Використання БПЛА та особливості побудови систем протидії дронам

У статті наведений короткий огляд про області ви­користання БПЛА та особливості побудови си­стем протидії дронам.

В. Макаренко

Враховуючи різні практичні та потенційні засто­сування та мету використання безпілотних літальних апаратів (БПЛА) для військових і невійськових цілей, розглянемо особливості використання таких апара­тів та протидії їх зловмисним діям.

Протягом останніх 30 років БПЛА та засоби про­тидії їх зловмисним діям швидко розвивались і їх вдосконалення продовжується і на цей час. Зараз ми можемо спостерігати в реальному житті різні ви­падки використання БПЛА широко відомих як дро- ни. До БПЛА відносяться у тому числі дистанційно пілотовані літальні апарати, керовані оператором на землі і дрони, які можуть літати автономно.

Застосування БПЛА варіюється від дронів для розваг до комерційних і військових застосувань, включаючи хобі, ігри з дронами, зйомки фільмів для відпочинку і експлуатації БПЛА для військового при­значення. У [1] наведені дані федерального управ­ління авіації (FAA), за якими у США у 2020 р. заре­єстровано 1 692 700 дронів (приблизно 29% для ко­мерційних цілей і 71% для відпочинку).

Промисловість комерційних БПЛА у тандемі зі зростаючими потребами ринку показала стрімке зростання. Очевидно, що БПЛА розглядаються як важливий інструмент для розширення комерційних ринків і використовуються в різних галузях:

• у сільському господарстві при посіві, для нагля­дом за станом рослин, для перехресного запилення та обпилення культур
• для доставки та/або збору невеликих вантажів
• у будівельній галузі для будівельно-вимірю­вальнихробіт
• в індустрії ІТ-технологій для розширення охоп­лення послугами територій та встановлення аварій­них мереж
• в екології для моніторингу забруднення повіт­ря,пожежогасіння та рятувальних робіт.

Стрімке зростання аварій і злочинів, пов’язаних з використанням БПЛА, вимушує розглянути БПЛА під іншим кутом, враховуючи можливість того, що вони можуть загрожувати безпеці або виконувати проти­правні дії. Наприклад, квадрокоптер DJI для розваг випадково розбився на південній галявині Білого Дому у 2015 р. Приблизно через півтора року японським протестувальникам проти використання ядерної енергії вдалося посадити дрон, позначений радіоактивним знаком, на даху офісу прем’єр-міні­стра Японії. Дрон був з контейнером, наповненим радіоактивним піском з атомної станції Фукусіма. Інші приклади такого використання дронів можна знайти в [1].

Щоб пом’якшити такі тривожні наслідки, викли­кані БПЛА, уряди різних держав встановлюють об­меження на максимальну робочу швидкість і висоту, розташування, поведінку та діапазони частот зв’яз­ку. Однак, оскільки чинне законодавство пасивно контролює роботу БПЛА, воно не гарантує конфі­денційності та безпеки від некерованих БПЛА, на­приклад, тих, у яких виникають ненавмисні збої в ро­боті через втрату зв’язку оператором, і БПЛА неза­конних зловмисників, які намагаються атакувати громадські або військові об’єкти. Відповідно до стрімкого розвитку технологій БПЛА, результуюча загроза від некерованих БПЛА неминуча. Таким чи­ном, для захисту особистої конфіденційності, ко­мерційних, громадських і військових об’єктів і тери­торій від некерованих і войовничих БПЛА, тобто зловмисних БПЛА, необхідна система протидії БПЛА (CUS – counter UAV system), також відома як система протидії безпілотникам.

У порівнянні зі звичайними літальними апарата­ми, БПЛА загалом мають унікальні характеристики. Наприклад, БПЛА є безпілотними, недорогими/до- ступними, літають на малих висотах з малою швид­кістю та мають обмежене корисне навантаження. Таким чином, БПЛА потрібно вивчати окремо від іс­нуючих досліджень щодо захисту звичайних літаків. Глибокі та широкомасштабні дослідження CUS, од­нак, відсутні, і поточні дослідження були проведені та охоплюють лише частину CUS. Платформи CUS класифікують відповідно до мобільності та зони екс­плуатації.

Деякі системи виявлення та класифікації БПЛА:

• за допомогою радара
• EO/ІЧ – електронноптичні/інфрачервоні види­мого, короткого, середнього та довгохвильового діапазонів
• радіочастотні
• акустичні.

Використання БПЛА

БПЛА використовуються в різних військових опе­раціях, таких як розвідка, спостереження, захоплен­ня цілей, бойові дії та зв’язок. БПЛА, оснащені декількома сенсорами, наприклад, EO/ІЧта акустични­ми сенсорами, можуть виконувати важливі задачі з розвідки та спостереження. Використовуючи чис­ленні сенсори на БПЛА, можна збирати корисну ін­формацію під час спостереження, виявлення цілі та розвідки, а потім її можна обробити для створення кращих бойових планів.

Використовуючи сучасні комунікаційні техноло­гії, кілька дронів можуть співпрацювати для виконан­ня військових задач, наприклад відеорозвідки. Ви­користання відносно малого форм-фактору міні- БПЛА в порівнянні з великими літальними апарата­ми дає змогу формувати радіолокаційні та комуніка­ційні завади. Крім того, безпілотний бойовий літаль­ний апарат середнього розміру (UCAV – Unmanned Combat Aerial Vehicle) або бойовий дрон можуть нести авіаційні боєприпаси, такі як ракети та/або бомби, і можуть використовуватися для ударів по різних цілях. Для ефективної атаки необхідна до­статня точність виявлення та ідентифікації місцезна­ходження цілі, тобто захоплення цілі. Малий БПЛА також можна використовувати для виявлення та знищення мін. Крім того, БПЛА, який працює як ба­зова станція (BS – Base Station) або ретранслятор, може збільшити зону покриття зв’язку на полі бою, де BS недоступна, таким чином, що стає можливим екстрений і короткочасний зв’язок.

Цивільні та некомерційні застосування БПЛА охоплюють широку сферу, від державних послуг до наукових досліджень.

Використання БПЛА для моніторингу навколишнього середовища

БПЛА може літати та зависати навколо важкодоступних або небезпечних місць, де моніторинг не­обхідний для безпеки, комфорту та наукових цілей. Наприклад, державні установи та елементи гро­мадської інфраструктури, що охоплюють велику те­риторію, людині складно повністю контролювати за допомогою стаціонарної камери або патрулювання. БПЛА можуть контролювати всю територію з неба або певну точку під час польоту в цій точці, тобто вони можуть покривати цільову територію без сліпих та/або закритих зон. БПЛА можуть здійснювати пат­рулювання для моніторингу та виявлення випадків самозаймання за відносно низьку вартість. Вони та­кож можуть бути застосовані для моніторингу в ре­альному часі рівнів щільності транспортних засобів для збору інформації про дорожній рух. Звичайні стаціонарні камери спостереження можуть контро­лювати лише частину дороги. Хоча гелікоптери з ка­мерами можуть знімати проїжджу частину набагато краще, вартість їх експлуатації надзвичайно висока. БПЛА можуть вирішити такі проблеми з мобільністю та експлуатаційними витратами, а також збирати корисну інформацію, наприклад маршрути об’їзду, щоб водії могли уникнути заторів або аварій. Крім того, моніторинг БПЛА також можна використовува­ти в наукових цілях, наприклад, для вимірювання за­бруднення повітря і для моніторингу стану діючих вулканів.

Використання БПЛА для надання допомоги

Іншими важливими громадськими застосування­ми БПЛА є надання допомоги. Громіздкі вертольоти та пожежні машини, не можуть легко дістатися до охопленої пожежею будівлі в міських районах через різноманітні завади та рух транспорту. Крім того, по­жежникам можуть навіть не дозволити увійти в бу­дівлю через високу ймовірність фатального обвалу. У такій екстреній ситуації БПЛА може стати порятун­ком завдяки своїм невеликим розмірам і мобільно­сті, що дозволяє йому легко проникати в такі будівлі, швидко досліджувати ситуацію і повідомляти про обставини всередині. БПЛА, оснащений можливі­стю розпилення води, також може гасити пожежі в критичних точках, таких як газові резервуари та точ­ки займання, негайно без прямого контролю люди­ни.

БПЛА також може виконувати рятувальні місії, повідомляючи про місця аварій та заспокоюючи жертв після їх виявлення. Фумігатор БПЛА для бо­ротьби з пандеміями та епідеміями є ще однією важ­ливою діяльністю БПЛА. Наприклад, на початку 2020 року в Південній Кореї були задіяні дрони-фумігато- ри, щоб запобігти поширенню захворювань, на­приклад, таких як коронавірус (COVID-19). Дрони- фумігатори розпилюють дезінфікуючі речовини на величезну територію за короткий час, вимагаючи найменшої кількості робочої сили. Крім того, дезін- фікуючі засоби, що розпилюються за допомогою БПЛА, можуть легко окурити сліпі плями, до яких за­звичай важко дістатися людським рукам. Викори­стання дронів-фумігаторів для запобігання епіде­міям є суперечливим, оскільки ефективність цієї стратегії залежить від типу вірусу та того, чи може інфекція поширюватися повітряним шляхом, однак дрони-фумігатори будуть розвиватися й широко ви­користовуватися завдяки їхнім потенційним перева­гам у цій галузі.

Використання БПЛА для комерційних цілей

Різні галузі промисловості, від великих компаній до невеликих стартапів, використовують переваги БПЛА для збільшення прибутку. Хоча комерційне і промислове використання БПЛА є відносно новим у порівнянні з військовим використанням, існує широ­кий спектр цивільно-комерційних застосувань.

У сільському господарстві щоб підвищити вро­жайність, БПЛА можуть допомогти фермерам вико­нати різні задачі, такі як аналіз ґрунту, моніторинг росту культур, перехресне запилення, зрошення, оцінка стану здоров’я та пиління посівів. Тут важли­вою технологією, яка дозволяє виконувати багато сільськогосподарських завдань БПЛА, є здатність БПЛА фіксувати. зміни за допомогою сенсорів EO/I4 та LiDAR. Крім того, для моніторингу рівня вологості та температури потрібні різні сенсори, такі як гіпер- спектральні, мультиспектральні або термосенсори.

БПЛА вже почали використовувати в будівельній галузі, зменшуючи людські зусилля а також помил­ки, пов’язані з традиційними будівельними завдан­нями. Наприклад, БПЛА можуть досліджувати зем­лю з точки зору дронів, стежити за безпекою робіт­ників, захищати будівельні майданчики від крадіжок або вандалізму, перевіряти численні небезпеки та загрози безпеці за допомогою тривимірного (3D) картографування та надавати відеоматеріали щоб полегшити спостереження. У таких випадках, поряд із здатністю зондування, яка є основною технологі­єю сільськогосподарських БПЛА, слід підкреслити можливість зв’язку з низькою затримкою як важливу технологію, яка забезпечує переваги БПЛА на буді­вельних майданчиках. Зв’язок із дуже низькою за­тримкою важливий для будівельних БПЛА, щоб за­побігти нещасним випадкам на будівельних майдан­чиках. З цією метою до цих БПЛА можна застосувати технологію 5G/beyond 5G (B5G). Розглядаючи БПЛА як корисний інструмент у будівництві, БПЛА візьмуть на себе ще більш комплексні та складні завдання, пов’язані з великими проектами в майбутньому.

Зараз у суспільстві легко знайти такі сфери, як кі­новиробництво, фотографія, перегони та комерцій­на реклама. Залежно від типу програми задіяно ба­гато ключових технологій. Зйомка відео та фотогра­фій за допомогою БПЛА потребує стабілізаційної технології для отримання чіткого знімка. Крім того, політ і керування БПЛА під час перегонів останнім часом стали різновидом кіберспорту. Пілот керує БПЛА, спостерігаючи за записом з камери, встанов­леної на БПЛА, а сигнал надсилається на окуляри або монітор, який носить пілот. Для цього потрібні ефективні технології обробки зображень і зв’язку для безперебійного та високоякісного потокового відео (зазвичай на частоті 2.4 або 5.8 ГГц). Подібно до традиційних змагань у лабіринтах роботів, гонка БПЛА може служити для оцінки та перевірки алго­ритму навчання для визначення оптимальних шляхів у небі. Для цілей відпочинку пілоти БПЛА повинні знати і дотримуватися правил і дотримуватися еле­ментарної ввічливості, щоб забезпечити громадську безпеку та конфіденційність.

Одним із найбільш перспективних застосувань комерційних БПЛА є надання ІТ-послуг, де БПЛА працює, наприклад, як базова станція для підви­щення якості ІТ-послуги.

Нормативні документи щодо використання БПЛА

Як було зазначено вище, впроваджено чи зреш­тою буде впроваджено багато застосувань БПЛА, які мають великі переваги. Однак кількість різноманіт­них інцидентів, що супроводжуються збільшенням послуг і технологій з використанням БПЛА, також збільшиться. Щоб запобігти небажаним інцидентам, спричиненим БПЛА, у багатьох країнах були вста­новлені правила щодо комерційних БПЛА. Деталі цих правил відрізняються від країни до країни. На­приклад, ліцензія пілота є обов’язковою для екс­плуатації в деяких країнах, наприклад, США, Китаї та Великобританії. У Південній Кореї та Австралії ліцен­зія пілота потрібна, лише якщо вага дрона переви­щує встановлений стандарт. Авіаційні органи 132 країн світу також створили правила. Незважаючи на те, що нормативні акти значно відрізняються в різ­них країнах, їхня спільна мета полягає в запобіганні небажаним інцидентам, що виникають під час робо­ти БПЛА, і їх можна класифікувати на правила, що стосуються операторів, і ті, що впливають на роботу

Робота операторів БПЛА в багатьох країнах регу­люються законами своїх країн. Зокрема, ліцензія пі­лота та страховка потрібні в певних умовах або в усіх випадках у деяких країнах, наприклад в Австралії, де ліцензія пілота потрібна, якщо вага БПЛА перевищує два кілограми. Подібним чином у США ліцензія піло­та є обов’язковою (обов’язковою для комерційних цілей), а переоцінку кваліфікації пілота слід прово­дити кожні два роки. Крім того, у деяких країнах не­обхідна підготовка пілотів для операцій за межами прямої видимості (BVLoS).

Правила роботи з БПЛА визначають певні екс­плуатаційні обмеження, такі як максимальні швидко­сті, максимальні висоти, мінімальні відстані щодо певних зон або об’єктів, схвалені зони польоту та поведінку, а також встановлені діапазони робочих частот. Більшість країн регулюють максимальну ви­соту та швидкість БПЛА. Також вказано мінімальну відстань до людей, транспортних засобів або певних зон, наприклад військових баз. У деяких країнах під час роботи БПЛА дозволяється лише візуальна лінія видимості (VLoS) між БПЛА та оператором; тобто робота БПЛА під BVLoS не допускається, ос­кільки нечітка видимість може призвести до інци­денту з високою ймовірністю під час експлуатації БПЛА. Однак деякі країни дозволяють роботу BVLoS, якщо БПЛА використовує функцію запобігання зі­ткненням. У деяких країнах необхідна реєстрація БПЛА. Під час зв’язку БПЛА канал передачі даних має бути встановлений у межах попередньо ви­значеного діапазону частот відповідно до певних правил.

Положення також визначають основні етичні прояви люб’язності, які не мають юридичної сили для захисту конфіденційності та безпеки, наприклад заборона польотів над приватною власністю, забо­рона перенесення небезпечних матеріалів і заборо­на скидати будь-які предмети.

Хоча правила щодо систем БПЛА були встанов­лені для запобігання інцидентам, вони пасивно контролюють можливе неправильне використання БПЛА і можуть бути порушені навмисно чи ненав­мисно. Таким чином, слід чітко розуміти та вивчити порушення нормативних актів і відповідні наслідки, щоб розробити відповідні контрзаходи, щоб можна було зменшити загрози приватному житті та гро­мадській безпеці, які залишаються. З цією метою порушення правил і супутні результати поділяються на три різні випадки з можливими контрзаходами та технологіями.

Аварії. Правила щодо максимальної висоти або швидкості можуть бути ненавмисно порушені через відсутність обережності або несподівані завади, такі як вітер. Якщо БПЛА летить надто далеко в середо­вищі BVLoS, потужність сигналів зв’язку стає недо­статньою, і пілот може втратити контроль над ним. У цих випадках БПЛА може вторгнутися на приватну територію або будь-яку заборонену територію та призвести до жертв та/або пошкодження майна. Ве­лика ймовірність, що такі аварії відбуваються, коли пілот має низьку кваліфікацію. Якщо пілот не має лі­цензії або БПЛА не зареєстровано відповідною страховкою, відстежити підозрюваного також важ­ко, і це спричиняє затримку процесу відновлення пошкоджень.

Ненасильницькі злочини. Порушуючи правила, БПЛА може бути неправильно використаний для не­насильницьких злочинів, таких як вторгнення в кон­фіденційність, пограбування даних і незаконні до­ставки. Зокрема, правопорушник міг спробувати зібрати приватну або секретну інформацію від ци­вільних осіб, офіцерів або військовослужбовців, фо­тографуючи та підслуховуючи їх. Перевезення неза­конних предметів, таких як недозволена вогнепаль­на зброя, вибухові речовини та наркотики, також може здійснюватися за допомогою несанкціонова­ного БПЛА.

Насильницькі злочини. Насильницькі злочини, тобто напади, безпосередньо загрожують безпеці людини з можливим смертельним наслідком. На­сильницькі злочини тісно пов’язані з політичними та військовими проблемами, такими як тероризм, і є відносно рідкісними порівняно з випадковими та не­насильницькими злочинами. Однак у міру того, як БПЛА стають доступнішими для населення, зростає побоювання, що насильницькі злочини з їх участю зростуть.

Щоб запобігти можливій шкоді від нещасних ви­падків, ненасильницьких і насильницьких злочинів з використанням БПЛА, необхідні подальші чіткі та конкретні правила. Таким чином, як регіональні, так і міжнародні правила, що стосуються БПЛА, продов­жують вдосконалюватися. Крім того, для безпеки та захисту майна від неправильного застосування БПЛА та для отримання переваг від їх застосувань необхідні подальші активні заходи протидії, які б ефективно виявляли та нейтралізували мБПЛА. У статті некеровані та військові БПЛА, включаючи БПЛА вторгнення та ворожі БПЛА, називаються мБПЛА.

Якщо безпілотні літальні апарати становлять пряму загрозу, то терміни її нейтралізації системами захисту мають вирішальне значення. На рис. 1 пока­зано, у який час потрібно вкластися для ліквідації загрози в залежності від відстані між БПЛА та об’єк­том [2].

Платформи та мережі захисту

Системи захисту для запобігання небажаним ін­цидентам, злочинам і атакам від неправильного за­стосування БПЛА, тобто мБПЛА, у [1] називаються CUS (Counter UAV System). Така система виявляє, розпізнає, відстежує та нейтралізує мБПЛА. Крім того, CUS може локалізувати оператора мБПЛА.

Платформи CUS можна розділити на два класи – наземні і повітряні, як показано на рис. 2.

Наземна та повітряна платформи складаються з CUS, які працюють на землі та в повітрі, відповідно. Наземні платформи можна далі класифікувати на стаціонарні наземні, мобільні наземні та керовані людиною (тобто портативні та переносні) платфор­ми відповідно до рівня мобільності. Залежно від ро­бочої висоти повітряні платформи також можна до­датково класифікувати на дві платформи: низькови- сотні платформи (LAP) і висотні платформи (HAP).

Рис. 1. Залежність часу для ліквідації загрози від відстані між БПЛА та об’єктом

Рис. 2. Наземна та повітряна платформи CUS

Інтегровані платформи, що складаються з наземних і повітряних платформ, які працюють як на землі, так і в повітрі, називаються гібридними платформами.

Кожна платформа може бути належним чином використана в CUS з урахуванням їхніх переваг і не­доліків і залежно від конкретних вимог кожної про­грами. Крім того, кілька платформ можуть бути роз­горнуті одночасно та можуть співпрацювати через мережу CUS. Мережа має бути сумісною, щоб вона могла координувати декілька платформ. Наприклад, стаціонарна наземна платформа, оснащена рада­ром, два LAP, оснащені сенсором EO, і мобільна на­земна платформа, що забезпечує радіочастотні за­вади, можуть спільно функціонували як єдина мере­жа CUS.

Мережа CUS може максимізувати ефективність захисту, доповнюючи обмеження кожної платфор­ми. Крім того, мережа CUS може включати будь-які типи платформ, наприклад, гібридну платформу, яка є специфічною реалізацією мережі CUS.

Наземна платформа

За способом експлуатації наземні платформи поділяються на стаціонарні наземні, мобільні назем­ні та платформи, що керуються людиною. Стаціо­нарні наземні платформи зазвичай складні, тому їх розгортають і експлуатують у фіксованому місці. З іншого боку, мобільні наземні платформи, як прави­ло, монтуються на транспортних засобах, якими можна керувати в русі або в фіксованому місці. Платформи, що керуються людиною, повинні бути компактними та легкими, щоб їх носила людина.

Варто зазначити, що, слідуючи характеристикам платформ CUS, можна сформулювати теоретико-іг- рову проблему між мБПЛА та CUS. CUS намагається обмежити та стримати мБПЛА, тоді як мБПЛА нама­гається виконати свою місію. БПЛА можуть намага­тися знайти шлях, який не є найкоротшим, але най­більш придатним для виконання зловмисних місій, передбачаючи відповідь CUS. З іншого боку, CUS та­кож може передбачати зловмисну поведінку мБПЛА та розробляти ефективні стратегії захисту. У роботі [3] інтерактивні ситуації критичного часу досліджу­валися на основі теорії ігор. Тут мБПЛА намагається мінімізувати час виконання зловмисної місії, тоді як платформа CUS протистоїть цьому, щоб спробувати максимізувати час виконання зловмисної місії мБПЛА. У цій грі стратегії захисту повинні бути ре­тельно розроблені з урахуванням обмеження мо­більності літальних апаратів.

Стаціонарні наземні платформи

Стаціонарні наземні платформи CUS складають більшість усіх платформ (приблизно 54%) і при­значені для розгортання на стаціонарних наземних об’єктах, наприклад аеропортах, аеродромах, атом­них електростанціях, нафтопереробних заводах, державних установах. Ці платформи пов’язані з меншими обмеженнями щодо розміру, ваги та по­тужності. Таким чином, стаціонарні наземні плат­форми є складними та ефективними та можуть бути оптимізовані для конкретних завдань для захисту від мБПЛА. Однак стаціонарні наземні платформи не завжди здатні справлятися з непередбачуваними загрозами з боку мБПЛА.

За даними [1] стаціонарна наземна платформа може бути обладнана лише системою сенсорів (приблизно 43%), системою протидії (приблизно 25%), або обома системами (приблизно 31%). При­близно 60% сенсорних систем мають один сенсор, а 40% з них обладнано декількома типами сенсорів, наприклад, радаром, радіочастотними сенсорами, EO та інфрачервоними сенсорами. З іншого боку, приблизно 34% систем використовують єдиний за­сіб протидії, а 66% з них мають декілька, таких як ра­діочастотні та GNSS завади.

Важливо відзначити, що інтегровані платформи, обладнані як системами сенсорів, так і системами протидії, вимагають надійного зв’язку між система­ми. Таким чином, стаціонарні наземні платформи можна віднести до інтегрованих платформ.

Мобільні наземні платформи

Мобільні наземні платформи CUS, що станов­лять приблизно 14%, встановлені на наземних транспортних засобах, і їх можна швидко розгорну­ти, використовуючи рухливість транспортних засо­бів на землі. Мобільні наземні платформи підходять для використання на полі бою. Однак, порівняно зі стаціонарними наземними платформами, мобільні наземні платформи мають менші можливості ніж стаціонарні системи. Крім того, на використання мобільної наземної платформи впливають можли­вості транспортних засобів.

Як показано на рис. 3, серед усіх мобільних на­земних платформ приблизно 49% мають як системи зондування, так і системи протидії, приблизно 25% використовують лише систему зондування, а решта 25% мають лише систему протидії. Порівняно зі ста­ціонарними наземними платформами, 31% з яких мають як системи сенсорів, так і системи протидії, можна зробити висновок, що окрема мобільна на­земна платформа ефективно працює в інтегрованій системі CUS для успішної протидії.

Платформи, що керуються людиною

На платформи, що керуються людиною, припа­дає приблизно 22% CUS. Вони призначені для керу­вання окремою особою вручну. Більшість платформ, які збираються людиною, із сенсорними системами нагадують рюкзак або портфель, тоді як платформи із системами протидії нагадують гвинтівки. Однак продуктивність платформ, що керуються людиною, обмежена. Це пов’язано з обмеженими можливо­стями виявлення, відстеження та націлювання, а та­кож залежать від кваліфікації оператора. Крім того, більшість таких платформ мають лише системи про­тидії (приблизно 81%) без системи виявлення і вимі­рювання (рис. 3).

Рис. 3. Особливості наземних платформ різних типів

Повітряні платформи

Повітряні платформи – це системи, встановлені на БПЛА, наприклад на дирижаблях, повітряних кулях, літаках і вертольотах. Завдяки їх маневреності в повітрі можливе швидке розміщення елементів платформи у потрібних місцях.

Ці платформи не обмежуються традиційними мі­сіями, наприклад, розвідкою та атаками, а також мо­жуть бути використані для таких цілей, як створення завад і ретрансляції радіосигналів для збільшення дальності зв’язку.

З іншого боку, повітряні платформи мають кри­тичні обмеження порівняно з наземними платфор­мами. Обмежені корисне навантаження та заряд ба­тареї, призводять до того що вони можуть нести лише легкі та малопотужні системи виявлення та протидії . Крім того, повітряні платформи вимагають безпроводових каналів зв’язку. Ці вимоги роблять повітряні платформи більш складними порівняно з наземними.

Низьковисотні та високовисотні платформи

Низьковисотні БПЛА (нБПЛА) можуть літати та зависати на малих висотах до декількох кілометрів, а їх розгортання є швидшим і гнучкішим, ніж висот­них БПЛА (вБПЛА). Завдяки надзвичайно високій маневреності та економічності вони можуть відігра­вати важливу роль як частина інтегрованої CUS. Проблему обмеженої енергоємності батарей нама­гаються вирішувати за допомогою різних методів, наприклад, використання по черзі декількох БПЛА, швидка заміна батарей, безпроводова передача електроенергії та прив’язаний БПЛА, живлення яко­го може подаватись через кабель. Одночасно у прив’язаних БПЛА такий кабель використовується для надійного та безпечного зв’язку.

Більшість нБПЛА оснащені лише системою про­тидії. Типовим методом протидії ворожим БПЛА є використання сітки або БПЛА-камікадзе. У деяких БПЛА (незначної долі від усіх нБПЛА) використо­вуються електронно-оптичні або інфрачервоні сен­сори виявлення цілей. Однак ефективність таких БПЛА обмежена, якщо вони не співпрацюють з ін­шими типами платформ.

Висотні вБПЛА літають і зависають на великих висотах (до десятків кілометрів). Вони можуть бути оснащені більшою кількістю систем, таких як систе­ми зв’язку та виявлення цілей і мають значні ресур­си для тривалих польотів. Завдяки великій висоті польоту вони можуть контролювати значно більші території у порівнянні з нБПЛА і передавати розвіду­вальні дані до інших систем протидії повітряним ці­лям, підтримуючи інші платформи.

Мережі CUS

Як було зазначено вище, кожна платформа має унікальні переваги. З іншого боку, кожна платформа також має певні обмеження. Таким чином, гібридна платформа, яка складається з наземних і повітряних систем, може розглядатися як більш досконала і дозволяє нівелювати недоліки окремих платформ.

Якщо різноманітні платформи об’єднати у єдину мережу, то можливості інтегрованої системи визна­чаються не тільки продуктивністю окремої платфор­ми, але й властивостями всієї мережі. Такі мережі поділяються на централізовані та децентралізовані, як показано на рис. 4.

Рис. 4. Приклади централізованої (а), децентралізованої однорідної (б) та децентралізованої гетерогенної мереж

У децентралізованій мережі системи керування розподілені на кількох платформах, як показано на рис. 4,б та 4,в. Кожна платформа в мережі спільно обчислює та приймає рішення. Децентралізовані мережі можна розділити на два різновиди, децент­ралізовані однорідні мережі (всі компоненти систе­ми однакові і виконують однакові функції) та децент­ралізовані гетерогенні мережі (складаються з кіль­кох типів платформ).

Сенсорні системи

Системи сенсорів можуть збирати звукові, оп­тичні та радіочастотні дані. Для цього використо­вуються сонари, акустичні ультразвукові сенсори, радари, чутливі радіоприймачі, лідари (LiDAR) та електронно-оптичні та інфрачервоні (EO/IR) сенсо­ри.

Звукові сигнали включають інфразвукові (до 20 Гц), акустичні (від 20 Гц до 20 кГц) та ультразвукові (вище 20 кГц, до кількох гігагерць) сигнали. Звукові хвилі розповсюджуються зі швидкістю приблизно 350 м/с, що набагато нижче за швидкість розпов­сюдження радіохвиль та світла.

Дані сенсорів звуку можуть зробити системи ви­явлення більш надійними, надаючи додаткові дані разом із даними електромагнітних хвиль. Сонари (гідролокатори) працюють в активному режимі, тоді як акустичні та ультразвукові датчики працюють в пасивному режимі.

Проте гідролокатори використовується для ви­явлення різних об’єктів (а також для навігації та зв’язку) під водою та не використовується для ви­явлення БПЛА через особливості розповсюдження звукових хвиль в повітрі.

Мікрофони широко використовуються як аку­стичні датчики. Більшість БПЛА створюють звук від роботи двигунів та обертання роторів. Міні-БПЛА генерують звукові сигнали в діапазоні частот від 400 Гц до 8 кГц [1], які можуть бути виявлені акустичними датчиками. Зібрані звукові дані можна порівняти з бібліотеками акустичних сигнатур, щоб відрізнити БПЛА від інших подібних об’єктів.

Компанія DroneShield створила базу даних аку­стичних сигнатур різних моделей БПЛА для запобі­гання помилкових тривог через навколишній шум. Система виявлення Alsok використовує акустичні датчики для виявлення БПЛА та порівняння виявле­них даних з акустичними сигнатурами в базі даних [1].

Однак бібліотеки акустичних сигнатур не охо­плюють усі типи розповсюджуваних БПЛА в різних областях. Крім того, акустичні датчики охоплюють обмежений частотний діапазон і чутливі до вітру та навколишніх джерел шуму. Щоб подолати обмежен­ня акустичного/ультразвукового зондування та під­вищити продуктивність інших типів датчиків, було вивчено різні методи та алгоритми з використанням акустичних/ультразвукових даних.

Для виявлення БПЛА можна використовувати або один мікрофон або декілька мікрофонів об’єд­наних в одну конструкцію для збільшення дальності виявлення БПЛА. Найбільш ефективно працюють мікрофонні решітки побудовані за принципом ФАР (фазованих антенних решіток). Локалізацію та су­проводження БПЛА здійснюється формуванням діа­грами спрямованості такого акустичного сенсора за допомогою сигнального процесора з сигналів окре­мих мікрофонів.

Радіочастотні датчики

Радіочастотні датчики вловлюють навколишні електромагнітні сигнали, які випромінюють переда­вачі мБПЛА та операторів, що управляють ними. БПЛА та оператори обмінюються даними та БПЛА передає телеметричну інформацію, таку як висота, позиція, термін служби батареї та відеодані.

Радіочастотні датчики широко застосовуються в різних системах завдяки своїй простоті, але вони мають ряд обмежень. Вони мають низьку надійність виявлення цілей і високу ймовірність помилкової тривоги. Оскільки радіочастотний датчик пасивний, він не надає інформацію про відстань до мБПЛА. Для виявлення БПЛА необхідне знання смуги частот спектру, що використовується, та знання типу моду­ляції, наприклад, розширеного спектру зі стрибками частоти, розширеного спектру прямої послідовності та мультиплексування з ортогональним частотним поділом. Тому для виявлення мБПЛА використо­вують сканери радіоефіру що дають змогу не тільки виявляти діапазон роботи передавача БПЛА а і тип модуляції.

Ця інформація потім використовується для створення електромагнітних завад системами РЕБ (ра­діоелектронної боротьби).

Радари

Для визначення дальності, кута та швидкості мБПЛА широко використовуються радари. Оскільки радари є активними засобами виявлення цілей, то вони дають змогу отримати такі дані на основі аналі­зу відбитого від цілі випромінювання. Діапазон ча­стот, в яких можуть працювати радари, від 3 МГц до 300 ГГц залежить від характеру цілей, матеріалу, з якого вони виготовлені чи покриття, нанесеного на них, їх розміру, а також платформ, на яких вони роз­міщуються.

Однак традиційні радіолокаційні системи роз­роблені для виявлення пілотованих літальних апара­тів з високими швидкостями та великим радіолока­ційним перетином (RCS – Radar Cross-Section), не­придатні для виявлення повільно рухомих і низько- висотних мБПЛА з малим RCS. Щоб уникнути цієї проблеми, нещодавно використовувалися мікрору- хи вібраційних (двигунами або моторами) та обер­тових (пропелерами) структур БПЛА, які викликають унікальну мікродоплерівську сигнатуру (MDS) для радіолокаційного виявлення. Дослідження показа­ли, що квадрокоптери, гексакоптери та октокоптери мають різні характеристики MDS. Радар може ви­являти мБПЛА шляхом аналізу його MDS. Спільний метод частотно-часового аналізу, наприклад, швид­ке перетворення Фур’є, також може бути викори­стане для аналізу радіолокаційних MDS БПЛА.

Радари з немодульованим безперервним випро­мінюванням (CW) дозволяють отримувати багату ін­формацію для боротьби з невеликими БПЛА з ма­лим RCS, хоча вони не дозволяють отримати дані про дальність до цілі. Частотно-модульована радіо­локаційна система дозволяють оцінювати дальність, а також швидкості кількох цілей одночасно. Ультра- широкосмугові (UWB) радари генерують дуже ко­роткі імпульси, що дозволяє вимірювати відстань до цілі з високою роздільною здатністю.

Експериментальні результати показують, що MDS, спричинені міні-БПЛА та птахами, суттєво від­різняються, і було виявлено, що міні-БПЛА та птахів можна відрізнити на основі особливостей, спричи­нених помахами крилами птахів та унікальним MDS. Було також виявлено, що радар міліметрового діа­пазону може забезпечувати високоточні мікродоп- лерівські відлуння від міні-БПЛА від гвинтів, що дуже швидко обертаються.

EO/ІЧ-сенсори

Електронно-оптичні (EO) сенсори виявляють електромагнітні хвилі в діапазоні від інфрачервоного (300 ГГц…30 ТГц) до ультрафіолетового (більше 790 ТГц) діапазону. Як правило, сенсори EO працюють в діапазоні 300 ГГц.430 ТГц, щоб виявити мБПЛА в умовах денного освітлення. З іншого боку, ІЧ-сенсо- ри, тобто тепловізійні камери, виявляють інфрачер­воне випромінювання з роздільною здатністю до 0.01 °C, що випромінюються мБПЛА, і таким чином можуть виявляти цілі навіть темної пори доби.

ІЧ-камери з меншою довжиною хвилі забезпе­чують кращу продуктивність для захоплення швидко рухомих яскравих і малих цілей, ніж довгохвильові ІЧ-камери. Пасивні EO/ІЧ-датчики забезпечують лише двовимірні (2D) зображення. Відповідно, для покращення продуктивності виявлення нещодавно почали використовувати різні підходи на основі ма­шинного навчання. Підходи на основі машинного на­вчання, наприклад SVM і k-NN, класифікують об’єк­ти на основі заздалегідь визначених ознак, тоді як підходи на основі глибокого навчання зазвичай яв­ляють собою згорточні нейронні мережі (CNN) без визначених функцій. Детальніше про використання нейронних мереж для виявлення мБПЛа можна про­читати в [1].

Лідари

Як і радар, LiDAR виявляє мБПЛА за сигналами, що повертаються після відбиття від мБПЛА. На від­міну від радарів, LiDAR випромінює лазерні промені (зазвичай з діапазону частот 300.500 ТГц) для ви­мірювання відстані до мБПЛА і може формувати тривимірні зображення, використовуючи різницю в часі повернення променів від різних точок об’єкту. Таким чином, LiDAR дозволяє відрізнити цільовий об’єкт від складного фону.

Однак LiDAR має малий радіус дії для виявлення об’єктів, на його роботу впливають погодні явища, такі як хмари, туман, дощ, сніг, мокрий сніг і пряме сонячне світло.

Методи боротьби з БПЛА

Всі методи боротьби з БПЛА можна розділити на нефізичні та фізичні.

Нефізичні методи боротьби

Нефізичні методи боротьби використовують електромагнітні хвилі, щоб вивести з ладу, та/або знищити мБПЛА. Пристрої боротьби з мБПЛА мо­жуть бути реалізовані різними методами, такими як електромагнітне випромінювання високої потужно­сті, лазери та кібератаки (наприклад, радіочастот- ні/GNSS завади та підробка команд, атаки деаутентифікації, атаки за кількома протоколами та інші). Найчастіше   використовується

радіочастотне/GNSS-глушіння і спуфінг. Спуфінг- атака намагається обдурити GPS-приймач завдяки формуванню більш потужного сигналу ніж сигнали від супутників. Він схожий на ряд нормальних сигна­лів GPS. Ці імітовані сигнали, змінені таким шляхом, щоб змусити одержувача неправильно визначати своє місце розташування, вважаючи його таким, яке призначене для атаки. Спуфінг дозволяє взяти під контроль мБПЛА і дати команду змінити напрямок і місце атаки. Для впровадження спуфінгу потрібні передові технології, які повністю визначають стеки протоколів зв’язку, послуги GNSS і вразливі місця мБПЛА.

Створення радіочастотних завад зменшує відно­шення сигнал/шум приймача мБПЛА та порушує його роботу і він може втратити канал дистанційного керування та може знизитися або приземлитись і не виконати свою місію.

Існує кілька схем глушіння. Пристрій формує за­ваду великої потужності на одній частоті (точкові за­вади), швидко перебудовує частоту сигналу завади (завади розгортки) або формує сигнал завади в ши­рокому діапазоні частот (загороджувальні завади). Крім того, пристрої формування завад класифікують як активні та реактивні. Активний пристрій формує сигнали завад постійно або включається по випад­ковому закону у часі для економії енергії.

Оманлива завада, тип активної завади, що зму­шує БПЛА безперервно отримувати пакети даних (щоб він весь час залишався в режимі прийому).

Реактивний глушник передає сигнали лише тоді, коли виявляє, що у контрольованому спектрі з’яви­лись невідомі сигнали, тобто мБПЛА. Однак радіо­частотні завади можуть бути неефективними для ав­тономних БПЛА, які не потребують дистанційного керування, або для БПЛА, які слідують заздалегідь запрограмованим маршрутом через контрольні точ­ки глобальної системи позиціонування GPS. Таким чином, глушіння GNSS необхідно для компенсації обмежень радіочастотних глушіння.

Завади GNSS заважають навігаційним систе­мам. Оскільки сигнали GPS надходять від супутни­ків, його потужність мала що робить його вразливим до завад. Як тільки мБПЛА втрачає сигнал GNSS, він буде зависати або приземлятися, не виконуючи свою місію. Однак глушіння GNSS може бути не­ефективним для мБПЛА, оснащених датчиками інерціального вимірювального блоку і зашифрова­ними сигналами для навігації. Тому необхідна комбінація обох методів глушіння.

Важливо відзначити, що повітряні платформи можуть бути використані для ефективного форму­вання завад при малих відстанях між БПЛА що фор­мує завади і мБПЛА.

Фізичні методи протидії

На відміну від нефізичних, фізичні методи проти­дії призводять до знищення мБПЛА. Для знищення БПЛА можуть використовуватися снаряди, ракети та ударні БПЛА.

Ударні БПЛА повинні мати системи виявлення та відстеження цілей і можуть слідувати за мБПЛА і знищувати їх шляхом зіткнення з ними. Вони можуть також нести вибухівку, щоб максимізувати вплив зі­ткнення, і повинні мати високу швидкість для пере­слідування мБПЛА.

Ще одним методом нейтралізації мБПЛА є вико­ристання сіток. Мережа сіток може бути створена сітковою гарматою або за допомогою повітряних платформ. В одному дослідженні [4] було проде­монстровано, що портативний БПЛА з сіткою здат­ний захоплювати мБПЛА. Сітки можуть бути облад­нані парашутами, щоб гарантувати безпечне зни­ження БПЛА для аналізу та запобігання супутньому пошкодженню інших об’єктів.

Використання орлів для боротьби з БПЛА

Поліція Нідерландів і Шотландії використовує ор­лів для нейтралізації та лову міні-БПЛА (рис. 5 і 6). Дресирування орла не потребує високих технологій. Для навчання та розведення орлів може знадобити­ся менше людських ресурсів, ніж для інших засобів протидії, розроблених дослідниками та інженерами в різних областях. Однак орли можуть бути легко по­ранені лопатями та гвинтами мБПЛА, і їхнє викори­стання обмежується повільнішими та меншими мБПЛА відносно швидкості та розміру орлів. Крім того орли не можуть одночасно нейтралізувати де­кілька БПЛА.

Рис. 5. Мікродрон

Рис. 6. Мінідрон

Стрімке зростання індустрії БПЛА призводить до зростання їх сфер використання. Благонадійні кори­стувачі БПЛА успішно скористалися перевагами різ­номанітних застосувань БПЛА, які варіюються від розваг до аварійно-рятувальних робіт.

Зловмисні користувачі БПЛА також широко вико­ристовують БПЛА для терору, порушення безпеки та вторгнення на захищені об’єкти. У результаті потре­би ринку у протидії негативним наслідкам викори­стання БПЛА стрімко зростають разом із зростан­ням індустрії БПЛА.

Очікується, що розмір комерційної індустрії БПЛА зросте, досягнувши 6,6 мільярда доларів США у 2024 році зі зведеним річним темпом зростання 23,37% від розміру ринку в 1,2 мільярда доларів США у 2018 році [1]. Перспективи промисловості комерційних БПЛА почали ставати особливо обна­дійливими, коли Джефф Безос, генеральний дирек­тор компанії Amazon у грудні 2013 року оголосила про майбутні плани Amazon запустити службу до­ставки дронами під назвою Amazon Prime Air. Однак приблизно в той же час стали помітні передвісники того, що комерційні БПЛА стануть використовувати для зловмисних дій. У листопаді 2013 року у в’язниці Гатіно в Квебеку був помічений дрон, який було ви­користано для спроби контрабанди у в’язницю. Че­рез кілька днів охоронці в’язниці штату Джорджія по­мітили шестироторний безпілотник, що перевозив пачки тютюну, що кружляв над територією в’язниці. Потенційні загрози від БПЛА за останні 10 років значно зросли, що підвищило потреби ринку в рішеннях протидії БПЛА (рис. 7).

Рис. 7. Розмір ринку засобів боротьби з БПЛА та прогноз на 2023…2024 роки

Детальну інформацію про компанії що вироб­ляють БПЛА та засоби протидії ним можна знайти в [1].

ЛІТЕРАТУРА

• Honggu Kang, Jingon Joung, Jinyoung Kim, etc. Protect Your Sky: A Survey of Counter Unmanned Aerial Vehicle Systems. – DOI: 10.1109/ACCESS.2020.DOI
• Detection and Classification of Small UAS for Threat Neutralization. – dsiac.org /articles/detection- and-classification-of-small-uas-for-threat-neutraliza- tion/
• Sanjab, W. Saad, and T Baёsar, “A game of drones: Cyber-physical security of time-critical UAV ap­plications with cumulative prospect theory perceptions and valuations,” arXiv preprint arXiv:1902.03506, 2019.
• OpenWorks Engineering. (2020, Apr.) Skywall. [Online]. Available: https://openworksengineering.com/skywall-patrol/