民用无人机监管技术进展

孙明权 武治河

近年来，由于操作简单、使用门槛低、应用范围广，民用无人机产业得到快速发展，但随之而来安全问题也日益突出。2017年4月以来，我国成都、昆明等机场多次发生“无人机扰航”事件，共造成上百架航班备降，严重威胁航空安全。此外，无人机偷拍侵犯隐私、窃取情报、坠机伤人、被犯罪分子利用（走私、贩毒、暴恐、劫狱）、甚至用于戰争等事件不断进入人们的视线。无人机监管不足已引起社会各界的担忧和重视，政府和业内各界都在积极探索合理的方法，以加强和完善无人机的监管。

国内外监管技术研究现状

从监管的角度，无人机可分为合作类无人机和非合作类无人机。合作类是指遵循既定规则之下运行的无人机，其安全责任人主动通过某种技术手段按照一定频率实时上报飞行动态，以接受监管部门的监视与管理；非合作类是指挑战既定规则运行的无人机，有关部门对此类无人机除了需能探测和监视外，还应具备防御和反制能力。

无人机监管需要技术手段支撑。国外针对无人机监管已开展多项关键技术研究，比较知名的一些监管系统有：谷歌、亚马逊等公司协助美国宇航局（NASA）研发的无人机空中交通管理（UTM）系统、法国空客公司研发的反无人机系统、英国研发的反无人机防御系统（AUDS）、意大利赛雷斯公司研制的猎鹰防护盾反无人机系统、丹麦研发的GROK反无人机系统、以色列拉斐尔公司研发的无人机穹顶（Drone Dome）系统等。国外针对无人机监测、反制技术的研究及产品相当独立化，还没完全形成一体化的安全监管技术体系。整体上，国外在合作类和非合作类监管系统的理念和产品研制都落后于我国。

合作类无人机监管技术

对于合作类民用无人机，可用于监管的技术主要有二次雷达（Secondary Surveillance Radar，SSR）、广播式自动相关监视（Automatic Dependent Surveillance –Broadcast，ADS-B）和基于移动运营商网络或卫星通信链路技术的无人机云系统。

（1）二次监视雷达

航管二次雷达，也叫空管雷达信标系统（Air Traffic Control Radar Beacon System，ATCRBS）。该系统由地面雷达站询问机和飞机机载应答机组成，在“一问一答”过程中完成识别，管制员从二次雷达上能够获取飞机的二次雷达应答机代码、飞行高度、飞行速度、航向等参数，二次雷达探测距离一般在300～370km。

机载应答机价格较高、一般体积和重量较大，可适应于中大型无人机，如用于可载重3t的干支线物流快递的无人机。另外，应答机代码数量少，编码有4位，每一位上有0～7的八个数字可选，共4096个，有些特殊编码有特定含义，如1200、2000、7500、7600、7700。对于庞大的无人机基数来说，其编码数量远远不够。

（2）广播式自动相关监视技术

在航空业，装配广播式自动相关监视设备的飞机，可以自动地向一定范围内的其他飞机或地面站广播飞机的地理位置、高度、速度、航向、识别号等信息，以供管制员对飞机状态进行监控。广播式自动相关监视设备小型化和微型化使得现有无人机配备广播式自动相关监视成为可能。agetech XP系列广播式自动相关监视应答机，信用卡大小，重量仅100g，功耗低，可在2万米高空以下使用，而uAvionix研发的广播式自动相关监视接收器pingRx，仅重1.5克。安装广播式自动相关监视输入接收端的无人机不仅能起到警告作用，紧急情况下还能强制无人机进行避让。但当前市场上绝大部分无人机均在视距内飞行，此类无人机无需配备广播式自动相关监视系统，如果将这类无人机纳入民航广播式自动相关监视系统中，则系统将不堪重负。

（3）无人机云系统

在2015年10月西安国际通航大会上，青岛云世纪信息科技有限公司率先公开展示了无人机监管系统。该系统由用户移动端APP、空管系统ATC监管端和行业用户Web端组成，该系统最大亮点还在于可以接入现有民航空管自动化系统中，理念和实现领先于国外。

为加强对无人机的监管，中国民用航空局飞标司2015年12月29日颁布的《轻小无人机运行规定（试行）》首次提出“无人机云系统”的概念。该概念已输出至国际民航组织，在全球范围内得以应用。无人机云系统是指轻小型民用无人机运行动态数据库系统，用于向无人机用户提供航行服务、气象服务等服务，对民用无人机运行数据（包括运营信息、位置、高度和速度等）进行实时监测。截止到2018年3月，中国民用航空局共授权6家无人机云系统运营商。目前，无人机的实时位置和状态信息获取主要通过移动网络。具体实施一般有两种方式，一种是无人机云系统数据接口，另一种是无人机外挂微型智能定位传输设备，如U-Care Agent。

（4） 电子围栏

电子围栏是指为阻挡即将侵入特定区域的航空器，在相应电子地理范围中画出特定区域，并配合飞行控制系统、保障区域安全的软硬件系统。2017年10月20日，中国民用航空局发布了《无人机围栏》民航标准。该标准规定了无人机围栏的范围、构型、数据结构、性能要求和测试要求等。在技术方面，电子围栏主要包括两种：一是基于无人机云系统的电子围栏，在系统上划设电子围栏，无人机云系统监管端对趋势侵入和侵入围栏内的无人机提供预警提醒和告警功能。二是通过无人机飞控端内置数据模块，实现基于无人机机载的电子围栏。机载电子围栏主要由无人机厂商自行设置，使无人机在电子围栏内无法起飞或无法超过限飞高度等，数据要求定期在线或离线更新。目前，国内有些生产商宣称生产的无人机均内置电子围栏，但大多数无人机厂商尚未实现。

非合作类无人机监管技术

对非合作类无人机的处置主要分为监测/探测和处置/反制两个阶段，相应可分为监测技术和反制技术。可行的主动探测技术包括雷达探测、光电及红外摄像平台探测、无线电监测、声音识别等；主动处置手段包括定向射频（电磁）抑制/干扰、物理摧毁/捕捉、接管迫降等。美国巴德学院无人机研究中心近期发布了一份反无人机系统市场报告，报告列出了来自33个国家的155家制造商提供或正在研发的超过235种反无人机系统产品，有88种（37%）仅具备探测功能，有79种（34%）仅具备拦截功能，有65种（28%）可具备探测和拦截两种功能。

（1） 无线电监测技术

随着无人机对社会公共安全的威胁越来越大，对无人机主动探测需求日益增加，各类研究机构和厂家纷纷加大了无人机监测技术的研究。当前无人机监测技术主要分为频谱监测、低空雷达、声光电监测三大类。

1） 频谱监测技术

无人机频谱监测技術是指利用无线电接收装置，探测无人机无线电通信链路，通过无线电频率扫描特征识别和解码，来侦测、定位监测区域内的无人机。常用的无人机频谱监测设备有以下几类：

一是接收无人机广播信号，通过已知通信协议，获取空中无人机的准确位置信息、飞行高度、速度、方向、机型、SN码、起飞点地址等信息，并通过网络上报至远程服务器进行实时展示与数据处理，如北京智宇翔云的云哨，但该设备仅能识别大疆品牌系列无人机。

二是通过建立无人机频谱特征库，利用高性能定向天线接收电磁波，对无线电频率特征识别，测定电波来波方向，通过几个位置不同的测向站（台）组网测向，或用移动测向站，在不同位置依次分时交测。无线电测向一般有以下几种方法：幅度比较式、干涉仪、到达时间差等，侦测频率范围可涵盖9 kHz～20GHz，捕获各种型号的无人机信号，根据无人机发射信号的功率，覆盖范围宽可达几千米。目前，利用该方式的产品仅能定位无人机方位和距离，无高度信息。著名频谱仪器和天线生产商安诺尼、安捷伦等均发布了相应产品。因测向天线受制于人，国内厂商同类产品大同小异。

三是采用频谱监测设备多站组网，通过频谱特征识别出无人机后，通过波达方向估计（DOA）、波达时间差定位（TDOA）等无线电定位算法确定无人机的位置信息。通过4站以上定位，基本可确定无人机位置和高度信息。青岛云世纪信息科技有限公司研制的基于无线电监测组网技术的无人机频谱监测系统于2017年9月在第七届中国国际无人驾驶航空器大会暨展览会上首次亮相，现已分别在某部队营区和监狱实际部署。

2）低空探测雷达

雷达一直是航空器探测的重要方式。国内相关院所和企业一直在不断探索针对“低、慢、小”航空器的低空探测雷达，因民用轻小型无人机的雷达反射截面（RCS）小，例如很多消费型无人机的雷达反射截面小于0.01m2，业内普遍选用常作军用火控雷达的厘米波（大多为X波段、Ku波段或Ka波段）作为无人机探测雷达的工作波段。相比普通雷达，无人机低空探测雷达通常采用全固态全相参脉冲多普勒有源相控阵雷达，其搜索精度高、数据更新快、故障率低，可有效滤除地杂波的影响，对低空飞行的无人机有较好的探测效果，但价格较高。国内多家之前从事军用雷达研制的院所已研制出针对微小型无人机的雷达探测系统，性能较好，基本可监测无人机范围可达2km以上。

3）声光监测技术

声光监测技术是利用声学传感器，识别声音库中存储的无人机独特引擎声，辅以光电和红外摄像机手段来定位无人机。无人机的飞行高度比较低，飞行速度慢，其声音和影像相比高空高速飞行物更容易被地面传感器截获。因此，可将声音传感器和高清（红外）摄像头等光学传感器部署于防控区域外围。当声音传感器监听到声音后，可通过数据库比对，从而发现无人机，也可控制光学传感器进行搜索确认，从而实现对无人机的监测。声音监测单一技术应用有效距离短，一般不足100m。美国Drone Shield公司最早宣传利用声音感知技术来探测无人机。北京理工全盛科技有限公司研制生产的BAT-Capturer集成了音频侦测器、Wi-Fi频谱侦测器、广角摄像机、近红外摄像机等多种传感器，可对500m范围内入侵无人机进行预警，对100m半径核心区域进行全天候实时侦测和报警，并已在四川某监狱得以实际应用。

（2）无人机反制技术

面对“黑飞”等非合作无人机带来的威胁，现有常规武器装备通常无法对其实施有效地拦截处置。早期有人设想过用无人机反制无人机，即在无人机上挂载网枪，当发现“黑飞”无人机后发射绳网将其捕获。反制无人机的手段主要有干扰阻断、物理摧毁和监测控制等，主流的无人机反制技术以下几种：

1）电磁干扰技术

干扰阻断类主要通过信号干扰、声波干扰等技术来实现。目前，市面上无人机的控制多使用无线电干扰技术，通过向目标无人机发射大功率干扰信号，对无人机控制信号或卫星导航信号进行压制，使无人机迫降或返航。此类设备主要针对900MHz、2.4GHz和5.8GHz等无人机常用工作频段和卫星导航频段。利用电磁干扰技术的无人机反制设备有便携式反制设备、固定式（阵地式）反制设备、云台式反制设备等。

便携式反制设备通常使用定向天线和内置电池，体积小、重量轻，便于单兵携带使用；固定式（阵地式）反制设备通常使用大功率全向或定向天线，一般用于在一定区域内部署无人机电子围栏，使区域外的无人机无法飞入，区域内的无人机无法起飞；云台式反制设备是将定向天线装在云台上，通常作为无人机侦察、打击一体化系统的组成部分，可以根据系统侦测到的无人机位置信息，自动向目标发射干扰电磁波进行反制。国内电磁干扰技术产品走在国际前列，在各类展会上、大型活动安保上均能看到此类产品的身影。

2）GPS诱骗技术

由于无人机接收GPS信号总是以信号最强的信号源为准，只要伪造一个强度大的GPS信号，就可以覆盖真正的卫星GPS信号，从而欺骗无人机的GPS接收模块。GPS诱骗技术就是利用了这个原理向无人机的控制系统发送虚假的地理位置坐标，从而控制导航系统，诱导无人机飞向错误的地点。GPS诱骗信号产生方式有两种：一是GPS信号录制方式，是指诱骗设备接收到目标GPS信号后进行录制、存储，然后播放给目标无人机，使其定位错误；二是使用信号发生器模拟一组伪造的导航卫星标准电文和信号直接，向目标无人机发射，使其定位错误。国内使用GPS诱骗技术并公开展示的产品主要有ADS2000基站式无人机诱骗防御系统。

（3）激光技术

反无人机激光武器主要用于军事领域，可以向目标无人机发射一道高能激光照射，在数秒内致其烧毁。目前，多个国家研制了高精度激光武器系统，例如国内的“低空卫士”系统、“要地近距净空防御系统”以及欧洲导弹集团德国公司研发的反无人机激光武器系统等。2017年11月26日，“要地近距净空防御系统”在实装测试中进行了激光远程打击无人机演示。

发展趋势

通过上述各种无人机监管技术分析，可以看出任何单一技术都有优势和不足，在实际应用中应形成互补。根据目前的发展现状来看，无人机监管技术在未来的发展中会呈现出以下几点趋势。

（1）基于云架构的合作类无人机监管平台

基于民用无人机监管体系框架，综合运用二次雷达、广播式自动相关监视、移动网络和卫星通信链路等多手段与多目标综合监视技术，基于云计算、云存储和区块链技术实现合作目标民用无人机从接入、识别、定位、监视、管理和服务等全过程的无人机监管平台。

（2）基于多元探测复合拦截的非合作无人机防控技术

针对重点保护区域可能出现的非合作无人机目标，综合利用频谱、雷达和声光电等多种技术手段，突破城市复杂环境下多元传感器目标识别/协同探测/综合识别技术，构建支撑多体制探测、多手段拦截的协同防控网络，确保重点区域的安全。

（3）无人机大数据预警潜在的威胁

通过无人机整机或部件在生产、销售、流通和应用等整个产业链中，每一个环节产生的数据都可为无人机反恐安全分析提供数据支撑，同时区块链技术将确保上述数据可信且不可更改与删除。

（4）合作类和非合作类无人机监管技术融合应用

合理的无人机监管平台需将合作类无人机监管技术与非合作类监管技术融合一体，使任何时候运行中的无人机都可被监视，以确保合作类无人机飞行过程中一旦发生特情时依然可被监视，避免其对其他飞行中的无人机造成安全威胁。

结束语

虽然当前无人机技术发展遥遥领先于监管技术的發展，但随着科技发展，无论是合作类监管技术还是非合作类监管技术也都将进一步发展。监管技术的发展将为无人机的规范应用带来更多技术保障。同时，我国也应从政策和管理上完善对无人机的监管，使民用无人机产业健康、有序、良性发展。