要地防護反無人機系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

王詩年， 孫家平， 郭 琰

(南京電子技術(shù)研究所，江蘇 南京 210039)

小型無人機已在各行各業(yè)得到廣泛應(yīng)用，同時小型無人機飛行也給低空安全帶來巨大挑戰(zhàn)。商用及消費級小型無人機，購置成本低廉、易于獲取、操控智能簡單、使用機動靈活。一般小型無人機飛行高度在500 m以下，經(jīng)改裝后可達4000～6000 m，遙控最遠距離可達7000 m；一般裝載量為5～7 kg，即使“大疆”精靈無人機也可承載2～3 kg。這些小型無人機極有可能成為犯罪分子的工具，用于越境走私、販毒等犯罪活動，甚至?xí)豢植婪肿永?，通過搭載各類常規(guī)或生化爆炸裝置，對通信中心、交通樞紐、大型集會活動以及監(jiān)獄等重要政治、經(jīng)濟設(shè)施實施恐怖襲擊[1-10]。

現(xiàn)有的基于無人機飛控軟件的區(qū)域限制技術(shù)、無人機實名購買且ID唯一、無人機飛手考證等手段，有可能在管理層面避免無意的空域干擾。對于惡意無人機空域威脅，必須采用不依賴基于無人機飛控限制技術(shù)的方案，防止有人在破解、改裝無人機的情況下實施破壞行為。

本文提出一種基于多傳感器協(xié)同的要地防護反無人機系統(tǒng)，該系統(tǒng)針對小型無人機，集探測、識別、指揮、攔截于一體化，調(diào)度雷達、無線電偵測、光電紅外等多種探測手段協(xié)同工作，匯集處理多源探測信息，實現(xiàn)對小型無人機目標的盡早發(fā)現(xiàn)、快速識別、及時告警，分析判斷目標威脅情況，并進行干擾及攔截，從而保障城市、要地安全。

1 系統(tǒng)組成

要地防護反無人機系統(tǒng)由智能管控子系統(tǒng)、雷達探測子系統(tǒng)、光電紅外跟蹤子系統(tǒng)、無線電偵測子系統(tǒng)以及干擾處置子系統(tǒng)組成。

圖1 系統(tǒng)組成圖

智能管控子系統(tǒng)可實現(xiàn)雷達、光電紅外、無線電偵測等傳感器探測信息的接入、融合處理，形成綜合航跡，基于GIS一體顯示空情態(tài)勢與光電紅外視頻，并能實時監(jiān)視各設(shè)備工作狀態(tài)，對異常情況給予告警。

雷達探測子系統(tǒng)采用兩維相掃圓陣雷達，能對360°空域內(nèi)的目標進行搜索，相比機掃雷達，具有較高的數(shù)據(jù)率，最高可達0.2 s，能對小型無人機持續(xù)穩(wěn)定跟蹤，并可為光電紅外跟蹤識別提供引導(dǎo)信息，為干擾設(shè)備實施反制提供引導(dǎo)。

無線電偵測子系統(tǒng)在無人機開機后即可截獲遙控信號、圖傳信號，自動告警測向，并引導(dǎo)雷達對重點區(qū)域進行搜索，甚至能對無人機操控者測向。

光電紅外跟蹤子系統(tǒng)獲取的圖像分辨率高，易于辨識目標，低空/超低空偵察性能好，觀測可靠、直觀，探測跟蹤精度高，尤其在強電磁干擾和目標進入低角盲區(qū)等情況下仍能有效探測、跟蹤，具有不受電磁干擾、目標識別能力強等特點。

干擾處置子系統(tǒng)通過釋放遙控、圖傳、GPS定位信號實施壓制干擾，根據(jù)無人機控制策略，通過釋放不同信號的組合，可迫使無人機返航或迫降。

2 總體設(shè)計

2.1 體系架構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用場景與性能要求，采用客戶端/服務(wù)器模式架構(gòu)。系統(tǒng)體系架構(gòu)主要由硬件平臺、基礎(chǔ)層、服務(wù)層、應(yīng)用層構(gòu)成，如圖2所示。硬件平臺提供信息感知、通信網(wǎng)絡(luò)、計算存儲等設(shè)備要素，為系統(tǒng)信息獲取、處理、顯示提供支撐。數(shù)據(jù)層基于硬件平臺要素，提供航跡數(shù)據(jù)、地理數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)這三類數(shù)據(jù)。其中，航跡數(shù)據(jù)包括雷達三坐標航跡、光電紅外兩坐標航跡與視頻圖像數(shù)據(jù)、無線電偵測設(shè)備單站一維航跡與雙站交叉定位兩維航跡數(shù)據(jù)等；地理數(shù)據(jù)包括矢量地圖、影像地圖數(shù)據(jù)及各設(shè)備部署位置信息；基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括告警規(guī)則、無線電偵測設(shè)備的目標頻率樣本數(shù)據(jù)、光電紅外設(shè)備識別目標的圖像樣本數(shù)據(jù)等。服務(wù)層基于數(shù)據(jù)層要素，提供信息接入、信息處理、地理圖形等服務(wù)，為應(yīng)用提供各類信息和服務(wù)支撐。應(yīng)用層基于應(yīng)用場景，構(gòu)建綜合顯示、指揮控制、協(xié)同探測、威脅分析、調(diào)查取證等應(yīng)用。

圖2 體系架構(gòu)

2.2 工作流程

系統(tǒng)工作流程主要由多源異構(gòu)信息處理與顯示和智能管控組成，如圖3所示。

多源異構(gòu)信息處理與顯示流程主要包括數(shù)據(jù)接入、信息處理、態(tài)勢顯示、數(shù)據(jù)存儲與回放等。數(shù)據(jù)接入軟件分別接入無線電偵測子系統(tǒng)單站輸出的目標方位信息與雙站輸出的經(jīng)緯度信息，光電紅外跟蹤子系統(tǒng)輸出視頻信息與目標方位、俯仰信息，雷達探測子系統(tǒng)輸出的距離、方位、俯仰三維信息，并對各種航跡數(shù)據(jù)進行解析，轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一格式。多源異構(gòu)信息處理軟件通過時空配準、誤差校正等對數(shù)據(jù)進行歸一化處理，對單傳感器數(shù)據(jù)管理形成單站航跡，對異類傳感器數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)、融合為綜合航跡。態(tài)勢顯示軟件可同時同步顯示實時態(tài)勢與視頻圖像，并可根據(jù)圖層控制對單站航跡與綜合航跡的分層顯示。數(shù)據(jù)記錄與回放軟件對各類航跡數(shù)據(jù)與視頻圖像數(shù)據(jù)記錄并同步回放。

圖3 系統(tǒng)工作流程圖

智能管控流程主要包括多傳感器協(xié)同與自動告警。無線電偵測能夠盡早發(fā)現(xiàn)小型無人機目標方位，系統(tǒng)根據(jù)發(fā)現(xiàn)方向設(shè)置雷達重點搜索區(qū)域，進行重點搜索；雷達發(fā)現(xiàn)跟蹤目標后，系統(tǒng)根據(jù)綜合航跡控制光電紅外的云臺方位、俯仰，搜索跟蹤目標；光電紅外鎖定目標后，系統(tǒng)根據(jù)目標距離自動或半自動引導(dǎo)無線電干擾設(shè)備實施干擾。系統(tǒng)基于內(nèi)置的告警規(guī)則，依據(jù)目標距離、速度大小、目標屬性等信息，綜合判斷目標威脅情況，進行自動告警。

3 關(guān)鍵技術(shù)

要地防護反無人機系統(tǒng)集成的雷達、無線電偵測、光電紅外等傳感器應(yīng)用場景、作用距離、定位精度均不同。無線電偵測設(shè)備優(yōu)點在于能盡快獲取目標方位，雙站可實現(xiàn)交叉定位，而且能識別目標載頻甚至能識別常用商用無人機的型號，其缺點是定位精度較低，在復(fù)雜電磁環(huán)境下會有較高虛警。雷達能實現(xiàn)全天候全天時主動探測，定位精度、數(shù)據(jù)率較高，其缺點是不能判定目標類型。光電紅外能通過視頻圖像直觀形象地識別目標，其缺點是需要在雷達引導(dǎo)下搜索跟蹤，受天氣、氣候影響較大。為實現(xiàn)對小型無人機的早期預(yù)警、及時連續(xù)跟蹤、準確識別，需要多傳感器協(xié)同工作，優(yōu)勢互補，關(guān)鍵在于實現(xiàn)異類傳感器的數(shù)據(jù)融合處理與多傳感器協(xié)同探測[11]。

3.1 多傳感器數(shù)據(jù)融合處理

多傳感器數(shù)據(jù)融合處理包括同類多傳感器的融合與異類傳感器的融合，主要流程如圖4所示。同類傳感器的融合主要是多雷達組網(wǎng)融合，異類傳感器的融合主要是雷達與無線電偵測的融合、雷達與光電紅外的融合。

圖4 異類傳感器數(shù)據(jù)融合處理算法

多雷達組網(wǎng)融合是為了消除多雷達數(shù)據(jù)間可能存在的冗余和矛盾，提升探測精度，主要步驟包括剔除野值、時空配準、誤差校正、融合匹配、信息關(guān)聯(lián)等。采用“基準航跡關(guān)聯(lián)法”，根據(jù)各雷達精度，選取某一目標精度最高的雷達航跡作為基準航跡，將后續(xù)航跡與基準航跡進行關(guān)聯(lián)判斷[12]。

異類傳感器的融合主要在于取長補短、綜合印證、優(yōu)勢互補，屬性補全，擴展監(jiān)視空間，提高目標威脅分析能力，增強信息可信任度。異類傳感器的融合的具體規(guī)則為：① 雷達未掌握、無線電偵測掌握時，采用無線電偵測航跡；② 雷達掌握、無線電偵測設(shè)備未掌握時，采用雷達航跡；③ 雷達與無線電偵測同時發(fā)現(xiàn)目標時，優(yōu)先利用雷達航跡，同時采用無線電偵測識別的型號與載頻；④ 雷達與光電紅外同時跟蹤時，將雷達的距離與光電紅外的方位、俯仰進行解算融合。

一次試驗中，雷達與光電紅外融合前，綜合航跡的三維距離偏差平均值為39.7 m；雷達與光電紅外融合后，綜合航跡的三維距離偏差平均值為11.53 m，顯著提高了定位精度，如圖5所示。

3.2 多傳感器協(xié)同探測

多傳感器協(xié)同探測主要包括無線電偵測與雷達協(xié)同、雷達與光電紅外協(xié)同。無線電偵測遠距離對目標進行偵測，發(fā)現(xiàn)目標后，引導(dǎo)雷達設(shè)置搜索扇區(qū)，進行重點搜索，如果無線電偵測未發(fā)現(xiàn)目標，則雷達全空域搜索；雷達發(fā)現(xiàn)目標后，保持對目標的穩(wěn)定跟蹤，引導(dǎo)光電紅外控制云臺方位、俯仰進行搜索跟蹤；光電紅外鎖定目標后持續(xù)穩(wěn)定跟蹤，系統(tǒng)根據(jù)威脅情況引導(dǎo)無線電干擾設(shè)備實施干擾，流程如圖6所示，系統(tǒng)軟件界面如圖7和圖8所示。

圖5 多傳感器融合處理前后三維距離比較

圖6 異類傳感器協(xié)同探測流程

圖7 系統(tǒng)軟件界面主屏

圖8 系統(tǒng)軟件界面輔屏

通過無線電偵測與雷達的協(xié)同，雷達在無線電偵測方位信息的引導(dǎo)下，對重點區(qū)域進行搜索，可減少雷達搜索時間，提高發(fā)現(xiàn)概率，并且降低鳥類等其他“低慢小”目標造成的虛警；雷達與光電紅外的協(xié)同，能提升目標定位精度和綜合航跡數(shù)據(jù)率。

雷達與光電紅外協(xié)同的難點在于雷達的精度與光電紅外的視場角之間的矛盾引起雷達光電紅外協(xié)同失效。所采用的雷達測量精度為：方位≤1°，仰角≤2°(7°以上)，光電紅外的視場角方位為1°，俯仰為0.8°，雷達方位精度值與光電紅外方位視場角相當，在方位上能引導(dǎo)成功；雷達的俯仰角精度值大于光電紅外俯仰視場角，在俯仰上難以引導(dǎo)成功。采用“光電紅外俯仰扇掃”，即以雷達探測俯仰角度為基準，以光電紅外俯仰視場角的一半0.4°為步長，以雷達俯仰精度值為范圍，即[-2°,2°]的區(qū)間，進行俯仰扇掃，掃描一個完成的周期需要10個步長，光電紅外伺服機構(gòu)轉(zhuǎn)動一個步長進行一次識別耗時1.2 s，因此一次完整的扇掃時間為12 s，示意圖如圖9所示。經(jīng)過多次試驗驗證，在光電紅外觀測范圍內(nèi)，從啟動協(xié)同引導(dǎo)指令開始到光電紅外鎖定目標耗時為12 s左右，與理論計算時間一致。

4 結(jié)束語

本文綜合利用雷達、光電紅外、無線電干擾設(shè)備，提出了一種小型無人機探測、識別與反制的方法和流程，提出了多傳感器融合方法和規(guī)則以及雷達與光電紅外協(xié)同探測方法，經(jīng)過多次試驗驗證了該方法和流程的合理性與有效性。針對多傳感器數(shù)據(jù)融合策略還有待進一步研究，從而提升融合算法健壯性與冗余性。

圖9 光電紅外扇掃示意圖

該系統(tǒng)中采用了異類傳感器數(shù)據(jù)融合處理、多傳感器協(xié)同探測技術(shù)，實現(xiàn)了多傳感器接力探測與目標的連續(xù)穩(wěn)定跟蹤，為實施干擾提供了可靠引導(dǎo)，操作簡單，實戰(zhàn)性強。該系統(tǒng)已在2017年國家公祭日重大安保、某核電站低空防御中得到實戰(zhàn)應(yīng)用，并在國內(nèi)多次反無人機比賽中獲得優(yōu)異成績。