無人機綜合管控系統(tǒng)在大型站場的應(yīng)用

謝輝

（中國石油西南油氣田公司 通信與信息技術(shù)中心，四川成都，610000）

0 前言

近年來，我國無人機產(chǎn)業(yè)持續(xù)快速發(fā)展，無人機的應(yīng)用已經(jīng)滲透到國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域。從航拍、航測、線路巡檢、人工降雨、氣象探測到海岸邊境巡邏、安防監(jiān)控、緊急救援、飛行娛樂、應(yīng)急減災(zāi)、警情監(jiān)視等，處處都有無人機的影子。

隨著無人機應(yīng)用的不斷拓展，普及和大眾化，暴露出一些嚴重的安全隱患和管理漏洞，無人機擾航事件頻發(fā)，甚至被不法分子所利用，已經(jīng)對國家安全、公共安全和個人安全構(gòu)成了非常嚴重的現(xiàn)實威脅。急需一套成熟完善的無人機監(jiān)管機制和管理手段，適應(yīng)無人機低空空域飛行的安全管理。

1 實施背景

無人機的規(guī)范管理勢在必行。2019年7月1日由公安部治安局、反恐局共同參與編著的《石油石化系統(tǒng)治安反恐規(guī)范要求第1部分：油氣田企業(yè)》（GA551.1-2019）、《石油石化系統(tǒng)治安反恐規(guī)范要求第2部分：煉油與化工企業(yè)》（GA551.2-2019）、《石油石化系統(tǒng)治安反恐規(guī)范要求第3部分：成品油和天然氣銷售企業(yè)》（GA551.3-2019）正式頒布實施。在該規(guī)范要求中明確石油石化的重點單位應(yīng)部署反無人機主動防御系統(tǒng)，并且要求需滿足一下三個條件：信號發(fā)射功率應(yīng)小于或等于10mw；系統(tǒng)應(yīng)能24小時持續(xù)工作，無需人員值守；系統(tǒng)應(yīng)獲得國家認可的防爆合格證。

2 無人機綜合管控系統(tǒng)技術(shù)

系統(tǒng)以綜合管控平臺為信息處理核心，根據(jù)頻譜探測設(shè)備反饋目標信息，融合優(yōu)化處理后，智能分析并顯示出威脅程度高低排列的目標，操作手根據(jù)目標與環(huán)境情況，使用導(dǎo)航誘騙設(shè)備實現(xiàn)對目標的定向驅(qū)離。

圖1 無人機綜合管控系統(tǒng)整體架構(gòu)

■2.1 綜合管控平臺

2.1.1 系統(tǒng)功能

綜合管控平臺為一個B/S結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，該系統(tǒng)只需要有一個登陸賬號即可登陸對實時信息進行查看。系統(tǒng)能夠?qū)λ诳沼騼?nèi)的無人機進行敵我區(qū)分，將低空防御任務(wù)分為兩個部分：合法無人機的管控與黑飛無人機的防控。合法無人機相對而言可靠性、穩(wěn)定性、可控性更強。黑飛無人機因其具有各種不確定性，聯(lián)動前端探測和誘騙設(shè)備能夠?qū)σ寻l(fā)現(xiàn)的黑飛無人機進行處置、干擾，使其對保障空域的危險性降至最低。

2.1.2 系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)

采用前后端分離的技術(shù)棧形式，前端負責(zé)顯示數(shù)據(jù)，后端負責(zé)處理、存儲數(shù)據(jù)，前端和后端開發(fā)人員通過接口進行數(shù)據(jù)的交換。

前端技術(shù)棧融合采用Node.js、Vue.js、vuex、Webp ack、WebSocket、高德地圖為載體。

(1)通過 Node.js 搭建一個前端web服務(wù)器。

(2)通過Vue.js實現(xiàn)云平臺系統(tǒng)的網(wǎng)頁端功能，Vuex是一個專門為 Vue.js 應(yīng)用程序開發(fā)的狀態(tài)管理模式，使用插件的形式引進項目中，它能集中存儲和管理應(yīng)用的所有組件的狀態(tài)，并以相應(yīng)的規(guī)則保證狀態(tài)以一種可預(yù)測的方式發(fā)生變化。

(3)通過結(jié)合Vue與Vuex技術(shù)，就能夠更好地解決在應(yīng)用中狀態(tài)的共用問題的技術(shù)，基本上完善了前端的頁面功能。

(4)Webpack 是前端資源的模塊打包器，通過它對項目進行打包，能夠?qū)崿F(xiàn)項目的部署的簡潔性與保密性，而且云平臺系統(tǒng)作為一個安保系統(tǒng)，其安全的重要性也應(yīng)當(dāng)列入考慮當(dāng)中。

(5)WebSocket實現(xiàn)了Web的實時通信，使B/S模式具備了C/S模式的實時通信能力，對于云平臺所要求的信息實時性及系統(tǒng)性能有了很好的保證，高德地圖作為地圖界面載體。

后端技術(shù)棧融合采用SpringBoot、Hibernate為載體，有效幫助系統(tǒng)解耦，為大型分布式架構(gòu)打下基礎(chǔ)，開發(fā)分工明確，提升開發(fā)效率。

連接前后端：后端服務(wù)為前端提供一個統(tǒng)一的訪問入口（單獨部署一個服務(wù)）提供http服務(wù)供前端調(diào)用，實現(xiàn)前后端數(shù)據(jù)傳輸。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)示意圖

2.1.3 管控模塊

(1)用戶管理

權(quán)限組管理能夠按照指定的權(quán)限新增權(quán)限組，編輯相應(yīng)的權(quán)限組權(quán)限（是否有權(quán)限使用某些功能），并管理該權(quán)限組下的用戶，也可以刪除該權(quán)限組。

(2)無人機管理

對無人機信息進行登記，以便在執(zhí)行任務(wù)時能夠準確地識別無人機信息。同時管理合作的無人機廠商，無人機廠商管理可用于未來提供對于無人機管控的標準化分類。

(3)禁飛區(qū)管理

管理用于針對某次保障任務(wù)設(shè)置特殊的警戒區(qū)，配合地圖繪制禁飛區(qū)圖形，操作人員可以輕松管理禁飛區(qū)。

(4)日志管理

記錄系統(tǒng)運行中產(chǎn)生的警報記錄、登陸日志、操作日志、接口日志信息，日志記錄用戶的操作，程序的異常堆棧記錄，為數(shù)據(jù)分析提供依據(jù)。

2.1.4 系統(tǒng)安全管理

(1)數(shù)據(jù)庫安全

訪問控制，實施細粒度的自主訪問控制，訪問粒度為庫、表。訪問審計，能夠?qū)?shù)據(jù)庫的訪問行為進行審計，包括數(shù)據(jù)庫的連接、登錄、登出、創(chuàng)建、刪除等操作，數(shù)據(jù)庫表的創(chuàng)建、選擇、復(fù)制、導(dǎo)入導(dǎo)出等操作，滿足備份與恢復(fù)需求。

(2)數(shù)據(jù)文件管理

訪問控制，實施細粒度的自主訪問控制，訪問粒度為文件。

訪問審計，能夠?qū)?shù)據(jù)文件的創(chuàng)建、修改（含重命名）、復(fù)制、刪除、導(dǎo)入導(dǎo)出、打印等操作進行審計，具有備份與恢復(fù)能力。

■2.2 無人機導(dǎo)航技術(shù)

目前無人機常用導(dǎo)航信號GPS、BDS和GLONASS三種類型，無人機飛控頻段常在900M，1.4G，2.4G等頻段，以飛控和圖傳信號均工作在2.4GHz為例，飛控信號占用帶寬2MHz，持續(xù)時間短，頻點在各個信道間切換；圖傳信號占用10MHz，一段時間內(nèi)電平值和頻段較穩(wěn)定。上行鏈路飛控信號多采用跳頻（FHSS）+ 擴頻（DSSS）技術(shù)，傳輸穩(wěn)定性高，抗干擾能力強；下行圖傳鏈路采用 MIMO 多天線技術(shù)和OFDM 調(diào)制方式；下行圖傳鏈路實時監(jiān)測各信道干擾狀態(tài)，動態(tài)選擇最優(yōu)信道工作。

■2.3 無人機探測識別技術(shù)

目前，常用的無人機探測技術(shù)有目視偵查，聲波探測，圖像探測，電磁頻率探測，雷達探測等技術(shù)，從探測能力，自動化程度，環(huán)境適應(yīng)性上分析，電磁頻率探測和雷達探測符合需求，選用電磁頻率探測技術(shù)。

表1 常用探測識別技術(shù)對比表

作為無人機“神經(jīng)系統(tǒng)”的無線電遙控遙測設(shè)備在起飛后處于持續(xù)工作中并不斷向外輻射著無線電信號，這個可以作為偵測處置的切入點，系統(tǒng)采用無線電信號偵測手段截獲目標無人機的遙控信號，通過綜合分析處理，發(fā)現(xiàn)并識別目標，確定目標輻射源方位，發(fā)現(xiàn)無人機。

探測工作原理，無人機飛行過程中需要接收遙控器的遙控信號，同時遙控操作手接收無人機下行的圖傳信號，所有這些無線通信鏈路均會占用頻譜資源，無線電偵測設(shè)備通過信號檢測技術(shù)，就能夠從中提取出所關(guān)心的信號特征，并利用頻譜特征識別技術(shù)與建立的頻譜特征庫相比對，進而得到機型信息。

無人機信號特征數(shù)據(jù)庫的建立，通過對20M-6G頻段進行監(jiān)測，如果得到某個頻段所有信號的頻譜圖，然后根據(jù)信號的特征人為的觀察，無人機信號是很容易被分辨出的。再通過深度學(xué)習(xí)的方法構(gòu)建深度網(wǎng)絡(luò)來抽出信號特征實現(xiàn)對無人機信號的識別，建立無人機機型信號特征數(shù)據(jù)庫。

■2.4 無人機反制技術(shù)

目前無人機主動防御技術(shù)主要有：物理攻擊、電磁壓制、導(dǎo)航誘騙。

物理攻擊主要通過網(wǎng)捕、激光、電磁炮等方式對無人機進行處置，處置后容易形成二次傷害。電磁壓制產(chǎn)品以發(fā)射大功率無線電壓制信號對無人機的遙控及導(dǎo)航鏈路進行阻斷，實現(xiàn)迫降或者返航的效果。

表2 常用反制技術(shù)對比表

無人機導(dǎo)航誘騙技術(shù)通過輻射低功率再生導(dǎo)航衛(wèi)星信號（功率不大于10dBm），侵入“黑飛”無人機導(dǎo)航系統(tǒng)，從而實現(xiàn)對需要使用導(dǎo)航系統(tǒng)進行飛行控制的無人機的截獲控制，使其無法飛入受保護區(qū)域，保障該區(qū)域的低空安全。通過再生兩個頻率的衛(wèi)星導(dǎo)航欺騙信號，對采用衛(wèi)星導(dǎo)航定位的無人機接收的衛(wèi)星導(dǎo)航坐標信息進行欺騙式干擾，實現(xiàn)禁飛區(qū)投射或者區(qū)域拒止功能。

3 無人機綜合管控技術(shù)在大型站場應(yīng)用

以某凈化廠為例，廠區(qū)四周地形，平坦、開闊。東西長約1.6km，南北寬約1.3km。結(jié)合廠區(qū)地形地貌特征、工藝裝置區(qū)布置，以核心裝置區(qū)中心半徑500m區(qū)域作為重點防御區(qū)，其他區(qū)域作為一般防御區(qū)。

實現(xiàn)監(jiān)控區(qū)域3公里范圍內(nèi)無人機的探測及識別，500m范圍內(nèi)的絕對禁飛區(qū)。部署1套頻譜探測設(shè)備，3套導(dǎo)航誘騙設(shè)備，系統(tǒng)設(shè)備滿足有效作用距離大于500m，且信號發(fā)射功率≤10mW，有效防御角度360°，且視需可調(diào)為定向防御，滿足防爆、防雷、無線電設(shè)備認證等國家要求，具有相關(guān)資質(zhì)單位出具的證書。

系統(tǒng)互聯(lián)，組成一體化的解決方案，所有數(shù)據(jù)匯聚到綜合管控平臺，實現(xiàn)對整個防區(qū)的監(jiān)察，值班人員實時掌控周邊區(qū)域的無人機態(tài)勢，當(dāng)有目標無人機出現(xiàn)時，綜合管控平臺自動下達處理命令。

設(shè)定工作過程如下：無人機導(dǎo)航誘騙系統(tǒng)待機，頻譜偵測設(shè)備常開，頻譜偵測、預(yù)警、統(tǒng)計，報警后立即系統(tǒng)聯(lián)動開啟無人機導(dǎo)航誘騙系統(tǒng)工作，對無人機進行導(dǎo)航誘騙反制。

常規(guī)模式，可對入侵無人機實施導(dǎo)航誘導(dǎo)干擾；

巡檢模式，偵測設(shè)備與誘騙設(shè)備可聯(lián)動，360°全方位對無人機實時探測和識別，劃定探測區(qū)域。360°全方位對無人機實時防護，劃定防護區(qū)域。在頻譜偵測報警后，立即連鎖導(dǎo)航誘騙設(shè)備開機，快速區(qū)離無人機。干擾結(jié)束自動關(guān)停，對庫區(qū)人員定位巡檢設(shè)備、周邊車輛的導(dǎo)航無影響；

根據(jù)具體應(yīng)用情況，可實現(xiàn)無人機威脅方向機測向功能，并記錄、顯示無人機反制效果?？稍O(shè)置策略型主動防御，根據(jù)無人機入侵方向優(yōu)化生成驅(qū)離軌跡，避開重要建筑和人員密集區(qū)域，快速驅(qū)離無人機。

4 結(jié)論

綜上所述，在滿足現(xiàn)行國家規(guī)范的前提下，在大型油氣站場采用綜合管控系統(tǒng)對無人機進行管理，形成一套無人機智能管控系統(tǒng)非常重要。本著“無源探測、無人值守、零干擾”的理念，從硬件到軟件形成了一個完整的管理體系，深度應(yīng)用空間信息、信號處理、網(wǎng)絡(luò)安全、人工智能等技術(shù)，讓機器“能識別、會判斷”，促進低空安全技術(shù)應(yīng)用于安防領(lǐng)域，有效地幫助管理人員對目標空域有效地進行低空防御保障任務(wù)，為保障油氣田安全生產(chǎn)，穩(wěn)定社會環(huán)境起到積極作用。