張進(jìn),薛德鑫,王奉甲
(1.江蘇自動化研究所,江蘇 連云港 222061;2.中國艦船研究院,北京 100101)
近年來,重點(diǎn)區(qū)域(例如機(jī)場、政府場所、重要港口等)頻繁出現(xiàn)無人機(jī)騷擾襲擊事件。2015年1月,美國華盛頓白宮證實(shí),執(zhí)法部門當(dāng)天發(fā)現(xiàn)一架小型無人機(jī)闖入白宮;2016年5月,成都雙流機(jī)場遭無人機(jī)逼停55架航班,對機(jī)場造成了重大經(jīng)濟(jì)損失。隨著低空空域的逐步開放以及商業(yè)無人機(jī)的日受青睞,重點(diǎn)區(qū)域遭受此類“低小慢”目標(biāo)的威脅將會越來越大[1-2]。因此,構(gòu)建重點(diǎn)區(qū)域無人機(jī)防控系統(tǒng)顯得尤為必要[3-5]。
目前,現(xiàn)有的無人機(jī)防控系統(tǒng)基本分為固定式防控系統(tǒng)[6]以及移動式防控系統(tǒng)[7-8]。固定式防控系統(tǒng)對設(shè)備的體積、重量約束比較小,因此系統(tǒng)的功能性能指標(biāo)一般較高,但是缺乏機(jī)動性,只能固定防御某一范圍內(nèi)的“低小慢”目標(biāo)。而移動式防控系統(tǒng)雖然機(jī)動性強(qiáng),但是由于載體空間有限,需要考慮設(shè)備的便攜性、安裝簡易性以及高度集成性,因此系統(tǒng)的功能性能指標(biāo)一般要低于固定式防控系統(tǒng)。上述2個無人機(jī)防控系統(tǒng)的優(yōu)劣勢正好互補(bǔ),針對此現(xiàn)象,本文構(gòu)建了一種新型無人機(jī)防控系統(tǒng),將上述2個子系統(tǒng)進(jìn)行高度有機(jī)集成,以此大幅度提升系統(tǒng)的功能和性能,此新型無人機(jī)防控系統(tǒng)的構(gòu)建在國內(nèi)尚屬首例。
目前,主流的無人機(jī)防控系統(tǒng)一般由探測識別分系統(tǒng)、指揮控制分系統(tǒng)以及打擊火力分系統(tǒng)組成[9-10]。新型無人機(jī)防控系統(tǒng)通過將固定式防控系統(tǒng)和移動式防控系統(tǒng)有機(jī)融合在一起,其基本組成包含2套探測識別分系統(tǒng)、2套指揮控制分系統(tǒng)以及兩套打擊火力分系統(tǒng)。
1.1.1 系統(tǒng)的組成概況
新型重點(diǎn)區(qū)域防控系統(tǒng)中的探測識別分系統(tǒng)主要由低空空域監(jiān)視雷達(dá)、低空小目標(biāo)探測雷達(dá)(移動車載系統(tǒng))、光電識別跟蹤設(shè)備、光電識別設(shè)備(移動車載系統(tǒng))組成。其中,兩型雷達(dá)設(shè)備是專為探測“低小慢”目標(biāo)研制而成,兩型光電設(shè)備主要用于對已經(jīng)捕捉的目標(biāo)進(jìn)行識別確認(rèn),判斷是否為敵對“低小慢”目標(biāo),以免造成誤傷。
新型重點(diǎn)區(qū)域防控系統(tǒng)中的指揮控制分系統(tǒng)主要由綜合控制設(shè)備和車載指揮控制設(shè)備組成。兩型指揮控制設(shè)備主要用于接收雷達(dá)設(shè)備的目標(biāo)信息,實(shí)時解算目標(biāo)的運(yùn)動要素,并指揮調(diào)度光電對已捕捉的目標(biāo)進(jìn)行識別確認(rèn),最后控制干擾打擊設(shè)備對敵對“低小慢”目標(biāo)進(jìn)行防控。
新型重點(diǎn)區(qū)域防控系統(tǒng)中的干擾或?qū)狗窒到y(tǒng)主要由導(dǎo)航通信干擾設(shè)備、定向干擾設(shè)備(移動車載系統(tǒng))組成。常見的反無人機(jī)技術(shù)包括硬毀傷技術(shù)、干擾技術(shù)以及偽裝欺騙技術(shù)[11]。其中,干擾技術(shù)由于其技術(shù)成熟且反制效率高,在反無人機(jī)領(lǐng)域被普遍使用。因此,新型無人機(jī)防控系統(tǒng)同樣采用的是干擾技術(shù)。
新型重點(diǎn)區(qū)域防控系統(tǒng)的具體設(shè)備組成,可以參考表1。
表1 系統(tǒng)組成與配置
1.1.2 系統(tǒng)各設(shè)備簡介
(1) 低空空域監(jiān)視雷達(dá)
低空空域監(jiān)視雷達(dá)為X波段采用分布式固態(tài)收發(fā)的近程多功能三坐標(biāo)雷達(dá),主要由有源天線、信息處理機(jī)箱、便攜式終端等組成。有源天線主要完成雷達(dá)激勵信號分布式發(fā)射和微弱回波信號的分布式接收、多通道高速數(shù)據(jù)同步傳輸、通道幅相精確修正、多波束數(shù)字波束形成(digital beamforming,DBF)合成等處理;信息處理機(jī)箱完成多通道信號處理和數(shù)據(jù)處理;便攜式終端主要用于完成雷達(dá)視頻顯示、整機(jī)操控、狀態(tài)顯示及故障檢測。
低空空域監(jiān)視雷達(dá)對于微型無人機(jī)(RCS=0.01 m2)最遠(yuǎn)探測距離能達(dá)到10 km,對于大型無人機(jī)(RCS=0.1 m2)最遠(yuǎn)探測距離能達(dá)到18 km,其中,RCS(radar-cross section)表示雷達(dá)散射截面積。具體設(shè)備如圖1所示。
圖1 低空空域監(jiān)視雷達(dá)
(2) 低空小目標(biāo)探測雷達(dá)
低空小目標(biāo)探測雷達(dá)采用Ku波段,由雷達(dá)收發(fā)陣面、伺服轉(zhuǎn)臺、處理與顯示機(jī)柜、總電源線纜、單模光纖線纜、架設(shè)工裝組成。
低空小目標(biāo)探測雷達(dá)對于微型無人機(jī)(RCS=0.01 m2)最遠(yuǎn)探測距離能達(dá)到5 km,對于大型無人機(jī)(RCS=0.1 m2)最遠(yuǎn)探測距離能達(dá)到8 km。具體設(shè)備如圖2所示。
圖2 低空小目標(biāo)探測雷達(dá)(車載系統(tǒng))
(3) 光電識別跟蹤設(shè)備
光電識別跟蹤設(shè)備由室外光電指向器(前端設(shè)備)和室內(nèi)顯控機(jī)柜(終端設(shè)備)兩大部分組成,兩者之間用室外電纜或光纜進(jìn)行連接,其中光電指向器采用地平式兩軸轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu),由電視成像單元、紅外成像單元、激光器、伺服控制組件及支撐平臺等部分組成。
光電識別跟蹤設(shè)備在天氣良好狀況下,對于微型無人機(jī)最遠(yuǎn)識別距離能達(dá)到5 km,對于較大型無人機(jī)最遠(yuǎn)探測距離能達(dá)到10 km。具體設(shè)備如圖3所示。
圖3 光電識別跟蹤設(shè)備
(4) 光電識別設(shè)備(車載系統(tǒng))
光電識別設(shè)備采用高清可見光攝像機(jī)和紅外成像儀,借助伺服機(jī)構(gòu),根據(jù)目標(biāo)指示信息手動或者自動捕獲并跟蹤無人機(jī)目標(biāo)。光電識別設(shè)備在天氣良好狀況下,對于微型無人機(jī)最遠(yuǎn)識別距離能達(dá)到2 km,對于較大型無人機(jī)最遠(yuǎn)探測距離能達(dá)到5 km。具體設(shè)備如圖4所示。
圖4 光電跟蹤設(shè)備(車載系統(tǒng))
(5) 綜合指揮控制設(shè)備
綜合控制設(shè)備主要由配電箱(3U,U為服務(wù)器外部厚度尺寸的單位,1U表示4.45 cm)、KVM(1U)、光端機(jī)(2U)、GPU服務(wù)器(4U)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)(2U)、重點(diǎn)區(qū)域防控軟件組成。能夠同時接收不小于32批目標(biāo)信息,并同時生成4類對抗設(shè)備的運(yùn)行參數(shù),并具有自動轉(zhuǎn)火設(shè)置功能。具體設(shè)備如圖5所示。
圖5 綜合指揮控制設(shè)備
(6) 車載指揮控制設(shè)備
車載控制設(shè)備主要由KVM(1U)、GPU服務(wù)器(4U)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)(2U)、配電箱(3U)等組成,具有信息接收、信息處理、人機(jī)交互、信息發(fā)送、信息顯示等功能。具體設(shè)備如圖6所示。
(7) 導(dǎo)航通信干擾設(shè)備
導(dǎo)航通信干擾設(shè)備由多功能二維轉(zhuǎn)臺、光學(xué)探測設(shè)備、多頻段無人機(jī)干擾設(shè)備和計算機(jī)控制與圖像處理系統(tǒng)組成。干擾頻段433 MHz~5.8 GHz,對于小型無人機(jī),干擾最遠(yuǎn)距離可以達(dá)到6 km。具體設(shè)備如圖7所示。
圖7 導(dǎo)航通信干擾設(shè)備
(8) 定向干擾設(shè)備
定向干擾設(shè)備由二維轉(zhuǎn)臺、光學(xué)探測設(shè)備、多頻段無人機(jī)干擾設(shè)備組成。干擾頻段900 MHz~5.8 GHz,對于小型無人機(jī),干擾最遠(yuǎn)距離可以達(dá)到5 km。具體設(shè)備如圖8所示。
圖8 定向干擾設(shè)備(車載系統(tǒng))
新型重點(diǎn)區(qū)域無人機(jī)防控系統(tǒng)采用開放式體系結(jié)構(gòu),模塊化設(shè)計,并采用一體化設(shè)計技術(shù),基于統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)配置和信息交換機(jī)制,各設(shè)備之間可以進(jìn)行信息共享,實(shí)現(xiàn)了信息集成一體化。其組織結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖9所示。
固定式防控系統(tǒng)和移動式防控系統(tǒng)都可以單獨(dú)完成對敵方“低小慢”目標(biāo)的防控任務(wù),兩者通過無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行信息傳輸,共同構(gòu)建新型無人機(jī)防控系統(tǒng)。2個子系統(tǒng)之間可以實(shí)現(xiàn)探測目標(biāo)信息共享、操控指令下發(fā)及防控效果反饋。系統(tǒng)的指揮控制設(shè)備,集目標(biāo)識別、威脅判斷、目標(biāo)分配、對抗設(shè)備控制功能于一體,實(shí)現(xiàn)了指揮控制一體化,充分發(fā)揮了體系效能。
1.3.1 系統(tǒng)主要功能
(1) 目標(biāo)探測識別功能
能夠?qū)崿F(xiàn)對“低小慢”目標(biāo)的探測和跟蹤,并通過光電視頻信息實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的識別確認(rèn)。
(2) 綜合態(tài)勢生成功能
指揮控制設(shè)備可以實(shí)時顯示探測系統(tǒng)已經(jīng)捕捉目標(biāo)的位置信息,并根據(jù)探測設(shè)備發(fā)送的目標(biāo)航跡實(shí)時解算目標(biāo)的運(yùn)動參數(shù),生成實(shí)時的綜合態(tài)勢。
(3) 對抗設(shè)備綜合控制功能
綜合控制設(shè)備可以實(shí)時控制導(dǎo)航通信干擾設(shè)備,對敵方“低小慢”目標(biāo)進(jìn)行防控,也可以下發(fā)操控指令給車載指揮控制設(shè)備,實(shí)現(xiàn)對定向干擾設(shè)備的控制。
1.3.2 系統(tǒng)主要特點(diǎn)
新型無人機(jī)防控系統(tǒng)將固定式防控系統(tǒng)和移動式防控系統(tǒng)的優(yōu)劣勢進(jìn)行互補(bǔ),因此不僅有效提高了系統(tǒng)的靈活性和機(jī)動性,也大幅提升了系統(tǒng)的各項(xiàng)功能和性能。系統(tǒng)的主要特點(diǎn)如下:
(1) 系統(tǒng)中的雷達(dá)設(shè)備專門針對“低小慢”目標(biāo),可以實(shí)現(xiàn)多批“低小慢”目標(biāo)的同時跟蹤,且系統(tǒng)中同時具有2部探測雷達(dá),可以起到相互補(bǔ)充、相互驗(yàn)證的作用。
(2) 系統(tǒng)中的指揮控制設(shè)備具有自動轉(zhuǎn)火功能,一次性分配多批目指后,可以實(shí)現(xiàn)對多批目標(biāo)的自動干擾打擊,提高了作戰(zhàn)效能。
(3) 系統(tǒng)可以分別或同時采用固定式防控和移動式防控系統(tǒng),提高了任務(wù)執(zhí)行時的靈活性、機(jī)動性。
新型無人機(jī)防控系統(tǒng)開機(jī)運(yùn)行后,由雷達(dá)設(shè)備進(jìn)行目標(biāo)的搜索和捕捉,捕捉到目標(biāo)以后,指揮控制設(shè)備調(diào)度光電設(shè)備進(jìn)行目標(biāo)識別確認(rèn)并實(shí)時生成對抗設(shè)備的運(yùn)行參數(shù),確認(rèn)為無人機(jī)后,指揮控制設(shè)備則控制對抗設(shè)備進(jìn)行干擾打擊,整個系統(tǒng)運(yùn)行流程如下圖10所示。
無線網(wǎng)絡(luò)通訊的方式有多種,新型無人機(jī)防控系統(tǒng)采用的是4G無線網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)[12],通過在固定式防控系統(tǒng)和移動式防控系統(tǒng)兩端各添加一個4G無線路由器,并共同連接華為云,在云服務(wù)器上進(jìn)行信息交換,實(shí)現(xiàn)固定式防控系統(tǒng)和移動式防控系統(tǒng)的無線通訊功能。
為保障傳輸過程中的數(shù)據(jù)的安全性,采用虛擬專用網(wǎng)絡(luò)(virtual private network,VPN)技術(shù),實(shí)現(xiàn)端對端的數(shù)據(jù)安全加密。4G回傳配合監(jiān)控系統(tǒng),可以實(shí)時將車載反制的實(shí)時畫面及語音傳輸給綜合指揮控制設(shè)備,綜合指揮控制設(shè)備可以實(shí)時觀察反制現(xiàn)場情況
若新型無人機(jī)防控系統(tǒng)在部署時,采用固定式防控系統(tǒng)與移動式防控系統(tǒng)防御區(qū)域相互重合的方式(如圖11所示),則相當(dāng)于新型無人機(jī)防控系統(tǒng)在防御重合區(qū)域內(nèi)同時擁有兩型防控設(shè)備(即:導(dǎo)航通信干擾設(shè)備和定向干擾設(shè)備),對任一敵對“低小慢”目標(biāo),可以隨意分配目指給兩型防控設(shè)備,對多批敵對“低小慢”目標(biāo),兩型防控設(shè)備可以進(jìn)行協(xié)同打擊,大幅度提升了系統(tǒng)的防控效果。
圖9 系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)
圖10 新型無人機(jī)防控系統(tǒng)運(yùn)行流程圖
圖11 重合式系統(tǒng)部署示意圖
尤其在當(dāng)前無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)越來越受到各國重視的情況下[13-15],上述新型無人機(jī)防控系統(tǒng)有效提高了作戰(zhàn)效能,在指揮控制設(shè)備自動轉(zhuǎn)火的設(shè)置下,可以短時間內(nèi)對多批敵對“低小慢”目標(biāo)進(jìn)行干擾打擊。
若新型無人機(jī)防控系統(tǒng)在部署時,采用固定式防控系統(tǒng)與移動式防控系統(tǒng)防御區(qū)域相互遠(yuǎn)離,但都在低空空域監(jiān)視雷達(dá)探測范圍內(nèi)的方式(如圖12所示),則綜合指揮控制設(shè)備可以將探測到的目標(biāo)信息發(fā)送給車載指揮系統(tǒng),發(fā)揮遠(yuǎn)程協(xié)助打擊的作用,尤其在低空小目標(biāo)探測雷達(dá)由于其他因素探測不到目標(biāo)時,遠(yuǎn)程協(xié)助打擊技術(shù)將起到關(guān)鍵性作用。
此部署方式另一大優(yōu)勢就是擴(kuò)大了防御范圍,固定式防控系統(tǒng)和移動式防控系統(tǒng)可以分別部署在2個重點(diǎn)區(qū)域,起到相互協(xié)同干擾的效果。
圖12 分離式系統(tǒng)部署示意圖
中國船舶重工集團(tuán)于2018年5月至2019年5月在寧夏中衛(wèi)沙坡頭機(jī)場,進(jìn)行了低空通航管理系統(tǒng)的建設(shè),目前正在試點(diǎn)應(yīng)用階段。新型重點(diǎn)區(qū)域無人機(jī)防控系統(tǒng)作為低空通航管理系統(tǒng)中的重點(diǎn)建設(shè)內(nèi)容之一,旨在保障低空空域的安全,對非法侵入低空空域的“低小慢”目標(biāo)進(jìn)行防控。
3.2.1 試點(diǎn)參與設(shè)備
新型重點(diǎn)區(qū)域無人機(jī)防控系統(tǒng)參試設(shè)備包括:低空空域監(jiān)視雷達(dá)、低空小目標(biāo)探測雷達(dá)(車載)、光電設(shè)備跟蹤設(shè)備、光電設(shè)備識別(車載)、綜合指揮控制設(shè)備、車載指揮控制設(shè)備、導(dǎo)航通信干擾設(shè)備以及定向干擾設(shè)備(車載)。
3.2.2 試點(diǎn)部署情況
為測試新型無人機(jī)系統(tǒng)的功能和性能,試點(diǎn)應(yīng)用中,新型無人機(jī)防控系統(tǒng)分別采用了重合式部署方式及分離式部署方式。重合式部署方式中,固定防控系統(tǒng)和移動式防控系統(tǒng)均部署在沙坡頭機(jī)場航管樓附近(圖13中的點(diǎn)1和2),主要負(fù)責(zé)航管樓、航站樓及航油基地等重點(diǎn)設(shè)施的低空安全。分離式部署方式中,固定防控系統(tǒng)部署在沙坡頭機(jī)場航管樓(圖13中的點(diǎn)1),移動式防控系統(tǒng)部署在重要的飛機(jī)航路上(圖13中的點(diǎn)3),主要負(fù)責(zé)飛行航路上的低空安全,具體部署情況如圖13所示。
圖13 試點(diǎn)應(yīng)用系統(tǒng)部署示意圖
此次試點(diǎn)應(yīng)用分別使用了2架大疆四旋翼無人機(jī),大疆精靈4(無人機(jī)Ⅰ)與大疆精靈4PRO(無人機(jī)Ⅱ),實(shí)物如圖14所示,共進(jìn)行了2種類型的試驗(yàn)。
試驗(yàn)1: 在沙坡頭機(jī)場附近同時起飛2架無人機(jī)(圖13中的點(diǎn)A和點(diǎn)B),模擬“黑飛”的敵對“低小慢”目標(biāo),試驗(yàn)主要針對的是重合式部署方式。
試驗(yàn)2: 在沙坡頭機(jī)場附近(圖13中的點(diǎn)C)以及飛機(jī)重要飛行航路附近(圖13中的點(diǎn)D)同時起飛,模擬“黑飛”的敵對“低小慢”目標(biāo),試驗(yàn)主要針對的是分離式部署方式。
圖14 試點(diǎn)應(yīng)用中使用的無人機(jī)
3.2.3 試點(diǎn)應(yīng)用效果
系統(tǒng)按照圖10中的運(yùn)行流程,開始進(jìn)行無人機(jī)防控工作。
對于試驗(yàn)1,首先,低空空域監(jiān)視雷達(dá)和低空小目標(biāo)探測雷達(dá)(車載系統(tǒng))同時工作進(jìn)行目標(biāo)捕捉,低空空域監(jiān)視雷達(dá)和低空小目標(biāo)探測雷達(dá)(車載系統(tǒng))在短時間內(nèi)都捕捉到了2架無人機(jī)目標(biāo),之后將目標(biāo)信息發(fā)送給綜合控制設(shè)備,綜合控制設(shè)備調(diào)度光電識別跟蹤設(shè)備對目標(biāo)身份信息進(jìn)行確認(rèn),確認(rèn)為無人機(jī)后由綜合控制設(shè)備給兩型干擾設(shè)備分配目指,最后干擾設(shè)備對無人機(jī)進(jìn)行干擾,多次的試驗(yàn)結(jié)果表明2架無人機(jī)均被成功干擾,被迫懸?;蚍岛剑晒w現(xiàn)了系統(tǒng)的多目標(biāo)協(xié)同打擊技術(shù)。
對于試驗(yàn)2,采取了2種方式,第1種方式中,低空空域監(jiān)視雷達(dá)和低空小目標(biāo)探測雷達(dá)(車載系統(tǒng))同時工作,低空空域監(jiān)視雷達(dá)在短時間內(nèi)就捕捉到了2架模擬“黑飛”的無人機(jī),低空小目標(biāo)雷達(dá)也在較短時間內(nèi)捕捉到了一架模擬“黑飛”的無人機(jī)(另一架不在搜索范圍內(nèi)),上傳目標(biāo)信息給綜合控制設(shè)備后,綜合控制設(shè)備調(diào)度光電識別設(shè)備進(jìn)行身份確認(rèn),確認(rèn)身份后,綜合指揮控制設(shè)備根據(jù)兩型干擾設(shè)備的打擊范圍,智能分配目指,由導(dǎo)航通信干擾設(shè)備對無人機(jī)Ⅰ進(jìn)行了干擾,定向干擾設(shè)備對無人機(jī)Ⅱ進(jìn)行了干擾,多次的試驗(yàn)結(jié)果表明均干擾成功。在第2種方式中,低空小目標(biāo)雷達(dá)不開機(jī)(模擬故障),車載指揮控制設(shè)備使用的是綜合控制設(shè)備發(fā)送的目標(biāo)信息,同樣實(shí)現(xiàn)了對無人機(jī)的干擾打擊,驗(yàn)證了遠(yuǎn)程協(xié)助打擊技術(shù)的有效性。
試驗(yàn)過程中,無人機(jī)被干擾后,操控畫面顯示如圖15所示(因試驗(yàn)次數(shù)較多,圖中只放了部分干擾畫面)。
圖15 無人機(jī)被干擾后的操控畫面
從圖15中可以看出,2架無人機(jī)被干擾后,無人機(jī)的操控畫面顯示飛行器未連接或開始返航等,表明干擾打擊成功。
隨著無人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,未來無論在民用或是軍用領(lǐng)域,無人機(jī)的使用將會越來越多,但同時給低空空域的安全帶來了更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。本文提出的新型無人機(jī)防控系統(tǒng)通過集成固定式防控系統(tǒng)和移動式防控系統(tǒng)于一體,將各自的優(yōu)劣勢進(jìn)行互補(bǔ),有效提高系統(tǒng)機(jī)動性的同時,大幅度提升了系統(tǒng)的功能和性能,是對反無人機(jī)系統(tǒng)領(lǐng)域的重要探索。
目前,國內(nèi)外反無人機(jī)系統(tǒng)正處于快速發(fā)展階段,但依然面臨著許多問題,例如,缺乏新型無人機(jī)對抗設(shè)備、系統(tǒng)建設(shè)成本高、無法有效應(yīng)對多批次蜂群式無人機(jī)攻擊等。在后續(xù)研究中,應(yīng)深入分析反無人機(jī)作戰(zhàn)的需求,密切關(guān)注蜂群無人機(jī)的發(fā)展,不斷提出新的反無人機(jī)作戰(zhàn)策略,同時也要不斷研制新的反無人機(jī)設(shè)備。