無人機防御系統(tǒng)在水電站的應用研究

王 磊，吳 耀

(華電電力科學研究院有限公司，浙江 杭州 310030)

0 引言

水電站是電力系統(tǒng)的重要基礎設施，同時兼具防洪調度、水利灌溉等功能，屬于反恐重點保護對象。隨著中小型無人機研發(fā)與生產(chǎn)門檻大幅降低，輕小型民用無人機大量進入市場，未經(jīng)允許的“黑飛”無人機在水電站重要生產(chǎn)區(qū)域內時有出現(xiàn)，一旦其具有恐怖目的或者受強電磁干擾失控，引發(fā)大壩、升壓站、出線平臺、輸電線路等區(qū)域發(fā)生斷電、火災、爆炸等安全事故時，將嚴重影響電站和電網(wǎng)安全運行，并對電站生產(chǎn)人員和大壩下游人民生命安全產(chǎn)生嚴重威脅。為此，國家層面明確提出大型電力設施等高風險行業(yè)目標應部署無人機防范設備，以提高安全防范水平。

從國內外的研究來看，無人機防御技術包括無人機偵查探測和無人機反制兩部分[1-3]，其中偵查探測技術以“雷達+光電復合”最為成熟，反制技術則以數(shù)據(jù)通信干擾、衛(wèi)星定位干擾和控制系統(tǒng)接管等為主流。針對大型水電站復雜地形、復雜電磁環(huán)境，本文借鑒相關行業(yè)研究經(jīng)驗，提出了一種集雷達、頻譜、光電和干擾為一體的無人機防御系統(tǒng)，可對半徑3 km范圍內低空空域進行全天候、全方位不間斷監(jiān)測，智能識別重要生產(chǎn)區(qū)內滯空目標類型、身份，并自動預警、跟蹤與處置，能夠有效防御“黑飛”無人機入侵，全面提高水電站安全反恐水平。

1 無人機防御系統(tǒng)架構及功能設計

1.1 系統(tǒng)拓撲結構

無人機防御系統(tǒng)應用部署在水電廠安全III區(qū)的數(shù)據(jù)平臺或專用服務器上，通過統(tǒng)一數(shù)據(jù)服務總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、訪問、監(jiān)視、分析和預警。系統(tǒng)前端數(shù)據(jù)采集與處置系統(tǒng)包括雷達、頻譜、光電、干擾等設備，如圖1所示。

圖1 無人機防御系統(tǒng)拓撲結構Fig.1 Topological structure of UAV defense system

1.2 設備功能

1)雷達探測。對重點保護區(qū)域半徑3 km內進行有源探測，發(fā)現(xiàn)并跟蹤低空空域內低、慢、小目標無人機，確定目標位置、速度、航向，并將數(shù)據(jù)實時上傳至控制中心，引導光電系統(tǒng)、干擾系統(tǒng)或者誘捕系統(tǒng)進行干預。

2)頻譜探測。對重點保護區(qū)域半徑4 km內進行無源探測，不間斷監(jiān)測低空空域內無線電信號(無人機測控、圖傳及導航信號)，對無人機信號進行識別、特征分析和比對，若信號不在設置的白名單內，系統(tǒng)自動預警并引導雷達系統(tǒng)進行跟蹤。

3)光電干擾一體化。獲取重點保護區(qū)內域低空空域無人機等空中目標影像，并對目標進行處置。其中，光電設備根據(jù)探測雷達提供的目標信息智能實現(xiàn)目標探測、跟蹤、監(jiān)視、識別和記錄(可見光大于或等于2 000 m，紅外熱成像大于或等于1 000 m)；定向干擾設備根據(jù)指控系統(tǒng)命令，按照探測雷達提供的方位和角度定向發(fā)射電磁干擾信號(干擾距離大于或等于3 km)，對無人機通信鏈路進行干擾，實現(xiàn)“黑飛”無人機驅離或迫降。

4)頻譜干擾一體化。對重點保護區(qū)域半徑3 km低空空域進行無源探測和目標處置。其中，頻譜探測設備通過無源接收無人機與遙控器之間的通信信號探測、發(fā)現(xiàn)、識別入侵無人機；無線電干擾設備全向輻射與無人機遙控、圖傳、導航信號同頻率的電磁干擾信號，對“黑飛”無人機進行驅離或迫降。

1.3 軟件功能

1)綜合展示。展示水電站無人機防御的總體情況，包括系統(tǒng)設備部署、防護范圍、入侵類別、入侵次數(shù)統(tǒng)計等。

2)報警、預警。實時識別入侵無人機，顯示全局的“黑飛”無人機飛行路線、狀態(tài)和預警態(tài)勢，持續(xù)地收集情報，提供直觀的指揮界面；定制多級預警區(qū)，當無人機進入預警區(qū)域時系統(tǒng)發(fā)出聲光警報，同時探測、跟蹤及處置目標大于或等于1 000批；根據(jù)無人機威脅等級不同，優(yōu)先處置威脅等級高的無人機目標。

3)防護指揮。具有基于地理位置的可視化地圖信息；通過控制干擾裝置，對入侵無人機進行干擾打擊；與其他安全應急指揮系統(tǒng)聯(lián)動控制和指揮。

4)智能識別。根據(jù)采集的數(shù)據(jù)持續(xù)深度學習，不斷完善探測的無人機特征數(shù)據(jù)；在“黑飛”無人機報警的同時給出無人機的相關信息，輔助指揮人員作出處置決策。

5)設備控制及參數(shù)配置?？刂茀?shù)設置、計劃及臨時任務的下達；電源狀態(tài)、存儲狀態(tài)監(jiān)視等；遠程控制雷達設備、頻譜探測設備、光電取證設備和反制設備，實現(xiàn)多種異構設備的一體化高效協(xié)作。

6)系統(tǒng)管理。配置和管理系統(tǒng)的用戶角色和權限；數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)平臺或專屬服務器上長時間保存，可接入第三方存儲；具備探測軌跡回放功能，并能進行視頻取證存儲；根據(jù)時間、事件對存儲日志數(shù)據(jù)進行檢索，便于進行侵入行為分析和統(tǒng)計。

7)可視化要求。提供數(shù)據(jù)可視化效果庫，包括二維、地理信息組件、圖表組件、展示組件等；提供簡單易操作的方式，通過使用數(shù)據(jù)可視化效果庫，快速配置生成數(shù)據(jù)可視化圖表；可根據(jù)要求定制復雜的可視化圖表。

2 無人機防御系統(tǒng)應用

2.1 系統(tǒng)部署

某水電站主廠房、主變洞、調壓室等位于地下洞室群內，大壩、開關站、廠房入口、航道等重要生產(chǎn)建筑物及設備、設施分布于狹窄的河谷之間，地形、地質條件復雜。經(jīng)踏勘分析，“黑飛”無人機可能來襲方向為大壩上下游、航道東北以及開關站東南等方向，其中開關站受壩肩山體遮擋影響，形成孤立的可視低空空域。本著“經(jīng)濟高效，全局防御”的原則，選取大壩某表孔泵站為前端設備主部署點，覆蓋大壩上下游、廠房入口、航道東北等“黑飛”無人機可能來襲方向；在開關站樓頂增設一套頻譜干擾一體化設備，對開關站東南方向進行補盲，與前端設備主部署點形成互補(見圖2)；利用光纖通信實現(xiàn)前端設備與中控室無人機防御指控系統(tǒng)數(shù)據(jù)互通。

圖2 無人機防御系統(tǒng)組成Fig.2 Composition of UAV defense system

2.2 應用成效

該水電站無人機防御系統(tǒng)以多點部署的形式，實現(xiàn)了重要生產(chǎn)建筑物及設備設施全覆蓋，形成了低空空域全天候、全天時、全方位的不間斷監(jiān)測，以及全自動的“黑飛”無人機預警、跟蹤和打擊能力。無人機防御系統(tǒng)上線后運行穩(wěn)定(見圖3)，能夠在地形復雜、氣候多變等不利因素下，對半徑3 km范圍內低空空域滯空目標類型、身份進行自動識別，實時跟蹤和展示距離、方位、高度、速度等目標信息，智能分析“黑飛”無人機對重要生產(chǎn)建筑物及設備設施安全威脅程度，并發(fā)出入侵報警，根據(jù)打擊方式的設置對入侵目標進行手動或全自動驅離、迫降處置。

圖3 無人機防御系統(tǒng)功能界面Fig.3 Function interface of UAV defense system

3 結語

水電站事關人民生命財產(chǎn)安全，針對新形勢下“黑飛”無人機的安全威脅，本文研究提出的適應復雜地形、電磁環(huán)境的全方位、立體的無人機防御系統(tǒng)，在水電站進行了成功應用，能夠對“黑飛”無人機進行有效預警、驅離或迫降，全面提升了水電站安全防御等級，也為重要電力設施的安全防御、防恐怖襲擊提供了技術參考。