核设施低空防范系统建设的需求分析

核设施低空防范系统建设的需求分析

李进  孙恒斌

辽宁红沿河核电有限公司 辽宁省大连市

摘要：本文主要介绍了核设施针对低空的“低慢小”飞行物防范系统的建设背景、威胁分析以及系统组成。对“低慢小”飞行物防范系统的雷达探测系统、频谱侦测系统、飞手定位系统、光电识别跟踪系统、导航诱骗系统等进行了简单介绍，并对核设施“低慢小”飞行物防范系统所面临的问题进行了总结。

一、背景介绍

随着低空空域的开放，以及无人机的普及和应用领域的快速拓展，“低慢小”飞行物对社会各领域的安全压力与日俱增，消费级无人机甚至直接被应用于军事用途或恐怖袭击。2018年1月，俄罗斯驻叙利亚基地遭受来自反政府武装13架无人机的群峰式攻击；4、5、6月又连续发生3起被袭事件。2018年7月3日，“绿色和平组织”盯上了法国里昂中部的一座核设施，派了两架轻型无人机直接撞击核设施，另一架固定翼无人机在空中掩护和观察，引起社会各界的高度关注。

为加强我国核设施的低空防御能力，2018年2月，国家核安全局发布新修订的核安全导则《核设施实物保护》（HAD501/02），第5.4.1入侵报警系统中要求：核设施应按照设计基准威胁，对水域或低空设置入侵报警装置或干预措施。2018年5月22日，国家发改委文件《关于进一步加强核电运行安全管理的指导意见》（发改能源〔2018〕765号）第二十三条中规定：核电厂要建立有效防范低空空域飞行物入侵的感知、识别、处置、通报管理体系与技术手段，加强对核电厂低空空域的安全保卫能力。

二、核设施低空防范的传统技术路线

近两年，国内很多核设施均在“低慢小”飞行物防范中进行了探索与研究。基于不同的威胁分析、形成了不同的技术路线。“低慢小”飞行物防范的重要技术手段包括：雷达探测、光电探测、频谱探测、声探测、TDOA（Time Difference of Arrival）多站定位、AOA（Angle of arrival）多站定位、协议破解、磁探测等技术。

三、核设施低空防范的威胁分析

“低慢小”飞行物是指飞行高度低、飞行速度慢、雷达反射面积小的飞行物具，主要包括轻型和超轻型飞机（轻型和超轻型直升机）滑翔机、三角翼、动力三角翼、载人气球（热气球）、飞艇、滑翔伞、动力滑翔伞、无人机、航空模型、无人驾驶自由气球、系留气球等12类。“低慢小”目标探测难度大，识别困难，反制手段特殊（常规火炮、枪械等武器反制效果不佳）。

“低慢小”飞行物按照是否具有无线电遥控功能分为电磁遥控与非电磁遥控。电磁遥控主要包括：正规厂家原装无人机与采用通用典型通讯及飞控技术的无人机。主要生产商包括：大疆，零度、PAROOT、MICRODRONES等；非电磁遥控类型的主要包括：改装带攻击性的无人机（采用惯性导航直线飞行，计算好路线定时投掷目标）、航空航天模型或者DIY无人机、轻型和超轻型飞机、轻型直升机、滑翔机、三角翼、滑翔伞、动力伞、热气球、飞艇、空飘气球、孔明灯。还可根据是否有人驾驶，分为无人驾驶飞行物与有人驾驶飞行物。

根据中商情报网数据，近年来，“低慢小”飞行物中的无人机产业发展迅速，在个人消费、农林植保、地理测绘、环境监测、电力巡线、影视航拍等领域应用广泛。目前无人机市场主要由个人消费级无人机和商用无人机构成。消费级无人机主要用于航拍、跟拍等娱乐场景。商用无人机的应用范围则非常广泛，可以用于农林植保、物流、安保、巡防等多个领域。消费级无人机售价基本保持在5000美元以下，续航能力不超过1个小时。商用无人机相比个人无人机来说，拥有更大的有效载荷和更长的飞行时间，目前在工业领域应用最为成功。商用无人机市场出货量虽小，但售价较高，收入占据了无人机市场的三分之二。根据Gartner数据估算2018年全球无人机市场产量达313万台，市场规模达到73亿美元，同比增速达到28%。预计2019年全球无人机市场出货量达370万台。

相比较而言，有人驾驶的轻型和超轻型飞机、轻型直升机、滑翔机、三角翼、滑翔伞、动力伞、热气球、飞艇，受国内航空管制的制度制约，技术发展以及成本控制，目前尚未在国内有所发展。根据《2018-2024年中国纯民用直升机行业深度调研及投资前景分析报告》：目前，中国内地217家直升机运营企业飞机数量TOP10分别为：中信海直、上海金汇通航、海直通航、中国飞龙通航、华彬天星通航、国网通航、南航通航、广东白云通航、四川西林凤腾通航和广州穗联直升机通航，所拥有的直升机数量非常少。

根据公开资料显示：从1979年到2000年，国内通航企业引进直升机的数量极少，平均每年引进数量约2架，几乎可以忽略不计。从2001年到2009年，民用直升机的年引进数量稍微增长，但增速缓慢。直到2010年以后，民用直升机在国内才正式进入第一个成长期，并逐步发育出一个可观的波峰，2013年民用直升机引进数量接近100架。2017 年上半年，中国内地共引进

97架民用直升机，截止到 2017 年 6 月我国内地民用直升机保有量已经达到 909 架，年均采购约 100 架。民用直升机以轻型为主，价格中枢约为 1500万元/架。

综上所述，对“低慢小”防范的主要威胁在于：通过电磁控制的无人驾驶飞行物。价格低、目标小、探测难度大、具有偷拍、撞击伤人、投掷违禁品、舆论造势、虚拟网络基站、集群式攻击等入侵手段。而且随着无人机行业的发展，新的模式还会涌现。面对的敌手，通常为具有一定的无人机方面知识，熟悉无人机的操纵方法，可能存在恶意的社会不满分子或者为普通的无人机爱好者。表1通过无人机进行入侵的可能的敌手与攻击手段

表1：通过无人机进行入侵的可能的敌手与攻击手段

四、核设施低空防范系统的组成分析

核设施“低慢小”飞行物防范系统的主要组成部分应至少包括：探测、跟踪取证、反制三部分。

表2：低慢小”飞行物防范系统的主要组成

通过采用多种探测手段相结合，相互补充协同工作，才能实现更加有效的”低慢小”防范。

五、核设施低空防范系统子系统功能需求

1、雷达探测系统

“低慢小”无人机雷达探测系统主要组成部分：前段探测分系统、伺服分系统、数据处理分系统和集成显示分系统。前端探测分系统主要包括天线、发射机和接收机。能够全天候对周边空域进行不间断探测，从而发现空中无人机目标。雷达系统可以对无线电静默的低空目标进行全天候侦查，是无线电侦测设备的重要补充。可以引导光电设备对目标进行识别，具有扇区屏蔽扫描，公路图屏蔽、杂波抑制等功能。

2、频谱侦测系统

根据2015年《工业和信息化部关于无人驾驶飞行物系统频率使用事宜的通知》，为满足应急救灾、森林防火、环境监测、科研试验等对无人驾驶飞行物系统的需求，根据《中华人民共和国无线电频率划分规定》及我国频谱使用情况，规划 840.5-845MHz、1430-1444MHz和2408-2440MHz频段用于无人驾驶飞行物系统。信号工作方式、波道间隔及发射机功率限值等指标详见附件1；《无人驾驶飞行物系统无线信道配置及无线电设备射频指标要求》。

另外，根据我国对IMS（Industrial Scientific Medical Band）频段的管理要求，应用这些频段无需许可证或费用，只需要遵守一定的发射功率，并且不要对其它频段造成干扰即可。由表1可见，433MHz、900MHz、2.4GHZ、5,8GHZ为目前工业上常用的频段。其中433MHz主要用于民用对讲通信、2.4G、5.8G主要用于蓝牙、WIFI、ZigBee等无线网络。

表3：IMS频段

现阶段，国内消费级无人机常用频段主要集中在IMS的2.4G与5.8G、频谱侦测系统的侦测频段在针对这类频段的基础上，应尽可能覆盖的更全面。

频谱侦测系统的工作原理：通过比幅比相测向。通过比幅测向，时效性强，天线的方向性越尖锐、使用的天线数量越多，测向精度和角分辨率越高。比相法利用处于不同几何位置的天线接收同一个信号，由于电波到达各天线的时间不同，所以接收到的信号相位不同。通过测量并处理这些相位差来获取信号的方位信息。

3、光电跟踪系统

光电设备具有多光谱探测跟踪功能，通常包含激光、热成像、可见光三种探测模式，可对需要监控的区域进行全天时视频探测与监视。既可以实现大视场搜索目标，也可以小视场观察跟踪目标。系统具有线扫、巡航、除霜、光学透雾等多种功能，具有适应于天空的观测模式。

4、干扰与反制系统

干扰与反制系统是“低慢小”目标的处置手段，目前常用的处置手段为电子干扰技术。其他处置手段及其优缺点分析如下：

表4：干扰与反制系统的优缺点

对于核设施来说，电磁干扰技术是不会对低慢小飞行物造成实质性伤害，能够避免造成不必要的民事纠纷；其次，电磁干扰覆盖面比较广，可产生50度左右的干扰扇面，对于低慢小目标造成干扰不需要特别高的引导精度。此外，干扰与反制系统的干扰频段应能够覆盖上述章节的主要频段，并且具备对GPS、BD、GLONASS、伽利略卫星导航频段进行干扰，作为利用导航信号进行无线电静默飞行的处置手段。

干扰与反制系统在核设施应用时需注意对卫星授时信号的影响。核设施很多工控系统均依赖于卫星授时，需要通过卫星接收天线校准时钟。干扰与反制系统需要制定合理的干扰策略，既能保证核设施空域安全，又不会对核设施安全稳定运行造成重大影响。

干扰策略的制定需要考虑：无人机的图传与飞控频段、无人机的具体位置、无人机的威胁分级。无人机的威胁分级需要考虑无人机的飞行速度、高度、方向、距离等因素。制定合理的分级策略，指导干扰与反制系统有效工作。另外，配置多套干扰与反制系统情况下，在制定策略时，还应考虑干扰机的覆盖范围，互相补盲的要求。干扰策略的制定应综合考虑，才能有效防范。

5、导航诱骗系统

导航诱骗系统通过虚拟导航系统构建及控制策略至卫星导航信号的映射实现位置诱骗、速度诱骗等功能。位置诱骗：通过将模拟任意位置坐标的大功率导航模拟信号投射到指定区域，切断天空中真实的卫星导航信号，从而侵入指定区域内无人机的卫星接收终端，从而实现位置诱骗。通过位置诱骗可以设置禁飞功能。速度诱骗：通过天线将坐标加任意速度的信号投射到指定区域，利用无人机的增稳策略，飞控会立即反方向修正漂移速度，使无人机向附加速度的反方向飞行。

6、飞手定位系统

飞手定位系统系统主要由无线电信号接收分系统、无线电信号处理分系统、信息预处理系统三部分组成。其工作流程为：接收分系统将接收到的射频信号传送至信号处理分系统，处理分系统首先将射频信号变频为中频信号、然后经数字化处理变成数字中频信号，数字中频信号经处理分系统中各种信号获取算法来获取信号在频域、时域、调制域和空域里的各种信息，从而实现无人机信号的监测与测向和频谱监测功能功能。

六、展望

有人驾驶飞行物的防范仍是核能行业的难题。核设施也不具有对有人驾驶飞行物的处置权利。和地方空管部门打通沟通壁垒，是核设施对空域防范中有人驾驶飞行物防范的重要补充。

此外随着无线电技术的不断发展，无人机飞控、图传的技术也在不断变化。5G技术对无人机发展也提供了新的机遇，针对5G信号普及后的无人机防范需要充分考虑利用5G移动通信的大带宽，低延时控制无人机的方式。在低慢小飞行物防范工作中，需要时刻关注行业动态，并不断完善系统功能，才能够有效保证核设施空域安全。