受保护空域：反无人机技术浅谈

受保护空域
 
此时正值深冬，由于持续出现降雪、雨雪冰冻和道路结冰等现象，这座大都市按下了暂停键。室外温度为-10C，我的车门也冻住了。我不由得怀念起了夏天，一个人在后院烧烤时的情景， 甚至还能想象到汉堡和培根的味道。但在后院烧烤总是有一个问题。那些讨厌的苍蝇、蚊虫和蚊子都会在晚上出没（图1）， 真的很烦人。我必须用苍蝇拍、香茅蜡烛、电灭虫器和有机驱虫剂来对付它们，让它们远离我的朋友和家人。否则，它们会一直嗡嗡作响，落在食物上，甚至咬人（该死的马蝇和蚊子）。在夏天，我要保护我后院的领空免受这些不受欢迎的入侵者的侵扰。然后，一旦我控制了大自然（某种程度上），我就会听到一声嗡嗡声从篱笆上传来。我可不想这群在附近飞行的无人机影响我烧烤时的愉快心情。

 
图1：成群的昆虫飞来飞去，嗡嗡作响。（图源：nataba/stock.adobe.com）

无人机
 
无人机已经成为无人驾驶飞机 (UAV) 和无人机系统 (UAS) 技术的代名词。UAV通常指在空中飞行的设备， 而UAS一般指包括空中设备及其所有地面和任何人为控制的配套支持技术。无人机很快在军事领域得到了应用，成为了军事任务中所使用的工具，这些任务被认为风险过大，可能会造成人员伤亡，或者由于过于重复和单调，不利于人类通过远程无线方式持续参与。无人机的分类标准包括质量 (kg)、速度 (m/s)、高度上限 (m) 以及自主水平（即从远程人类控制到完全自主）。
 
反无人机技术
 
随着低成本、无处不在且日益复杂的UAV/UAS（以下简称UAV）的出现，如何评估、减轻和保护无人机免受恶意活动的影响成为了一个难题。本文将讨论不同反无人机背后的一些技术、反无人机防御技术的特点，以及如何在军事应用之外部署该技术。反无人机技术的重点将放在探测、跟踪和分类所需的态势感知上，基本上没有提及如何禁用和减少恶意飞行的无人机。
 
位置监控
 
私人或公司拥有和控制的无人机对民用建筑和机构造成潜在威胁。这些威胁可能是对实际目标的威胁，如当地机场和空中交通（图2），也可能是涉及关键基础设施、公司和体育赛事的监视/间谍行为/知识产权 (IP) 盗窃。此外，无人机可能会对学校、游行、交通堵塞和集会等存在人群大规模聚集的场合造成威胁。甚至还有恶意操纵者者试图入侵监狱围栏，部署装有爆炸性弹药的无人机，或将其用于其他形式的恐怖行为。为此，地方和私营主管部门必须制定详细的总体计划，以通过反无人机防御系统对其资产进行保护。也就是说，他们必须确定监控对象以及监控方式。由于资源有限，可能会优先考虑对重要的部分实施全方位保护。我们的愿望是开发出尽可能提前探测到威胁的技术，以便跟踪、分类、拦截或摧毁潜在的恶意无人机。

 
图2：在机场附近飞行的无人机可能会扰乱空中交通。（图源：Alexandre Rotenberg/stock.adobe.com）

 
探测与跟踪
 
人体是一个不可思议的生物系统。人类的五种感官为他们提供大量环境信息和信号，以了解周围发生的事情。要利用反无人机技术，工程师就必须设计出电子反无人机系统。他们从周围的生物世界中汲取设计线索，结果发现使用电子传感系统的探测方案可以让他们听到或看到潜在的恶意无人机。
 
听：声学传感器
 
蜜蜂以每秒大约200次的速度拍打着翅膀，因此会产生一个很小的声信号。如果置身于一群蜜蜂之中，会让你觉得很吵，很吓人。
 
系统工程师可以使用敏感的被动声传感器，主要以麦克风或麦克风阵列的形式来采集单个或多个（蜂群）无人机产生的噪声。尽管无人机发出的声音相对来说比较小，但借助于扩音器、智能频率滤波器、其他设备以及算法，便可在无人机进入保护空域时及时进行分类和识别。这些声学算法可通过利用人工智能（AI）和机器学习（ML）得到潜在的增强。声学探测通常允许系统粗略地对探测到的无人机进行三角定位。这也是一个很好的选择，因为它补充了可能需要视距 (LOS) 功能的视觉感知（看）技术。当然，在更安静、更开阔的空间使用起来更容易。
 
看：视觉和摄像头传感器
 
蜜蜂可以看到300-600纳米的光谱。与人类 (400nm–700nm) 相比，蜜蜂可以看到紫外线 (UV) 区域（<400nm），却看不到红光 (>600nm)。蜜蜂的复眼由大约8600个面组成， 因此能找到远处的花朵。人类已经在无人机上部署了摄像头，使其能够捕捉和记录人类观察到的事物，不仅是人类光谱范围内的，还能借助于红外 (IR) 或紫外线摄像头捕捉到人类看不见的。前视红外 (FLIR) 系统或其他类似摄像头可提供用于黑暗条件或观察热图像的方法， 并可通过制作录音来证明所发生的事情。由于光是直线传播的，所以无人机视觉系统还有视距要求。通过视觉观察进行探测需要额外的感知能力，因为如果无人机不在视距范围内，反无人机系统就会变成“瞎子”。反无人机系统可能在战略上配备了大量扩展能力，以升级其视觉感知能力，从而在各种环境下运行。然而，视觉系统在黑暗和降水等更具挑战性的环境中表现不佳。由于会对探测到的物体进行错误分类，视觉系统的误报率可能也更高。
 
包含人工智能和控制中心的UAS可以使用带有USB 3.0摄像头的UAV。该摄像头可以持续监控受限空域，并提供大视场 (FoV)。Basler是一家知名的高品质数码相机及配件制造商。Basler ace USB 3.0摄像头等产品可满足无人机探测的关键要求。
 
反射探测
 
另一种探测无人机的方法更类似于蝙蝠所使用的探测原理。这种技术不再使用声波导航和测距（声纳），而是使用无线电（电磁辐射）探测和测距（雷达）方法。一种有效的方式是从发射器 (Tx) 发出射频 (RF) 信号，通常是在短时间内发出，并完成空域全覆盖。覆盖空域内的物品将这些射频信号反射（回波）到射频接收器 (Rx)， 用于绘制受保护空域内的对象。反射信号还包含方向和速度信息。这些系统可以远距离工作，同时提供实时跟踪和覆盖， 还可以同时处理蜂群等多个目标，并且不受环境影响。由于射频信号要发射出去，这类信号通常要遵守相关机构制定的频率传输要求，以避免对其他周围环境造成干扰。
 
由于无人机依赖射频信号（例如以下频段的信号：1.2GHz、1.3GHz、2.4GHz和5.8GHz），被动的防御方法是使用射频传感器探测这些频谱。如果RF传感器和后续分析探测并识别到所使用的无人机通信协议，将发出警报信号。
 
通过中断进行拦截
 
战术拦截是指在到达或闯入特定区域前对恶意行为进行延迟或干扰。对于反无人机技术l爱说，就是提前禁止可疑无人机进入受保护的空域。一旦探测到可疑无人机，则可以将射频干扰系统或高功率微波 (HPM) 设备指向无人机（图3）。这些信号中断器可以采用结构化安装，也可以是可移动的。它们可能会将电磁脉冲 (EMP) 等高能光束指向无人机，这实际上会使控制器失明、无法通信或干扰无人机对其全球定位系统 (GPS) 坐标的感知。

 
图3：UAV无人机干扰机系统，用于对限制区、禁飞区的无人机进行反无人机保护。（图源：rumruay/stock.adobe.com）

 
当失去控制时，无人机通常会被设置为 (a) 安全着陆、(b) 返回、(c) 像伊卡洛斯一样从天空坠落，或 (d) 随机失控地飞到未知区域。选项 (c) 和 (d) 都可能产生严重的负面影响。射频干扰机依赖于非动力形式的拦截。此外，HPM可能会影响EMP路径内的非预期电子设备，造成附带性损害。
 
拦截
 
反无人机技术也可采用动力学形式。这些形式通常属于拦截或破坏的范畴。通常，当其他措施的决策时限或时间窗口已过时，可以采取动力学形式的措施来保证拦截。人们认为感知到的风险过于严重，无法承受进一步的拖延， 而且已经到了必须结束的地步，必须尽快消除威胁。
 
还有一种方式是测距拦截。测距拦截允许一个高度定向的天线获得控制可疑无人机的射频发射器的方位，以方便拦截那些控制可疑无人机的发射器。
 
反无人机技术可能包括派遣其他无人机突袭、拦截或摧毁威胁，如精力充沛的猛禽游隼。人类已经开发出了可以发射到空中的系统，在射程内能像像蜘蛛侠一样射出网状网，通过阻止旋翼旋转和保持飞行轨迹来捕获和消除来袭的威胁。
 
结语
 
我迫不及待地希望夏日早点来临，在后院尽情烧烤。尽管我要努力保护我后院的空间不受一群想在我周围嗡嗡叫的飞虫的影响，但我还是期待着我的火焰烤双层芝士汉堡， 这还是很值得的。我相信从事反无人机技术的工程专家会保护我后院的空域免受任何恶意无人机的侵害。毕竟，我还不想我的家传汉堡食谱外泄。