受保護(hù)空域：反無(wú)人機(jī)技術(shù)淺談

受保護(hù)空域
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此時(shí)正值深冬，由于持續(xù)出現(xiàn)降雪、雨雪冰凍和道路結(jié)冰等現(xiàn)象，這座大都市按下了暫停鍵。室外溫度為-10C，我的車(chē)門(mén)也凍住了。我不由得懷念起了夏天，一個(gè)人在后院燒烤時(shí)的情景， 甚至還能想象到漢堡和培根的味道。但在后院燒烤總是有一個(gè)問(wèn)題。那些討厭的蒼蠅、蚊蟲(chóng)和蚊子都會(huì)在晚上出沒(méi)（圖1）， 真的很煩人。我必須用蒼蠅拍、香茅蠟燭、電滅蟲(chóng)器和有機(jī)驅(qū)蟲(chóng)劑來(lái)對(duì)付它們，讓它們遠(yuǎn)離我的朋友和家人。否則，它們會(huì)一直嗡嗡作響，落在食物上，甚至咬人（該死的馬蠅和蚊子）。在夏天，我要保護(hù)我后院的領(lǐng)空免受這些不受歡迎的入侵者的侵?jǐn)_。然后，一旦我控制了大自然（某種程度上），我就會(huì)聽(tīng)到一聲嗡嗡聲從籬笆上傳來(lái)。我可不想這群在附近飛行的無(wú)人機(jī)影響我燒烤時(shí)的愉快心情。 無(wú)人機(jī)
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無(wú)人機(jī)已經(jīng)成為無(wú)人駕駛飛機(jī) (UAV) 和無(wú)人機(jī)系統(tǒng) (UAS) 技術(shù)的代名詞。UAV通常指在空中飛行的設(shè)備， 而UAS一般指包括空中設(shè)備及其所有地面和任何人為控制的配套支持技術(shù)。無(wú)人機(jī)很快在軍事領(lǐng)域得到了應(yīng)用，成為了軍事任務(wù)中所使用的工具，這些任務(wù)被認(rèn)為風(fēng)險(xiǎn)過(guò)大，可能會(huì)造成人員傷亡，或者由于過(guò)于重復(fù)和單調(diào)，不利于人類(lèi)通過(guò)遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)方式持續(xù)參與。無(wú)人機(jī)的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)包括質(zhì)量 (kg)、速度 (m/s)、高度上限 (m) 以及自主水平（即從遠(yuǎn)程人類(lèi)控制到完全自主）。
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反無(wú)人機(jī)技術(shù)
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隨著低成本、無(wú)處不在且日益復(fù)雜的UAV/UAS（以下簡(jiǎn)稱(chēng)UAV）的出現(xiàn)，如何評(píng)估、減輕和保護(hù)無(wú)人機(jī)免受惡意活動(dòng)的影響成為了一個(gè)難題。本文將討論不同反無(wú)人機(jī)背后的一些技術(shù)、反無(wú)人機(jī)防御技術(shù)的特點(diǎn)，以及如何在軍事應(yīng)用之外部署該技術(shù)。反無(wú)人機(jī)技術(shù)的重點(diǎn)將放在探測(cè)、跟蹤和分類(lèi)所需的態(tài)勢(shì)感知上，基本上沒(méi)有提及如何禁用和減少惡意飛行的無(wú)人機(jī)。
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位置監(jiān)控
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私人或公司擁有和控制的無(wú)人機(jī)對(duì)民用建筑和機(jī)構(gòu)造成潛在威脅。這些威脅可能是對(duì)實(shí)際目標(biāo)的威脅，如當(dāng)?shù)貦C(jī)場(chǎng)和空中交通（圖2），也可能是涉及關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施、公司和體育賽事的監(jiān)視/間諜行為/知識(shí)產(chǎn)權(quán) (IP) 盜竊。此外，無(wú)人機(jī)可能會(huì)對(duì)學(xué)校、游行、交通堵塞和集會(huì)等存在人群大規(guī)模聚集的場(chǎng)合造成威脅。甚至還有惡意操縱者者試圖入侵監(jiān)獄圍欄，部署裝有爆炸性彈藥的無(wú)人機(jī)，或?qū)⑵溆糜谄渌问降目植佬袨椤榇?，地方和私營(yíng)主管部門(mén)必須制定詳細(xì)的總體計(jì)劃，以通過(guò)反無(wú)人機(jī)防御系統(tǒng)對(duì)其資產(chǎn)進(jìn)行保護(hù)。也就是說(shuō)，他們必須確定監(jiān)控對(duì)象以及監(jiān)控方式。由于資源有限，可能會(huì)優(yōu)先考慮對(duì)重要的部分實(shí)施全方位保護(hù)。我們的愿望是開(kāi)發(fā)出盡可能提前探測(cè)到威脅的技術(shù)，以便跟蹤、分類(lèi)、攔截或摧毀潛在的惡意無(wú)人機(jī)。 ?
探測(cè)與跟蹤
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人體是一個(gè)不可思議的生物系統(tǒng)。人類(lèi)的五種感官為他們提供大量環(huán)境信息和信號(hào)，以了解周?chē)l(fā)生的事情。要利用反無(wú)人機(jī)技術(shù)，工程師就必須設(shè)計(jì)出電子反無(wú)人機(jī)系統(tǒng)。他們從周?chē)纳锸澜缰屑橙≡O(shè)計(jì)線(xiàn)索，結(jié)果發(fā)現(xiàn)使用電子傳感系統(tǒng)的探測(cè)方案可以讓他們聽(tīng)到或看到潛在的惡意無(wú)人機(jī)。
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聽(tīng)：聲學(xué)傳感器
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蜜蜂以每秒大約200次的速度拍打著翅膀，因此會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很小的聲信號(hào)。如果置身于一群蜜蜂之中，會(huì)讓你覺(jué)得很吵，很?chē)樔恕?br /> ?
系統(tǒng)工程師可以使用敏感的被動(dòng)聲傳感器，主要以麥克風(fēng)或麥克風(fēng)陣列的形式來(lái)采集單個(gè)或多個(gè)（蜂群）無(wú)人機(jī)產(chǎn)生的噪聲。盡管無(wú)人機(jī)發(fā)出的聲音相對(duì)來(lái)說(shuō)比較小，但借助于擴(kuò)音器、智能頻率濾波器、其他設(shè)備以及算法，便可在無(wú)人機(jī)進(jìn)入保護(hù)空域時(shí)及時(shí)進(jìn)行分類(lèi)和識(shí)別。這些聲學(xué)算法可通過(guò)利用人工智能（AI）和機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）得到潛在的增強(qiáng)。聲學(xué)探測(cè)通常允許系統(tǒng)粗略地對(duì)探測(cè)到的無(wú)人機(jī)進(jìn)行三角定位。這也是一個(gè)很好的選擇，因?yàn)樗a(bǔ)充了可能需要視距 (LOS) 功能的視覺(jué)感知（看）技術(shù)。當(dāng)然，在更安靜、更開(kāi)闊的空間使用起來(lái)更容易。
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看：視覺(jué)和攝像頭傳感器
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蜜蜂可以看到300-600納米的光譜。與人類(lèi) (400nm–700nm) 相比，蜜蜂可以看到紫外線(xiàn) (UV) 區(qū)域（<400nm），卻看不到紅光 (>600nm)。蜜蜂的復(fù)眼由大約8600個(gè)面組成， 因此能找到遠(yuǎn)處的花朵。人類(lèi)已經(jīng)在無(wú)人機(jī)上部署了攝像頭，使其能夠捕捉和記錄人類(lèi)觀察到的事物，不僅是人類(lèi)光譜范圍內(nèi)的，還能借助于紅外 (IR) 或紫外線(xiàn)攝像頭捕捉到人類(lèi)看不見(jiàn)的。前視紅外 (FLIR) 系統(tǒng)或其他類(lèi)似攝像頭可提供用于黑暗條件或觀察熱圖像的方法， 并可通過(guò)制作錄音來(lái)證明所發(fā)生的事情。由于光是直線(xiàn)傳播的，所以無(wú)人機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)還有視距要求。通過(guò)視覺(jué)觀察進(jìn)行探測(cè)需要額外的感知能力，因?yàn)槿绻麩o(wú)人機(jī)不在視距范圍內(nèi)，反無(wú)人機(jī)系統(tǒng)就會(huì)變成“瞎子”。反無(wú)人機(jī)系統(tǒng)可能在戰(zhàn)略上配備了大量擴(kuò)展能力，以升級(jí)其視覺(jué)感知能力，從而在各種環(huán)境下運(yùn)行。然而，視覺(jué)系統(tǒng)在黑暗和降水等更具挑戰(zhàn)性的環(huán)境中表現(xiàn)不佳。由于會(huì)對(duì)探測(cè)到的物體進(jìn)行錯(cuò)誤分類(lèi)，視覺(jué)系統(tǒng)的誤報(bào)率可能也更高。
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包含人工智能和控制中心的UAS可以使用帶有USB 3.0攝像頭的UAV。該攝像頭可以持續(xù)監(jiān)控受限空域，并提供大視場(chǎng) (FoV)。Basler是一家知名的高品質(zhì)數(shù)碼相機(jī)及配件制造商。Basler ace USB 3.0攝像頭等產(chǎn)品可滿(mǎn)足無(wú)人機(jī)探測(cè)的關(guān)鍵要求。
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反射探測(cè)
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另一種探測(cè)無(wú)人機(jī)的方法更類(lèi)似于蝙蝠所使用的探測(cè)原理。這種技術(shù)不再使用聲波導(dǎo)航和測(cè)距（聲納），而是使用無(wú)線(xiàn)電（電磁輻射）探測(cè)和測(cè)距（雷達(dá)）方法。一種有效的方式是從發(fā)射器 (Tx) 發(fā)出射頻 (RF) 信號(hào)，通常是在短時(shí)間內(nèi)發(fā)出，并完成空域全覆蓋。覆蓋空域內(nèi)的物品將這些射頻信號(hào)反射（回波）到射頻接收器 (Rx)， 用于繪制受保護(hù)空域內(nèi)的對(duì)象。反射信號(hào)還包含方向和速度信息。這些系統(tǒng)可以遠(yuǎn)距離工作，同時(shí)提供實(shí)時(shí)跟蹤和覆蓋， 還可以同時(shí)處理蜂群等多個(gè)目標(biāo)，并且不受環(huán)境影響。由于射頻信號(hào)要發(fā)射出去，這類(lèi)信號(hào)通常要遵守相關(guān)機(jī)構(gòu)制定的頻率傳輸要求，以避免對(duì)其他周?chē)h(huán)境造成干擾。
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由于無(wú)人機(jī)依賴(lài)射頻信號(hào)（例如以下頻段的信號(hào)：1.2GHz、1.3GHz、2.4GHz和5.8GHz），被動(dòng)的防御方法是使用射頻傳感器探測(cè)這些頻譜。如果RF傳感器和后續(xù)分析探測(cè)并識(shí)別到所使用的無(wú)人機(jī)通信協(xié)議，將發(fā)出警報(bào)信號(hào)。
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通過(guò)中斷進(jìn)行攔截
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戰(zhàn)術(shù)攔截是指在到達(dá)或闖入特定區(qū)域前對(duì)惡意行為進(jìn)行延遲或干擾。對(duì)于反無(wú)人機(jī)技術(shù)l愛(ài)說(shuō)，就是提前禁止可疑無(wú)人機(jī)進(jìn)入受保護(hù)的空域。一旦探測(cè)到可疑無(wú)人機(jī)，則可以將射頻干擾系統(tǒng)或高功率微波 (HPM) 設(shè)備指向無(wú)人機(jī)（圖3）。這些信號(hào)中斷器可以采用結(jié)構(gòu)化安裝，也可以是可移動(dòng)的。它們可能會(huì)將電磁脈沖 (EMP) 等高能光束指向無(wú)人機(jī)，這實(shí)際上會(huì)使控制器失明、無(wú)法通信或干擾無(wú)人機(jī)對(duì)其全球定位系統(tǒng) (GPS) 坐標(biāo)的感知。 ?
當(dāng)失去控制時(shí)，無(wú)人機(jī)通常會(huì)被設(shè)置為 (a) 安全著陸、(b) 返回、(c) 像伊卡洛斯一樣從天空墜落，或 (d) 隨機(jī)失控地飛到未知區(qū)域。選項(xiàng) (c) 和 (d) 都可能產(chǎn)生嚴(yán)重的負(fù)面影響。射頻干擾機(jī)依賴(lài)于非動(dòng)力形式的攔截。此外，HPM可能會(huì)影響EMP路徑內(nèi)的非預(yù)期電子設(shè)備，造成附帶性損害。
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攔截
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反無(wú)人機(jī)技術(shù)也可采用動(dòng)力學(xué)形式。這些形式通常屬于攔截或破壞的范疇。通常，當(dāng)其他措施的決策時(shí)限或時(shí)間窗口已過(guò)時(shí)，可以采取動(dòng)力學(xué)形式的措施來(lái)保證攔截。人們認(rèn)為感知到的風(fēng)險(xiǎn)過(guò)于嚴(yán)重，無(wú)法承受進(jìn)一步的拖延， 而且已經(jīng)到了必須結(jié)束的地步，必須盡快消除威脅。
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還有一種方式是測(cè)距攔截。測(cè)距攔截允許一個(gè)高度定向的天線(xiàn)獲得控制可疑無(wú)人機(jī)的射頻發(fā)射器的方位，以方便攔截那些控制可疑無(wú)人機(jī)的發(fā)射器。
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反無(wú)人機(jī)技術(shù)可能包括派遣其他無(wú)人機(jī)突襲、攔截或摧毀威脅，如精力充沛的猛禽游隼。人類(lèi)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了可以發(fā)射到空中的系統(tǒng)，在射程內(nèi)能像像蜘蛛俠一樣射出網(wǎng)狀網(wǎng)，通過(guò)阻止旋翼旋轉(zhuǎn)和保持飛行軌跡來(lái)捕獲和消除來(lái)襲的威脅。
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結(jié)語(yǔ)
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我迫不及待地希望夏日早點(diǎn)來(lái)臨，在后院盡情燒烤。盡管我要努力保護(hù)我后院的空間不受一群想在我周?chē)宋私械娘w蟲(chóng)的影響，但我還是期待著我的火焰烤雙層芝士漢堡， 這還是很值得的。我相信從事反無(wú)人機(jī)技術(shù)的工程專(zhuān)家會(huì)保護(hù)我后院的空域免受任何惡意無(wú)人機(jī)的侵害。畢竟，我還不想我的家傳漢堡食譜外泄。
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