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低空无人机防御系统在智能体育馆中的应用探究


作者:转自智能建筑   |   发布时间:2020-04-16   |   点击数:101

1前言

近年来,随着社会经济的快速发展,我国体育事业蓬勃发展,体育比赛场馆的发展也逐渐向智能化靠拢。体育馆作为一个开放性的公共场所,由于人员活动区域相对分散、出入人员多、通道多、特定时间段人车密集等诸多因素给管理带来了巨大压力,同时也对安全防范工作提出了更高的要求。

目前,对体育场馆的安防工作主要集中在对进出入人员安全认证及高清视频监控等方面,往往忽略了场所的空域安全管控。但随着低空飞行器行业发展迅速,以“无人机”为典型代表的低空小型飞行器,由于具备成本低廉、操控简单、起降方便等特点,销售量和使用量持续上涨。如何预防未经允许的无人机非法进入体育场所,避免无人机危害社会公共安全成为亟待解决的问题,但常规的安保措施对此无能为力。因此,部署先进的低空小型飞行器入侵防御系统,保障体育场所的安全是非常有必要的。

智能体育场所进行低空小型飞行器管控具有先天的优势,由于智能体育场所能够自动集成物联网软件和硬件,进而系统性地学习用户行为,这给低空小型飞行器管控系统的植入奠定了基础,将管控系统与智能化管理系统相融合,与原有安防系统联动出击,能得到最优化的安防方案。

2情况分析

2.1地形分析

体育馆一般位于所在城市的中心区域,周围居民住宅区较多,人口密集,社会相对繁荣,且地势平坦,各类低空小型飞行器均可在此区域起落飞行,容易成为无人机飞行器爱好者的聚集地。而城市绿化所提供的树木、草丛以及城市中林立的楼宇又极易成为无人机的遮挡物,一般的消费级无人机和定点巡航类飞行器都可利用较短时间入侵体育馆。因此对以体育馆为中心5km内的区域都应该进行重点防护。

2.2目标分析

通常,有可能对体育场所造成威胁的低空小型飞行器大致分为两大类:第一类是具备通信上下行链路信号和导航信号的目标,即有源目标,如航模、无人机等;第二类是不向外发射任何信号的静默目标,即无源目标,如滑翔伞、热气球、孔明灯等,以及第一类目标中采用惯导飞行、图形匹配飞行的目标。针对这两类目标,应以不同的侦察与反制手段应对。对于前者可利用目标自身发射有信号的特点,配置频谱侦察设备,搭配多元化侦察手段,分布式自适应部署预警探测设备,立体防护。反制手段主要采用无线电软杀伤的方式,这样可避免对体育馆周围居民造成伤害与对场馆内以及周围区域电子设备的影响。并实行黑白名单管理,有效避免反制系统误攻击合作方摄影用的无人机。

对于第二类无信号源的目标,一旦入侵体育馆可造成的威胁较大,处置时通常遵循“预警侦察、机动拒止”的原则。由于该类目标机动性较差,滞空时间长,且目标的RCS比无人机大,因此防御系统其探测与跟踪性能较好,一般利用雷达预警、光电联动识别侦察目标,根据目标威胁等级,机动垂直起降攻击型无人机对目标进行物理拒止。

2.3功能分析

按照功能,低空小型飞行器管控系统主要包括指挥控制、通信传输、预警探测、监视识别和拦截处置五大部分。系统具备信息、设备、任务管理能力。能够分析处理和融合各类探测、识别、处置信息,形成综合空情态势,管理、调度各类系统设备协同工作,能自动完成预警探测、目标识别、威胁评估、目标拦截等完整的防御流程。

系统内利用预警信息自动引导光电设备对目标进行识别和处置,发现目标后,报警装置以声光警报的形式向监控人员发出入侵警报,将光电装置锁定跟踪的目标实时显示在指挥控制系统的工作站和大屏上,实时显示系统探测到的低空小型飞行器属性,并将其定位在地图上,显示探测目标经纬度坐标、高度、距离、移动速度、威胁等级、航迹及属性等信息。

拦截处置系统的各类设备可分别实现手动、自动模式切换功能。根据指控系统提供的防御策略,采用“自动处理为主,人工干预为辅”方式对入侵目标进行处置。当无人值守时,系统会根据预先设置好的预案进行执行,有人值守时,系统会提示应采取何种措施进行处理,以达到最优处理结果,减少误报警对监控人员的干扰。

3设备选址

整个低空小型飞行器入侵防御系统主要分为两大部分:前端的侦察反制设备以及后端的综合控制中心。前端侦察反制设备一般根据需求选址在场地内最高的建筑上,这是为了尽量使设备没有遮挡,实现360o覆盖,最大发挥其效能。若由于场地地形限制有比设备安置点更高的遮挡建筑,则应考虑架设补盲设备,通过合理加设设备弥补地形的缺点。由于雷达设备存在电磁辐射安全区的问题(小于10m),在选址时也应考虑,避免架设在离观众席较近或人员密集处。

4主要子系统

4.1雷达探测子系统

雷达由于其探测能力强、数据率高、探测精度高、自动化程度高,可同时适用于有源目标和无源目标的探测,常常用于侦察系统,作为整个管控系统的“千里眼”,对可能入侵目标进行显示。其定位原理是通过向外发射电磁波,接收目标反射的回波并对其进行解算实现目标探测。其外形如图1所示。

雷达侦察系统主要由天馈系统、射频组件、信号处理、数据处理及监控系统等部分组成。其工作的主要流程为:空域目标的雷达回波信号经由天馈系统收集,通过射频组件滤波、放大、降频处理后传递给信号处理板。信号处理板进行信号积累、杂波消除等工作,将处理过的雷达侦测目标角度、速度、距离、高度等信息上报给数据处理机及系统终端。图2是系统基本原理框图。

根据GB 8702-88《电磁辐射防护规定》要求,公共照射的导出限制为其功率密度不得超过2W/m2。根据相关公式及照射距离要求,一般在设备安装的10m之外为安全区,再加上楼宇的遮挡、电磁的衰弱以及雷达正常不会主瓣照射人体,因此在体育场所架设的雷达对人体基本无害,满足绿色辐射的要求。

4.2通信信号侦测测向子系统

通信信号侦测测向子系统由部署在侦测反制主站的前端设备和部署在系统指挥中心的操控终端组成,前端设备与指挥中心通过网络或者VPN虚拟专网通信,如图3所示。其前端设备采用高增益、宽空域的通信信号侦测天线,可检测区域内电磁频谱和快速捕捉目标信号,实现对无人机遥控和图传信号的侦测,并通过对目标通信链路信号的特征分析,实现目标分类识别,进而完成对目标的捕获发现、早期预警和属性识别等功能。

通信信号侦测测向设备可单站工作,实现目标角测向,也可通过多点布站的方式实现多站时差定位,定位精度相较于单站测向定位更高,在可视条件下,具有同时侦测空中目标和地面遥控设备所在位置的能力,实现追踪地面操作人。

定位原理为:以监测站为焦点,以时差对应的距离差为长轴做双曲线,双曲线的交点就是目标的位置。由于基于时差的定位方程非线性较强,近些年也涌现了很多相关的算法,考虑到定位目标为非合作目标无人机,无法获得其先验信息,K.C.Ho提出的基于时差的两步加权最小乘算法较为适用。该算法通过引入辅助变量伪线性化定位方程,并利用两步加权最小二乘对目标进行定位,具有速度快、精度高的优点。

硬件方面,侦测测向设备中最关键的是接收机,由于现在市面上的无人机多采用跳频通信,所以如何捕获低概率信号成为侦测的首要问题。为解决该问题,监测测向接收机应用了软件无线电的理论,并结合虚拟仪器的实现方法设计而成,是一种高性能接收机,主要由宽带数字信号处理模块、超短波微波接收模块、校正源和干扰本振源和电源组成。其中宽带数字信号处理模块是频谱感知的处理中枢,灵活集成阵列DSP技术与大规模FPGA技术,具有很高的处理速度和灵活性,可实现200MHz带宽的实时频谱处理,对跳频速率最高为25000跳/秒的跳频信号,捕获概率为98%

4.3双光谱监视识别子系统

双光谱监视识别系统集百万长焦高清摄像机、高性能制冷红外热成像仪、精密伺服转台、高精度跟踪模块等于一体,是一套机动性强、自动化程度高、能够长时间稳定工作的多波段精密探测成像设备,具备全方位、全时段、全天候发现、跟踪、识别和监视低空飞行目标的功能。系统既可作为独立使用,也可与雷达联动,实现对目标的快速发现和识别功能。

光电探测子系统应与反制系统指挥中心控制平台处于同一局域网内,与信息处理服务器通信,与体育场馆原有监控设备实现信息交互和数据融合,从而具备视频智能分析功能,可对视频监控区域出现的区域入侵检测、单相越界、双向越界等行为做出准确判断并发出报警信息。此外,通过基于实时视频流的人体姿态和行为识别技术研究,探索深度学习在目标自动检测和分类识别中的应用,经过大量的深度训练,优化现有模型,提炼参数精度,使系统具备对不同类型目标进行分类识别的功能,为用户提供目标属性提示,进而可为指挥控制中心的判断提供依据。

4.4电磁干扰系统

电磁干扰系统可以在指挥控制系统的引导下,通过产生特定的大功率无线电信号,对“低慢小”目标的卫星导航、遥控和图像传输信号进行全频段定向压制干扰,使入侵目标的卫星导航、遥控和图传等通信链路无法正常工作,迫使其返航或者降落,从而达到反制的目的。

电磁干扰系统主要由干扰发射设备、干扰天线以及云台共同组成。将其进行一体化设计并全部安装在可360度旋转并具备俯仰功能的云台上,根据侦测系统对无人机的识别与实时轨迹跟踪结果,干扰拦截设备进行自动角度对准,实现对黑飞无人机的干扰拦截。由于现有市面上的无人机卫星导航信号多在1.2G,遥控信号多处于2.4G,图传信号多采用5.8G频率,但不排除个人飞行爱好者私自修改信号频段,故干扰拦截设备应对300MHz6GHz全频段防护,重点对310M330M,423M443M,865M965M,1160M1285M,2380M2480M5775M5850M等多个频段进行干扰。

干扰压制设备固定部署站通过网线接入站点交换机,可利用VPN路由器与指挥分中心VPN防火墙构建虚拟专网,实现与操控终端通信,上报设备状态信息,接收控制命令后作出响应。电磁干扰设备在平时是处于电磁静默状态,当有无人机目标出现时,才会开启。

4.5导航欺骗系统

由于每台无人机的设定不同,在对无人机进行压制干扰后,无人机的应对模式不同,由于体育场所人员众多,若发生无人机失控或坠毁有可能造成人员受伤的情况。导航欺骗系统可模拟卫星导航信号在传播过程中存在的误差源和干扰,生成卫星导航诱骗信息,然后无缝侵入卫星导航通道,对无人机进行卫星导航诱骗和卫星导航通道压制。

基于导航卫星模拟信号导航诱骗技术的实现主要包括两大部分:虚拟导航系统的构建和无人机逆向控制策略至卫星导航信号的映射方法。前者就是利用多种技术方法虚拟构建一个无线电导航环境,其频率和编码均与某个异地实际GPS信号相同,GPS接收机就会接收这个异地位置坐标信息,从而达到欺骗无人机的目的。而后者则是通过模拟导航信号透射方式实现对无人机的精确控制,主要还是通过导航信号去影响控制系统,最终的实现对应于虚假点迹生成上,因此控制策略实现即为相对应的点位映射,进一步映射到飞控系统的采样率与卫星导航系统轨迹变化率上。

欺骗的最终目的是控制GPS制导的无人机,由于干扰机的信号强度要大于卫星信号强度,根据接收机信号基带处理的基本原理,接收机会忽略真实的卫星信号,而去捕获跟踪干扰信号,从而达到我们的最终目的。

4.6便携式干扰器

便携式无人机驱离设备,主要针对飞行状态下的无人机或者飞行航模进行强制管制,远距离切断无人机和遥控者之间的联系,由于其便携性,可由安保人员随身佩戴或放置在随行车辆上,在巡视场馆过程中通过该拦截仪可对无人机进行强制着落或者强制返航,保障区域内的低空空域安全。切断无人机和控制器之间的一切信号联络。无人机地面控制器接收不到航拍视频、图片。无人机无法定位,迫使无人机降落、悬停或返航。可达到1.5km的有效干扰距离,对数据链干扰频率范围包含但不限于2.4GHz2.5GHz5.725GHz5.850GHz

5防御流程

当“低慢小”目标入侵体育场馆时,频谱、雷达探测设备首先探测到有源及无源目标,给出目标经纬度坐标、高度、距离、移动速度、威胁等级、航迹等信息,管控系统在预警范围内发出预警警告,引导光电设备进行跟踪确认。经确认为入侵无人机时,反制系统应进入待命状态,若目标持续强行进入核心区域,即可开启压制设备或导航诱骗设备迫使无人机进行返航或迫降,随后警备室携带便携式干扰枪出动,根据无人机的具体动作,对无人机进行实时监控和控制。此外还可根据具体情况增加强光设备对入侵目标照射警告。

当多架无人机入侵的时候,管控平台会根据所有子系统上传的数据进行策略分析和威胁程度定级处置,优先打击威胁程度高的无人机。

6小结

近年来空域的管控产业不断发展,相关设备也不断完善进步,但由于实际环境的复杂性,每种侦察设备都无法保证百分百的发现率,如何通过将不同侦察手段获得的信息进行信息融合,得到正确率更高的判断结果及航迹跟踪结果,结合物联网的发展实现真正的智能空域安防建设,是以后低空小型飞行器管控的发展方向。本文浅述了现有的低空小型飞行器管控系统的实现方法与应用场景,相应的侦察、反制设备在不同智能场馆需求下都有着广阔的市场需求,对空域的进一步管控也将成为未来安防的重要一环。

【参考文献】

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