一种无人机侦测反制装备综合系统
技术领域
本发明涉及低空智能防御系统，特别涉及一种无人机侦测反制装备综合系统。
背景技术
随着无人机的应用呈爆发式增长，其产业快速发展给社会和人民生活带来极大便利的同时，也给空域监管带来了前所未有的巨大挑战。越来越多的“黑飞”无人机给国家安全、社会稳定带来了巨大威胁和困扰。然而，到目前为止，全球范围内对无人机的监管手段只适用于拥有合法执照并主动备案的合法目标。对于未取得合法执照并备案的“黑飞”无人机，特别是有敌对意图的无人机，尚无完善的技术可对其进行搜索、识别、定位和反制。
近年来，有意或无意的突发非法无人机闯入机场净空保护区，干扰民航机场运行事件频发不断，对民航旅客生命财产安全和民航正常运行构成严重威胁。该类事件往往给民航正常运行带来不可控的巨大安全隐患，对机场净空保护区造成突如其来的重大影响，甚至造成无法预想的后果。
伴随无人机技术的飞速发展，无人机技术也不断地更新和升级，因此需要根据无人机本身的技术特点、信号处理方式和信号特征，明确无人机目标的探测和反制的有效技术手段，设计高效可靠的无人机管控系统，来满足更好的侦测需求。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种无人机侦测反制装备综合系统，以达到可适应不同的应用场景，多模式部署，简单快速的融入已有的各种安全防护系统内，为用户提供切实可行的无人机反制解决方案的目的。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种无人机侦测反制装备综合系统，包括前端防御节点和综合管理平台，两者之间通过网络层连接；
所述前端防御节点包括侦查打击层和接口层，所述侦查打击层采用模块化设计的防御节点，由一个或多个侦查探测子系统和反制子系统组成；
接口层通过统一的硬件和网络接入接口，适应不同的网络制式，通过与综合管廊平台预先定制的协议进行双向数据通信；
所述综合管理平台包括：
接入层，负责为综合管理平台提供基本的网络接入服务；
基础服务层，实现具体业务的底层支撑服务；
业务功能层，是整个系统的核心层，通过软件编码和算法实现将前端防御节点数据转换为有价值的业务信息；
用户层，是系统的展示层，通过图形化的界面手段，向用户提供直观全面的信息展板，同时提供综合管控中心，方便对各个业务管理模块进行配置管理。
上述方案中，所述侦查探测子系统包括无线电探测定位子系统、光电探测跟踪子系统、雷达探测跟踪子系统。
上述方案中，所述反制子系统包括无线电干扰子系统和网捕子系统。
上述方案中，所述接入层包括互联网网关、防火墙、网络交换设备和负载均衡服务器。
上述方案中，所述基础服务层包括GIS服务、流媒体服务、Web服务、数据库服务和消息服务。
上述方案中，所述业务功能层包括地图管理、防区管理、无人机目标管理、反制策略管理、用户管理、设备管理、日志管理、报警管理。
进一步的技术方案中，所述无线电探测定位子系统包括无线电探测功能和无线电测向定位功能，所述无线电探测功能包括无人机频谱特征提取、建立无人机特征库、建立频率模板和图传信号解调，所述无线电测向定位功能利用阵列测向天线对无人机信号进行测向，然后利用TDOA定位技术对无人机进行定位。
进一步的技术方案中，所述光电探测跟踪子系统采用可见光和红外相结合，通过双目技术实现目标测距，通过高精度云台和图像识别技术实现目标的测向与跟踪，最终将目标的位置信息准确计算出来。
更进一步的技术方案中，所述综合系统分别在线式管控与非在线式管控两种方式，其工作流程包括目标发现、目标定位、打击决策、打击策略选择、目标反制。
通过上述技术方案，本发明提供的无人机侦测反制装备综合系统可以根据无人机本身的特点、信号处理方式和信号特征，来确定无人机目标的侦测和反制的有效技术手段，通过多种侦测和反制手段灵活结合，可适应不同的应用场景，多模式部署，简单快速的融入已有的各种安全防护系统内，与天网工程、智慧城市相兼容，为用户提供切实可行的无人机反制解决方案。
本发明的无人机侦测反制装备综合系统可以应用于机场，石油石化油库，港口，核电站，政府所在地，体育场，大型活动场所，监狱，边防，海防线等场所。并且，本发明可以根据不同的应用场景，配备适合应用的探测与反制装备。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例所公开的一种无人机侦测反制装备综合系统示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提供了一种无人机侦测反制装备综合系统，如图1所示，该系统有效地将各个功能手段进行有机统一，形成了一整套可适应不同应用场景，多模式部署，模块化设计的全能型无人机防御系统。
一种无人机侦测反制装备综合系统，包括前端防御节点和综合管理平台，两者之间通过网络层连接；网络层包括以太网、WIFI、4G-LTE、光纤等多网络制式接入支持。
一、前端防御节点
前端防御节点包括侦查打击层和接口层，侦查打击层采用模块化设计的防御节点，由一个或多个侦查探测子系统和反制子系统组成；根据不同的应用场景和需求，防御节点配置可以不同。
1、侦查探测子系统
侦查探测子系统包括无线电探测定位子系统、光电探测跟踪子系统、雷达探测跟踪子系统。
(1)无线电探测定位子系统
无线电探测定位子系统包括无线电探测功能和无线电测向定位功能，无线电探测功能包括无人机频谱特征提取、建立无人机特征库、建立频率模板和图传信号解调，无线电测向定位功能利用阵列测向天线对无人机信号进行测向，然后利用TDOA定位技术对无人机进行定位。
A、无人机频谱特征提取、建立无人机特征库：利用无人机数传信号与图传信号的频谱特征，可以使用无线电技术对一定范围内的无人机进行侦测。随着信号处理软硬件能力的飞速提升，可以通过采集分析信号的频率、带宽、调制方式、符号率、跳变参数等数据，对信号进行特征识别，从而得出所采集频段范围内的无人机信号。
B、建立频率模板：通过提前对指定区域的电磁环境进行监测来形成频率模板，对于获得使用授权的无人机，可通过开机建立通信链路的方式，使系统完成对其信号的采集分析和识别，将其信息添加至频率模板中。当有与频率模板特征不符的新增信号出现时，系统会对该信号进行分离与采集，然后进行信号处理与分析，如结果与无人机信号特征吻合，便可以快速作出预警警告。通过这种方式，最快可以在无人机开机起飞前侦测发现，将可能存在的隐患降到最低。
C、信号解调：对于存在图传链路的无人机，还可通过对未加密图传信号的解调，从而观察到无人机实时传输的图像信息，协助识别无人机用户信息。频谱库属于先验型数据库，对于未知的无人机频段探测效果劣于常用已知机型。介于目前部分无人机会针对频谱探测设备进行跳频反制，对于超高频率的跳频无人机频谱没法很好的进行跟踪。在城市复杂电磁环境下，被动式的频谱探测容易受到干扰。
D、无线电测向定位
无线电测向是依据电磁波传播特性，测定无线电波来波方向的过程。测定“来波方向”，是指测向机所在地实在的电磁环境中电波达到的方向，无线电测向，最终目的是要确定“辐射源的方向”和“辐射源的具体位置”。利用阵列测向天线对无人机信号进行测向。测向天线接收实时测量无人机电磁发射的信号方向，从而侦测入侵的未知无人机。测向天线通常由8～64个天线组成的天线阵列，频率范围可达(9kHz～40GHz)，提供高性能实时信号监测和测向，以及关键区域频谱信息。
TDOA定位技术
TDOA是一种利用时间差进行定位的方法，通过测量信号到达监测站的时间，可以确定信号源的距离。利用信号源到多个无线电监测站的距离(以无线电监测站为中心，距离为半径做圆)，就能确定信号的位置。通过比较信号到达多个监测站的时间差，就能做出以监测站为焦点、距离差为长轴的双曲线，双曲线的交点就是信号的位置。
TDOA是基于多站点的定位系统，因此要对信号进行定位必须有至少3个以上的监测站同时测量。而每个监测站的组成则相对比较简单，主要包括接收机，天线和时间同步模块。TDOA具有以下优点：
TDOA不存在相位模糊的问题，因此测向基线可以不受限制。传统的测向方法需要通过相位来计算方向角，而相位测量存在2π周期的不确定性，所以往往利用天线基线小于信号波长的方法来避免2π周期的回绕。但是高频信号的波长短，使得测试天线的距离较近，容易产生信号耦合，使得测量产生误差。而每个TDOA监测站只需一个天线，从根本上解决信号耦合问题。
针对以上无人机与反制无人机探测与定位技术，无线电探测定位子系统设计采用频谱探测+特征识别方式进行无人机目标的侦测手段，并采用阵列天线方式对无人机目标进行测向，再多点联机部署的情况下，加入TDOA技术作为目标定位手段。
本系统设计采用低噪声放大器+软件定义无线电+频谱特征库匹配的方式实现。通过搭配多个频段的接收天线或天线阵列，配合对应频段的LNA放大器，使信号接收能力覆盖30MHz-6GHz，更高频段的信号接收可通过搭载LNC下变频器实现。在此基础上，通过SDR技术对原始射频信号进行数据采样，并进行频谱特征的数据分析和特征库匹配，最终实现目标的探测与定位。
(2)光电探测跟踪子系统
光学探测可以利用可见光或利用目标的热红外反射进行探测。通过光学成像、红外成像及热成像技术采集无人机图像进行分析对比，从而判断无人机类型、位置等参数。此技术优点在于可以弥补雷达探测盲区的欠缺，完成近距离的精准探测。缺点是探测范围有限；应对多架无人机目标时能力有限；易受天气干扰(雾霾、雨雪、沙尘天气会影响目标的扫描和跟踪)。
针对以上技术特点，本系统采用可见光和红外相结合探测体制，配备36倍连续变焦高清晰度摄像机、高分辨率红外热成像仪、高精度云台控制技术实现，可以通过双目技术实现目标测距，通过高精度云台+图像识别技术实现目标的测向与跟踪，最终将目标的位置信息准确计算出来。该系统能够在昼夜、全天候环境下，快速获取景物与目标的高清晰实时动态图像，增强系统对于无人机的信息获取与目标跟踪能力。系统采用先进的数据融合和弱小目标跟踪技术，能够在跟踪气候条件下有效发现目标，并实现对入校目标的准确识别和跟踪。在无人机小目标跟踪中，当可见光图像分辨率为1920像素×1080像素时，能够对目标投影面积小于100像素，即只占总面积0.005％的无人机目标进行有效的识别和跟踪。
对于多无人机目标可利用雷达、无线电探测手段辅助，通过优先级方式进行处理。无人机探测手段相配合，如雷达+光电搜索相配合，利用雷达探测范围广、探测距离远、可以处理多目标的优势，配合光电设备近距离无盲区的优势，才能做到无盲区、快速响应、精准跟踪。多种探测信号的融合是无人机探测技术的关键。
(3)雷达探测跟踪子系统
雷达根据扫描方式可以分为相扫、机扫等，根据调制方式可以分为脉冲编码、线性调频等。雷达技术本身是一种非常成熟的探测技术，具有探测距离远、空间定位准、反映速度快的优势。但雷达扫描存在近距离盲区，对于非导体材料制成的无人机无法探测；在无人机悬停或低速飞行时，由于多普勒频移较低，无法探测到无人机目标；在临海、森林遮挡、楼宇遮挡的情况下，探测效果也会受到影响。
针对以上问题，本系统无人机探测雷达设计采用Ku或以上频段电子扫描方式，增加雷达信号带宽，提高对“低慢小”目标的识别能力。采用全固态、全相参、连续波脉冲多普勒工作体制。可全天候、全天时(24小时)探测高速/低速移动微型和迷你型目标。通过高频射频收发系统，搭配高精度的角度编码器和控制系统，实现整体的目标测向与定位功能，该方式可以对无信号发射的无人机目标进行识别与定位，是无源被动无线电探测系统无法做到的。对于最小雷达反射截面积0.01m2的无人机发现距离不低于10km，持续跟踪能力不低于5km，输出功率10W，在接近地面高度使用时具有较好的地面杂波抑制能力。
雷达探测本身也有诸多限制因素，由于雷达天线的波束条件限制，需要较好的架设条件(如城市环境中，需要架设在高大建筑物顶层)，对于周围的环境有电磁污染，造价昂贵，需要专业的技术人员操作。同时，空中的不明干扰物，也会造成大量虚警、形成误报；因此也需要其他手段作为辅助。
2、反制子系统
无人机反制技术是对目标无人机飞行的直接干预措施，除了保证无人机目标落地外，还需避免造成对其它人员设施的毁伤。无线电干扰技术通过对无人机定位系统或操控无线电信号进行干扰，使其失控迫降、悬停或者返航。
A、卫星定位信号干扰与诱导
在特定授权情况下，针对卫星导航信号，还可以采取导航定位诱导技术，通过对无人机释放预设卫星导航信号，迫使其偏离预定航线、飞往预设区域，从而达到接管、控制其飞行的目的，这也是实现无线电管控的重要技术手段。根据实战的需要可采用定向干扰或全向干扰，民用无人机一般使用GPS卫星定位模块，部分为了提高性能而使用GPS/GLONASS双模卫星定位模块，少数专业级无人机会使用GPS/BD2双模卫星定位模块或GPS/GLONASS/BD2三模卫星定位模块。
现有的民用卫星定位模块多采用扩频通信技术，信号十分微弱，在地面附近已低于自然本底噪声。采用常用的3～6dB增益的无源天线在开阔地接收，其总接收电平最高可达约-120dBm。民用GPS信号是频率1575MHz，2.046MHz带宽的扩频信号，扩频增益43dB。在容易实现的方式中，全频带噪音干扰较有优势，满足如下条件时误码率高于10％。干扰信号的带宽等于或大于2.046MHz，覆盖GPS信号的整个频带。干扰信号经GPS天线接收后，其总功率电平要高于-83dBm。
无人机上的GPS天线主瓣方向朝向天空，对于地面来的干扰能提供一定的隔离。隔离的大小取决于天线的品质、安装方式和无人机本身的结构与材料。如果天线安装在无人机正中心位置，无人机上又有整块的碳纤维网板遮挡地面方向，那么通常能提供30～40dB的隔离。如果天线方向性不佳，安装不够垂直，则隔离度会有所降低。干扰功率基本计算方法如下：
设无人机GPS天线对地面防御者(干扰源)的增益为-40dB，对天空的增益满足正常接收GPS天线的要求，也就是总接收电平能达到-120dBm，无人机距离地面100米，干扰发射机的天线增益为0，根据自由空间损耗公式，则需要的发射功率是：
Pt＝Pr+32.45+20logd+20logf-G＝-83+32.45-20+64+40＝33.45dBm
上述计算表示如果干扰带宽适中，则只需2W的发射功率，就可干扰100米范围内的无人机GPS。假设干扰天线有6dB增益，则只需要0.5W功率。如果用GPS模拟器产生一些假信号，则有可能是无人机按照指定的地点降落，实现无人机捕获，但考虑到GPS模拟器的技术难度较大，因此采取直接干扰的方式相对比较容易实现。
B、操控信号干扰与阻塞
在完成发现及定位后，用无线电技术手段切断遥控器与无人机的通信链路，迫使无人机进入失效保护模式，从而自主返回起飞点或就地降落。在此过程以大功率信号为能量源，向目标发射设备，暴力阻断无人机的飞行，此方法由于对周边环境影像过大，不建议推广应用，仅在特殊场景中授权使用。从绿色环保的角度可针对目标信号本身特征，利用软件无线电技术产生有针对性的目标信号，从而实现小功率、精准的绿色手段。对于固定频点的传输信号，使用传统手段在相同频点释放干扰信号进行技术性阻断即可。对于FHSS/DSSS信号，由于其每一个单独时隙的信号都包含了完整的控制信息，可结合识别的信号特征和跳频参数，对每一个时隙相对应的频点分别进行阻断，这样可以减小设备功耗，更为重要的是不会对其他无线电设备产生干扰，如ISM频段内大量存在的WiFi、蓝牙等。如果无人机处于预设路径飞行模式，无人机理论上可以做到与地面遥控站不进行任何形式的数据传输，仅依靠卫星导航信号飞往预设地点，因此只能对无人机接收到的卫星导航信号进行技术性阻断，特别要强调的是，这种情况下应选用方向性强的定向天线，以尽量减少对其他设备卫星导航装置的影响。
操控信号干扰方式分为遥控信号频段阻塞干扰和跟踪式干扰两种。
(1)跟踪式干扰可根据无人机遥控信号的跳变，针对某一具体频段进行干扰。缩小了干扰范围，节省干扰功率，对电磁环境影响较小。
(2)阻塞式无人机遥控信号调频范围较广，需要使用实时带宽较大的干扰设备，对干扰设备的处理能力和响应速度要求较高。
这两种控制干扰方式均不能干预自主飞行模式下的无人机。
C、网捕反制子系统
当无人机目标对无线电反制不敏感时采用网捕方案进行反制，提高电磁环境友好性，降低对布防环境正常信号干扰风险。网捕采用无人机发射捕捉网的方式进行捕捉，捕捉网自带降落伞，能够安全的将入侵无人机降落到地面，便于进行后续处理和避免损伤无人机带来的法律纠纷。
无人机网捕的基本过程如下，当系统锁定入侵无人机后，将参数发送给在地面待命的反制无人机，防止无人机携带捕捉网升空，根据地面跟踪设备指引接近非法入侵无人机，利用机载视频设备跟踪识别入侵无人机，并控制无人机接近至合适的发射位置，当目标锁定时，发射捕捉网。捕捉网网住无人机后，拉出尾部的降落伞，使无人机能够平稳降落至地面，便于采取后续措施。
另外还可采用车载发射网弹、单兵肩抗式发射网弹等。此类方法由于受目标高度影响，精确瞄准难度较大，对抓捕手的操作技术要求极高，成功率受限。另外，此方法难以应付蜂群式无人机袭击。
3、接口层
接口层通过统一的硬件和网络接入接口，适应不同的网络制式，通过与综合管廊平台预先定制的协议进行双向数据通信。
二、综合管理平台
综合管理平台是系统设计的核心处理平台，具体由接入层、基础服务层、业务功能层和用户层构成，各层功能描述如下：
1、接入层：
负责为整体综合管理平台提供基本的网络接入服务。主要包括互联网网关、防火墙、网络交换设备和负载均衡服务器。由这些设备构成了基础的内外网网络环境，并具备安全防范能力。同时对多节点大数据量并发进行负载均衡，提升平台整体的稳定性和可靠性。
2、基础服务层：
由GIS服务、流媒体服务、Web服务、数据库服务和消息服务构成。该层是实现具体业务的底层支撑服务，其中GIS服务提供完备的地理信息服务，为防区地图和地理信息展现提供了手段。流媒体服务器为光电跟踪系统提供实时视频流播放支持能力。Web和数据库服务能够为整个系统的后台管理提供保障。消息服务可以实现与设备端的实时双向互联。
3、业务功能层：
该层功能是整个系统平台的核心层，通过底层网络接入和各种基础服务，通过软件编码和算法实现，将前端防御节点数据转换为有价值的业务信息，其内容涵盖地图管理、防区管理、无人机目标管理、反制策略管理、用户管理、设备管理、日志管理、报警管理等。其中：
地图管理可以对防区及周边地理信息进行配置，方便直观展现环境信息。
防区管理可以有效对防御、预警区域进行设置(如半径)。
无人机目标管理可以实现对无人机信息展示，以及对应的黑白名单管理等功能。
用户、日志管理能够对用户信息、权限、行为和操作记录等进行查询修改。
设备管理可以通过消息服务，对远程防御节点进行在线式的配置和调整。
报警管理将用户名下所有防御节点的无人机闯入、报警信息，设备故障信息等实时弹框，并且可由用户对报警策略进行配置。
策略管理是平台的核心功能之一，用户可以设置防御平台手动/自动打击闯入防区的无人机目标，并且可以精细化配置反制策略，如反制手段的选择、优先级设定等。
4、用户层：
该层是系统的展示层，通过图形化的界面手段，向用户提供直观全面的信息展板，方便用户“一张图”作业，同时提供综合管控中心，方便对各个业务管理模块进行配置管理。
平台具备兼容性，可做为子系统融入客户安防防御体系，并对接入的反无人机设备提供远程在线升级，可以此平台为依托，为客户提供有偿运维服务，达到长期盈利目的。
综合系统分别在线式管控与非在线式管控两种方式，其工作流程包括目标发现、目标定位、打击决策、打击策略选择、目标反制。
由无线电探测定位子系统、光电探测跟踪子系统和雷达探测跟踪子系统构成的探测系统通过一种或多种探测手段对目标无人机进行探测识别，并对齐进行测向和定位。将这些信息按照预定协议格式上报。由平台端采用人工或自动方式对目标进行打击决策分析和打击策略选择，并将最终反制指令以反制系统可识别的方式下达至最终执行反制子系统。
对部署环境有特殊需求的应用场景，探测与反制系统也可进行察打一体化的独立部署，打击决策与策略管理可在本地进行。
(1)在线式管控解决方案
由一种或多种探测手段构成等前端防御节点探测系统，通过远程平台对其进行防区配置、策略配置后，防御节点即可进入防御探测模式，当发现一个或多个无人机目标时，探测系统会根据预制策略调用一个或多个探测子系统对目标进行探测定位(视防御节点配置而定)，并将探测结果依照平台协议形成报警信息上报平台，平台端通过综合管控中心功能以报警弹框和声光报警形式提醒值班人员对报警信息进行处理。值班人员可根据报警信息调看光电探测子系统实时图像(如配置光电子系统)，并通过信息展板查看目标无人机及所在防区具体信息。手动选择反制策略后，向防御节点的反制系统下达反制命令。平台将命令及反制策略下发至前端反制系统。针对目标无人机的反制开始。如无线电反制手段无效，则通知采用白名单无人机或警卫人员携带网捕设备进行反制。
该种方式适用于有充足安保资源，对防区安全有一定要求的应用场景。发现无人机目标后通过人工确认方式确保打击的有效性，以及对周边环境影响最小化。
(2)本地察打一体化管控解决方案
与在线式管控类似，本地察打一体化可由平台管理人员对防御节点进行察打一体自动化配置，出现可疑无人机目标时，前端防御节点将根据预制策略自行反制。并将过程记录以日志形式上报综合管理平台保存。当目标无人机不受无线电干扰系统影响时，可向平台综合管控中心告警，申请人工介入物理网捕方式进行反制。
该种方式适用于安防等级较低的场合，安保资源和力量有限。防区内环境影响较小，不会带来附加损害的应用场景。
无人机侦测反制装备系统的防御节点可以根据应用场景进行灵活组合部署：
配置一：采用被动探测方式+全向无线电反制系统
该配置探测系统采用无源被动侦测，工作时不发射无线电信号，仅在需对无人机目标进行反制时开启发射功能。适用于油库等对无线电功率要求极高的场合应用。同时对周边电磁环境影响小，也可用于住宅密集区域。
配置二：采用被动探测方式+光电探测跟踪+全向无线电反制+定向无线电反制系统
该配置探测系统增加了光电跟踪，可以对目标进行精确测向定位，并且能够进行录像取证，此外还配备了无线电定向干扰系统，可以针对性的对指定无人机进行打击。该系统可以部署于比较敏感的政府设施、监狱等场合。
配置三：采用被动探测方式+雷达探测+全向无线电反制+定向无线电反制
该配置的防御节点能有有效增强无人机目标探测、识别和定位能力，并针对不同距离的目标进行有效反制，扩大防区范围。适合机场等空旷区域布防。
配置四：采用雷达探测+观点跟踪+定向无线电反制
该配置适合远距离大范围的无人机目标探测于反制。对于近距离目标采用光电跟踪方式。适合人烟稀少地区的无人机管控。
以上配置均可配备物理网捕反制手段作为补充。当无线电反制无效时，需要人员携带或无人机携带网捕设备进行物理抓捕。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
