水电站无人机防控系统应用研究

引言

水电站是中国重要的战略要地,历来是政府、公安甚至是部队的重要保护目标,其地面安防工作经过多年的建设及改造已基本满足需求。随着无人机技术井喷式发展,无人机飞控、图传以及续航等技术不断完善,其在各个领域都得到了广泛的应用。然而,随着使用难度不断降低,无人机在给人们生产生活带来巨大便利的同时,其“黑飞”与滥用也给国家、社会和人民造成了安全危害。为防范潜在的低空安全威胁,公安部2021年4月颁布的《电力系统治安反恐防范要求第3部分:水力发电企业》(GA1800.3-2021)要求,在发电厂房、开关站、地面控制楼、安防监控室出入口和重要部位,应建设无人机防控系统。因此,在大型水电站附近对无人机进行探测、识别与反制,已成为保障水电站安全的紧急任务。

近年来,针对水电站无人机防控问题，麻全等基于无线频谱探测定位技术设计了无人机防控系统,对杨房沟水电站进行安保;王磊等提出了一种适用于复杂地形、电磁环境的水电站无人机防御系统,可有效提升水电站的反恐水平;黄琦基于无人机侦测与反制技术,建立了低空防御体系以保障核电站低空区域安全。综上所述，无人机防御系统目前已应用于保障水电站的低空安全。

水电站无人机防控系统设计

无人机防控系统来源于传统的低空探测,结合无线电、雷达、光电、大数据网络化等技术手段,实现对低空空域目标的探测、识别、跟踪、组网、协同、处置,形成对重点空域的有效感知和态势分析,达到对重点空域的有效防控。

针对水电站无人机防控系统,本文从系统需求、系统总体架构和系统功能3个方面介绍其系统设计。

系统需求分析

根据公安部颁布的《电力系统治安反恐防范要求第3部分:水力发电企业》(GA1800.3-2021)以及水电站调研分析可知,水电站无人机防控系统建设主要应满足以下几项需求:

(1) 目标探测需求。可对无人机、热气球、滑翔机、民用小型飞行器等目标进行探测预警、跟踪识别。

(2) 目标处置需求。可对无人机及民用小型飞行器目标进行有效的干扰反制。

(3) 可靠性需求。系统稳定可靠,能够全天候全天时稳定运行工作,切实保障葛洲坝等水利枢纽及其周边区域的低空安全。

(4) 先进性需求。采用先进的方案与技术,确保系统达到行业领先水平。

(5) 实用性需求。系统能够对各类无人机探测反制设备实时控制,支持设备管理和状态监控。

(6) 扩展性需求。随着业务需求的发展和技术进步,系统应具有可扩展性,预留扩容升级的空间。

(7)  合理性需求。系统要对硬件设备、软件操作系统等运行环境有较好的适应性。

(8) 集成需求。无人机防控系统作为整个安防系统的一部分,应具备与整个安防系统进行集成的能力。

系统总体架构

为了适应需求,系统采用5层体系架构,自上而下分别是:应用层、服务层、数据中心层、平台层和基础层。系统总体架构如图1所示。

(1) 应用层。应用层位于分层架构最上层,是终端用户发送的服务请求,通过服务层获取响应的数据后,向用户展示请求结果。应用层实现了系统的所有业务逻辑,通常要完成大量的计算和数据动态生成任务。

(2) 服务层。服务层位于数据库等后端通用服务层与应用层之间,向上接收来自应用层的终端访问请求，向下访问由数据库层提供的结构化存储与数据查询服务。

(3) 数据中心层。随着用户数量增多,业务数据量增大,单数据库无法满足系统性能需求。系统按照业务特点进行数据库集群,把大的表进行拆分:对于访问较多的表采用分区表，从而构建数据中心。为满足系统对数据的快速访问、数据安全性及可靠性需求,系统对数据进行了热备份。同时,对服务器上转移出来的备份文件进行压缩和加密，

(4) 平台层。平台层主要为系统软件提供可运行的支撑平台,包括:三维平台、地理信息(GIS)支撑平台、通信中间件、信息交互中间件、控制中间件消息/文件/数据库访问服务层等。

(5) 基础层。基础层为系统提供侦察设备、反制设备、无人机、无人机放飞回收设备和其他配套设备设施,以及软件运行的服务器、计算机、操作系统和网络等运行资源。

系统功能

无人机探测与跟踪

(1) 目标探测。目标探测是无人机防控系统的感知单元,只有快速、精确地探测到目标后,才能有效地采取后续的反制措施。系统采用多部雷达频谱、光电探测设备分层、交叉覆盖低空、超低空空域,利用多传感融合技术,提高目标探测和发现能力。通过全天候、全方位地搜索、探测,实时发现非法入侵无人机。

(2) 目标跟踪。跟踪是在探测到可疑目标及识别目标后,确保对目标的实时跟踪,从而为后续的取证和反制提供实时的目标轨迹和方位信息。无人机探测设备发现目标后,进行测向、定位,实时获取目标距离、方位等多种参数信息,将结果发送到光电跟踪设备,通过主动跟踪方式锁定目标自动跟踪,可实时发送目标图像信息。光电识别设备在天气良好的状况下,对于微型无人机最远跟踪距离能达到3km.对于较大型无人机最远跟踪距离能达到5km。

无人机监视与识别

（1）情报融合。实时获取多种探测设备发出的监视信息,通过融合算法形成精确的跟踪轨迹预报，为目标身份识别和威胁评估提供支撑,生成区域内低空飞行态势。

对目标进行融合识别,可以发挥光、电等多物理特征的互补性优势,通过各传感器之间的关联与互补,克服单个传感器的不确定性和局限性,更加全面地描述各类目标物理属性,提高对无人机目标的识别正确率。

（2）态势显示。态势是对事态发展一系列事实以及未来情形的描述。系统通过实时显示保护区域地图和无人机目标的位置与运动轨迹，以及各探测设备或干扰设备位置、工作状态、威力范围为使用人员处置决策提供有效信息支撑。

（3）识别取证。识别是通过进一步采集探测到目标的类别、形状、大小等信息以确认:一方面,通过频谱探测设备识别主流无人机的类型;另一方面,光电跟踪设备发现无人机后,摄像头自动识别、跟踪，并拍摄视频,留存做证据。系统通过视频图像分析和识别算法确认无人机所属的类别，通过频谱探测识别和光电图像识别共同进行无人机身份认证。

无人机预警与告警

分别设定目标预警与告警的各种参数,根据目标航迹信息实时预测目标运动轨迹。对即将进人预警范围的目标自动生成预警信息,对已进人预警区域即将进入告警区域的目标自动生成告警信息,并通过声、光、电等各种方式告警,显示目标威胁告警信息。

无人机防控指挥控制

(1) 指挥决策。指挥控制系统对各探测设备获取的无人机目标信息进行融合处理后，会进行威胁评估排序,再根据拦截设备的种类和部署进行拦截方案规划，并根据拦截方案生成相应的控制指令。

(2) 目标指示。将探测目标位置信息发给定向干扰设备及光电设备,用于监控跟踪及处置,系统无延迟处理及转发相关数据。

(3) 系统控制。设置无人机探测设备与无人机反制设备工作参数与工作模式,并显示各探测设备与反制设备工作状态。根据目标航迹信息控制光电跟踪设备对目标进行实时跟踪,同时控制反制设备指向目标,实施反制措施。

(4) 干扰设备模式切换。可对定向干扰设备实现手动、自动模式切换,可对定向干扰设备手动选择开启或关闭任一频段。

(5) 分析评估。对目标探测、检测、跟踪、轨迹实时运行数据进行存储,可对管控过程进行回放和统计分析,对无人机防控效果进行评估。

无人机反制

(1) 自动反制。自动反制指的是反无人机系统具有无人值守、自主防御能力。系统根据探测和识别的信息自动计算得出所要采取的反制措施,按照设定的规则和参数,自动及时对目标进行信号干扰,以达到反制效果。系统可根据威胁等级不同,优先处置威胁等级高的探测目标。

(2) 手动反制。根据接收的目标参数信息和目标图像信息,进行目标人工识别或自动识别后,参照反制设备的状态信息,根据目标信息和告警信息手动选择反制方式进行无人机干扰和压制，或者手动指挥对侵人目标进行捕获。

无人机溯源

在探测发现人侵无人机后,需要通过频谱探测设备定位无人机遥控信号辐射源位置信息。系统获取人侵无人机操作者位置,并对外发送通告信息。

系统监视与管理

可对系统中的设备、网络、软件等进行监视,并对系统参数进行管理。

数据记录与回放

具备对雷达、频谱、光电等探测数据,以及预警威判数据、指挥控制指令等进行记录存储的能力,支持对记录的数据按时序进行回放。

数据集成

具备向上级系统或安防系统发送无人机探测信息、无人机告警信息、无人机处置信息等无人机防控信息的能力。

水电站无人机防控系统应用

系统部署

系统采用低空探测雷达、频谱探测设备、光电跟踪设备等多传感器融合技术,实现系统的探测识别跟踪,采用分布部署、集中管理的方式,可对各设备进行全局化的集中统一式监视和管理,将各集成设备的信息统一存储、显示和管理在同一指挥平台软件上,可准确、全面地反映各设备运行状态,提高突发事件的响应能力。各设备进行分散式控制,保持各设备的相对独立性,以分离故障、分散风险,便于管理。系统组成如图2所示。

以某水电站应用为例,根据地形及常规无人机侦测、反制设备的能力,部署建议如图3所示。一号船闸(A)二号船闸(C)上游侧布设雷达探测设备频谱侦测设备、光电跟踪设备、察打一体设备、干扰压制设备、导航诱骗设备;三江防淤堤(B)、大江江心亭(D)布设频谱侦测设备、干扰压制设备。根据各探测处置设备的能力,部署后预计的覆盖区域如图3(b)所示。

无人机防控指挥平台软件部署在室内，与水电站安防系统进行集成对接,可将无人机防控的告警信息、处置信息向安防信息上报、上显。系统完成部署后,可构建预警区、拒止区、保护区多层防控区域,形成全天候、无盲区的低空安全防控体系。

系统应用成效

该水电站无人机防御系统以多点部署的形式，构建预警区、拒止区、保护区多层防控区域,形成全天候、无盲区的低空安全防控体系,可对无人机、热气球、滑翔机、民用小型飞行器等目标进行探测预警、跟踪识别,同时能够对绝大多数的无人机及民用小型飞行器目标进行有效地干扰反制,并对无人机的人侵进行区域统计分析。系统稳定可靠,能够全天候、全天时稳定运行工作,切实保障水电站及其周边区域的低空安全。系统探测效果与功能界面如图4所示。

结论

本文针对水电站的应用需求特点,提出了多点部署、多层防控的无人机防控方案及系统,可进行全天候、无盲区的无人机探测反制工作,并以某水电站应用为例,进行了模拟部署及目标探测、处置,证明了系统的有效性。该系统可对绝大多数无人机进行有效地干扰反制,实现对无人机的自动预警和跟踪，反制和溯源,全面提升水电站的安保水平,并为其他重要区域设施的安全防御提供了参考。

头图来源网络

作者：罗 文 三,彭 星,周 自 立

内容来源：《电子测试》,2023,(06):5-10.

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