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無人機探測與反制技術發展現狀及建議

2021-01-12


作者:吳 浩、徐 婧、李 剛
作者單位:成都空御科技有限公司、中國科學院成都文獻情報中心、清華大學電子工程系

摘  要  現階段,全球民用無人機行業爆發式增長,與此同時,無人機“黑飛”給社會公共安全造成了巨大的威脅。本文從無人機探測與反制的技術難點出發,分別介紹了主要的探測技術手段和反制技術手段,重點分析對比了各種技術手段的優勢和不足,并對當前各技術的應用情況進行了分析。最后,本文展望了反無人機技術面臨的挑戰,提出了未來反無人機技術發展的行業建議。
關鍵詞  反無人機;探測技術;反制技術;未來挑戰

引 言
無人機的市場前景廣闊,小型無人機可廣泛應用于航空攝影、農業植保、防災減災、搜索營救、交通監管、資源勘探、遙感測繪、邊防巡邏、氣象探測等領域。然而,無人機管控手段的滯后,造成了很多“黑飛”事件無法監管、無法追責,無人機探測與反制需求呼之欲出。在軍民用機場、重大活動保障、核心基礎設施、大型場館、監獄、邊防等領域,反無人機系統產品需求強烈。然而,目前在無人機的管控方面仍存在著諸多挑戰,未來還會面臨更多問題需要進一步的研究和攻克。

1 無人機探測與反制技術難點

1.1 無人機探測技術難點
雷達是對空中目標探測的主流手段,但無人機是典型的低空慢速小目標(簡稱“低慢小”)[1]。所謂“低慢小”是指具有低空飛行、飛行速度慢、不易被偵測發現等特征的小型航空器和空飄物的統稱[2]。這些“低慢小”的無人機成本低廉、操控簡單、攜帶方便、容易獲取,并且升空突然性強、發現處置困難,容易被作為運載爆炸物品、投放生化毒劑、散播傳單的工具。
“低慢小”目標的特性決定了對無人機目標探測時有如下難點:首先,“低”的特點導致地雜波等背景雜波干擾嚴重;其次,“慢”的特點導致雷達必須具有很好的低速檢測性能;最后,“小”的特點導致雷達需要較高的檢測靈敏度以及穩定性。因此傳統雷達在對付無人機時表現不佳,甚至不能滿足使用要求,需要針對性的研發無人機探測雷達。
無線電信號監測、光電識別跟蹤以及聲音監測等手段也是無人機探測跟蹤的補充手段,但無人機本身具有使用常規通信頻段、可無線電靜默飛行、目標特性小、機動性強、行動突發性高、噪聲小等特點,因此這些探測手段也面臨著巨大的挑戰。

1.2 無人機反制技術難點
在無人機被探測識別之后,對其進行反制時依然面臨很多技術難點。如果采用電磁干擾手段,對環境要求相對較高,并且可能對周邊電磁環境造成連帶干擾;如果采用激光等摧毀方式,會對地面產生次生安全危害,不宜在城市環境下使用;如果采用無線電信號劫持等方式,則只能對部分已破解協議的無人機適用。因此,發現無人機后的處置問題也是一項巨大的挑戰。

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2 無人機探測關鍵技術及分析

2.1 無人機探測關鍵技術
無人機探測與識別是一項綜合多學科的應用技術,即通過雷達探測、無線電信號監測、光電識別跟蹤、聲音監測等一項或多項技術,實現對無人機的探測、跟蹤和識別。目前,有多項技術可以實現對無人機的探測和識別,國內外已知的技術手段如下。

2.1.1 雷達探測
雷達探測是雷達系統通過發射電磁波,利用無人機機身對電磁波反射原理對無人機進行檢測和位置測量[4]。通過接收分析反射的雷達波可以獲得目標的距離、高度、方位、速度信息。由于無人機“低慢小”的特性,傳統雷達對其探測性能不好。近些年部分針對無人機探測研發的新型雷達,在雷達信號設計、信號處理算法、地雜波抑制等方面均有些突破,在一定程度上提升了雷達對無人機探測的性能,具備了實用價值。

2.1.2 無線電信號監測
通常情況下,無人機在飛行過程中飛控系統和圖傳系統都會發射無線電信號。無線電信號監測就是利用飛控信號和圖傳信號的頻譜特征進行分析,實現對無人機的探測和識別。其中單站測向技術可以監測解算出無人機的方位信息,同時利用接收信號強度對無人機距離進行粗略估計;多站時差定位技術可以通過目標相對于多個接收站的信號時延解算出目標的位置信息。另外,利用無人機的無線電“指紋信息”,可以創建無人機黑白名單,實現對無人機的管控,以及無人機的精準識別和預警警告[4]。

2.1.3 光電識別跟蹤
光電識別跟蹤技術主要有兩類:可見光識別跟蹤以及紅外識別跟蹤。
可見光識別跟蹤是利用可見光攝像機對目標無人機的視頻圖像進行檢測,從而識別確認目標,并對目標進行跟蹤。該技術適合在白天使用,其設備成本較低,應用較為普遍。
紅外識別跟蹤是利用紅外攝像機對目標無人機的紅外圖像進行檢測,進而對無人機進行識別跟蹤。事實上,一切溫度高于絕對零度的物體都在輻射紅外線,無人機在飛行過程中電池和電機會產生熱量,為紅外識別跟蹤技術的應用提供了機會。該技術可以全天候使用,但因其設備成本較高,應用有一定限制。
光電識別跟蹤一般需要探測發現手段的引導,作為一種跟蹤確認手段,它可以可視化跟蹤目標,使用戶能直觀地進行觀察。此外,光電識別跟蹤通過圖像手段對目標進行自動識別,因而可以進行視頻取證。

2.1.4 聲音監測
無人機在飛行時,因其螺旋槳的高速轉動會產生一定程度的噪聲,不同的無人機具有不同的聲紋特征。聲音監測就是對這一噪聲進行接收、采集、分析,通過與已有聲紋特征數據庫里的信息進行智能匹配,實現對無人機的監測發現和型號識別。該技術作為被動監測手段,具有很好的隱蔽性,同時該技術手段設備成本較低,具有一定的競爭力。

2.2 無人機探測技術分析

2.2.1 探測技術對比
以上介紹的主要探測技術原理各不相同,技術成熟度、探測效果、應用場景、成本代價也存在著差異。表1對無人機主要探測技術的優勢和缺點等方面進行了綜合分析。

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2.2.2 探測技術應用情況
雷達探測和無線電信號監測手段是目前市場上應用最廣也是技術最成熟的探測手段,其他探測手段(如聲音監測等)的成熟度有待提升,光電識別跟蹤則一般作為探測手段的確認補充。
從技術特點來看,傳統的單一偵測手段無法完全獨立應對所有情況,無法高效準確地偵測到目標。采用多手段組合探測是目前比較主流的方式,市場上已有一些系統集成了不同的探測手段來提升探測能力。例如,系統以雷達作為探測手段,當探測到疑似無人機目標時,系統會調用光電設備進一步搜索確認,同時對雷達和光電設備進行信息融合,系統可以對目標進行高精度的實時定位。根據美國巴德學院無人機研究中心對反無人機廠商的分析報告[5],報告中對323個具有無人機探測功能的系統中所使用的技術手段進行了統計分析(如圖2所示)。結果顯示,雷達探測、無線電監測技術的使用率較高,光電識別跟蹤技術一般作為雷達探測和無線電信號監測的輔助手段,聲音監測技術因其本身的局限性而使用率并不高。采用兩種手段綜合探測時,雷達探測和光電識別跟蹤相結合是主流應用,雷達探測、無線電監測及光電識別跟蹤相結合也是考慮較多的技術搭配方式。

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圖 2 無人機探測技術應用情況


3 無人機反制關鍵技術及分析

3.1 無人機反制關鍵技術
對于處于非法飛行狀態的無人機,通過探測與識別技術發現后,需要反制手段對無人機進行處置。目前,國內外的反無人機系統主要采用四種方法進行反制。

3.1.1 干擾阻斷類
目前,反無人機系統運用最為廣泛的是干擾阻斷型的無人機干擾設備,即利用電磁波、聲波等方式,干擾無人機的通信或者硬件,迫使無人機自動返航或自動降落。目前主要有以下幾種類型的干擾。

·電磁干擾
電磁干擾可以有效的阻斷無人機和控制臺站之間的通信,切斷無人機的遙控信號以及數傳、圖傳信號,使無人機進入信號丟失后的自我保護狀態,達到對無人機的迫降或者驅離的目的。電磁干擾可以根據需要進行定向或者全向干擾,可以有效的處理作用距離內的多架次無人機,具備針對“無人機集群”的打擊能力。

·導航信號干擾
民用無人機一般利用衛星導航定位系統對自身位置進行定位,通過實施導航信號干擾可實現對無人機的干擾阻斷。無人機在失去導航信號后,無法精準定位,從而影響無人機的飛控系統,限制無人機的飛行。由于導航信號較弱,此種干擾手段容易實現;但這種干擾方式會同時影響作用范圍內其他設備的導航終端,使用時需要格外注意。

·聲波干擾
無人機有一個重要的組件——陀螺儀,幫助無人機感知其自身的飛行狀態。無人機通過陀螺儀的反饋信息和控制系統維持自身的平衡。因此,如果能夠破壞陀螺儀的正常工作,就可使無人機無法正常工作。聲波干擾就是通過發出與陀螺儀的聲波頻率一致的聲波,致使其發生共振,使無人機上的陀螺儀無法正常工作,導致無人機墜毀。但目前這種干擾方式造價昂貴,不適合廣泛的推廣使用。

3.1.2 直接摧毀類
導彈、激光武器、微波武器、格斗型無人機以及常規火力等都能對無人機進行定向攻擊,達到直接摧毀無人機的目的。不過,這種方式要求瞄準精度高,且成本代價高,還會因為無人機的墜落造成連帶損失,因此直接摧毀無人機的方式在民用領域幾乎不可行。

3.1.3 攔截捕獲類
另一種反制方式是從地面或從空中攔截捕獲。主要方式包括:捕捉網、無人機捕捉、老鷹捕捉等。
比較常見的是用發射槍彈射捕捉網,不過這種方式對無人機的作用距離有限。還有采用大型無人機來捕捉小型無人機,利用大型的8軸無人機,下面掛載著巨型的捕捉網捕捉小型無人機。然而,這種方法操控的難度較大,且靈活性上小型無人機更占優勢,因此并未被廣泛使用。此外還有通過訓練老鷹,將無人機抓捕后帶到指定區域。要想對無人機進行攔截捕獲,需要無人機在可視范圍內,因此其適用距離就很受限。隨著無人機避障技術的發展,攔截捕捉會越來越困難。

3.1.4 誘騙控制類

·導航信號誘騙
針對搭載衛星導航終端的民用無人機,通過發射虛假的導航衛星信號,可以欺騙迷惑無人機的導航終端,使其定位在系統預設的虛假位置。通過衛星定位信號誘騙可以實現禁飛區設置、返航點欺騙和航路欺騙等。由于無人機接收到的衛星導航信號較微弱,系統只需要很小的發射功率即可實現對無人機的誘騙效果。

·無線電信號劫持
當前,無人機使用的控制信號大多正在2.4GHz和5.8GHz等常規民用頻段。無線電信號劫持技術就是首先破解無人機信號的通信協議,然后向無人機發送信號更強的控制信號,從而獲得無人機的控制權。該技術是目前國內外無人機反制領域最為先進的一種技術。但隨著無人機通信技術和加密技術的提升,破解難度越來越大,并且需要定期更新無人機頻譜特征適配庫和通信協議,成本較高。

·黑客技術
現在市場上很多無人機采用使用手機和平板電腦進行操控,無人機與遙控器之間采用WiFi信號進行通信,因此可以使用很多成熟的黑客技術來劫持無人機。但該方法門檻較高且不易商業化,因此當前無人機反制所采用的技術主要以干擾阻斷為主[4]。

3.2 無人機反制技術分析

3.2.1 反制技術對比
以上介紹的幾類反制技術在成熟度、應用場景、作用效果、成本代價等方面各有特點,表2對主要無人機反制技術進行了對比分析。

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3.2.2 反制技術應用情況
根據美國巴德學院無人機研究中心對反無人機廠商的分析報告[5],報告中對362個具有無人機反制功能的系統所使用的技術手段進行了統計分析(如圖3所示)。結果顯示,目前絕大部分的反制系統都采用了干擾阻斷類的技術手段,其他技術采用較少。反制系統的主流應用是采用單一手段。當多種技術結合時,一般以干擾阻斷類技術為基礎,其他技術作為補充。

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圖 3 無人機反制技術應用情況


4 反無人機技術未來挑戰
當前,國內外都積極展開了對民用反無人機系統的相關研究,包括無人機的探測跟蹤、預警、硬毀傷、干擾等武器裝備和技術手段。隨著反無人機技術研究及應用漸成熱點,其裝備發展呈多樣化特征[6]。與此同時,無人機的小型化和智能化,使反無人機的難度不斷增加,如微小型無人機會增加探測跟蹤和預警的難度;控制程序和通信鏈路的升級會增加網絡攻擊和電子干擾的難度[7]。展望未來,反無人機技術還面臨以下挑戰。

4.1 單種探測方式難以保證有效性
對于“低慢小”目標的典型——無人機來說,每種探測方式都存在自身的缺陷。例如雷達很難探測到懸?;虻退俚臒o人機;光電系統受天氣影響巨大,且可能會將無人機混淆為鳥或飛機。聲學傳感器依賴于已知無人機發出的聲音庫,因此可能對未收錄聲音的無人機充耳不聞。無線電探測系統需要截獲到無人機的電子信號,如果無人機處于靜默飛行的狀態,系統則無法檢測到目標。

4.2 難以避免虛警和漏報
反無人機系統的目標是同時具備較高的探測概率以及較低的虛警率,而這一目標很難實現。無人機探測傳感器必須足夠靈敏才能探測到在區域內飛行的所有無人機,然而過于靈敏可能會產生大量的虛警,導致系統無法使用,而不夠靈敏的系統可能會漏報,也會影響系統使用效果。

4.3 難以區分無人機合法和非合法使用
在一定的范圍內,可能會同時存在合法飛行的無人機以及“黑飛”無人機,反無人機系統需要能夠區分合法無人機和潛在威脅無人機。雖說目前部分設備具備一定的“黑白名單”功能,但整體上還不能切實有效的對合法和非合法使用的無人機進行區分。

4.4 難以避免的攔截危害
采用動能攔截干預無人機的系統,其最明顯的缺點是攔截危害的危險性。因物理手段而中斷飛行的無人機會高速墜落在地面上。因此,動能攔截系統不適合在人群中使用,可能僅限于在軍事環境或偏遠地區中部署。
然而,如果采用非動能攔截型反無人機系統也存在相關的問題。例如,電磁干擾對預設編程飛行的無人機效果不理想,此外,干擾系統還可能干擾附近的合法通信鏈路。

4.5 系統有效性和穩定性有待提升
目前為止,已商用的反無人機系統的有效性和穩定性都有待提升。此外,無人機技術本身的飛速發展也對反無人機系統的有效性提出挑戰。反無人機系統需要不斷響應無人機技術的新進展,研制出相對應的解決方案,才能保持其系統的有效性。

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5 反無人機行業發展建議

近年來,無人機被廣泛應用,但無人機管控手段卻嚴重滯后,相關監管部門承擔著來自多方面的壓力。高額罰款與追究刑事責任無法根本管制“黑飛”,還有很多“黑飛”嫌疑人仍逍遙法外。監管難的問題始終擺在眼前,很多人因為無人機得到便利,也有越來越多的人的利益和安全得不到保障,這一問題也成了無人機行業繼續發展的“壁壘”。一言以蔽之,無人機管控面臨的矛盾就是日益增長的無人機使用需求和落后的無人機監管能力之間的矛盾。針對目前國內反無人機情況,行之有效的辦法應該是將立法與技術管控手段相結合。對此,本文提出以下建議。

5.1 積極推動立法工作
要將無人機行業發展置于規范管理中,一部專門的行業法規不可或缺[8]。沒有規矩不成方圓,必須給無人機立法立規,才能保障公共安全,才能促進無人機飛行有序,無人機產業健康發展。針對民用級無人機的監管,應加快建立專門的法律法規,使無人機的生產、銷售、存儲、飛行各個環節的管控均有法可依。

5.2 大力促進技術發展
反無人機技術尚處于發展階段,目前針對無人機的探測和反制技術雖然有多種,但每種技術都在一定程度上存在著使用限制,針對目前的技術現狀,需結合實際使用場景,積極探索各種探測以及反制手段相結合,進行深度信息融合,以系統角度整合各手段的優勢,增加反無人機系統的有效性與穩定性。

5.3 緊盯前沿尖端,實現融合發展
放眼整個低空安防領域的發展,國外由于起步早、技術基礎好,在該領域技術、產品、方案等各方面已走在行業前列。為此國內相關的反無人機企業應不斷加大與國際反無人機企業的深入合作交流,開闊研究思路,把握世界本領域的最新發展動態,充分利用國際已有的先進技術和經驗對自身技術進行補充和升級。

5.4 基于已有技術,推陳出新
基于項目已有的研究成果,積極探索基礎研究、應用基礎研究和應用研究,同時深入用戶應用場景,提升應用方案的有效性和系統實戰性。同時相關反無人機研發企業除積極開展國際學術交流與合作,不斷提高國際化水平外,應加大與國內外各科研院所的合作和深入交流,共建反無人機大平臺,實現反無人機技術的提升。

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6 結束語
無人機的廣泛應用和無人機管控手段滯后使得無人機危害公共安全事件時有發生。然而,反無人機技術尚處于發展階段,針對無人機的探測和反制技術雖然有多種,但每種技術都在一定程度上存在著使用限制。目前,無人機探測手段主要以雷達探測和無線電信號監測為主,輔以其他多種技術手段;無人機反制手段主要采用干擾阻斷類技術。展望未來,反無人機技術發展還面臨著多重困難,包括單種探測方式難以保證有效性、難以避免虛警和漏報、難以區分無人機合法和非合法使用、難以避免的攔截危害、系統有效性和穩定性有待提升等。在反無人機發展上,建議采用立法與技術管控手段相結合,積極推動立法工作,大力促進技術發展,利用尖端技術融合發展,基于已有技術推陳出新,發揮反無人機技術的應用實力,實現無人機應用的有序管控。

參考文獻
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[2] 韓曉飛, 蒙文, 李云霞,等. 激光防御低慢小目標的關鍵技術分析[J]. 激光與紅外, 2013, 43(8):867-871.
[3] 傅有光. 雷達:武器平臺的千里眼[J].國防科技工業,2019(06):66-69.
[4] 吳小松, 房之軍, 陳通海. 民用無人機反制技術研究[J]. 中國無線電, No.271(3):61-64.
[5] Holland Michel. COUNTER-DRONE SYSTEMS. https://dronecenter.bard.edu/files/2018/02/CSD-Counter-Drone-Systems-Report.pdf,2018-02.
[6] 蔡亞梅, 姜宇航, 趙霜. 國外反無人機系統發展動態與趨勢分析[J]. 航天電子對抗, 2017(2).
[7] 王奇珍,張允清,唐世玉,王小剛. 集群無人機探測及對抗措施綜述[J].現代防御技術,2019,47(05):8-13.
[8] 扶青. 立法為無人機保駕護航[N]. 鄂州日報,2018-01-31(002).

第一作者簡介:
吳浩,成都空御科技有限公司創始人及CEO,曾就職于某部第57研究所,于2008年取得清華大學學士學位,2011年取得某部第57研究所碩士學位,目前正在攻讀清華大學博士學位。
吳浩于2019年入選四川省“千人計劃”,于2018年入選成都市“蓉漂計劃”及“天府英才計劃”;現為中國青年企業家協會會員、清華企業家協會青創會員、四川省青年企業家協會會員,曾獲得軍隊科技進步一等獎一項,擁有各類專利十余項。

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