Актуальность выбора методов обнаружения малых беспилотных воздушных судов гражданского класса

Владимир Николаев, Дмитрий Прошутинский, Анастасия Гладкова, 02/06/23

В статье проводится обзор и сравнительный анализ методов обнаружения беспилотных воздушных судов малого класса (до 30 кг), обосновывается необходимость комплексного применения различных принципов обнаружения беспилотных воздушных судов для дальнейшего использования в составе комплексов обнаружения и противодействия беспилотным воздушным судам.

В последнее время развитие науки и техники приводит к широкому применению в повседневной жизни робототехнических комплексов и систем. наиболее активно на текущий момент разрабатываются и внедряются беспилотные авиационные летательные аппараты, в воздушном кодексе РФ [1] им дано определение беспилотных воздушных судов (БВС) с максимальной взлетной массой от 0,15 до 30 кг.

Современное состояние микроэлектроники позволяет использовать БВС дистанционно с минимальным участием человека, что делает их привлекательным средством не только для совершения актов незаконного вмешательства, но и для разведки, ведения мониторинга и т.д.

Важным элементом в пресечении угрозы противоправного применения БВС является его своевременное обнаружение. Применение технических средств, работающих на различных физических принципах, позволяет значительно увеличить дальность обнаружения БВС и, соответственно, парировать исходящую от него возможную угрозу.

При помощи технических средств ведется мониторинг воздушного пространства с целью обнаружения БВС, его перемещения, каналов связи и навигации, обмена сигналами телеметрии между БВС и пультом управления.
Обнаружение и последующее распознавание (идентификация) БВС может осуществляться с использованием различных физических принципов – активных и пассивных способов обнаружения БВС, а также их комбинаций.

Процесс обнаружения воздушной цели связан с решением задачи выявления демаскирующих признаков БВС. К основным демаскирующим признакам БВС относятся:

сигналы радиолокационной станции (РЛС), отраженные от корпуса и агрегатов БВС, в том числе проявление в отраженном сигнале эффекта доплера;
сигналы телевизионных ретрансляторов, широковещательных станций, базовых станций сотовой связи, отраженные от БВС, в первую очередь проявление в отраженном сигнале эффекта доплера;
команды и ответные сигналы канала управления между пультом управления и БВС, а также между БВС и спутником-ретранслятором системы навигации;
сигналы бортовой РЛС бокового обзора;
каналы обмена информацией (канал управления, передачи телеметрии и видеоинформации);
сигналы системы автоматической посадки [2];
нелинейные электромагнитные свойства электронной аппаратуры БВС (сигналы бортового оборудования);
собственное электростатическое поле за счет трения БВС о воздух;
отражение в оптическом диапазоне;
инфракрасное излучение (тепловое поле двигателя);
акустическое поле винта и двигателя (может отсутствовать при планировании).

Важно предусмотреть, что при выборе и размещении технических средств обнаружения БВС на охраняемом объекте дальность обнаружения позволяла осуществить максимально оперативное противодействие БВС, с любого наиболее вероятного направления или точки взлета при различных скоростных режимах его движения, в том числе с максимальной скоростью.

Основные факторы, затрудняющие обнаружение БВС:

возможность полета на высокоманевренных режимах (например, "змейка") или "рваных" режимах (с периодическим зависанием или резким снижением скорости), с высокими перегрузками и полет на предельно малых высотах с использованием защитных свойств рельефа местности, а также в большом диапазоне возможных скоростей полета, способность зависать в полете, маскируясь за препятствием (в том числе за движущимся автотранспортом, надводным судном);
широкое применение в конструкции БВС пластиковых и композиционных материалов, слабо отражающих электромагнитное излучение, возможность использования специальных покрытий, снижающих заметность в видимом и инфракрасном диапазонах;
малые геометрические размеры;
меры по снижению (маскированию) акустического шума и теплового излучения двигателей и вычислительного блока;
использование для управления существующей инфраструктуры связи мобильных операторов и точек доступа Wi-Fi;
использование принципов и алгоритмов скрытного управления, при которых сигнал от БВС к станции управления и обратно передается направленно, в узком диапазоне, используются нестандартные радиочастоты передачи данных;
возможность полета в режиме "радиомолчание", при котором полет происходит по полетной программе без связи с внешним пилотом (корректировка полетного задания осуществляется внешним пилотом по мере необходимости или автоматически по визуальным ориентирам или радиомаякам), в ряде случаев использование автопилота возможно и для полета на малых и сверхмалых высотах, для этого БВС могут оснащаться автономными системами навигации (гироскопической стабилизацией, технологией следования по визуальным ориентирам и другими), что значительно снижает их зависимость от глобальных навигационных систем;
имитация гидрометеообразований и турбулентных неоднородностей атмосферы, имитация траектории движения птиц;
возможность установки на БВС устройств постановки маскирующих помех.

В настоящее время широкий спектр разработчиков оснащают БВС системами предотвращения столкновений с препятствиями. Кроме того, ведутся разработки систем автопилотирования (автопилот пятого поколения), способных управлять БВС на высокой скорости при полетах в незнакомом окружении, выбирая безопасный маршрут для маневрирования между множеством препятствий.

Обнаружение беспилотных воздушных судов при помощи радиолокации

Эффективность применения РЛС в качестве средства обнаружения БВС зависит от множества параметров, таких как размер цели, высота ее полета, технических параметров самой РЛС, погоды, местности и др. в реальных условиях работы РЛС приходится учитывать также влияние рельефа местности и наличие сильно отражающих объектов вокруг РЛС. дополнительные отражения или радиопомехи на несущей частоте искажают диаграмму видимости РЛС, снижая дальность обнаружения и точность определения местоположения цели. высота размещения также влияет на дальность обнаружения РЛС, по возможности их стараются размещать на господствующих высотах, что обеспечивает возможность не только увеличить зону просмотра, но и избежать затенения от объектов на местности.

К недостаткам РЛС можно отнести ослабление радиоизлучения высокого частотного диапазона дождем, туманом или иными осадками. частицы воды рассеивают и поглощают часть электромагнитной энергии, излучаемой РЛС, что приводит к уменьшению дальности обнаружения объектов. использование же низкочастотных РЛС (ниже дециметрового диапазона) не позволяет обнаружить настолько малые цели.

Подвидом радиолокационных средств обнаружения являются средства пассивной радиолокации, определяющие появления БВС по анализу изменений в независимо существующем радиоэфире. К их достоинствам можно отнести отсутствие демаскирующего излучения, вместе с тем их зависимость от внешних источников излучения приводит к изменению их эффективности от объекта к объекту, а также необходимости срочной перестройки при прекращении вещания независимого источника.

Обнаружение малых беспилотных воздушных судов радиотехническими средствами

Радиочастотное обнаружение осуществляется путем обнаружения БВС по характерным радиосигналам. БВС могут быть обнаружены радиотехническими средствами обнаружения (РТСО) путем приема и анализа сигналов радиолинии управления БВС, бортового радиолокационного высотомера, бортовой РЛС, излучателей помех и т.д.

Преимуществом РТСО является то, что они позволяют выделять и идентифицировать БВС среди естественных объектов со схожими отражающими в оптическом и радиочастотном диапазонах характеристиками, прежде всего птиц. Недостатки – РТСО могут с достаточной точностью установить лишь общее направление (пеленг) на БВС, причем точность его определения повышается при увеличении времени наблюдения, дальность и высоту до цели РТСО определяют с существенными погрешностями [3]. Кроме того, РТСО не могут обнаружить БВС, выполняющие полетное задание в полностью автономном режиме.

РТСО обладают важными преимуществами, такими как:

обнаружение и пеленгование радиоэлектронных средств связи, излучающих в режиме "псевдослучайная перестройка" рабочей частоты;
точность пеленгования направления на источники радиоизлучения от 0,5 до 1 град.;
точность определения местоположения источников радиоизлучения на расстоянии до 150 км, как правило в пределах от 50 до 150 м [3], при этом точность определения местоположения источника сигнала на практике сильно снижается при неоптимальном расположении станций РТСО, их малом количестве, а также наличии сложных переотражений в зоне обнаружения, например, высоких построек.

Дальность обнаружения РТСО БВС зависит от мощности средств радиосвязи БВС, утечки сигналов бортового радиоэлектронного оборудования, значений коэффициента усиления антенны БВС и чувствительности приемника средств РТСО [3].

Необходимость ведения постоянного интенсивного обмена данными БВС с пультом управления требует наличия одного или даже нескольких широкополосных каналов радиосвязи, для которых очень сложно обеспечить требуемую скрытность функционирования. в связи с этим высокоинтенсивное излучение средств радиосвязи является основным демаскирующим признаком БВС, в том числе и малых БВС.

РТСО обладают преимуществами перед другими методами в скорости обнаружения, что особенно проявляется при запуске БВС с позиций вблизи объекта и преодолением периметра объекта на минимально возможной высоте в режиме телеуправления.

БВС не всегда управляются по радиоканалу, маршрут их полета может быть запрограммирован через GPS (с использованием дискретных промежуточных точек пролета), инерциальных средств навигации и информации с систем технического зрения, поэтому обнаружение БВС может оказаться неэффективным при использовании только РТСО.

Обнаружение малых беспилотных воздушных судов оптико-электронными средствами

Технические средства видимого диапазона представляют собой достаточно надежное средство обнаружения малых низкоскоростных БВС. Однако эффективность оптического обнаружения БВС существенно зависит от факторов окружающей среды, прежде всего от времени суток и погодных условий.

Дымка, влажность, осадки приводят к существенному снижению прозрачности атмосферы, и, следовательно, понижается эффективность. Кроме того, в ночное время необходимо наличие освещения или подсветки.

Обнаружение БВС техническими средствами видимого диапазона допустимо при возможности построения проекции его визуального облика на картинную плоскость после использования всех возможных способов повышения контрастности и восстановления пропущенных элементов графического образа. Увеличение дальности обнаружения достигается за счет сужения поля зрения оптического средства, уменьшения зоны его обзора и увеличения времени поиска.

При наличии внешнего целеуказания, например от РЛС, эти средства могут быть эффективно использованы для сопровождения БВС. По сравнению с пилотируемыми летательными аппаратами контрастность БВС относительно фона в видимом диапазоне является невысокой из-за меньших габаритов, отсутствия на БВС световых маяков и меньшей поверхности отражения [4].

При оптическом увеличении в связи с сужением области обзорного пространства будет снижаться вероятность обнаружения БВС, для компенсации этого требуется значительное ускорение цикличности обзора воздушного пространства или увеличение количества оптических средств обнаружения. Для обнаружения БВС возможно применение оптико-электронных средств, работающих в ближнем ИК-диапазоне.

ИК-видеокамера с подсветкой

Прежде всего к таким устройствам следует отнести ИК-видеокамеры. Принцип ее работы заключается в считывании отраженного от объекта (в данном случае БВС) ИК-излучения, формируемого устройством подсветки. Данные устройства работают в ближнем ИК-диапазоне (0,78–3 мкм).

Эффективность видеокамер ИК-диапазона существенно снижает зависимость от погодных условий. в условиях задымления, тумана, осадков заметность БВС в ИК-диапазоне существенно снижается за счет поглощения и рассеивания формируемого и отраженного ИК-излучения.

Тепловизоры

Вторым видом оптико-электронных устройств, работающих в ИК-диапазоне, являются тепловизоры. Данные устройства не требуют внешней подсветки.
Тепловизор принимает волны, исходящие от объектов различной температуры, в результате чего формирует на чувствительной матрице тепловое изображение находящихся в его поле зрения объектов. Чем выше разница их температур, тем контрастнее будет изображение.

Тепло от БВС выделяется в основном силовой установкой и в меньшей мере электронными компонентами, а также точками торможения на несущих краях крыльев, пропеллеров и винтов. Кроме того, в конструкции БВС могут использоваться материалы с высокой теплопроводностью, такие как серебро и алюминий, что может стать причиной появления на корпусе БВС дополнительных зон с повышенным температурным контрастом с окружающей средой. Это может изменить тепловое изображение БВС на чувствительной матрице тепловизора и в конечном итоге привести к некорректному функционированию алгоритма обработки. для обнаружения такой малогабаритной и малоконтрастной цели, какой является БВС на приемлемых расстояниях, более всего подходят тепловизоры, имеющие матрицу с очень высоким разрешением.

Основным источником ИК-излучения БВС являются элементы корпуса, которые прикрывают отсеки с силовой установкой и детали выхлопной системы и отличаются невысокими значениями тепловых потоков. Соответственно, для обнаружения такой цели, как БВС, обладающей низким температурным контрастом, требуется тепловизор с высокой температурной чувствительностью. Снижение прозрачности атмосферы влияет на работу тепловизора гораздо в меньшей степени, чем на работу видеокамеры.

Производители средств обнаружения воздушных целей комбинируют в одном комплексе несколько устройств, сочетая радиотехнические средства обнаружения с радиолокационными станциями и оптико-электронными или акустическими средствами обнаружения. Данное комбинирование принципов действия позволяет повысить вероятность обнаружения БВС.

Лидары

Для обнаружения БВС возможно также применение метода лазерной детекции. В основе указанного метода положена технология получения и обработки информации об удаленных объектах с помощью активных оптических систем (лидаров), использующих явления поглощения и рассеивания света в оптически прозрачных средах.

Лидар представляет собой дальномер оптического диапазона и предназначен для защиты отдельных небольших объектов, но не рекомендован для использования как основное средство обнаружения.

Преимуществом средств оптического обнаружения является не требующая сложных аппаратных решений возможность организации видеоподтверждения тревоги и классификации (идентификации) обнаруженного объекта.

К недостаткам указанного метода следует отнести малую дальность и высоту обнаружения БВС, зависимость от погодных условий. в то же время указанный метод позволяет обнаруживать БВС в режиме радиомолчания.

Для противодействия оптико-электронным тепловизионным обнаружения разработчики (в том числе пользователи, адаптирующие БВС для осуществления противоправных действий) БВС стараются снизить мощность ИК-излучения в направлении размещенных на земле приемников и перенаправить это излучение вверх, при этом БВС, оснащенные электродвигателями, отличаются предельно низкими уровнями заметности в ИК-диапазоне [5]. В целях снижения заметности БВС в видимом и ИК-диапазоне также может использоваться тактика применения БВС, заключающаяся в приближении к охраняемому объекту со стороны солнца или другого мощного источника видимого света и ИК-излучения.

Оптико-электронные средства обнаружения в настоящее время обладают сравнительно меньшей дальностью обнаружения БВС по сравнению с радиолокацией.

Обнаружение малых беспилотных воздушных судов акустическими средствами

Акустическая заметность является важным дополняющим фактором, который позволяет повысить вероятность и/или достоверность обнаружения БВС в условиях, при которых "традиционные" средства (оптические и радиолокационные) не могут их обеспечить.

БВС в полете генерирует акустические (звуковые) волны, источниками звуковых волн обычно являются двигательные установки и лопасти воздушных винтов. частота генерируемого звука кратна частоте выхлопа горячих газов, количеству и частоте вращения лопастей воздушного винта. Интенсивность звука зависит от скорости обтекания лопастей [5].

При этом сигнал имеет низкую амплитуду, к примеру дальность акустического обнаружения БВС человеком при низких акустических помехах редко превышает 200 м, а в городской среде значительно уменьшается. Положительной стороной средств акустического обнаружения БВС является сохранение эффективности в ночное время.

Средства акустического обнаружения БВС, в основе которых применяется акустический метод, обладают следующими достоинствами [6]:

обеспечивают автоматическое обнаружение низкоскоростных маловысотных БВС в любых погодных условиях, в условиях плохой оптической видимости и в условиях сложных рельефов местности;
являются пассивными средствами обнаружения, ввиду чего обладают скрытностью функционирования и сохраняют работоспособность в условиях радиоэлектронных помех;
имеют малые габариты, низкое энергопотребление.

Акустические средства обнаружения максимально эффективны при их применении в относительно незашумленных условиях [2].

Основными недостатками, ограничивающими применение акустических систем при решении задач обнаружения БВС, являются [2]:

низкая точность определения местоположения БВС, для повышения точности требуется плотное насыщение объекта средствами обнаружения;
самая низкая среди рассматриваемых физических принципов дальность обнаружения малых БВС, особенно использующих электродвижитель.

Для минимизации недостатков каждого метода оптимальным вариантом применения технических средств обнаружения БВС на разных физических принципах является использование их в комплексе или в различных комбинациях. В таблице приведены сравнительные характеристики технических средств обнаружения БВС.

Таблица. Сравнительные характеристики технических средств обнаружения БВС

Следует отметить, что существующие технические средства акустического и оптического обнаружения БВС значительно превосходят возможности человека по вероятности и дальности обнаружения БВС при охране объектов, что позволяет стационарным комплексам значительно превышать по потенциальной эффективности оснащение физических постов переносными специальными средствами противодействия БВС (противодроновыми ружьями).

В настоящее время производители средств обнаружения воздушных целей комбинируют в одном комплексе несколько устройств, сочетая радиотехнические средства обнаружения с радиолокационными станциями и оптико-электронными или акустическими средствами обнаружения. Данное комбинирование принципов действия позволяет повысить вероятность обнаружения БВС в связи с различными недостатками используемых физических принципов, обеспечить распознавание БВС и снижение количества ложных тревог, но значительно влияет на стоимость оснащения охраняемых объектов.

Список литературы

Воздушный кодекс Российской Федерации от 19.03.1997.
Ерёмин В.Г., Гаврилов А.Д., Назарчук И.И.
Малоразмерные беспилотники – новая проблема для ПВО // Отвага. № 6 (14) – URL: http://otvaga2004.ru/armiya-i-vpk/armiya-i-vpkvzglyad/malorazmernye-bespilotniki
Макаренко С.И. // Противодействие беспилотным летательным аппаратам: монография. 2020.
Демьянович М.А. Использование беспилотных летательных аппаратов в преступных целях: методы противодействия и борьбы // Правопорядок: история, теория, практика. 2019. № 2 (21).
Зайцев А.В., Назарчук И.И., Красавцев О.О., Кичулкин Д.А. Особенности борьбы с тактическими беспилотными летательными аппаратами // Военная мысль. 2013. № 5.
Обзор Главного центра научных исследований Федеральной службы войск национальной гвардии Российской Федерации "Классификация и единые требования к образцам средств противодействия робототехническим комплексам (системам) иностранных государств", 2022 г.