一種有效的民用無人機(jī)管控系統(tǒng)*

譚大倫，劉振河

（杰創(chuàng)智能科技股份有限公司，廣東 廣州 510663）

0 引 言

隨著消費(fèi)無人機(jī)的廣泛使用，一方面給人們的生活帶來了極大的便利，另一方面也給社會(huì)公共安全造成了嚴(yán)重威脅。涉及到無人機(jī)威脅國家安全、制造政治事端、威脅政要安全、威脅空中航道安全、威脅人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全、用于違法犯罪活動(dòng)以及侵犯公民隱私等諸多影響社會(huì)安全穩(wěn)定問題[1]。解決上述需求的辦法是建設(shè)一套空中無人機(jī)區(qū)域管控系統(tǒng)，對非合作目標(biāo)無人機(jī)實(shí)現(xiàn)“看得見、盯得住，打得著”的“三位一體”的有效防御監(jiān)管。

首先對系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行概述，隨后給出了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方案，并對各個(gè)模塊進(jìn)行了詳細(xì)的描述，給出了指揮管理平臺(tái)友好的人機(jī)交互界面，最后列舉本套系統(tǒng)的優(yōu)越性和可執(zhí)行性。

1 系統(tǒng)原理

無人機(jī)（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）管控可以分為兩類：一類是“無人機(jī)黑飛”，另一類是“黑無人機(jī)飛”，這是兩個(gè)不同的概念?！盁o人機(jī)黑飛”是普通消費(fèi)者在玩無人機(jī)時(shí)不聯(lián)網(wǎng)，不上報(bào)，好奇心等缺乏安全意識導(dǎo)致的問題飛行；“黑無人機(jī)飛”是具有專業(yè)技術(shù)，經(jīng)過改造，有意識的用無人機(jī)從事反治安、反法律的飛行。

無人機(jī)預(yù)警管控系統(tǒng)[2]由偵察預(yù)警系統(tǒng)、管控系統(tǒng)、指揮中心系統(tǒng)和訓(xùn)練測試配套系統(tǒng)四個(gè)功能模塊組成。通過對無人機(jī)偵察預(yù)警、管控系統(tǒng)設(shè)備組網(wǎng)，在偵察預(yù)警系統(tǒng)探測到無人機(jī)目標(biāo)信號后將該無人機(jī)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送至指揮中心系統(tǒng)，指揮中心發(fā)出聲光告警，并調(diào)動(dòng)跟蹤設(shè)備來實(shí)時(shí)獲取飛行目標(biāo)的圖像等參數(shù)，根據(jù)無人機(jī)意圖來調(diào)動(dòng)管控系統(tǒng)的設(shè)備，由指揮中心管理人員發(fā)出反制命令（也可設(shè)置為自動(dòng)反制模式，無需人員值守），對飛行目標(biāo)進(jìn)行精準(zhǔn)打擊，指揮中心還可以調(diào)動(dòng)現(xiàn)場人員追蹤無人機(jī)操作者。

無人機(jī)預(yù)警管控系統(tǒng)的功能示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能示意圖

2 設(shè)計(jì)實(shí)施方案

2.1 偵察預(yù)警系統(tǒng)

偵查預(yù)警系統(tǒng)包含（雷達(dá)探測設(shè)備、無線電探測設(shè)備、云哨探測設(shè)備、光電設(shè)備），完成無人機(jī)的發(fā)現(xiàn)，甄別出白名單無人機(jī)，偵察出非合作無人機(jī)的距離、方位、高度、運(yùn)行軌跡、遙控手位置、無人機(jī)ID，通過光電設(shè)備完成對目標(biāo)的空域瞄準(zhǔn)和聯(lián)動(dòng)，確認(rèn)無人機(jī)的視頻圖像并將結(jié)果上報(bào)指揮中心系統(tǒng)。以無線電探測設(shè)備為例：

無線電探測設(shè)備不對外發(fā)射任何無線電波，能360°被動(dòng)探測入侵的無人機(jī)，不影響周邊的電磁環(huán)境。現(xiàn)在主流的無人機(jī)主要工作在433 MHz、915 MHz、2.4 GHz、5.8 GHz頻段，上行基本采用跳頻模式、下行鏈路采用定頻突發(fā)或分段FM，通過對現(xiàn)有的主流無人機(jī)數(shù)傳鏈路進(jìn)行分析[3]，可以完成對其識別。

偵察結(jié)果實(shí)時(shí)引導(dǎo)反制信號在時(shí)域、頻域、空域（方位、俯仰）精確瞄準(zhǔn)，保證第一時(shí)間消除威脅。設(shè)備響應(yīng)迅速在不到10 s時(shí)間內(nèi)完成跳頻分析、跳頻參數(shù)（即跳頻持續(xù)時(shí)間、跳頻速率、調(diào)制和其他參數(shù)分析、識別、測向，并引導(dǎo)光電和反制設(shè)備跟蹤；最小突發(fā)持續(xù)時(shí)間=500 μs；最大跳頻器帶寬=2.5 MHz；最大實(shí)時(shí)帶寬=80 MHz。無人機(jī)測控鏈路偵察分析流程圖如圖2所示。

圖2 無人機(jī)測控鏈路偵察分析流程

2.2 管控系統(tǒng)

管控系統(tǒng)包含（固定式反制設(shè)備、便攜式反制設(shè)備、移動(dòng)手持式反制設(shè)備和凈空設(shè)備）。設(shè)備以無線電干擾壓制為手段[4]，干擾頻段：2.400～2.483 GHz， 5.725～5.850 GHz，1.559～1.620 GHz；對無序飛行、黑飛的低空、慢速、小型無人機(jī)進(jìn)行有效干擾和打擊，大大提升應(yīng)急處置和整體防控水平。以固定式反制設(shè)備為例：設(shè)備提前架設(shè)到需要保護(hù)區(qū)域，設(shè)備在偵察結(jié)果的引導(dǎo)下，通過指揮中心命令，自動(dòng)或者手動(dòng)對入侵無人機(jī)進(jìn)行精確干擾打擊，使無人機(jī)迫降或者返航[5]。

假如無人機(jī)全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）天線對地面干擾源增益為-40 dB，對天空的增益為-120 dBm，那么干擾信號經(jīng)GPS天線接收后其總功率Pr要高于-83 dBm，無人機(jī)距離地面10 0m，干擾發(fā)射機(jī)的天線增益為0，如果擴(kuò)頻增益為20 dB，則需要的發(fā)射功率是Pt：

根據(jù)自由空間損耗Lbf公式：

上述計(jì)算的意思是：如果干擾帶寬適中，則只需要2W的發(fā)射功率，就能干掉100 m范圍內(nèi)的無人機(jī)GPS。實(shí)測發(fā)現(xiàn)，0.01W功率的噪聲調(diào)幅配合增益為5 dB的天線，已經(jīng)能在100 m范圍內(nèi)干掉大部分品牌無人機(jī)的GPS。

遙控發(fā)射機(jī)已經(jīng)普遍采用跳頻、擴(kuò)頻技術(shù)，具有一定的抗干擾能力。那么只能用噪聲進(jìn)行全頻帶暴力覆蓋，防御者距離無人機(jī)為100 m所需功率為大約100 W。下行圖傳和遙測信號的干擾與遙控發(fā)射機(jī)干擾的性質(zhì)一樣。

2.3 指揮中心系統(tǒng)建設(shè)

指揮中心系統(tǒng)是無人機(jī)管控的核心，是由指揮中心平臺(tái)客戶端、指揮中心平臺(tái)服務(wù)端、航空地理信息系統(tǒng)（Areo Geographic Information System，AreoGIS）、指揮中心平臺(tái)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)總線構(gòu)成。在線飛行的無人機(jī)的飛行信息和通過偵測系統(tǒng)偵測到無人機(jī)飛行信息，匯聚到指揮中心平臺(tái)，從而掌握實(shí)時(shí)飛行架次，飛行高度、航向、地理坐標(biāo)等信息。支持無人機(jī)運(yùn)行大數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計(jì)與分析，包含平均飛行時(shí)長、飛行高度、安全飛行率、飛行量趨勢等，還可根據(jù)時(shí)段、無人機(jī)、用戶等不同條件對歷史飛行記錄自動(dòng)生成相關(guān)工作報(bào)表。當(dāng)有無人機(jī)進(jìn)入禁飛區(qū)，或超出飛行高度等限制時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警報(bào)提醒。針對違規(guī)飛行，結(jié)合用戶實(shí)名認(rèn)證信息，即可進(jìn)行溯源追查。其系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 指揮中心系統(tǒng)架設(shè)圖

指揮中心平臺(tái)客戶端：監(jiān)管客戶端是整套平臺(tái)的主要操作界面，用來查看實(shí)時(shí)目標(biāo)的態(tài)勢、支持人工的操作干預(yù)，以及操作調(diào)用跟蹤和管控設(shè)備的指令通聯(lián)。

指揮中心平臺(tái)服務(wù)端：它是整套防御解決方案的軟件系統(tǒng)核心，主要負(fù)責(zé)總線系統(tǒng)、數(shù)據(jù)接入路由、數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)發(fā)，用于管理傳感器設(shè)備，對各類傳感器設(shè)備的參數(shù)、部署位置、管理范圍進(jìn)行統(tǒng)一管理，同時(shí)對整套平臺(tái)的用戶和權(quán)限進(jìn)行統(tǒng)一管理，以及保護(hù)區(qū)域的范圍標(biāo)繪等。

指揮中心平臺(tái)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)總線：它是一套基于互聯(lián)網(wǎng)、城域網(wǎng)（局域網(wǎng)）網(wǎng)和應(yīng)用進(jìn)程之間，基于規(guī)范化的信息主題，實(shí)時(shí)訂閱、分發(fā)各類傳感器獲取的原始數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)通信總線系統(tǒng)。用來支撐將各類傳感器數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)中心并在各模塊之前進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。

AreoGIS：它是無人機(jī)航空地理信息服務(wù)系統(tǒng)，是一套基于離線發(fā)布的電子、衛(wèi)星、地形的地圖服務(wù)，支持局域網(wǎng)調(diào)用，支持點(diǎn)、線、面的電子圍欄的標(biāo)繪以及飛行地圖的展示支撐。

指揮中心平臺(tái)的系統(tǒng)顯示如圖4所示，給出了無人機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面，光電跟蹤畫面，設(shè)備安裝地理位置畫面，系統(tǒng)設(shè)置畫面。

圖4 指揮中心顯示圖

2.4 設(shè)備安裝部署

無人機(jī)預(yù)警管控系統(tǒng)經(jīng)過網(wǎng)關(guān)隔離與國家安全部門的專網(wǎng)連接，設(shè)備根據(jù)當(dāng)時(shí)的安裝環(huán)境可選擇全無線接入、全有線以太網(wǎng)接入、無線和有限混合接入方式進(jìn)行組網(wǎng)，考慮專網(wǎng)安全的同時(shí)也保證了整套無人機(jī)管控系統(tǒng)的正常工作?；旌下?lián)網(wǎng)接入示意圖如圖5所示。

圖5 混合聯(lián)網(wǎng)拓?fù)?/p>

按照圖5所示的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)拓?fù)鋱D，博鰲亞洲論壇會(huì)議會(huì)址的實(shí)際設(shè)備部署為例。整個(gè)保護(hù)核心區(qū)為1.5 km，布置有固定反制設(shè)備、便攜反制設(shè)備和光電設(shè)備，同時(shí)還有一臺(tái)全凈空設(shè)備備用；2.5 km的反制管控區(qū)域，次區(qū)域布置有無線電偵測設(shè)備、云哨偵測設(shè)備，一臺(tái)雷達(dá)設(shè)備備用；整個(gè)識別區(qū)域?yàn)?～8 km。在系統(tǒng)顯示的部署效果圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)部署示意圖

2.5 系統(tǒng)優(yōu)勢

無人機(jī)探測預(yù)警與管控系統(tǒng)有如下優(yōu)勢：

（1）全天候24小時(shí)自動(dòng)值班功能：全天時(shí)、全天候自動(dòng)跟蹤監(jiān)控目標(biāo)，可聚焦放大目標(biāo)監(jiān)控，達(dá)到自動(dòng)取證功能。徹底改變以往的事后查詢的狀況和完全由安防人員對監(jiān)控畫面進(jìn)行監(jiān)視和分析的模式。具有人員值班報(bào)警功能和無人值守自動(dòng)功能，自動(dòng)化程度高，可靠性高，效率高，能有效減少巡防和值班強(qiáng)度，做到事前發(fā)現(xiàn)和及時(shí)排查處理。

（2）可以跨地域管理：二級中心在不同的地域，允許各個(gè)地區(qū)的用戶同時(shí)對應(yīng)用進(jìn)行訪問，要求基礎(chǔ)架構(gòu)云平臺(tái)能夠調(diào)度跨數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施資源，可以通過策略在異地部署多個(gè)非關(guān)系數(shù)據(jù)庫，從而大大加快應(yīng)用在不同地域的訪問速度提高應(yīng)用的數(shù)據(jù)吞吐量?？梢愿鶕?jù)需要自助調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)服務(wù)的處理能力，實(shí)現(xiàn)跨地域的管理。

（3）易于擴(kuò)展：按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的開放兼容原則設(shè)計(jì)，優(yōu)先使用非專利開放技術(shù)和開源平臺(tái)的技術(shù)，能夠提供標(biāo)準(zhǔn)的外部接口。并且能夠針對用戶需求進(jìn)行個(gè)性化的定制服務(wù)。

3 結(jié) 語

無人機(jī)預(yù)警管控系統(tǒng)能夠?qū)?～8 km范圍內(nèi)的無人機(jī)進(jìn)行探測、分析，1.5 km以內(nèi)的無人機(jī)進(jìn)行識別、跟蹤和管控，整個(gè)系統(tǒng)秉承模塊化設(shè)計(jì)，高度集成，并可快速適配不同類型的探測、識別、反制設(shè)備。系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)際運(yùn)用在博鰲亞洲論壇會(huì)址，保證整個(gè)博鰲亞洲論壇會(huì)議期間不受非合作無人機(jī)打擾會(huì)議進(jìn)程，此系統(tǒng)方案成為全國民用無人機(jī)管控系統(tǒng)[6]的演示工程，為民用無人機(jī)管控提供了新思路，第二期項(xiàng)目實(shí)施正在進(jìn)行。