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:
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:
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.
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.
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.
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:
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.
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.
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.
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.
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.
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]:
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]:
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.
Опубликовано в журнале "Системы безопасности" № 2/2023
Все статьи журнала "Системы безопасности"
доступны для скачивания в iMag >>
Фото: ru.freepik.com