìn)入拒止區(qū)域，指控分系統(tǒng)調(diào)動(dòng)干擾處置分系統(tǒng)設(shè)備對入侵目標(biāo)進(jìn)行干擾處置，處置完成后，指控分系統(tǒng)調(diào)動(dòng)探測前端確認(rèn)處置結(jié)果。系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

4 管控系統(tǒng)的防護(hù)策略

無人機(jī)防護(hù)策略是設(shè)計(jì)無人機(jī)管控系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，本系統(tǒng)采用完備的防護(hù)措施辦法，以確保重要電力設(shè)施安全不受無人機(jī)困擾與威脅。本節(jié)內(nèi)容就防護(hù)策略的基本原理、防護(hù)策略的基本流程、防護(hù)策略的基本方式來進(jìn)行介紹。

4.1 防護(hù)策略的基本原理

對無人機(jī)的發(fā)現(xiàn)是無人機(jī)無線電管控的首要步驟，只有在準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)、識(shí)別目標(biāo)的基礎(chǔ)上，才能有針對性地對目標(biāo)無人機(jī)進(jìn)行無線電管控。采用雷達(dá)探測和無線電監(jiān)測等技術(shù)發(fā)現(xiàn)疑似無人機(jī)目標(biāo)后，需要進(jìn)一步通過視覺辨認(rèn)、路徑識(shí)別等技術(shù)對目標(biāo)進(jìn)行確認(rèn)。確認(rèn)為目標(biāo)無人機(jī)后，下一步就是對目標(biāo)的定位測向，以實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)企圖的預(yù)測和持續(xù)追蹤?？梢蔁o人機(jī)被確定為管控目標(biāo)無人機(jī)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(biāo)無人機(jī)無法繼續(xù)工作。

4.2 防護(hù)策略的基本流程

系統(tǒng)防護(hù)策略如圖3所示。系統(tǒng)工作過程中，頻譜監(jiān)測設(shè)備實(shí)時(shí)進(jìn)行全空域掃描。當(dāng)發(fā)現(xiàn)無人機(jī)頻譜信號或無人機(jī)目標(biāo)后，主控計(jì)算機(jī)開始實(shí)時(shí)跟蹤無人機(jī)目標(biāo)軌跡。當(dāng)無人機(jī)進(jìn)入系統(tǒng)設(shè)置的防護(hù)區(qū)域時(shí)，主控計(jì)算機(jī)向反制主機(jī)發(fā)送開機(jī)指令，反制主機(jī)開機(jī)一段固定時(shí)間。若開機(jī)結(jié)束后目標(biāo)消失，主控計(jì)算機(jī)重新進(jìn)入掃描狀態(tài)。

4.3 防護(hù)策略的基本方式

反制設(shè)備的電磁頻譜干擾策略存在以下三種常規(guī)方式：

（1）阻塞飛控

無人機(jī)失控，但有GPS信號的情況下，如果設(shè)定了自動(dòng)返航，將會(huì)自動(dòng)上升到提前設(shè)定的返航高度，通過GPS信號返航到起飛地點(diǎn)自動(dòng)降落;如果未設(shè)定自動(dòng)返航，無人機(jī)將會(huì)懸停或緩降。工作頻率一般為2.4GHz和5.8GHz，部分無人機(jī)選用900MHz。

（2）阻塞GPS（含北斗，GLONASS）

無人機(jī)飛控正常，GPS信號不正常，無人機(jī)將會(huì)進(jìn)行手動(dòng)模式操控?zé)o人機(jī)，無人機(jī)姿態(tài)將會(huì)左右擺動(dòng)，不穩(wěn)定，但可以通過遙控器控制。工作頻率一般為1.15-1.65GHz。

（3）阻塞飛控&GPS

無人機(jī)失控，GPS信號也不正常的情況下，無人機(jī)將會(huì)失去控制，并且姿態(tài)左右擺動(dòng)，或朝某方向直飛，或緩降，或直接墜毀。

由于220kV云棲變電站內(nèi)有GPS對時(shí)設(shè)備，在阻塞無人機(jī)GPS信號的同時(shí)可能會(huì)影響到對時(shí)設(shè)備的正常工作。因此，反制動(dòng)作擬采用阻塞飛控的手段，迫使無人機(jī)返航或懸停。

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