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1.3 低空小型无人飞行器探测反制系统

1.3.1 系统组成及工作原理

为了实现对不同空域内各种目标的防御任务,探测反制系统需要包括指挥控制分系统、探测预警分系统、监视识别分系统、拦截处置分系统和配套安保设施等(图1-2),其功能分述如下:

(1)指挥控制分系统。其利用技术手段实现对各种设备的综合调度、计划安排、任务交接,实现对防护空域内空情态势进行分析评估,制定相应预案,根据预案对威胁目标采取相应的响应措施,消除或降低低空小型飞行器对防护区域造成的安全威胁并进行取证;同时,对整个过程的数据进行录取、回放、分析和报表生成,完成整个打击过程的闭环,系统性地完成低空小型飞行器入侵的防御任务。该分系统以软件为主,辅助硬件设备主要包括工作站、服务器和统一授时设备。

(2)探测预警分系统。其利用多种传感器实现对低空小型飞行器的多源探测,然后利用数据融合技术实现对目标的精确定位。传感器类型包括低空探测雷达和无线电侦测设备。其中,低空探测雷达是有源探测设备,无线电侦测设备是无源探测设备;低空探测雷达、无线电侦测设备可以实现对合作式和非合作式目标的探测。

(3)监视识别分系统(光电设备)。其根据探测预警分系统的目标指示信息,实现对目标的跟踪和识别,利用人工智能技术实现对鸟等非威胁目标的剔除,然后对目标进行威胁等级评估,生成打击序列表。该分系统承接探测预警分系统和拦截处置分系统,对系统任务的顺利交班作用至关重要,任务交班成功率是关键指标,另外,通过人工智能算法避免鸟类造成的虚警也是应用中必须解决的关键问题。

图1-2 典型低空小型无人飞行器探测反制系统构成示意图

(4)拦截处置分系统。其根据目标类型、所在空域等各种作战条件,自适应地按预案进行驱离、干扰、诱导、打击,实现区域拒止任务,同时调用空中光电取证设备实现对坠落无人机和飞手的第一时间相片和视频取证,辅助安保人员和警务人员获取无人机、抓捕黑飞飞手。拦截处置分系统主要设备包括无线通信协议破解设备、电磁干扰设备、便携式干扰器、无人机卫星导航诱导设备、强光设备。

(5)配套安保设施。包括门禁设备和视频监控设备。门禁设备为监控室进出的安保设施,视频监控设备主要用于对监控室和设备布置阵地进行实时监控。

1.3.2 布站选址原则与具体部署

1)选址原则

本系统布站选址的主要原则是:

(1)选取区域内最高或极高点部署,尽量减少反应堆等遮挡造成的盲区。

(2)对整个设施场地通盘考虑,优化选址,以最少的站点数实现全空域覆盖。

(3)应有足够的部署面积,且尽量平整,便于设备安装和调试。

(4)供电和有线网覆盖良好,或者容易施工。

(5)综合考虑客户展示、安保配套条件等其他因素。

2)布站选址具体部署

由于物理特性的限制,雷达在顶空和近距存在一定的盲区,因此本系统应至少配备两部雷达,相互补盲,才能实现整个空域的无盲区覆盖。本系统选用的雷达的作用距离为5 km,俯仰角范围为60°,覆盖范围如图1-3所示。

如果只显示1 000 m以下空域的覆盖情况,则可以更清楚地看到雷达顶空盲区和近距盲区的影响,如图1-4所示。

为了实现对1 km以下空域的无盲区监视,两部雷达间距的最小值 D 如图1-5所示。其数值计算如下:

根据待防护区域的地形地貌和本系统的实际需求,以某厂区为例,经卫星地图详细勘测,结合用户的实际情况,最终选择防护区域中央位置楼顶、过渡区域建筑楼顶两处作为室外设备的主要部署点,分别称之为A站、B站,两站间距约1 330 m。两部雷达的联合覆盖空域分别如图1-6、图1-7所示。

图1-3 单部雷达空域覆盖情况

图1-4 单部雷达对1000m以下空域覆盖情况

图1-5 雷达覆盖区剖面示意图

图1-6 两部雷达联合覆盖空域

图1-7 两部雷达对1000m以下空域的联合覆盖情况

可见,在这两个站点上部署雷达完全可以实现全空域无盲区覆盖。

1.3.3 设备连接关系

探测反制系统各设备之间的互连包括两类:一类是数据连接,另一类是电源供电连接,其间连接关系如图1-8所示。

探测反制系统设备之间的逻辑关系如图1-9所示。其中,无线通信协议破解设备有两个作用:一是用于对低空飞行器的干扰打击,二是辅助用于黑白名单(识别敌我。黑:敌;白:我/友)的生成。

图1-8 设备连接关系(以A、B两个主站点为例)

图1-9 设备逻辑关系(以A、B两个主站点为例)

1.3.4 技术难点及解决措施

探测反制系统的主要技术难点及解决措施叙述如下:

1)具备低速探测能力的二维电扫雷达技术

(1)难点描述。本系统目标典型速度为0~20 m/s,作业时速度更慢甚至可能接近0,多普勒特征微弱,极难探测;为保证搜索和跟踪数据率,探测雷达要求采用二维电扫体制,但经典的二维电扫雷达需要TR(发射/接收)组件过多,价格上大幅超过市场可接受范围。

(2)解决措施。本雷达采用低空探测领域技术成熟的最高频段(Ku波段),获得最显著的多普勒特性,同时基于卡尔马斯滤波技术,结合三维(3-dimension,3D)杂波幅度图、自适应门限图、自适应剩余杂波图进行联合信号处理,实现最小0.5 m/s目标的检测;本雷达采用基于TR异型分置的数字波束形成(digital beam forming,DBF)技术,实现TR组件个数从 N × M 个降低到 N M 个,从而在保证二维电扫能力的前提下,有效地降低了硬件成本。

2)基于人工智能的光电目标识别技术

(1)难点描述。测试表明,重量约1 kg鸟的雷达散射截面(radar cross section,RCS)特性和精灵4无人机相当,鸟引起的报警频次远高于无人机,使得工作人员“疲于奔命”,同时也加剧了硬件的损耗。

(2)解决措施。本系统光电设备基于人工智能技术,采用YOLO3算法实现全程目标的探测与识别,对近距目标通过SSD(single shot multibox detector)算法进行进一步确认,从而能有效地区分无人机和飞鸟等多种类型目标,实现对飞鸟、云等多种自然物的杂波剔除,大大降低了设备的虚警率,降低了安防人员的出勤率和工作强度,同时减少了设备的损耗。

3)设备间任务交班高成功率保证技术

(1)难点描述。很多低空小型飞行器入侵防御系统能基本满足系统要求,但是因为系统不能实时、准确、高效地联动,造成系统效果急剧恶化甚至不能实现防御任务。

(2)解决措施。本系统采用三维综合配置、系统联合标校等技术实现系统各设备的优化配置,采用设备时空同步、高效实时数传、优化联动策略等技术手段,实现系统各设备高效联动,保证各设备任务交班成功率达到99.7%以上。

4)完善的黑白名单功能

(1)难点描述。黑白名单不完善,可能造成工作人员频繁出勤、特殊情况下漏警、处置方式不当等意外情况,甚至造成防护区域设备受损或者人员伤亡等灾难性事故。

(2)解决措施。本系统通过增配无人机数据接入设备获得全国最大的无人机实时飞行数据库,联合升级的大空域广播式自动相关监视(automatic dependent surveillance-broadcast,ADS-B)设备获得正常报备的民航飞机、通航飞机、无人机实时数据,同时通过无人机通信协议破解设备进行补充和确认,获得详尽的白名单信息,从而有效保证黑白名单的全面性、实时性和准确性。

5)全面灵活的处置策略

(1)难点描述。低空小型飞行器类型众多、入侵形式多样,加上地形遮挡、设备状态的影响,全面灵活的制定处置策略是保证防御效果的一项关键内容。

(2)解决措施。全面分析低空小型飞行器的特性并对其详细归类,分析设备对各类目标的探测预警能力、监视识别能力和拦截处置能力,详尽地制定各种情况下的处置策略,自适应地选择、切换、联动各种拦截处置设备完成防御任务,同时支持用户根据实际应用情况进行微调,保证处置策略既具有完备性,同时又具有足够的灵活性。 o6AEgavJb/MJHFHITvY3ANQ/sLmXOqX/csFzSK2fduHInQCKrGfn5Ngs30dZUMek

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