低慢小无人机的威胁与探测技术
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  • 2020-07-28

      摘要:近年来低慢小无人机的大规模应用,给低空公共安全带来了新的挑战。从低慢小无人机的危害出发,首先通过实例介绍了无人机发展小型化和智能化的趋势。然后探讨了城市环境下主流目标探测技术在低慢小无人机探测上的优缺点,并介绍了实用性较强的一类低慢小无人机无线电探测技术,分析了该技术的核心评价指标。

      一、低慢小无人机危害

      近年来,以“低慢小”为特点的民用无人机(以下简称低慢小无人机)技术发展迅猛,在世界各地各行业广泛应用。低慢小无人机是指具有“低空飞行、飞行速度较慢、不易被雷达发现”等全部或者部分特征的航空器,飞行高度一般在1500m以下,飞行速度小于200km/h,雷达反射面积小于2m²,难发现、难捕捉、难应对的一类无人机,其对重要目标的空防安全形成了极大威胁。低慢小无人机简易轻便、价格低廉、功能强大,可由地面遥控操作实现拍照、喷洒、抛投、窃听、抛撒和悬挂等功能。这些功能若被非法分子和极端人士利用,不仅对社会公众带来安全隐患,更对世界各国的反恐和安全形势带来了很大挑战。

      最近一段时期,不断有ISIS、基地组织等国际恐怖组织利用无人机进行恐怖、破坏活动甚至作为战场武器的消息。

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      ISIS对其组织成员公开进行无人机恐袭培训,伊拉克fan政府武zhuang利用中国产的普通民用无人机搭载自制炸弹将政府军的悍马装甲车精确炸毁,乌克兰两次军火库爆炸均已经官方证实是由民用无人机携带燃烧弹引起,可见其危害之大。如果说乌克兰或者伊拉克是由于战乱以及政府和部队安全机构防范工作不利造成损失,那么近年来在美国白宫、日本首相官邸、里约奥运会主会场这些高规格安保场所同样发生了多起无人机入侵甚至携带放射性物质的事件,就足以说明无人机的防范之难以及对安全的危害之大。

      在我国,低慢小无人机的大量非法使用更是严重威胁到公众安全和国家安全。由于低慢小无人机市场的飞速发展以及监管盲区的存在,低慢小无人机越来越多地被不法分子用于犯罪目的。例如:2017年成都双流国际机场短期内连续发生多起不明低慢小无人机“黑飞”事件,累计影响近百架次航班的起降以及上万旅客的正常出行。

      目前,低慢小无人机的威胁主要有以下几个方面:

      (1)拍照与窃听:无人机挂载航拍摄像机和定向拾音麦克风可以在高空偷窥和窃听,对百姓生活和一些涉及国家秘密的机构单位产生严重威胁;

      (2)投掷危险物品:目前小型无人机的负载可达几十公斤,如果携带小型炸弹、燃烧弹和危险化学品等,将会对公众安全带来严重威胁;

      (3)影响民航起降:无人机非法在机场等附近飞行,严重影响正常飞行秩序,甚至影响乘客和机组人员的安全;

      (4)参与边境走私贩毒等违法活动:通过小型无人机在边境走私货物甚至毒品,将会威胁边境秩序,影响国内市场和人民群众生命健康安全;

      (5)进行反动宣传:极端分子利用无人机散播传单和悬挂反动标语等,严重影响社会正常秩序和国家形象。

      二、低慢小无人机威胁发展趋势

      低慢小无人机对公众安全和国家安全具有很大的威胁性,目前其主要发展趋势是小型化和智能化。

      挪威Prox Dynamics AS 公司开发了一种昆虫无人机PD-100型纳米无人机,重量仅16g,内置3个摄像头,可以携带小型普通摄像机和红外线摄像机进行拍照摄像活动,通过无线传输视频提供实时情报。这种无人机的飞行速度达20英里/小时,每次充电可飞行20min~25min,单程最大飞行距离1.2km,通过PD100套件提供的7英寸大小的移动通讯装置接收图像和视频,套件还包括一台充电设备和一个遥控器。它有两种操控模式,一种为普通模式:通过地面遥控的方式进行活动,第二种为自动模式:通过GPS按照预定设置好的区域或者路线飞行。肉眼在9m以外几乎看不到这种昆虫无人机,由于体积甚小,甚至小到可以轻松放入士兵的口袋中,可谓是间谍利器。美国陆军曾经购买了两台这样的设备用于测试,澳大利亚陆军士兵也在训练中使用了PD-100型无人机。

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      2017年11月举办的联合国特定常规武器公约会议,有超过70个国家的代表出席。在该会议上,伯克利大学教授、资深A研究者Russell 公布了一段十分骇人的视频:一群形似“杀人蜂”的微型无人机冲进课堂,通过人脸定位瞬间杀死了一群正在上课的学生。视频中,这种形体类似杀人蜂的无人机内置各种传感器、广角摄像头、支持面部识别,同时装载3g炸yao。此外,它还具有反狙击技术,完全基于AI,可轻易躲避人的抓捕。通过面部识别技术,该无人机可快速锁定猎杀目标,对准额头一击致命.Russell 警告,尽管这种杀人无人机并非真实应用,但其所需科技目前已经存在。试想一下,一旦这种武器落入不法分子手中,后果将不堪设想。

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      虽然还面临电池续航、抗风能力和传感器小型化等难题,但是考虑到其巨大的应用价值,小型化和智能化仍将是低慢小无人机不可阻挡的发展趋势。这种发展趋势,也势必会进一步加大低慢小无人机探测的难度。

      三、低慢小无人机探测技术分类

      近年来各国政府对低慢小无人机潜在安全威胁的担忧日益加剧。防范、处置“低慢小”目标肇事已成为日常维护空防安全和空中飞行秩序的重点课题,同时低慢小无人机探测技术的新市场也正在迅速崛起。

      2017年9月,公安部装备财务局和公安部特种警用装备质量监督检验中心在连云港举办了低慢小无人机探测拦截装备现场实测,参加测试的共有国内91家单位的122台(套)设备,按参试设备的技术路线分为探测(雷达、光电)系统、无线侦测定位设备、压制式(定向或全向)干扰设备、欺骗干扰设备、毁伤(网捕或激光)设备以及上述技术集成系统。

      针对全球范围内的低慢小无人机探测技术,通过调研并结合相关资料,按照探测技术的不同进行如下分类:

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      从表1可以看出,现有无人机探测技术呈现出种类繁多、技术多样化等特点。

      四、低慢小无人机探测方案

     现有无人机探测技术大多基于对空目标探测设备的改进和升级,在军事和国民经济领域也有应用,但在城市环境下仍然存在一些问题,具体如表2所示:

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      从表2给出的不同探测技术特点不难看出,城市环境下相对较为可行的探测方案为无线电探测(也称射频RF探测)方案,该类设备对人体辐射小、可全天候工作且方便与拦截设备联动使用,不过现有市场90%以上的该类设备都存在可探测无人机类型较少的缺点。

      无线电探测技术是指利用单个或多个探测站,探测站本身不主动发射信号,只是被动接收来自目标的辐射源信号对目标进行测向和定位。根据目标辐射源类型的不同,将该技术分为三类:(1)基于到达角(Angle of Arrival ,AOA)测向定位方法,(2)基于时延差(Time ofArrival ,TOA)测向定位方法,(3)基于第三方辐射源测向定位方法。AOA技术和TOA技术接收的信号质量高,对目标具有较好的测向和定位跟踪效果。但当目标处于无线电静默(不发射无线电信号)时,无法实现对目标的定位,此外TOA技术需要无人机信号同时到达四个站以上才可以给出三维信息,只适合信号通视条件较好的固定区域使用。基于第三方辐射源的无源相干定位系统通过接收卫星、数字电视、调频广播等第三方非合作辐射源的直达信号和无人机目标反射或折射信号来实现目标定位,可以解决无人机目标无线电静默条件下的测向定位,但城市环境下信号环境复杂,第三方辐射源质量较差,导致测向定位距离较近且精度较差。综上所述,本文仅考虑分析基于AOA体制的无线电测向技术,以下简称AOA技术。

      低慢小无人机和常规无人机都需要使用无线链路进行远程控制和视频数据回传,其中超过90%的无人机使用S频段(2.4Hz、5.8gHz以及900MHz等通用频段)。因此,只要事先对设备进行学习和训练即可利用AOA技术发现对应频率的低慢小无人机。

      从设备特点来看,因为AOA技术探测效果仅与无人机信号格式和信号强度直接相关,对无人机体积、材质、雷达反射面及飞行速度等均无直接联系,所以该类设备特别适用于体积小、飞行高度低、飞行速度慢的无人机威胁发现。

      图5(上)所示是一类目前常见的AOA技术探测设备,其内部通常具有六组、八组乃至更多偶数组的探测天线,通过多组探测天线工作扇区耦合实现对水平360°方向无人机的探测识别,其工作扇区示意见图5(下)。

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      实际使用过程中,该类设备可能受到建筑物遮挡而影响一定的探测效果,所以为增强探测效果,通常架设于建筑物顶部以保证探测距离同时降低漏警率,其安装方式见图6(上)。图6(下)所示是该类设备的作用区域示意图,不难看出,该类设备的防御区域是一个立体的半球形。

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      从前文不难看出,该类设备具有结构简单、覆盖范围广等特点。面对市场上大量的同质化产品,如何评价该类设备性能的优劣就成为摆在用户面前的一大难点。通过对该类设备大量的测试比对,总结其效能评价时应注意的几个技术重点:

      (1)可探测无人机种类:现有AOA技术探测设备通常可以探测并识别大疆精灵3、精灵4以及Mavic系列等常见消费级无人机,然而对多数组装无人机、航模和工业级无人机,因为缺乏有效且全面的探测数据库信息,探测效果不佳。

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      (2)有效探测距离:评价该类设备的另一个重要指标就是有效探测距离,在进行此项验证时,应从多个方位对设备的有效拦截距离进行验证,以确认其指标的真实性。同时值得注意的是,因为无人机遥控器本身也会被探测设备发现,所以遥控器相对无人机应在探测设备的反方向进行设置,具体场地配置见图8。

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      (3)最低探测高度:AOA技术探测设备可能会受附近建筑物遮挡,所以当低慢小无人机威胁逼近时,通常在固定探测距离范围内存在最低探测高度,只有当无人机高于此参数值时,无人机的无线电信号才不会因遮挡或衍射强度不够而无法探测识别。

      (4)探测频率范围:现有无线探测设备一般分为定频探测和全频探测两类。定频探测设备顾名思义即是针对如2.4gHz、5.8gHz等制定频率进行探测,只有出现指定频段无人机时才能够探测成功,因此探测效果较差;全频探测设备通常覆盖范围较广,通过扫频技术在宽频段内逐段进行扫描(每段扫描带宽通常为20MHZ~200MHZ),能够发现多种类型、多种频率的无人机。

      (5)虚警率:城市环境下存在各种各样的无线电设备,而且存在大量与无人机同频设备如家庭W-Fi、蓝牙等,所以当该类设备使用时通常会出现很高的虚警率。对该类设备进行评价的过程中,只有考虑城市环境下虚警率这一重要指标的设备才真正具有实战价值,低虚警率意味着更强的操作性和更高的可行度,因此必须重视。

      五、结论与展望

      低慢小无人机的快速发展给低空公共安全带来了新的挑战,因此低慢小无人机探测技术的研究具有重要意义。本文从低慢小无人机的危害和无人机探测技术现状入手,对现有主流探测技术进行分类,通过实例指出了低慢小无人机发展的小型化和智能化趋势。最后通过探讨常规无人机探测技术在城市环境下低慢小无人机探测上的问题,给出了低慢小无人机较优的基于AOA技术的无线电探测技术。同时,针对目前该类设备存在的问题,从几个核心指标分析了评价重点,旨在推动相关技术的良好发展,为用户测试评价提供解决思路。

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