非合作式无人机监视研究进展

陈 琳，黄宇杰

(中国民航大学 飞行技术学院，天津 300300)

一、引 言

得益于技术开放和互联网经济推动，近年来，无人机技术得到了快速发展，无人机制造成本持续下降。目前，我国无人机持有量急剧上升，在给航空摄影、农业植保、快递物流、救援救灾等带来巨大效益的同时，也导致由于非合作式无人机(Non-cooperative UAV)持有人对规章制度的不明确或蓄意违法等造成的入侵事件频发。

无人机入侵事件在我国杭州、昆明、成都、南京、重庆等多地均有发生。“黑飞”事件的频发已对我国民航正常运行构成巨大威胁，社会影响极其恶劣，破除无人机“黑飞”事件已是箭在弦上。但是，和传统有人驾驶飞机的监视不同，现有民用航空器监管技术几乎完全不适用于无人机：第一，无人机性能差异大，可用飞行速度、高度各不相同。第二，目前无法建立管制员和无人机飞手的直接通信，无法实现即时指挥。第三，无人机物理体积小，雷达反射面小，传统雷达监视不适用于对无人机的监视。

事实上，针对无人机监视，民航局也发布过多项规定，例如《民用无人驾驶航空器实名制登记管理规定》(AP-45-AA-2017-03)[1]《民用无人驾驶航空器系统空中交通管理办法》(MD-TM-2016-004)[2]等。在实际运行中，大型正规无人机厂家在技术、资金等方面都更有优势，能够建立或购买属于自己的无人机云系统(UAV Cloud System)，并可以在无人机系统中预设民航局划定的净空保护区域和高度数据，如果无人机刚好处于禁飞区域，系统将锁定无人机，无人机将无法实施飞行。虽然无人机管理规章制度建设较为完善，但是由于我国民航无人机管控缺乏整体有效的技术监督手段，监管体系不完整，合作式无人机监管系统并未完全有效实施。部分无人机制造商也没有按规定安装无人机电子围栏，也未按要求建立或接入无人机云系统。因此，非合作式无人机监视系统的建立显得尤为重要[3]。

监管技术一：无人机围栏。 无人机围栏是指在无人机系统或者其加入的云系统中根据民航局规定所内置的特定的地理范围边界的软硬件系统。民航局在2017年10月公布了《无人机围栏》[4]民航行业标准，详细说明了无人机围栏的定义、模型、标准及性能要求等。但是，除大疆公司外，大部分公司都未在技术上实现在无人机上设置围栏。

监管技术二：无人机云系统(Unmanned Aerial Vehicle Cloud System)。 它是指为无人机提供飞行服务、动态运行数据管理、告警等的一体化系统，可为无人机用户提供导航、气象服务等必要运行服务，同时可以监控并实时自动上报无人机的运行数据，并可对即将入侵无人机围栏的无人机触发报警[5]。2017年10月20日发布的《无人机云系统接口数据规范》[6]明确规定无人机系统和云系统之间的数据通信标准、数据加密标准、编码的规则和系统性能要求。《规范》要求无人机系统与云系统之间通过标准数据接口进行双向通讯。目前,国内一共有五家无人机云系统公司获得了民航局的批准。按照《无人机云系统接口数据规范》，用户可根据需要，自由选择合适的云系统为无人机提供数据和信息支撑。

二、非合作式无人机探测技术

目前，据运行可靠的非合作式无人机探测经验，主要有三种检测非合作式无人机入侵的方法:(1)非合作式无人机雷达探测法；(2)非合作式无人机无线信号探测法；(3)非合作式无人机图像捕捉、声音捕捉及融合探测法。

(一)基于雷达的非合作式无人机监视技术

在众多航空器探测方案中，雷达技术的发展最为成熟，也是重要的现行民用航空器监视手段。雷达具有距离远、位置准确等优点，并且在扫描范围内所有的飞行物体都将无所遁形。雷达作为主动传感器，无须与航空器达成通信协议，而且可以全天候工作。

1.超宽带雷达

超宽带雷达技术在雷达应用中已经非常广泛，因其具有时间分辨率非常高的特点，常被用于追踪人体、车辆，检测心跳及生命体征。美国联邦通信委员会的规定表明，超宽带雷达目前已经可用于探测无人机。

2.毫米波雷达

由于小型无人机雷达散射截面(Rcs)很小，且飞行高度低、速度慢，普通的场监雷达很难探测到无人机的出现，想对其识别分类就更难了。而毫米波雷达刚好有着非常大的带宽，可以实现高分辨率的侦测。毫米波雷达通过精确地分析无人机多普勒频谱，为实现无人机的识别分类提供准确数据和跟踪未经授权的无人机。

3.其他雷达技术

除了基于毫米波和超宽带雷达技术之外，中低频率的窄带雷达也可用于无人机的探测。 例如，可以考虑使用在2.4GHz工作的多静态雷达，分析具有不同有效载荷的微型无人机的微多普勒信号，可将无人机分类为无有效载荷、200g有效载荷和500g有效载荷三类。在雷达与目标之间距离小于100 m时，使用23 dBm带有24 dBi增益发射功率的10°×10°波束宽度的水平极化天线侦测的检测技术，对于不同的有效载荷进行分类，其准确度可达到90%以上[7]。

(二)无线电信号探测法

无线电信号探测法，是使用射频传感器来捕捉无人机与远程控制器之间的通信信号以判断是否有无人机存在。这种信号可以是无人机和远程操作员之间的控制信号(通常在2.4GHz)，或者是有效载荷信号。例如：通过分析螺旋桨的反射信号，侦测控制器与无人机之间的通信，以及分析无人机的振动反射模式；通过使用SDR来提取来自无人机的跳频扩频信号以检测无人机[8]。

并且，如果无人机和远程控制系统使用的是开放式的通信协议，侦测系统就可以捕获通信信号，并且能在信号中快速获取全球定位系统数据，从而确定无人机的位置。但是若无人机和远程控制器之间使用的是自由式通信协议，通过无线电信号探测法只能确定有无无人机存在，却无法定位入侵无人机。

(三)声学、视觉检测方法

1.声学传感器

使用声学传感器可以在20米到600米的距离范围内检测到无人机。例如，使用麦克风阵列，可以通过声波束在3D空间中找到无人机的方向。如果使用多个麦克风阵列，就可以准确识别无人机的位置。并且，几乎每种类型的无人机的声学图谱都是不同的，就像是生物的遗传密码一样。系统通过将捕获的声学图谱与提前建立的无人机声学图谱库中的图谱进行快速比较以确定无人机型号。无人机的声学检测完全适用于非合作式无人机探测且价格相对便宜，但其缺点也很明显，一旦风或者其他背景噪音(如正常航班、飞鸟、杂物等)过多、过强，系统的分辨力将大大降低。

2.计算机视觉传感器

使用计算机视觉技术对未经授权的无人机进行检测，已经在过去几年里取得了较大的进展。无人机探测的计算机视觉技术的优点包括：(1)能够检测没有射频传输的无人机。(2)光学传感器价格便宜。(3)固有的定向精度。[9]无人机探测的计算机视觉技术缺点是：若想保持捕捉精度和稳定性，单个传感器只能固定一个方向，而其监视范围有限，想要实现大空域(如机场净空区)的监视覆盖则需要安装多个、多套系统。并且，摄像头基本上无法在黑夜和浓雾情况下获取图像(但如果同时使用不同视场的视/热相机，便可以在夜间捕捉无人机图像，并且能实现更快更准确的检测)。

三、现有非合作式无人机监视系统

目前，国内外在非合作式无人机的监视系统开发上均有不同程度的研究和成果，监视手段与方法也各不相同，其区别主要在于无人机多探测技术的融合。

简单技术融合侦测：美国DeUAV公司开发的名为“UAV Tracker”的无人机监视系统，采用图像传感器和音频传感器作为探测手段，其不仅能够侦测到无人机入侵信号，还能够在一定程度上辨别无人机类型。一个小站点只需要其中一个设备，大型站点可以部署其中的多个设备。在系统的监视范围内侦测到的所有活动都会在客户端显示，并且发出入侵警告。

多技术融合侦测：中国的华诺星电子科技研制的MSAUDS(多传感器反无人机防御系统)融合了多种传感器(如图像、音频、视频、2.4GUHF等多种传感器)和侦测手段，能够实现在系统保护的100米～500米范围内24小时的侦测、预警和告警。

侦测、跟踪与反制融合技术： AUDS系统是英国研发的一种反无人机防御系统(俗称的电磁干扰射线枪)，该系统可以侦测多种无人机，并在确定无人机为非法入侵后实时跟踪，必要时可根据用户指令摧毁目标。其应用雷达探测系统、视频跟踪和动态定位系统、定向射频干扰系统等设备对无人机进行搜索、跟踪以及干扰，使其坠机、迫降或返回飞行[10]。

四、我国低空无人机发展现状及监管难点概述

(一)我国低空无人机发展现状

无人机在中国保有量巨大，目前，仅登记在册的无人机数量就达18万台。而据2017年的《中国民航飞行员发展年度报告》显示，截至2017年12月31日，我国民用无人机飞行员为24 407人，比上年同比增长了138%[11]。

截至2018年6月，中国有一千二百多家无人机企业。生产企业达650家，2017年产量达290万架。2017年12月由工信部发布的《民用无人机制造业促进和规范发展纲要》指出，到2020年，我国无人机产业年产值将达到600亿元。由于无人机的使用需求和制造所带来经济价值巨大，民用无人机市场的快速扩大和无人机的广泛运用将是强大而不可逆的趋势，我国低空空域的使用和监管也必须随之进行优化和升级。

(二)我国无人机监管难点

1.难点一：无人机制造商的监管和规范

要想从源头上实现无人机的有效监管，对制造商的监管和规范是重中之重。要保证无人机本身安全、可靠、规范、可溯，其不同型号无人机的设计、制造、系统运用均需获得适航许可，并保持定期持续审定。另外，在销售、注册环节强制实名登记加以规范和记录。这样，在发生无人机事故时才可以清晰划分制造商和无人机飞手责任。

2.难点二：无人机飞手规范和资质管理

作为无人机的“飞行员”，无人机飞手决定了无人机的行动。应该明确的是，在无人机活动中，无人机飞手一定是第一负责人。目前的无人机不安全事件多数都是人为因素，而其中很大一部分是无人机飞手对规章制度不明确、知识技能水平不够、资质能力不足。

3.难点三：低空监视与现有空中交通管理融合

低空监视与传统空中交通管理有着很大区别。目前我国空中交通管理系统只针对有人驾驶航空器，是以雷达监视为主，与飞行员建立面对面通讯的管理系统。而无人机在空域、性能、人员资质、监视手段、通信方式等多个方面都与传统的空中交通管理不同。只有在规章制度、空管人员体系、监视系统、通信手段等多方面共同发力，才能真正实现与现有空中交通管理的融合。

五、对非合作式无人机监管的思考

(一)协同合作，共促无人机行业健康发展

由于无人机成本低、效益高、使用场景广泛，我国无人机行业发展迅猛，但其涉及的安全、监管和责任问题复杂多样，目前无人机行业发展状况称得上是一把“双刃剑”。为了使无人机行业的发展健康、可持续，既在日常的生产经营中产生效益，又不至于对生命财产安全构成威胁，需要多部门共同合作，即加强工业与信息化部门、工商部门、民航局适航审定部门、空管、机场、民航科教部门、无人机制造商、销售商等的交流沟通，以目的和结果为导向共同制定规章制度，加强各个环节的规范管理[12]。

(二)加强培训，减少人为所致的入侵事件

在民航界，“保证飞行安全的最后一道防线”时常被用来比喻飞行员。对于无人机而言也是一样，无人机飞手掌握着无人机的运行权，对无人机的行动负直接责任。无人机飞手有义务了解无人机性能、运行条件、空中交通管理规定以及掌握无人机操作规范等。因此，应当把对无人机飞手的培训、资质认定作为一项重要工作认真落实。国内民航院校及民航培训机构都可开设相应的专业或培训课程，同时开展资格认定，以满足无人机飞手培训需求，对实际操作人员进行有效管理。

(三)融合非合作式无人机监视技术，实现有效监视

有效的监视系统不应该是割裂的。我国民用航空空域由中国民航空中交通管理局实施管理，因此无论是有人驾驶还是无人驾驶航空器，都应由空管统一管理。近年来，低空空域的开放，使得通用航空真正实现了“飞起来、飞得远”， 所以融合合作式与非合作式无人机监视技术、大型航空器监视技术，可实现净空区全方位24小时监视，能更有效实现空域的合理利用和统一管理。在统一的空域中，特别是在净空区等重要区域，融合的监视手段能在威胁和冲突发生前，给出预判和预警，甚至能及时实施干预，确保净空区的安全。