無人機(jī)特點分類與低空威脅分析

■ 文/公安部檢測中心 李牧 王文慶

關(guān)鍵字：無人機(jī) 分類 特點 威脅

1 引言

目前，以“低慢小”為特點的低空無人駕駛航空器（以下簡稱低空無人機(jī)）技術(shù)發(fā)展迅猛，特別是2012年以來，以大疆為代表的民用低空無人機(jī)在世界各地、各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，其機(jī)動靈活、快速響應(yīng)的特定，在助力其他行業(yè)方面起到了推動作用。

無人機(jī)的熱門程度呈爆炸性增長，它們的工作能力也在迅速提高。遺憾的是，事實表明它們也成為了犯罪活動（例如，將手機(jī)、武器和毒品運送給監(jiān)獄中的囚犯）、非法監(jiān)視甚至是恐怖襲擊的有用工具。

2 無人機(jī)分類

為了對無人機(jī)進(jìn)行詳細(xì)分析，并相應(yīng)地考慮對此類裝備的管控，本文首先對市場上現(xiàn)有無人機(jī)進(jìn)行如下分類。

2.1 根據(jù)機(jī)型分類

從無人機(jī)機(jī)型角度，行業(yè)上通常可對無人機(jī)進(jìn)行如下三種分類：

（1）多旋翼無人機(jī)：具有3個及以上旋翼，能垂直起降、自由懸停的無人駕駛航空器。

（2）固定翼無人機(jī)：由固定機(jī)翼產(chǎn)生升力的無人駕駛航空器。

（3）無人直升機(jī)：具有一個或兩個旋翼，能垂直起降、自由懸停的無人駕駛航空器。

2.2 根據(jù)頻率分類

為了從無線電頻譜角度對無人機(jī)進(jìn)行分析，我們可以對無人機(jī)按頻率進(jìn)行分類，目前用于低空無人機(jī)操控和數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d波頻段主要集中在以下頻段。

2.2.1 433MHz頻段

該頻段為開放頻段，多見于固定翼無人機(jī)及小型航模類無人機(jī)，具有較強的繞射和散射能力，非常有利于無人機(jī)遠(yuǎn)程圖像傳輸。其硬件產(chǎn)品技術(shù)性能成熟可靠各類、無線產(chǎn)品種類豐富，但同時也帶來頻帶資源緊張、同頻干擾的問題，特別是大功率遠(yuǎn)距離傳輸設(shè)備對此頻段干擾非常嚴(yán)重。

2.2.2 800MHz、1.4GHz、2.4GHz頻段

2015年工信部根據(jù)《中華人民共和國無線電頻率劃分規(guī)定》及我國頻譜使用情況，將840.5-845MHz、1430-1444MHz和2408-2440MHz頻段規(guī)劃用于無人駕駛航空器系統(tǒng)。其中2.4GHz頻段為目前最常用的飛控和圖傳頻段。

2.2.3 900MHz和2.5GHz

該2頻段均用于無人機(jī)飛控數(shù)據(jù)傳輸，其中前一個為無人機(jī)行業(yè)初期常用頻段。

2.2.4 1.2GHz

該頻段多用于無人機(jī)圖像傳輸，具有較好的圖像傳輸效果。

2.2.5 1.5-1.6GHz

該頻段多用于各類導(dǎo)航系統(tǒng)，如GPS、GLONASS、Galileo、北斗等，通常為單向接收鏈路，無人機(jī)對此頻段的信息以接收為主，很少存在此頻段的雙向通訊。

2.2.6 5.8GHz

隨著2.4G頻段頻率資源日益緊張和新技術(shù)的發(fā)展，5.8GHz大有取代2.4GHz頻段的趨勢，目前我國在售的消費級無人機(jī)多采用此頻段作為圖傳/數(shù)傳頻段。

2.3 根據(jù)飛控類型分類

無人機(jī)區(qū)別于航模的一個特點就在于無人機(jī)具有完整且智能化的飛控（飛行控制系統(tǒng)）。對采用不同飛控類型的無人機(jī)而言，可按如下方式進(jìn)行劃分。

2.3.1 實時遙控系統(tǒng)

實時遙控系統(tǒng)是指無人機(jī)飛手通過肉眼直接觀測或利用無人機(jī)回傳的圖傳信號判斷無人機(jī)的位置、飛行姿態(tài)等信息，利用遙控器實時控制無人機(jī)飛行軌跡的控制類型。

2.3.2 航跡規(guī)劃系統(tǒng)

航跡規(guī)劃系統(tǒng)是指無人機(jī)在初始位置、終止位置和一些目標(biāo)任務(wù)結(jié)點確定之后的航跡優(yōu)化問題，其基本功能是根據(jù)無人機(jī)的性能和飛經(jīng)的地理環(huán)境、威脅環(huán)境和限定條件等因素，對已知或潛在的目標(biāo)規(guī)劃出若干條滿足要求的航跡，實際飛行時可以根據(jù)需要進(jìn)行實時局部修改。

2.3.3 組合慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

組合慣性導(dǎo)航是指將飛機(jī)和艦船等運載體上的兩種或兩種以上的導(dǎo)航設(shè)備組合在一起的導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)將逐漸取代舊有的單一慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。

（1）衛(wèi)星/慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組合：通過衛(wèi)星定位系統(tǒng)信息定時對慣性系統(tǒng)進(jìn)行偏差糾正。在無法接受衛(wèi)星信號時，該系統(tǒng)也能夠保障信息在一定時間內(nèi)的精準(zhǔn)度，其精度高、可通訊，但需要從外界獲取信息。

（2）天文/慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組合：一是利用慣性導(dǎo)航和天文導(dǎo)航系統(tǒng)位置信息差值來校正的組合方法，給出工程應(yīng)用的實際結(jié)果；二是根據(jù)天文導(dǎo)航系統(tǒng)觀測天體的高度、方位值，依據(jù)天文原理計算兩者之差作為觀測卡爾曼濾波組合；三是確定產(chǎn)臺坐標(biāo)系在慣性坐標(biāo)中跟蹤地理坐標(biāo)系的誤差作為觀測卡爾曼濾波組合，最后采用天文導(dǎo)航位置信息對陀螺常值漂移的校正。

（3）GPS/INS導(dǎo)航系統(tǒng)組合：該組合能良好實現(xiàn)慣性傳感器的校準(zhǔn)、慣導(dǎo)系統(tǒng)的空中對準(zhǔn)和高度穩(wěn)定性等，從而提高慣導(dǎo)系統(tǒng)的性能、精度、跟蹤衛(wèi)星的能力，同時還可實現(xiàn)GPS完整性檢測，提高可靠性，實現(xiàn)一體化。

（4）慣性導(dǎo)航/多普勒組合：該組合同時解決了多普勒受地形影響的因素及慣性導(dǎo)航自身的誤差，實現(xiàn)了互補效果。

（5）慣性導(dǎo)航/地磁組合導(dǎo)航系統(tǒng)：該組合自主性強、隱蔽性好、成本低、可用范圍廣，是當(dāng)前慣性導(dǎo)航系統(tǒng)研究領(lǐng)域的熱點。

（6）慣性導(dǎo)航/地形匹配組合導(dǎo)航系統(tǒng)：為達(dá)到地形匹配的定位精度高的要求，利用改組合消除長時間工作的誤差累計，從而提高慣性導(dǎo)航的定位精度。

（7）GPS/航跡推算組合導(dǎo)航系統(tǒng)：在GPS失效的情況下，根據(jù)大氣數(shù)據(jù)利用航跡推算可測得空速，推算出地速和航跡角。當(dāng)信號中斷或質(zhì)量差時，由航跡確定位置；當(dāng)信號質(zhì)量好時，利用GPS定位確定位置，有效控制系統(tǒng)成本。

2.3.4 根據(jù)起飛重量分類

近年來，我國民航為規(guī)范民用無人機(jī)管理，按照無人機(jī)起飛重量不同，在《民用無人駕駛航空器系統(tǒng)駕駛員管理暫行規(guī)定》一文中對無人機(jī)進(jìn)行了分類，后續(xù)我國公安行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GA/T 1411-2017《警用無人駕駛航空器系統(tǒng)》也沿用了這一分類方法。

表1 GA/T 1411-2017中無人機(jī)起飛重量分類

2.3.5 根據(jù)航程的遠(yuǎn)近分類

在無人機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域，通常的做法是對無人機(jī)按照航程的遠(yuǎn)近進(jìn)行分類：

（1）近程類：航程50km，續(xù)航時間1h～6h，執(zhí)行全天候偵察監(jiān)視任務(wù)；

（2）短程類：航程300km，續(xù)航時間8 h～12h，執(zhí)行全天候偵察監(jiān)視任務(wù)；

（3）中程類：活動半徑650km，無需在空中巡邏，僅用于晝夜偵察、監(jiān)視；

（4）高空長航時類：至少續(xù)航36h，飛行高度在9km以上，執(zhí)行全天候偵察、通信中繼任務(wù)，并能在強風(fēng)中保持平穩(wěn)。

3 低空無人機(jī)特點

在前文考慮低空無人機(jī)分類的基礎(chǔ)上，下文將主要對低空飛行無人機(jī)特點進(jìn)行詳細(xì)分析。

3.1 無線電頻譜特點

3.1.1 載波頻段劃分

2015年工信部根據(jù)《中華人民共和國無線電頻率劃分規(guī)定》及我國頻譜使用情況，規(guī)劃840.5-845MHz、1430-1444MHz和2408-2440MHz頻段用于無人駕駛航空器系統(tǒng)。目前市場上大部分民用無人機(jī)，如大疆PHANTON系列、億航GHOSTDRONE、智行天眼無人機(jī)等均采用2.4GHz頻段進(jìn)行通訊數(shù)據(jù)傳輸或者圖像傳輸。此外，由于該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展領(lǐng)先于相關(guān)行業(yè)規(guī)范的制定，現(xiàn)有部分民用無人機(jī)還使用了上述規(guī)定范圍以外的傳輸頻率，實際使用頻率為以下10個頻段：840.5-845MHz、1430-1444MHz、2408-2440MHz、5725-58754MHz、328-352MHz、400-433MHz、560-760MHz、915MHz、933MHz、1200 MHz。

3.1.2 常見圖傳的編碼方式及特點

（1）COFDM（coded orthogonal frequency division multiplexing），即編碼正交頻分復(fù)用的簡稱，其基本原理就是將高速數(shù)據(jù)流通過串并轉(zhuǎn)換，分配到傳輸速率較低的若干子信道中進(jìn)行傳輸。COFDM技術(shù)在無線圖像傳輸方面應(yīng)用有以下獨特的優(yōu)勢：

◆適用于“非視距”“繞射”傳輸優(yōu)勢，用于城區(qū)、山地、建筑物內(nèi)外等不可視及有阻擋的環(huán)境中；

◆適合于高速移動中無線傳輸實時的圖像，可在車輛、船舶、直升機(jī)等平臺上使用，傳輸可靠性及性價比高；

◆傳輸帶寬高，適合于高碼流、高畫質(zhì)的音視頻傳輸，圖像碼流一般可大于4M bps，完全可滿足接收端后期音視頻分析、存儲、編輯等具體的要求；

◆在復(fù)雜電磁環(huán)境中具備優(yōu)異的抗干擾性能，通過各個子載波的聯(lián)合編碼，具有很強的抗衰落能力。

（2）CCK補碼鍵控(Complementary Code Keying),CCK是一種軟擴(kuò)頻技術(shù)，是802.11標(biāo)準(zhǔn)中的1Mb/s和2Mb/s速率的高速擴(kuò)展方式，傳輸速率可以達(dá)到5.5 Mb/s和11 Mb/s，其補碼序列具有良好的對稱性和相關(guān)性，在接收端采用了Rake接收機(jī)，整個系統(tǒng)能夠克服傳輸過程中的多徑效應(yīng)和頻率選擇性衰落。

（3）點頻、Wifi數(shù)據(jù)傳輸方式：

◆點頻數(shù)據(jù)傳輸方式：是由信號源發(fā)出單一頻率的連續(xù)波信號實現(xiàn)的單點頻測試方法。

◆Wifi數(shù)據(jù)傳輸方式：基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的無線局域網(wǎng)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于各類電子終端產(chǎn)品的數(shù)據(jù)傳輸，是目前最為常見的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)。

（4）無線電靜默：多見于固定翼無人機(jī)執(zhí)行特定的飛行任務(wù)時，采用的某種飛行方式，即因為安全、保密或其他理由，某一區(qū)域固定式或移動式的無線電發(fā)射設(shè)備不發(fā)送信號。

3.2 雷達(dá)反射特點

低空無人機(jī)的雷達(dá)反射截面積（RCS）數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)載人的飛行器的數(shù)值，最小約為0.01m2，根據(jù)國外的測試數(shù)據(jù)3DR SOLO的RCS數(shù)值約為0.0038 m2，而DJI inspire1的RCS也不過0.043m2，這就造成了低空無人機(jī)很難為傳統(tǒng)雷達(dá)探測和識別。此外，因無人機(jī)慢速飛行狀態(tài)或懸停狀態(tài)，不具備普通運動目標(biāo)的多普勒特征，采用傳統(tǒng)方法對其探測難以奏效。

3.3 光學(xué)特性

低空無人機(jī)通常體積小巧，光學(xué)漫反射面積小，例如常見的多旋翼無人機(jī)軸距基本位于300mm—600mm范圍內(nèi)，在100m高的空中飛行時，肉眼很難發(fā)現(xiàn)；2017年挪威普羅科斯動力公司研制的PD-100型黑色大黃蜂納米無人機(jī)只有2.5cm高，旋翼直徑為10cm，在距離9m以外的位置飛行時憑肉眼很難發(fā)現(xiàn)，隱蔽性非常好。其飛行特征不同于飛鳥和氣球，無人機(jī)的垂直移動速度要慢于飛鳥的俯沖下降速度，而氣球類的水平移動和垂直移動速度均慢于無人機(jī)速度。

3.4 聲學(xué)特性

現(xiàn)有的無人機(jī)幾乎都采用槳葉結(jié)構(gòu)，這就決定了其會因為槳葉的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生一定的噪音，因此也具有了可探測的特性。

多旋翼無人機(jī)飛行時聲音通常較小，按照GA/T 1411.3-2017《警用無人駕駛航空器系統(tǒng) 第3部分：多旋翼無人駕駛航空器系統(tǒng)》規(guī)定，25Kg以內(nèi)的多旋翼無人機(jī)，在40m飛行高度上工作噪聲小于60分貝。在實際生活中，40-60分貝屬于我們正常的交談聲音。相比而言，固定翼、直升機(jī)聲音在40-50m飛行高度上通常在65分貝以上，因此發(fā)現(xiàn)距離通常較遠(yuǎn)。

4 低空無人機(jī)的安全威脅

圖1 小型低空無人機(jī)

低空無人機(jī)通常是指飛行高度在1500m以下、飛行速度低于200km/h、雷達(dá)反射面積小于2m2，具有“低空飛行、飛行速度較慢、不易被雷達(dá)發(fā)現(xiàn)”等全部或者部分特征的低空無人機(jī)，同傳統(tǒng)無人機(jī)相比具有難發(fā)現(xiàn)、難捕捉、難應(yīng)對的特點，低空無人機(jī)的非法使用會給國家安全和公眾正常生活帶來巨大威脅。

4.1 拍照與竊聽

無人機(jī)掛載航拍攝像機(jī)和定向拾音麥克風(fēng)可以在高空偷窺和竊聽，對百姓生活和一些涉及國家秘密的機(jī)構(gòu)單位產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。圖3 2015年4月日本首相官邸房頂上發(fā)現(xiàn)無人機(jī)

圖2 2015年1月一架小型無人機(jī)墜入白宮

圖3 2015年4月日本首相官邸房頂上發(fā)現(xiàn)無人機(jī)

4.2 投擲危險物品

目前小型無人機(jī)的負(fù)載即可達(dá)到幾十公斤，如果攜帶小型炸彈、燃燒彈和危險化學(xué)品等，將會對公眾安全帶來嚴(yán)重威脅。

圖4 伊拉克的反政府武裝利用民用無人機(jī)搭載自制炸彈炸毀政府軍裝甲車

圖5 武裝分子利用無人機(jī)改裝的殺傷性武器

4.3 影響民航的起降

無人機(jī)非法在機(jī)場等附近飛行，將嚴(yán)重影響正常飛行秩序，甚至影響乘客和機(jī)組人員的安全。國內(nèi)的成都雙流機(jī)場、北京首都機(jī)場、杭州蕭山機(jī)場、重慶江北機(jī)場等發(fā)生過多起無人機(jī)非法入侵事件，僅2017年，在英國就發(fā)生了92次無人機(jī)與航班險些相撞的事件。

發(fā)生在英國的蓋特威克機(jī)場關(guān)閉事件，就是最為典型的例子：2018年12月19日晚，英國第二大機(jī)場蓋特威克機(jī)場遭無人機(jī)干擾后停止運營超過30小時。由于臨近圣誕假期，事件造成大約12萬名旅客滯留機(jī)場。然而，還未等這起無人機(jī)擅闖機(jī)場事件調(diào)查完畢，21日，剛剛恢復(fù)運營的蓋特威克機(jī)場再遭無人機(jī)干擾,導(dǎo)致航班再度停飛。

圖6 英國無人機(jī)事故統(tǒng)計

4.4 攜帶違禁品

通過小型無人機(jī)在邊境走私貨物甚至毒品，會威脅邊境秩序，影響國內(nèi)市場和人民群眾生命健康安全，在美國和墨西哥邊境，利用無人機(jī)運輸違禁品成為新的傳輸渠道。

4.5 從事非法宣傳

極端分子利用無人機(jī)散播傳單和懸掛標(biāo)語方式，嚴(yán)重影響社會正常秩序和國家形象。

5 結(jié)語

無人機(jī)作為熱門的新興產(chǎn)業(yè)，在保證發(fā)展需要的同時，又要消除“黑飛”低空無人機(jī)對公共安全的威脅，我國對無人機(jī)的管理需要多部門協(xié)作配合，從法律角度對整個行業(yè)，由生產(chǎn)、銷售、使用整個鏈條的各個環(huán)節(jié)全方面有效監(jiān)管，才能讓民用無人機(jī)產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展，為社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。