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无人机防御系统与时间同步系统的兼容性分析

1 引言

无人机全称“无人驾驶飞行器”,(Unmanned Aerial Vehicle)英文缩写为“UAV”,是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。随着无人机研发技术逐渐成熟,制造成本大幅降低,无人机在各个领域得到了广泛应用,除军事用途外,还包括农业植保、电力巡检、警用执法、地质勘探、环境监测、森林防火以及影视航拍等民用领域[1]。

然而,随着使用难度的不断降低,无人机在给人们生产生活带来巨大便利的同时,其"黑飞"与滥用也给国家、社会和人民造成了安全危害。随着功能越来越先进的新式无人机不断涌现,也带来了安全和隐私方面的忧患,如无人机偷窥侵犯隐私权,在国家机关和军队驻地等敏感区域飞行危害国家安全,以及无人机操作不当引发安全事故等等[1]。针对日趋严峻的“黑飞”无人机威胁,反无人机技术装备和市场也得到了快速的发展,当前无人机防御系统主要功能包括探测定位及预警、干扰压制、毁伤等,其工作面以区域为主,应用不当将影响其他系统的正常工作。本文就无人机防御系统与电力系统中时间同步系统的兼容性进行分析。

2 反无人机技术体系组成

反无人机技术体系主要包括探测跟踪和预警、击毁、干扰、伪装欺骗等内容。实施反无人机工作的原理是,首先对入侵无人机进行探测跟踪和预警,然后再根据实际情况,选择对无人机实施捕捉、击毁或者干扰、控制,另外还可通过一些伪装防护方法,降低无人机的袭扰成功率。

目前,国外反无人机装备主要有信号干扰、黑客攻击、“反无人机”无人机、无线电反制、激光炮、声波等类型,特点和效果各部相同,但根据其技术及反制措施总体上可分为探测定位与预警技术、干扰压制技术、毁伤技术三大类[2]。

(1)探测定位与预警技术

无人机探测定位与预警技术用于实现对无人机及其操控者的探测、定位和取证。主要包括雷达探测跟踪技术、光学视频监控技术、无线电信号探测技术等。

(2)干扰压制技术

无人机干扰压制技术通过对无人机控制、数据和导航信号的阻断、压制或欺骗,实现对非法入侵无人机的控制、迫降、抓捕或驱离。

(3)毁伤技术

主要包括激光武器技术、反无人机导弹技术、微波武器技术、“反无人机”格斗型无人机技术和常规火力毁伤技术等。

3 反无人机技术路线兼容性

3.1 探测取证及预警技术

(1)雷达探测跟踪技术

无人机雷达探测跟踪技术主要使用Ku波段(12-18GHz)、S波段(2-4GHz)等型雷达探测、跟踪非法入侵无人机。雷达所使用频段为专用授权频段,理论上不存在与现有系统的兼容性问题(相同频段雷达除外)。

(2)光学视频监控技术

无人机光学视频监控技术通常使用摄像机在雷达的辅助下采集视频信息,利用视频分析技术对无人机的入侵犯罪进行取证,理论上不存在与现有系统的兼容性问题。

(3)无线电信号监测技术

无线电信号探测技术对无人机的操控和信息传输无线信号的监测,通过数据库存储样本的比较、信号源分析等方法对非法入侵无人机进行探测、跟踪。该技术使用无源传感器,不对外发射无线电信号,理论上不存在与现有系统的兼容性问题。

3.2 干扰压制技术

由于绝大部分无人机的飞行控制均采用GPS卫星导航系统与惯性导航系统相结合的方式,因此,可以通过对无人机的GPS信号接收机进行电子干扰,导致无人机只能依靠基于陀螺仪的惯性导航系统,从而无法获得足够精确的自身坐标数据,也就失去了作业的精度[4]。

(1)导航信号干扰压制技术

无人机导航信号干扰压制技术主要采用专用设备发射定向或全向干扰信号,使无人机导航单元无法正常工作而实现对入侵无人机的控制、迫降或使其返航。

无人机导航信号干扰压制通常发射的干扰信号频段是1.45GHz-1.65GHz,涵盖北斗、GPS、GLONASS和Galileo的信号频点。当前主流无人机防御系统使用的导航信号干扰压制设备,不管定向还是全向,其发射的干扰压制信号均是面覆盖信号,凡是坐落在该覆盖面内的接收北斗、GPS、GLONASS和Galileo信号的设备均会被影响,如接收北斗/GPS授时的时间同步系统,使用北斗卫星通讯的抄表系统等。因此,无人机导航信号干扰压制存在与现有系统的兼容性问题。

对时间同步系统来说,导航信号干扰压制将产生两种形式的影响:(1)设备无法接收到授时信号而进入守时状态;(2)设备接收的授时信号减弱导致系统的授时准确度降低。对于第一种情形,符合《Q/GDW 11539-2016 电力系统时间同步及监测技术规范》的时间同步系统的准确度将以1us/h的速度变差,符合《DL/T 1100.1-2009电力系统的时间同步系统 第1部分:技术规范》的时间同步系统的准确度将以55us/h的速度变差[6],对于第二种情形,符合Q/GDW 11539-2016标准的时间同步系统的准确度将以200ns/s的步长变差,符合DL/T 1100.1-2009标准的时间同步系统的输出信号准确度可能出现较大的抖动,最大可能到毫秒级。

对使用北斗卫星通讯的抄表系统,导航信号干扰压制可能使系统通信中断或通信速度严重降低。

(2)导航信号欺骗技术

无人机导航信号欺骗技术主要采用专用设备发射全向干扰信号,使无人机导航单元获得错误位置信息而无法飞抵目标空域,从而实现对入侵无人机的驱离[5]。

当前使用的导航信号欺骗设备,其发射的干扰压制信号是面覆盖信号,凡是坐落在该覆盖面内的设备均会被影响,如接收北斗/GPS授时的时间同步系统,使用北斗卫星通讯的抄表系统等。因此,无人机导航信号欺骗存在与现有系统的兼容性问题。

(3)控制、数据传输信号干扰压制技术

非法入侵无人机正常工作需要有地面控制信号操控,其非法获取的数据可能需要传输回控制中心。因此,干扰压制非法入侵无人机控制、数据传输信号,可以阻断机密的继续泄露,阻止非法入侵无人机逃逸[5]。

无人机控制、数据传输信号通常使用的频段有:430-470MHz,840MHz,920MHz,2400-2500MHz,5700-5800MHz,这些频段有的是专用频段,有的是公用频段,控制、数据传输信号干扰压制技术同样是定向或全向发射同频段干扰压制信号,凡是坐落在该覆盖面内的使用相同频段信号的设备均会被影响。因此,无人机控制、数据传输信号干扰压制存在与现有系统的兼容性问题。

3.3 毁伤技术

现有无人机毁伤技术主要包括激光武器技术、反无人机导弹技术、微波武器技术、格斗型无人机技术和常规火力毁伤技术等。运用这些技术的反无人机武器装备组成地面-空中火力打击网,依据侦察情报系统提供的情报信息,采取适当措施,运用合理的战术战法,对无人机实施实时火力摧毁。由于激光武器具有反应时间短、照射速度快、命中精度高、辐射强度高、摧毁威力大、不易受电子干扰等优点,目前在该类型无人机防御系统中普遍使用[1]。电力系统应用需要关注的兼容性问题在于误伤。

3.4 兼容性分析

综上所述,无人机防御系统使用了部分与正常使用技术对立的技术手段,如导航信号干扰压制技术、导航信号欺骗技术,这些技术手段的作用面均是区域性的,并且是不分敌我的,因此,这些技术手段发挥作用时,正常工作的时间同步系统设备也会受到与“黑飞”无人机同样的影响。根据无人机防御系统厂商提供的信息,该系统经常永久或临时部署应用于重要的特定场合,如国家机关、军队驻地、重要会场。而这些场合也常常是重点电力供应保障对象。因此,相关运维人员、时钟设备生产厂商等应着重关注时间同步系统与无人机防御系统的兼容性问题,研制具有防欺骗和抗干扰功能的设备,以应对类似问题对电力系统安全运行产生的威胁。

4 兼容性问题应对策略

公安部发布的GA 1800—2021《电力系统治安反恐防范要求》明确规定:无人机防御系统应用应有保障措施,不得对电力系统授时产生影响。为实现上述兼容性要求,我们研制了卫星信号安全防护装置,装置适用于电力系统调度机构、发电厂、变电站、集控站等所用时间同步装置的卫星信号抗干扰防欺骗功能原位加固,适用于金融、证券、通信、交通、智能制造、教育、医疗等行业时间服务器的卫星信号抗干扰防欺骗功能原位加固,可以有效提升时间同步装置/时间服务器抗干扰和防欺骗能力。

卫星信号安全防护装置的配置,同时可以达成GA 1800—2021《电力系统治安反恐防范要求》对时间同步系统防欺骗抗干扰的规定:电网企业、发电企业的卫星导航时间同步系统应采取防干扰安全防护和隔离措施,具备常规电磁干扰信号入侵监测和实时告警能力、卫星信号拒止条件下高精度时间同步保持和干扰信号安全隔离能力,使用GPS为主授时的系统还应具备使用北斗卫星原位加固授时防护与GPS信号安全隔离能力。同时,使时间同步系统满足DL/T 1100.5—2019《电力系统的时间同步系统 第5部分:防欺骗和抗干扰技术要求》。

卫星信号安全防护装置可以防转发式、生成式和入侵式欺骗,具有干扰检测及告警、 防欺骗及欺骗告警、馈线状态检测及告警、馈线短路保护、退出无碍等功能。装置串行安装于时间同步装置/时间服务器的卫星天线输入接口,施工难度低,馈线短路保护、退出无碍功能设计确保即使串行接入也不影响原有设备运行稳定性。

卫星信号安全防护装置 连接方案

参考文献

[1] 蔡亚梅,姜宇航,赵霜.国外反无人机系统发展动态与趋势分析[J].航天电子对抗,2017,33(02):59-64.

[2] 李俊峰. 反无人机技术应运而生[N]. 解放军报,2019-08-30(011).

[3] 张静,张科,王靖宇,吕梅柏,王佩.低空反无人机技术现状与发展趋势[J].航空工程进展,2018,9(01):1-8+34.

[4] 赵海旺. 基于卫星导航干扰的反无人机系统设计与实现[A]. 中国指挥与控制学会.第六届中国指挥控制大会论文集(上册)[C].中国指挥与控制学会:中国指挥与控制学会,2018:4.

[5] 高博,张乃千,范旭.反无人机电子战发展[J].国防科技,2019,40(01):35-39.

[6] 电力系统的时间同步系统第1部分:技术规范[S]. DL/T1100.1-2018.

[7] 电力系统的时间同步系统第5部分:防欺骗和抗干扰技术要求[S]. DL/T1100.5-2019

[8] 电力系统治安反恐防范要求[S]. GA 1800—2021

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