Основные методы обнаружения и глушения дронов (БПЛА)

    В современном мире использование беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) становится все более распространенным. Однако, при этом вместе с многочисленными преимуществами при их применении возникают и определенные проблемы, связанные с безопасностью и охраной объектов. Поэтому защита объектов от БПЛА путём глушения сигнала, подмена координат или физического уничтожения становится все более востребованным и эффективным решением.

    С момента создания БПЛА они классифицировались по размеру, типу двигателей, наличию крыльев дальности полета, полезной нагрузки и пр. но для защиты от БПЛА более наглядной является классификация по методу управления и способу его нарушения.

    Для этой статьи мы будем рассматривать 2 типа БПЛА, которые описывают весь спектр имеющийся дронов с различными методами управления:

• Мультироторные беспилотные летательные аппараты (МБЛА) - это небольшие беспилотники с несколькими роторами (квадрокоптеры, гексакоптеры, октокоптеры и трикоптеры), которые обычно используются для выполнения задач наблюдения, личных развлечений, также  для разведки, минирования, совершения диверсий и террористических актов (рис. 1).

Рис. 1 Мультироторный дрон

• Беспилотные самолеты (дроны самолетного типа) - это беспилотные летательные аппараты, имеющие форму и конструкцию обычных самолетов. Они могут быть использованы для различных задач, включая мониторинг земли, выполнение аэрофотосъемки, контроль лесных пожаров и других зачастую не самых мирных целей, таких как разведка, ретрансляция сигналов и несение ракет и взрывчатки для уничтожения заданной цели (рис. 2).

Рис. 2 Дрон самолетного типа

     Оба типа дронов в той или иной вариации закрывают все используемые на данный момент варианты БПЛА т.е. это дроны самолетного и вертолётного типов, которые могут иметь разные размеры, нагрузку и способы управления.

     На момент публикации материалов, все беспилотники управляются следующими методами или их комбинацией:

1. Оператором по радиосигналу, как правило, в диапазоне от +/-300МГц до 6000 МГц. По этому диапазону идет передача команд управления, видеоизображения и прием данных глобальных систем позиционирования (ГНСС). Дальность работы обычно составляет до 30 км в зоне прямой видимости.
2. Оператором по оптоволокну. В этом случае все команды управления и видеосигнал передаются по оптике, которая крепится в виде катушки к БПЛА. Дальность передачи составляет до 80 км, но как правило, ограничивается, в том числе из-за веса катушки (~5 кг/80 км) в районе 40-50 км.
3. Инерциальные БПЛА без поддержки ГНСС, сотовой связи и приема внешних данных. Они работают по встроенной инерциальной системе и рассчитывают свою траекторию по встроенным датчикам, а в завещающей части полета как правило используют камеру/тепловизор для наведения на сохраненную цель по изображению. Точность инерциальной системы обычно составляет 1,5 км на 100 км, а точность наведения по камере- несколько метров.
4. Инерциальные БПЛА с поддержкой ГНСС и сотовой связи. Летят на автопилоте в заданную цель и корригируют показания полета по ГНСС и сотовым вышкам. Дальность полета таких решений составляет до 2000 км а точность до нескольких метров при работе по ГНСС и +/-25 м при позиционирование по 3 вышкам сотовой связи. Финальный этап полета часто обеспечивается камерой/тепловизором для наведения на сохраненную цель.
5. Комбинация указанных выше систем с применением искусственного интеллекта для навигации и её коррекции по картам/ландшафту и попадания в выбранную цель. Если навигация по картам/ландшафту на текущим момент активно разрабатывается различными командами и странами, то попадание в выбранную цель отработанно десятилетиями и повсеместно практикуется, используя обучение ИИ по изображениям объекта.

Средства обнаружения беспилотников

     Средства обнаружения беспилотников играют важную роль в системах защиты от нежелательных воздушных аппаратов. В условиях, когда беспилотные летательные аппараты становятся все более доступными и распространенными, необходимо иметь эффективные средства их обнаружения для предотвращения возможных угроз.

     По умолчанию все БПЛА можно обнаружить средствами РЛС по физическому принципу отражения сигнала, а также использовать методы обнаружения связанные с управлением БПЛА.

     Основные средства обнаружения беспилотников на текущий момент:

1. Радары (РЛС)- используются для обнаружения летящих объектов по отраженному радиосигналу. Радиолокационные системы могут быть как активными (излучение происходит от самой системы), так и пассивными (система принимает отраженные сигналы). Эти системы способны обнаруживать беспилотники на больших расстояниях и определять их координаты с высокой точностью.

Рис. 3 Общий вид РЛС

     К недостаткам РЛС для гражданского пользователя следует отнести:

• требования к согласованию частот в месте установки для РЛС определенных частотных диапазонов и мощностей более 5 Вт;
• уязвимость к помехам от других систем, таких как радиомосты и прочие системы, работающие на частоте радара;
• дороговизна приобретения и потребность в обслуживании;
• требование к дополнительному каналу для идентификации цели;
• требование к наличию хорошей аналитики для отсечения стай птиц, автоматического регулирования чувствительности при осадках и т.д.;
• необходимость в наличии подготовленного оператора;
• погодозависимость при использовании сантиметрового и миллиметрового диапазона для обнаружения небольших БПЛА с эффективной площадью отражения в 0,01-0,05 м².
• ограничение по скорости цели в случае использования сканирующей РЛС на крутящемся основании;
• снижение вероятности обнаружения цели при небольших высотах полета (<300-500 м) за счёт наличие естественных (деревья, ландшафт) и искусственных (здания и сооружения) препятствий прохождению сигнала и создающих переотражения.

     Для компенсации части этих недостатков следует использовать радиолокационную станцию в качестве основной, но не единственной меры обнаружения дронов и беспилотников, при этом стоит отметить, что РЛС- это единственный способ обнаруживать все типы БПЛА вне зависимости от их метода управления при условиях советующий прямой видимости.

     РЛС следует выбирать из возможной дальности работ и помех на частотах: список РЛС.

2. Оптико-электронные системы (ОЭС) - включают в себя камеры, тепловизоры и другие оптические датчики, которые могут обнаруживать беспилотники по их видимому или тепловому излучению. Это позволяет оперативно реагировать на угрозу и принять соответствующие меры для ее предотвращения. Оптическое наблюдение также может быть использовано для идентификации беспилотников, определения их типа и характеристик в случае наличия нейросетей или опытного оператора. На текущий момент встроенный ИИ позволяет автоматически классифицировать воздушные цели (квадрокоптер, самолет, вертолет и пр.) и вести их по видеоизображению без применения РЛС и помощи оператора, например этой системой.

Рис. 5 ОЭС на поворотной платформе

     К недостаткам, если мы говорим об ОЭС на поворотной платформе, следует отнести:

• узкий угол обзора, который не охватывает всю панораму в 360 градусов;
• сильную погодозависимость, которая приводит к снижению дальности обнаружения в десятки раз в случае наличия тумана, снега или дождя;
•  возможность слежения только за одной целю;
• Неэффективная работа в режиме поиска целей из-за малого угла обзора.

     Для борьбы с указанными проблемами следует установить либо несколько независимых ОЭС, либо дополнить их РЛС, либо использовать системы кругового сканирования типа охлаждаемого или неохлаждаемого тепловизора кругового обзора, которые вращаются 1 раз в секунду на 360 градусов и генерируют и анализируют панорамные изображения.

Рис 5. Общий вид ОТКО

Рис. 6 Панорама обнаружения

Эта система достаточно эффективна обнаруживает все БПЛА в панораме 360 градусов, но также имеет несколько недостатков:

- отсутствие оптического зумирования на цель;

- отсутствие возможности получение дальности до цели;

- резкое снижение эффективности при плохих погодных условиях (туман, дождь и пр.)

3. Системы радиоперехвата – это пассивные системы, которые могут обнаруживать дроны и оператора по каналу управления и передачи управляющего и видеосигналов. Их принцип работы заключается в наличии приёмных антенн, установленных по кругу, секторно или на расстоянии друг от друга и улавливающих частоты и сигнатуры, на которых работают БПЛА. Указанный принцип радиопеленгации позволяет обнаруживать сектора расположения цели, включая сам беспилотник и оператора, а дальность до цели или его координаты получаются за счет установки нескольких систем или дешифровки протокола, если в нем содержится такая информация.

     В продвинутых системах помимо обнаружения и указания спектра присутствует база данных известных БПЛА и спектр их работы, позволяющий системе не только определять частоты работы, но и классифицировать известные БПЛА и приёмники/передатчики, а также определять место расположения оператора и самого БПЛА т.к. часто оно передается в протоколе радиообмена.

     Такие системы, как правило, недорогие и быстроразвёртываемые. Из недостатков ко всем системам этого типа следует отнести:

- возможность обнаружения только по пилотируемых по радиоканалу БПЛА, т.е. БПЛА, принимающие и излучающие радиосигнал

- невозможность определения только одной установленной системой дальности до цели по зашифрованному протоколу или протоколу, где нет указания координат БПЛА и оператора;

- низкая помехозащищённость за счёт приёма, как правило, очень широкого спектра частот, например от 300МГц до 6 ГГц, в которых работают точки WiFi 2,4 и 5ГГц, спутниковые системы позиционирования, любительские рации и пр.

- высокое количество ложных срабатываний (несколько раз в час) при отсутствии хорошей аналитики.

Рис 7. Общий вид системы радиоперехвата

4. Акустические системы - используются для обнаружения звуковых сигналов, создаваемых беспилотником, а точнее его двигателем и лопостями.

     Данные системы состоят из микрофонов, установленных по кругу или секторно и в основном не применяются в гражданских системах борьбы с беспилотниками, поскольку нацелены на выявление крупных БПЛА с шумными моторами внутреннего сгорания.

     К недостаткам данных систем, относится тот факт, что шумопеленгация в местах, где используются моторы даёт существенную вероятность ложного срабатывания, поскольку часть БПЛА использует теже самые двухтактные моторы, что и садовая техника, мопеды и мотоциклы, а при использование глушителей на таких системах дальность обнаружения значительно сокращается.

На сегодняшний день, ведутся доработку по установки узкосекторных микрофонов, что позволяет отсечь наземную технику, но отрицательно сказывается на цене изделия.

Рис 8. Акустические системы

5. Разведывательные/обзорные дроны - специальные беспилотные летательные аппараты, предназначенные для обнаружения и сбора информации о других беспилотных аппаратах.

     Эти аппараты не используются в гражданском секторе, поскольку на значительной территории Российской Федерации на момент написания данной статьи полёты сильно ограничены или запрещены.

     Также выявление БПЛА разведывательными дронами применяется в основном для обнаружения крупных дронов самолётного типа, используемых противником на средних высотах.

Рис 9. Разведывательные дроны

Выводы по системам обнаружения

     Наиболее эффективной защитой от БПЛА для гражданского применения является комплексное применение нескольких, работающих по разному принципу, средств обнаружения, например:

1. Радиолокационная станция и оптико-электронная система позволяют эффективно обнаруживать и идентифицировать цель, но имеют все недостатки, описанные выше. Из самых существенных следует отметить возможность ведения, записи действий и идентификации только 1 цели по ОЭС, выход из строя всей системы при выходе из строя РЛС (из-за поломки, помех в работе от другого оборудования, слепых зон, низкого полёта, дождя, снега и пр.), плохая работа при низколетящих целях;
2. Радиолокационная станция и ОТКО/НТКО представляют собой два радара, один из которых классический, а второй оптический. Системы полностью дублируют работу друг друга и обнаруживают все цели в 2 диапазонах, однако идентификация целей на больших расстояниях затруднена за счет отсутствия оптического зумирования.
3. Система радиоперехвата с оптико-электронной системой- это самый бюджетный вариант обнаружения БПЛА, однако он не способен обнаружить не излучающие радиосигнал цели (инерциальные дроны и дроны, управляемые по оптике) и вести всего одну цель в оптическом спектре.
4. Система радиоперехвата и ОТКО/НТКО по сути представляют собой два радара, один из которых пассивный, а второй оптический. Системы дублируют работу друг друга и обнаруживают цель в 2 диапазонах, однако если БПЛА не имеет активного излучения (передача видео и команд управления), то системой радиоперехвата цель обнаружена не будет и работа будет вестись только в одном диапазоне, который при плохих погодных условиях резко теряет в эффективности.

Исходя из вышесказанного, каждая система имеет свои преимущества и недостатки, каждая из систем способна обнаруживать свои типы целей, а чем больше систем, тем эффективнее их работ.

Однако следует помнить, что даже самые передовые средства обнаружения не являются гарантией полной защиты от беспилотников. Поэтому важно использовать комплексный подход к обеспечению безопасности, включающий не только обнаружение, но и предотвращение возможных актов незаконного вмешательства. Это может включать в себя использование средств активной защиты, таких как системы противодействия или перехвата БПЛА.

Глушение и подмена сигналов беспилотника 

     Глушение сигналов управления и навигации беспилотника (т.е. радиоэлектронная борьба) является одним из наиболее эффективных методов защиты от потенциально опасного использования управляемых беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), в случае если этот БПЛА использует сигналы управления, передаваемые по воздушной среде. Эта технология позволяет нейтрализовать действие беспилотников, блокируя их связь с оператором, навигацией и препятствуя выполнению их задач и целей.

Для этого используют:

1. Систему радиочастотных помех для глушения канала управления и передачи видеоинформации;
2. Систему перехвата управления дрона;
3. Систему подмены и глушения систем спутникового позиционирования (GPS, ГЛОНАСС, Beidou, Galileo и пр.).

Использование систем радиочастотных помех  

     Принцип глушения, управляемого по радиоканалу дрона, построен на создания мощного радиопередатчика, который работает на частотах, используемых беспилотником для приёма команд управления, передачи данных о телеметрии и видеопотока и препятствует передачи и получению этих команд от оператора к дрону и обратно.

     Как правило, спектр работы таких систем находится в диапазоне 200-6000МГц, поскольку на этих частотах работают большинство известных гражданских дронов и часть военных БПЛА.

     Мощность сигнала, излучаемого гражданскими дронами/пультом управления, составляет до 400 мВ, а перешитыми дронами 2-5 Вт и более в случае наличия дополнительных усилителей и антенн.

     Излучаемая помеха может иметь чёткую полосу излучения, быть направленной или распространяться в широком диапазоне и во всех направлениях (круговая помеха):

1. Направленная помеха, как правило, генерируется системой глушения на поворотно-наклонном основание и имеет в гражданском исполнении мощность излучения в 10-150Вт при усилении антенн в 4-20дБ . Из плюсов такого решения следует отметить, что она глушит только цель, на которую наводится на задевая при этом инфраструктуру объекта, на котором она расположена. Также вся мощность глушения передается в одном направлении, а не рассеивается в круг, что в несколько раз увеличивает дальность работы по сравнению с круговыми системами аналогичной мощности.

Рис. 10- Общий вид системы направленного глушения

     Из минусов, как правило, следует иметь в виду, что:

-  такое решение неспособно работать на защиту от роя беспилотников поскольку направлено всегда в одном направлении;

- эффективность на гражданских БПЛА составляет обычно до 5-7 км, однако если БПЛА перешит и/или у него/оператора установлены дополнительные усилители и антенны, до эффективность падает прямопропорционально усилению сигнала дрона и может превратиться из 5 км всего в 150-200 м.

- данная система требует автоматическое средство обнаружения/наведения на БПЛА, а именно – РЛС, радиопелегатор и пр. без которого она на сможет навестись на цель и подавить каналы связи.

2. Круговая постановка помех работает по аналогии с направленной системой глушения, но излучает глушащий сигнал в круг 360 градусов. К плюсам данной системы относится возможность работы по нескольким БПЛА одновременно, а также безразличие к наличию средств обнаружения/наведения не цель.

Рис. 11. Общий вид системы кругового глушения

К минусам такой системы относится:

- круговое глушение всех сигналов, даже собственных и «полезных» для объекта.

- существенно более низкое КПД системы и сниженная дальность глушения по сравнению с направленной системой, поскольку аналогичная энергия излучается не прямо на цель а в круг.

- эффективность на гражданских БПЛА составляет обычно до 3-5 км, однако если БПЛА перешит и/или у него/оператора установлены дополнительные усилители и антенны, до эффективность падает прямопропорционально усилению сигнала дрона и может превратиться из 5 км всего в 20-50 м в круговой диаграмме.

Система перехвата управления дрона

     На сегодняшний день, большая часть гражданских БПЛА и продаваемых систем управления беспилотников и передачи видеоинформации с них имеют нешифрованные протоколы передачи данных, часть из которых имеют открытый или дешифрованный протокол.

     Эти факты позволяют производителям система глушения реализовать перехват управления БПЛА более мощным излучающим сигналом и обеспечить его посадку или отлёт от заданного места.

По умолчанию для этого задействуется пассивная система радиоперехвата, которая по спектру определяет тип дрона и его протокол управления.

После этого сигнал поступает в систему глушения, которая ждёт либо указания оператора для начала посадки дрона, запрета влёта в определенную зону, отправки «домой» и прочих сохраненных комманд, либо выполняет предписанные ей действия в заданной последовательности, например, попытаться посадить, а если не получится - заглушить.

     Посадка беспилотника - это самый безопасный вариант противодействия ему. Однако, надо понимать, что в большинстве случаев это возможно только на БПЛА со стандартным программным обеспечением, не переделанным под какую-либо определенную задачу и воспринимающему данные команды управления.

Система глушения подмены координат ГНСС

Рис. 12. Система глушения и подмены координат ГНСС

     Система глушения и подмены координат позволяет глушить один или несколько выбранных спутниковых частот или транслировать в эфир любые спутниковые координаты, мощность передачи которых гораздо сильнее того сигнала, что поступает от спутников, перебивая тем самым реальные координаты ГНСС.

     С целью глушения ГНСС (GPS, ГЛОНАСС, Beidou, Galileo и пр.) данные системы используют излучение подавляющего сигнала, например, белого шума высокой мощности, что забивает весь приемный диапазон БПЛА на данной частоте.

     Помимо глушения/подмены координат, системы с расширенным функционалом способны:

1. Привести дрон к падению, путём подмены высоты полёта;
2. Заставить дрон лететь на определенную точку или по определённой траектории (по кругу, зигзагом, восьмёркой и пр.).
3. Заставлять дрон потерять ориентацию в пространстве и реагировать неправильно на команды оператора, например, при нажатии «вперёд», дрон полетит вниз и назад.
4. Симулировать «ветер» путем дрейфа координат в заданном направление

     На текущий момент, однако, резкая подмена координат/высоты оказывается не эффективной поскольку современные процессора навигационных систем оснащены системой обнаружения подмены координат и глушения и передают оператору советующую информацию или отключают навигацию по ГНСС, пересчитывая свой маршрут по старым сохраненным данным.

     Соответственно для эффективной работы система подмена координат, после обнаружения цели необходимо начать медленную подмену координат и контролируемый отвод БПЛА (1-3 м/сек) в безопасное место падения/посадки, для чего необходима работа в связки с системой обнаружения, например РЛС.

Кинетическое уничтожение БПЛА противодронами

На момент написания статьи несколькими компаниями в Российской Федерации так и зарубежом осуществлялась разработка дронов-перехватчиков.

Наиболее эффективным методом, по нашему мнению, являются дроны перехватчики, в разработке которых мы участвуем.

Принцип работы таких систем заключается в своевременном обнаружении БПЛА с применением различных технических средств, таких как РЛС, радиочастотный пеленгатор и пр.

После обнаружения воздушной цели на дальнем рубеже обороны оператор оценивает ее с применением средств визуального контроля и производит запуск противобеспилотников над разрешенным районом уничтожения. В случае если цель появилась в непосредственной близости объекта, то запуск и уничтожение производится автоматически.

В качестве противобеспилотников используются разработанные мультироторные квадрокоптеры с высокой скоростью полета (>250-300 км/ч) дальностью полета более 5 км и автоматическим наведением на цель.

Наведение на цель и поражение осуществляется за счет передачи координат и фотографий цели со средств обнаружения в противодрон с последующим запуском за менее чем 1,5 сек.

В этом случае время уничтожения на 5-и километровом рубеже составляет около 23 сек после запуска, и не более 35 сек после обнаружения и захвате цели.

Выводы по системам глушения и борьбы с беспилотниками

1. Для гражданского применения наиболее оправдано приобретение и использование радиочастного детектор и направленной постановки помех, чтобы обнаружить и  заглушить управляемый по радиосвязи беспилотник.
2. Если защищаемый объект относится к критической инфраструктуре, возможен сценарий атак нескольких дронов, а также сброс или попадание дрона приведёт к критическим последствиям для объекта (возгорание резервуарного парка, взрыв особо опасных химических соединений и пр.), то желательно обеспечить установку нескольких направленных или круговых систем глушения.
3. Далеко не все БПЛА поддаются глушению, соответственно для некоторых инерциальных дронов необходимо установить РЛС или ОТКО/НТКО, ОЭС (для идентификации) и систему системой подмены координат, работающих в паре с РЛС, которая обнаружит цель, а также, просимулировав «ветер», отведёт ее в необходимо место от объекта и приведет к крушению.
4. Некоторые виды БПЛА (полностью инерциальные или управляемые по оптике) не подвержены внешнему влиянию и единственный способ борьбы с ними- это обнаружение с помощью РЛС и физическое уничтожение противодронами.