楊房溝水電站無人機防御系統(tǒng)技術(shù)研究與設(shè)計

麻全，王德兵，徐涵

(中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司,杭州,310014)

1 引言

近年來，隨著信息及科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，涌現(xiàn)出了諸多的智能化、無人化裝備，其中最具代表性的是消費類及工業(yè)級智能化無人機。無人機技術(shù)的普及，對水電站的地質(zhì)勘測及模式具有一定的積極意義，如利用無人機航拍技術(shù)實現(xiàn)工程量核算、險源的監(jiān)測及調(diào)查等[1-4]。然而，缺乏有效管控的無人機飛行也極易影響水電站的正常運行，甚至造成重大安全事故，如無人機襲擊事件，此類事件表明簡單的消費類無人機已成為了從事特殊目的活動的工具[5]。因此，在大型水電站附近對無人機進(jìn)行探測、識別與反制，已成為保障電站安全的緊急任務(wù)。

近年來，考慮到低空無人機對重點區(qū)域及重要場所的安全威脅，無人機防控系統(tǒng)正逐漸受到重視。楊迎等[6-7]調(diào)查了國外水電站的安保及反恐措施，提出了采用人防、物防和技防相結(jié)合的措施來提高水電站的反恐水平；宋寅[8]論述了建立低慢小目標(biāo)無人機防御系統(tǒng)的重要意義，并論述了防御系統(tǒng)各部分的組成及其功能；張進(jìn)等[9]通過結(jié)合集成固定式防控系統(tǒng)和移動式防控系統(tǒng)的優(yōu)勢，大幅提高了反無人機系統(tǒng)的性能；黃琦等[10]基于無人機偵測與反制技術(shù)，建立了低空防御體系以保障核電站低空區(qū)域安全。綜上所述，無人機防御系統(tǒng)目前已被廣泛應(yīng)用于各種場所及設(shè)施，通過合理設(shè)計的無人機防御系統(tǒng)來保障大型水電站的低空安全已成為可能。

本文以雅礱江楊房溝水電站為研究對象，基于無線頻譜定位探測技術(shù)設(shè)計了可實現(xiàn)無人機非法飛行偵測和反制的低空無人機防御系統(tǒng)，為楊房溝水電站的低空防御提供了保障。

2 低空防御系統(tǒng)設(shè)計

2.1 技術(shù)手段對比

低空無人機防御技術(shù)主要利用無線電、雷達(dá)、聲波、信號、激光等技術(shù)手段，干擾阻止無人機的正常運行，必要時甚至直接接管、擊落無人機。目前，無人機反制的偵測識別技術(shù)主要有雷達(dá)探測、無線頻譜測向、無線頻譜定位、光電探測和聲學(xué)探測等，表1對比了這5種不同無人機反制偵測識別技術(shù)的優(yōu)點及缺點。

表1 無人機反制偵測識別技術(shù)特點比較

表1統(tǒng)計結(jié)果顯示，雷達(dá)探測技術(shù)具有探測距離遠(yuǎn)、測量準(zhǔn)確的優(yōu)點，且技術(shù)成熟，然而對地面雜波較敏感，虛警率高且成本較高；無線頻譜測向技術(shù)優(yōu)點為部署簡單，探測距離較遠(yuǎn)，缺點為在測向精度不足的情況下無法跟蹤無人機，不能給出無人機距離，無法探測到無線電靜默的無人機；無線頻譜定位技術(shù)則部署簡單、探測距離遠(yuǎn)、測向精度高，且能給出無人機的三維坐標(biāo)，便于出警處置，但無線頻譜定位部署較無線頻譜測向探測復(fù)雜，同樣無法探測到無線電靜默的無人機；光電探測技術(shù)比較直觀，便于判別及處置，然而其受天氣因素影響很大、僅適用于視野范圍內(nèi)的探測、不能給出無人機的距離信息；聲學(xué)探測相對簡單且成本低，然而探測距離受限，且對環(huán)境噪音、氣象條件很敏感，易失效?？紤]到水電站實際情況，結(jié)合系統(tǒng)建設(shè)成本及無人機反制偵測技術(shù)識別精度、距離等因素，無線頻譜定位探測在水電站的低空防御中具有較大的應(yīng)用前景。

2.2 低空防御系統(tǒng)技術(shù)方案

根據(jù)楊房溝水電站工程布置，采用無線頻譜定位探測技術(shù)設(shè)計水電站低空無人機防御系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由無線頻譜定位偵測器、光電干擾一體機、電磁干擾打擊設(shè)備組成。系統(tǒng)拓?fù)涫疽馊鐖D1。

圖1 低空防御系統(tǒng)拓?fù)涫疽?/p>

無線頻譜定位偵測器通過無線電頻率掃描特征識別和解碼來偵測、定位非法入侵的無人機，可多站組網(wǎng)，通過時差無源定位算法獲取無人機的三維坐標(biāo)信息，跟蹤定向精度高。無線頻譜定位偵測器主要技術(shù)指標(biāo)如下：掃描頻段以主流頻段為基礎(chǔ)，可根據(jù)需求擴展至多頻段，偵測距離為10m～5000m，接受靈敏度≥-100dBm，無人機或操控者定位精度為20m～50m，掃描范圍為360°，連接方式為網(wǎng)絡(luò)連接。

光電干擾一體機可實現(xiàn)自動跟蹤目標(biāo)，截取圖像進(jìn)行識別，確定目標(biāo)之后發(fā)出告警提示，并自動開啟干擾設(shè)備。系統(tǒng)通過電磁壓制技術(shù)對目標(biāo)無人機進(jìn)行干擾打擊，迫使無人機原地懸停、降落或原路返航。整個系統(tǒng)為模塊化結(jié)構(gòu)，各頻段根據(jù)軟件平臺控制獨立工作，自帶GPS，能方便地組網(wǎng)部署。光電干擾一體機與管控平臺系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，可自動啟動干擾設(shè)備，并根據(jù)無線頻譜定位偵測器給出的無人機位置信息對無人機圖像進(jìn)行跟蹤和鎖定。光電干擾一體機的主要參數(shù)如下：高清攝像頭為200萬像素和23倍光學(xué)變焦，干擾頻段1范圍為2400MHz～2500MHz，(45±2)dBm，干擾頻段2為5725MHz～5875MHz，(43±2)dBm，干擾頻段3為1550MHz～1625MHz，(36±2)dBm，干擾頻段4為915MHz～928MHz，(43±2)dBm，轉(zhuǎn)動范圍方位角為0°～360°，俯仰-35°～65°，轉(zhuǎn)動速度為Max45°/s～60°/s，定位精度為±0.2°，干擾攔截距離可達(dá)1500m(2.4GHz/5.8GHz遙控圖傳)。

電磁干擾打擊設(shè)備作用半徑不小于500m，在無遮擋情況下可實現(xiàn)360°干擾，信號發(fā)射功率≤10dBm(mW)，工作頻段為民用無人機導(dǎo)航頻段。

圖2所示為楊房溝水電站反無人機系統(tǒng)部署方案示意圖，該方案包含無線頻譜定位偵測器4臺，分別部署在水電站周圍附近1km～2km的山體上，光電干擾一體機1臺、電磁干擾打擊設(shè)備1臺，部署在大壩右岸制高點上。

圖2 楊房溝水電站反無人機系統(tǒng)設(shè)備布置示意

楊房溝水電站防護(hù)目標(biāo)為地面開關(guān)站和大壩，且周圍山體較多。為實現(xiàn)精準(zhǔn)防御，以管代控，必要時拒止黑飛的目標(biāo)，系統(tǒng)采用三層防護(hù)圈對核心防區(qū)形成完全覆蓋，各防護(hù)圈的距離為1km，如圖3所示。規(guī)劃的三圈防御體系可形成全面的空中電子圍欄。當(dāng)黑飛無人機飛至預(yù)警區(qū)域時，系統(tǒng)自動告警，并同步追蹤目標(biāo)；而當(dāng)無人機飛至警戒區(qū)時，系統(tǒng)將自動對黑飛無人機實施驅(qū)離。

圖3 楊房溝水電站低空防御區(qū)域示意

此外，低空無人機防御系統(tǒng)實時監(jiān)控周邊約4km～5km的防區(qū)，隨時偵測無人機飛行位置及動態(tài)信息，一旦發(fā)現(xiàn)無人機進(jìn)入核心管控區(qū)域，則自動聯(lián)動反制設(shè)備進(jìn)行光電跟蹤和電磁干擾打擊，使得無人機失去控制返航或迫降。無人機反制過程中將會啟動光電設(shè)備全程進(jìn)行記錄，作為取證依據(jù)。

2.3 低空防御系統(tǒng)特點

水電站低空無人機防御系統(tǒng)采用到達(dá)時間差TDOA定位算法，通過測量無人機頻譜信號到達(dá)不同無線頻譜定位偵測器的時間，可以確定信號源的距離，能夠給出目標(biāo)無人機的具體位置，方便對目標(biāo)無人機進(jìn)行處置。系統(tǒng)工作時，各節(jié)點對無線電信號及光學(xué)實時采集并回傳至主控平臺，主控平臺對相關(guān)頻段進(jìn)行掃描。當(dāng)?shù)涂諢o人機目標(biāo)進(jìn)入防御區(qū)域時，對可疑信號進(jìn)行檢測，發(fā)出警告和目標(biāo)方位，聯(lián)動光電跟蹤設(shè)備，使其快速、高精度地跟蹤目標(biāo)，從而進(jìn)行視頻跟蹤并提取目標(biāo)特征信息。主控平臺根據(jù)反饋的無人機信息進(jìn)行判斷與評估，做出決策。利用光電跟蹤定向干擾打擊設(shè)備及全向電磁干擾打擊設(shè)備，根據(jù)預(yù)案自動對無人機實施打擊，或輔助相關(guān)人員利用手持式電磁干擾打擊設(shè)備進(jìn)行打擊抓捕。

此外，本系統(tǒng)還具有以下特點：能描繪目標(biāo)無人機的軌跡，對無人機全程飛行進(jìn)行監(jiān)視，進(jìn)而判斷其危害程度；有利于構(gòu)建層次化防區(qū)，并采取不同等級的攔截措施；定位精度足以引導(dǎo)光電跟蹤，對無人機掛載進(jìn)行可視化判斷，便于決策；系統(tǒng)易于組網(wǎng)，可獲取無人機精準(zhǔn)位置信息；24小時無人值守，可對區(qū)域內(nèi)的無人機進(jìn)行選擇性管控，能區(qū)分合法與非法無人機，并可對無人機非法飛行進(jìn)行監(jiān)管。

3 結(jié)論

本文對比分析了不同的無人機反制偵測識別技術(shù)的特點，結(jié)合楊房溝水電站工程樞紐布置，采用無線頻譜定位探測技術(shù)設(shè)計了水電站低空無人機防御系統(tǒng)。劃分了三層防護(hù)區(qū)，系統(tǒng)對核心防區(qū)進(jìn)行全面覆蓋，能夠精準(zhǔn)確定目標(biāo)無人機及操控者的位置，對無人機進(jìn)行自動追蹤、警告及驅(qū)離，滿足楊房溝水電站的低空防御要求。