无人机防御系统在水电站的应用研究

王 磊，吴 耀

(华电电力科学研究院有限公司，浙江 杭州 310030)

0 引言

水电站是电力系统的重要基础设施，同时兼具防洪调度、水利灌溉等功能，属于反恐重点保护对象。随着中小型无人机研发与生产门槛大幅降低，轻小型民用无人机大量进入市场，未经允许的“黑飞”无人机在水电站重要生产区域内时有出现，一旦其具有恐怖目的或者受强电磁干扰失控，引发大坝、升压站、出线平台、输电线路等区域发生断电、火灾、爆炸等安全事故时，将严重影响电站和电网安全运行，并对电站生产人员和大坝下游人民生命安全产生严重威胁。为此，国家层面明确提出大型电力设施等高风险行业目标应部署无人机防范设备，以提高安全防范水平。

从国内外的研究来看，无人机防御技术包括无人机侦查探测和无人机反制两部分[1-3]，其中侦查探测技术以“雷达+光电复合”最为成熟，反制技术则以数据通信干扰、卫星定位干扰和控制系统接管等为主流。针对大型水电站复杂地形、复杂电磁环境，本文借鉴相关行业研究经验，提出了一种集雷达、频谱、光电和干扰为一体的无人机防御系统，可对半径3 km范围内低空空域进行全天候、全方位不间断监测，智能识别重要生产区内滞空目标类型、身份，并自动预警、跟踪与处置，能够有效防御“黑飞”无人机入侵，全面提高水电站安全反恐水平。

1 无人机防御系统架构及功能设计

1.1 系统拓扑结构

无人机防御系统应用部署在水电厂安全III区的数据平台或专用服务器上，通过统一数据服务总线实现数据存储、访问、监视、分析和预警。系统前端数据采集与处置系统包括雷达、频谱、光电、干扰等设备，如图1所示。

图1 无人机防御系统拓扑结构Fig.1 Topological structure of UAV defense system

1.2 设备功能

1)雷达探测。对重点保护区域半径3 km内进行有源探测，发现并跟踪低空空域内低、慢、小目标无人机，确定目标位置、速度、航向，并将数据实时上传至控制中心，引导光电系统、干扰系统或者诱捕系统进行干预。

2)频谱探测。对重点保护区域半径4 km内进行无源探测，不间断监测低空空域内无线电信号(无人机测控、图传及导航信号)，对无人机信号进行识别、特征分析和比对，若信号不在设置的白名单内，系统自动预警并引导雷达系统进行跟踪。

3)光电干扰一体化。获取重点保护区内域低空空域无人机等空中目标影像，并对目标进行处置。其中，光电设备根据探测雷达提供的目标信息智能实现目标探测、跟踪、监视、识别和记录(可见光大于或等于2 000 m，红外热成像大于或等于1 000 m)；定向干扰设备根据指控系统命令，按照探测雷达提供的方位和角度定向发射电磁干扰信号(干扰距离大于或等于3 km)，对无人机通信链路进行干扰，实现“黑飞”无人机驱离或迫降。

4)频谱干扰一体化。对重点保护区域半径3 km低空空域进行无源探测和目标处置。其中，频谱探测设备通过无源接收无人机与遥控器之间的通信信号探测、发现、识别入侵无人机；无线电干扰设备全向辐射与无人机遥控、图传、导航信号同频率的电磁干扰信号，对“黑飞”无人机进行驱离或迫降。

1.3 软件功能

1)综合展示。展示水电站无人机防御的总体情况，包括系统设备部署、防护范围、入侵类别、入侵次数统计等。

2)报警、预警。实时识别入侵无人机，显示全局的“黑飞”无人机飞行路线、状态和预警态势，持续地收集情报，提供直观的指挥界面；定制多级预警区，当无人机进入预警区域时系统发出声光警报，同时探测、跟踪及处置目标大于或等于1 000批；根据无人机威胁等级不同，优先处置威胁等级高的无人机目标。

3)防护指挥。具有基于地理位置的可视化地图信息；通过控制干扰装置，对入侵无人机进行干扰打击；与其他安全应急指挥系统联动控制和指挥。

4)智能识别。根据采集的数据持续深度学习，不断完善探测的无人机特征数据；在“黑飞”无人机报警的同时给出无人机的相关信息，辅助指挥人员作出处置决策。

5)设备控制及参数配置。控制参数设置、计划及临时任务的下达；电源状态、存储状态监视等；远程控制雷达设备、频谱探测设备、光电取证设备和反制设备，实现多种异构设备的一体化高效协作。

6)系统管理。配置和管理系统的用户角色和权限；数据在数据平台或专属服务器上长时间保存，可接入第三方存储；具备探测轨迹回放功能，并能进行视频取证存储；根据时间、事件对存储日志数据进行检索，便于进行侵入行为分析和统计。

7)可视化要求。提供数据可视化效果库，包括二维、地理信息组件、图表组件、展示组件等；提供简单易操作的方式，通过使用数据可视化效果库，快速配置生成数据可视化图表；可根据要求定制复杂的可视化图表。

2 无人机防御系统应用

2.1 系统部署

某水电站主厂房、主变洞、调压室等位于地下洞室群内，大坝、开关站、厂房入口、航道等重要生产建筑物及设备、设施分布于狭窄的河谷之间，地形、地质条件复杂。经踏勘分析，“黑飞”无人机可能来袭方向为大坝上下游、航道东北以及开关站东南等方向，其中开关站受坝肩山体遮挡影响，形成孤立的可视低空空域。本着“经济高效，全局防御”的原则，选取大坝某表孔泵站为前端设备主部署点，覆盖大坝上下游、厂房入口、航道东北等“黑飞”无人机可能来袭方向；在开关站楼顶增设一套频谱干扰一体化设备，对开关站东南方向进行补盲，与前端设备主部署点形成互补(见图2)；利用光纤通信实现前端设备与中控室无人机防御指控系统数据互通。

图2 无人机防御系统组成Fig.2 Composition of UAV defense system

2.2 应用成效

该水电站无人机防御系统以多点部署的形式，实现了重要生产建筑物及设备设施全覆盖，形成了低空空域全天候、全天时、全方位的不间断监测，以及全自动的“黑飞”无人机预警、跟踪和打击能力。无人机防御系统上线后运行稳定(见图3)，能够在地形复杂、气候多变等不利因素下，对半径3 km范围内低空空域滞空目标类型、身份进行自动识别，实时跟踪和展示距离、方位、高度、速度等目标信息，智能分析“黑飞”无人机对重要生产建筑物及设备设施安全威胁程度，并发出入侵报警，根据打击方式的设置对入侵目标进行手动或全自动驱离、迫降处置。

图3 无人机防御系统功能界面Fig.3 Function interface of UAV defense system

3 结语

水电站事关人民生命财产安全，针对新形势下“黑飞”无人机的安全威胁，本文研究提出的适应复杂地形、电磁环境的全方位、立体的无人机防御系统，在水电站进行了成功应用，能够对“黑飞”无人机进行有效预警、驱离或迫降，全面提升了水电站安全防御等级，也为重要电力设施的安全防御、防恐怖袭击提供了技术参考。