СПОСОБ ОХРАНЫ ОБЪЕКТОВ ОТ ПРОНИКНОВЕНИЯ ДИСТАНЦИОННО УПРАВЛЯЕМЫХ МАЛОРАЗМЕРНЫХ МАЛОВЫСОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ (ТИПА БПЛА)
METHOD FOR PROTECTING OBJECTS AGAINST PENETRATION OF REMOTE CONTROLLED SMALL LOW-ALTITUDE AIRCRAFT (UAV TYPE)

Изобретение относится к радиолокации и может использоваться в области охранных систем. Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение вероятности правильного обнаружения БПЛА за счет применения в комплексе охраны объекта одновременно двух каналов обнаружения: радиолокационного и радиочастотного.
Известны следующие способы охраны объектов с использованием средств радиосвязи.
В патентах: RU №2079889, 05.10.1992, G08B 13/24; RU №2103743, 24.10.1995, G08B 13/18; G08B 13/24; Н01Р 1/00; RU №2109343, 31.03.1997, G08B 13/18; RU №2155382, 15.06.1998, G08B 13/24; RU №2292600, 02.09.2005, G08B 13/24; RU №2306612, 09.02.2006, G08B 13/24; RU №2348980, 27.03.2007, G08B 15/00 раскрыт способ охраны объектов, основанный на функции селекции движущихся объектов по скорости (частоте Доплера). Этот способ реализован в большинстве периметральных радиоволновых извещателей и радиолучевых устройствах, предназначенных для тревожной сигнализации. Их основные недостатки состоят в ограничениях применения по высоте, в частности - невозможности обнаружения нарушения периметра охраняемого объекта в воздухе, необходимости дополнительного подтверждения результатов обнаружения, высокой вероятности ложного срабатывания систем охраны, реализующих такой способ. Кроме того, недостатками этих устройств являются отсутствие возможности определения направления пересечения нарушителем рубежа охраны, нечувствительность к нарушителю, находящемуся внутри контролируемой территории, а также относительная сложность, заключающаяся в большом количестве радиопередатчиков и радиоприемников, составляющих основу таких охранных комплексов.
В патенте RU №2033626, 30.12.1992, G01S 13/02 описан способ обнаружения, позволяющий контролировать вторжение движущегося нарушителя в заданный объем пространства. Этот способ реализован в доплеровских обнаружителях, используемых в устройствах охранной сигнализации. Способ обнаружения реализуется за счет применения радиолокационных датчиков с широкой диаграммой направленности, охватывающей определенный объем охраняемой зоны. Однако, как и в предыдущем случае, он не позволяет определять координаты местонахождения нарушителя, что ограничивает его применение только в закрытых помещениях или на открытых площадках небольших размеров, огороженных зазором. При этом крупноразмерная цель, находящаяся за пределами охраняемой зоны, может привести к ложному срабатыванию устройства.
Известен способ обнаружения летательного аппарата на малых высотах, (Патент BY, №13748, 2010.10.30, G01S 13/00), по его собственному излучению. Недостаток способа состоит в ограниченности перечня объектов локации, к которым он применим, поскольку разные летательные аппараты обладают различными собственными излучениями, а, следовательно, дальностями обнаружения.
Известен способ обнаружения вторжения движущегося объекта в контролируемую зону (Патент US №5132690, 1992, G01S 13/00.), основанный на приеме и обнаружении с помощью фазированной антенной решетки отраженных от цели эхо-сигналов. Облучение цели электромагнитной энергией осуществляется передатчиком, удаленным от приемного устройства на некоторое расстояние. Однако для реализации данного способа требуется сложная дорогостоящая энергоемкая антенная система, а увеличение периметра охраняемой зоны потребует увеличение числа РЛС, что приведет к значительному усложнению и удорожанию аппаратуры, ограничению ресурса ее работы.
Известен акустический способ обнаружения маловысотных целей (см. Патент RU №2589290, 24.02.2015, G01S 3/80, а также С.Р. Гейстер. Решение задачи обнаружения маловысотных легкомоторных летательных аппаратов путем использования акустических и сейсмических полей // Наука и военная безопасность, №1, 2008 г., стр. 42-46.). Этот способ обеспечивает обнаружение, распознавание и пеленгование низколетящих вертолетов и беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Недостаток способа заключается в зависимости и ограничении дальности действия от окружающего акустического фона, метеорологических условий, типа двигателя и скорости полета БПЛА.
В патенте RU №2120139, 29.04.1998, G08B 13/196; Н04М 11/04 описан способ охраны, основанный на видеонаблюдении. Недостатком этого способа и реализующих его систем охраны является зависимость дальности действия блока видеонаблюдения от климатических условий и времени суток, что неприемлемо для организации надежной охраны объектов.
В патентах (см. Евразийский патент №007143, 23.12.2004, G01S 13/06, G01S 7/42, RU №154714 G01S 13/06, G01S 7/42) описан способ обнаружения маловысотных целей «на просвет» за счет использования бистатической радиолокационной станции. Недостаток такого способа охраны состоит в необходимости формирования узкополосного специализированного квазигармонического сигнала, а также наличии узкой пространственной зоны просветного обнаружения, формируемого одним передатчиком, что существенно снижает пространственные возможности обнаружения БПЛА. Для обнаружения малозаметных целей «на просвет» необходимо, чтобы цель находилась точно в луче опорной антенны, ориентированной на передатчика подсвета. Это ставит возможность обнаружения целей в просветном канале в зависимость от точного пространственного совпадения цели с линией визирования опорной антенны передатчика подсвета. При этом цель, пролетая выше или ниже линии визирования, может не попасть в просветную зону, но может оказаться в зоне видимости обзорной антенны. В случае малозаметной цели, выполненной со сниженной отражательной способностью в передние и боковые ракурсы наблюдения, ее обнаружение может не произойти, поскольку удаление цели от РЛС окажется больше дальности обнаружения, реализуемого энергетическим потенциалом РЛС.
Известен способ охраны (Патент RU №2600921, 23.11.2015, G08B 13/196), обеспечивающий решение задач удаленного мониторинга и охраны периметра базовых станций сотовой связи посредством использования радиоволнового полуактивного доплеровского извещателя о приближении к охраняемому периметру объекта нарушителя. Причем, в качестве радиопередающего устройства использован передатчик сигнала стандарта GSM, расположенный на охраняемой базовой станции. Недостатком способа является зависимость пространственных возможностей обнаружения нарушителей от характеристик электромагнитного поля, создаваемого БС. Мощность сигнала, генерируемая передатчиком стандарта GSM и направление его распространения, могут не обеспечивать достаточную зону подсвета в районе охраняемого объекта для надежного обнаружения маловысотных малозаметных дистанционно управляемых летательных аппаратов. Кроме того, данный способ требует применение дополнительных средств идентификации таких летательных аппаратов.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению, выбираемым в качестве прототипа, является способ и предлагаемый на его основе комплекс барьерного зенитного радиолокационного обнаружения малозаметных летательных аппаратов на базе сетей сотовой связи стандарта GSM (Патент RU №2615988, 24.12.2015, G01S 13/06, G01S 7/42. Преимуществом такого способа является техническая реализуемость удаленного рубежа обнаружения малоразмерной малозаметной низколетящей цели, с помощью радиолокационной станции со сторонним подсветом сетей сотовой связи стандарта GSM и с каналом обнаружения «на просвет». Особенностью РЛС является то, что ее приемные антенны формируют ориентированные вертикально вверх (в зенит) диаграммы направленности. При попадании в поле излучения БС СС маловысотных малозаметных в радиолокационном диапазоне частот целей (например, БПЛА), контур планера таких целей формирует максимум отраженного сигнала в нижнюю полусферу (см. Патент RU №2440916, 28.07.2010, B64D 27/20, B64D 33/02), что увеличивает вероятность их обнаружения именно радиолокационным комплексом с ориентированной вертикально вверх диаграммой направленности приемной антенны. Недостатком способа, как и в ранее рассмотренных случаях, является необходимость использования в качестве источника сигнала - электромагнитного поля, генерируемого БС СС стандарта GSM. Это требует организации дополнительного опорного канала в направлении БС СС и его синхронизации с основным целевым каналом, а также создает зависимость возможностей обнаружения целей - нарушителей от пространственных и энергетических характеристик такого поля в районе охраняемого объекта. Кроме того, недостатком способа является необходимость использования видеоканала для идентификации цели, что может затруднить его применение в сложных метеорологических условиях и в ночное время.
Заявляемый, как изобретение, способ реализуется посредством комплекса охраны объектов и заключается в применении одновременно двух каналов обнаружения БПЛА: радиолокационного (основного), обеспечивающего обнаружение движущихся объектов над охраняемой территорией и радиочастотного (дополнительного), обеспечивающего подтверждение принадлежности этого объекта к классу БПЛА (идентификацию БПЛА по сигналам управления ими).
Изобретение поясняется чертежами.
Фиг. 1 - блок-схема охраны объектов от проникновения дистанционно управляемых малоразмерных маловысотных летательных аппаратов (типа БПЛА) с использованием предлагаемого способа;
Фиг. 2 - пространственное расположение диаграмм направленности антенн (ДНА) комплекса охраны, реализующего предлагаемый способ;
Фиг. 3 - частотно-временная схема обнаружения движущихся воздушных объектов.
Комплекс охраны объектов содержит (Фиг. 1): радиолокационный датчик движения (РЛДД), состоящий из установленных на местности N передатчиков подсвета (ПП) 1, и устанавливаемого в центре охраняемой территории приемника - обнаружителя 2; радиочастотного сигнализатора излучения (РСИ) 3, состоящего из антенны 4, имеющей всенаправленную ДНА и анализатора излучения 5 в диапазоне работы передатчиков пультов управления БПЛА 6.
Каждый ПП излучает посредством антенны 7, имеющей направленную диаграмму направленности (ДНА) излучает вертикально вверх (в зенит) немодулированный сигнал на фиксированной (литерной) частоте в диапазоне частот Wi-Fi, создавая зону подсвета над своей точкой стояния (Фиг. 2). Количество - N и размещение ПП в границах охраняемой территории обеспечивает создание сплошного электромагнитного поля излучения над этой территорией, а ориентированные в зенит поля их электромагнитного излучения позволяют максимально снизить требуемую мощность излучения и минимизировать как энергопотребление комплекса, так и уровень радиопомех для находящихся рядом сторонних приемников диапазона Wi-Fi.
Частоты передатчиков (f1, f2, f3, f4, …, fn) Фиг. 3, не повторяются и распределены равномерно с шагом Δf. На входе приемника-обнаружителя одновременно присутствуют прямые сигналы от всех передатчиков, а также опорный сигнал, частота которого (f0) меньше частоты сигнала первого ПП на Δf/2. Приемник-обнаружитель состоит из всенаправленной антенны 8 и многоканального обнаружителя (МКО) 9 (Фиг. 1), имеющего гомодинную архитектуру. Каждый канал МКО настроен на одну из литерных частот ПП и осуществляет ее перенос на видеочастоту. В результате преобразования входного сигнала на выходе приемника присутствуют разностные частоты, причем биения частот с сигналом опорной частоты (f0-f1, f0-f2, f0-f3, f0-f4) не смешиваются с остальными биениями. В результате высокочастотной фильтрации, при отсутствии движущихся объектов в зонах подсвета передатчиков подсвета, на выходах каналов МКО сигнал отсутствует. При появлении в зоне излучения одного из ПП (например, второго - ПП-2) с частотой f2 движущегося объекта 10 (Фиг. 1) отраженный от него сигнал поступает на вход приемника-обнаружителя с частотой f2д (Фиг. 1). Возникают биения этого сигнала с сигналом опорной частоты (f0-f2д), сигналами других передатчиков (f2д-f3, f1-f2д, f2д-f4), а также сигналом от собственного передатчика (f2-f2д) Фиг. 3. Сигнал f0-f2д не смешивается с остальными биениями. На выходе соответствующего канала МКО появляется сигнал, частота которого соответствует доплеровскому сдвигу сигнала, излучаемого соответствующим передатчиком подсвета. Обнаружение этого сигнала свидетельствует о появлении в зоне подсвета, соответствующего ПП движущегося воздушного объекта. Тем самым фиксируется информация об области пространства, в которой обнаружен движущийся объект - области подсвета ПП с соответствующей литерной частотой сигнала, а также о его скорости. Эта информация в дальнейшем может быть использована для распознавания объекта.
РСИ 3 Фиг. 1, предназначен для обнаружения излучений в диапазоне работы передатчиков пультов управления малоразмерными БПЛА 6. Применение подобных летательных аппаратов сопровождается значительным возрастанием радиообмена в диапазоне, используемом для организации беспроводных локальных сетей по технологии Wi-Fi. В РСИ осуществляется непрерывный анализ электромагнитной обстановки в диапазоне частот работы передатчиков пультов управления БПЛА. Возрастание общего уровня излучений в указанном диапазоне и превышение этого уровня порога, предшествующее появлению движущегося объекта над охраняемой территорией, является достаточным признаком для идентификации и позволяет идентифицировать обнаруженный приемником-обнаружителем движущийся воздушный объект именно как БПЛА.
Информация о результатах обнаружения БПЛА - нарушителе границ охраняемого объекта по беспроводным или проводным каналам связи 11 передается на оконечное устройство (ОУ) 12, где отображается на экране монитора в виде, позволяющем определить факт, время, скорость и направление полета БПЛА, а также область пространства, в котором произошло нарушение границ охраняемой территории.
Использование данного способа позволяет решить следующие задачи.
Построение системы охраны объекта от проникновения БПЛА нарушителей, работающей в двух режимах: «радиолокационного обнаружения БПЛА как нарушителя» и «радиочастотной идентификации нарушителя как БПЛА». При этом значительно повышается вероятность правильного обнаружения целей такого типа.
Пространственную селекцию движущихся объектов с одновременным определением скорости движения.
Обнаружение малоразмерных и малозаметных в радиолокационном диапазоне объектов за счет вертикальной ориентации диаграмм направленности передающих антенн, при которой воздушный объект в условиях горизонтального полета находится на минимальном расстоянии, как от передатчика, так и от приемника. Кроме того, такое пространственно-энергетическое построение системы охраны позволяет значительно уменьшить ее энергопотребление, так как не требует высокой мощности излучения передатчиков подсвета.
Минимизацию уровня помех от РЛДД для находящихся рядом сторонних приемников диапазона Wi-Fi за счет строго вертикальной ориентации диаграмм направленности передающих антенн.
Исключение влияния погодных условий и времени суток на работу системы охраны.