Актуальные вопросы противодействия современным автономным беспилотным летательным аппаратам и FPV-дронам

Николаев Николай Владимирович кандидат экономических наук Сотрудник, Академия ФСО России 302015, Россия, Орловская область, г. Орёл, ул. Приборостроительная, 35 Nikolaev Nikolay Vladimirovich PhD in Economics Staff Member, The Academy of the Federal Guard Service of the Russian Federation 302015, Russia, Orel region, Orel, Priborostroitelnaya str., 35 nnv85Nikolas@list.ru Ильин Владимир Викторович кандидат технических наук Сотрудник, Академия ФСО России 302015, Россия, Орловская область, г. Орёл, ул. Приборостроительная, 35 Il'in Vladimir Viktorovich PhD in Technical Science Staff Member, The Academy of the Federal Guard Service of the Russian Federation 302015, Russia, Orel region, Orel, Priborostroitelnaya str., 35 w.ilin82@yandex.ru

Некрасов Максим Игоревич кандидат технических наук Сотрудник, Академия ФСО России 302015, Россия, Орловская область, г. Орёл, ул. Приборостроительная, 35 Nekrasov Maksim Igorevich PhD in Technical Science Staff member, The Academy of the Federal Guard Service of the Russian Federation 302015, Russia, Orel region, Orel, Priborostroitelnaya str., 35 nekr-maks@yandex.ru

Введение

В настоящее время развитию систем физической защиты (СФЗ) важных объектов уделяется значительное внимание [1–3]. Это обусловлено в том числе появлением новых средств реализации угроз безопасности – современных беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) с взрывными устройствами. Так, автономные БПЛА, осуществляющие полет по загруженной программе, не излучают радиосигналы и, как следствие, не обнаруживаются специализированными средствами радиотехнической разведки из состава объектовых СФЗ. В свою очередь, БПЛА, управляемые пилотами по видео с курсовых камер в режиме «от первого лица» (далее – FPV-дроны), характеризуются малыми размерами, высокой скоростью и маневренностью, наличием оригинальных параметров каналов управления и передачи данных. Указанные летательные аппараты являются «неудобными» целями с высоким потенциалом к преодолению существующих систем безопасности. При этом автономные БПЛА и FPV-дроны обладают приемлемыми техническими параметрами (скоростью и продолжительностью полета, грузоподъемностью) для применения в противоправных целях, например, для совершения террористических и диверсионных актов.

Для нейтрализации указанных угроз в настоящее время проводятся исследования, направленные на поиск эффективных методов противодействия таким средствам ^{[1, 4]}. Выбор метода противодействия современным БПЛА является сложной научно-технической задачей, решение которой требует учета многих факторов, например, места расположения и конфигурации объекта, особенности прилегающей территории, необходимости обеспечения электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств и других ^{[3, 4]}. Указанное обусловливает актуальность темы данного исследования.

С учетом отмеченного целью настоящей статьи является выявление эффективных методов противодействия современным автономными БПЛА и FPV-дронами в интересах развития научно-методического аппарата обоснования СФЗ объектов.

В этой связи для достижения цели исследования оценим возможности современных БПЛА, изучим практику их применения для выявления ключевых особенностей. Проведем критический анализ основных методов противодействия БПЛА и на его основе представим их краткую характеристику, определим достоинства и недостатки. Кроме того, по результатам исследования предложим направления развития средств противодействия современным автономным БПЛА и FPV-дронам.

1. Особенности современных беспилотных летательных аппаратах

Результаты анализа возможностей и практики применения современных БПЛА ^{[1, 4–12]} позволили выделить их ключевые особенности:

– современные БПЛА обеспечивают возможность осуществления полетов в автономном режиме, при котором радиосигналы управления и передачи данных не излучаются, что делает такие летательные аппараты невидимыми для основных средств обнаружения – средств радиотехнической разведки;

– отдельные типы современных автономных БПЛА предоставляют возможность автоматического выявления и идентификации целей, а также совершения в их отношении различных действий в соответствии с заложенными алгоритмами (наблюдения, сопровождения, атаки) за счет размещения на их борту высокопроизводительных средств обработки информации для функционирования алгоритмов искусственного интеллекта;

– современные БПЛА имеют возможность изменения версии программного обеспечения, а также внедрения дополнительных каскадов усиления сигналов на борт БПЛА или наземную станцию управления (НСУ), что придает им сравнительно большую устойчивость к радиоэлектронному воздействию относительно их базовой модификации;

– широкое распространение получили высокоманевренные самодельные FPV-дроны, собранные из готовых компонентов (имеющихся в свободной продаже), которые не всегда могут быть идентифицированы средствами радиотехнической разведки по характерным параметрам радиосигналов управления и передачи данных ввиду возможности применения в их составе нетиповых схемотехнических решений и приемо-передающих устройств, работающих в уникальных частотных диапазонах;

– отдельные типы современных БПЛА, использующие для организации каналов управления и передачи данных ресурсы сетей сотовой связи, не поддаются выявлению среди множества других абонентов имеющимися средствами радиотехнической разведки.

Проведенный анализ возможностей современных БПЛА и практики их применения в ходе специальной военной операции на Украине, а также результаты исследования существующих средств обнаружения и противодействия им позволили заключить, что наиболее сложными целями, обладающими высоким потенциалом к преодолению существующих СФЗ, выступают автономные БПЛА и FPV-дроны с взрывными устройствами. В этой связи актуальной задачей является поиск эффективных методов противодействия таким средствам.

С этой целью проведем критический анализ основных методов противодействия современным БПЛА в контексте оценки возможности их применения для борьбы с автономными БПЛА и FPV-дронами.

2. Критический анализ основных методов противодействия беспилотным летательным аппаратам

Проведенный анализ публикаций [4–15] показал отсутствие единой общепринятой классификации методов противодействия БПЛА. Вместе с тем в работах по данной тематике рассматривают следующие методы воздействия ^{[5, 13–15]}:

– радиоэлектронное;

– информационно-техническое;

– электромагнитное;

– лазерное;

– акустическое;

– механическое.

Радиоэлектронное воздействие (радиоэлектронное подавление каналов управления, передачи данных и навигации) – это метод противодействия БПЛА, при котором осуществляется генерация и излучение помеховых сигналов для затруднения (блокирования, срыва) функционирования систем БПЛА и НСУ ^[13]. Технические изделия, реализующие данный метод, как правило, используют заградительную шумовую помеху на типовых частотах каналов управления, передачи данных и навигации БПЛА, которая обеспечивает неприемлемое соотношение сигнал/шум в полосе пропускания радиоприемного тракта БПЛА или НСУ.

Выделяют следующие разновидности метода радиоэлектронного воздействия ^{[5, 13]}:

– подавление каналов управления и передачи данных БПЛА;

– подавление средств спутниковой радионавигации (GPS, ГЛОНАСС, Galileo, BeiDou и др.);

– комбинирование разновидностей метода радиоэлектронного воздействия.

Метод радиоэлектронного воздействия БПЛА обладает следующими основными достоинствами ^{[4, 5]}:

– расходуется только возобновляемый ресурс – электроэнергия, а не средства поражения;

– избирательное воздействие осуществляется как на определенные типы БПЛА с заданными параметрами, так и на их отдельные бортовые системы;

– воздействие обеспечивается сразу на несколько БПЛА.

Вместе с тем использование данного метода сопряжено с рядом недостатков ^{[4, 5, 7, 13]}:

– возможность воздействия на каналы управления и навигации БПЛА только при условии соблюдения электромагнитной доступности, поскольку эффективность их подавления убывает пропорционально квадрату расстояния до цели;

– неспособность противодействия БПЛА, осуществляющих полет в автономном режиме (в режиме «радиомолчания») по заранее загруженной программе с использованием инерциальных или помехозащищенных навигационных систем;

– средства радиоэлектронного подавления не обеспечивают эффективное противодействие БПЛА, использующим уникальные протоколы информационного обмена и диапазоны частот для организации каналов управления и передачи данных;

– средства радиоэлектронного подавления имеют ограничения по применению, обусловленные необходимостью выполнения требований по электромагнитной совместимости с другими радиоэлектронными средствами;

– относительно невысокая эффективность противодействия БПЛА, использующим широкополосные сигналы для организации каналов управления и передачи данных;

– электромагнитное излучение средств радиоэлектронного подавления оказывает негативное влияние на операторов и другие технические средства;

– имеются правовые ограничения на применение средств подавления спутниковой радионавигации.

Важно отметить, что в настоящее время метод радиоэлектронного воздействия (подавления) является основным методом противодействия БПЛА. Однако развитие современных БПЛА в направлении повышения их помехоустойчивости для успешного функционирования в условиях сложной радиоэлектронной обстановки, а также широкое распространение самодельных FPV-дронов, работающих в уникальных частотных диапазонах, существенно снижает эффективность данного вида воздействия.

Информационно-техническое воздействие (перехват управления, спуфинг, ddos-атаки) – это метод противодействия БПЛА, при котором воздействие осуществляется путем перехвата управления, навязывания некорректных режимов функционирования бортовым системам и специальному программному обеспечению на БПЛА и/или НСУ. Для реализации указанного метода технические средства противодействия должны получить информацию об используемых протоколах управления и доступ к каналам управления и телеметрии с целью формирования и последующей передачи подменных команд или данных.

Выделяют следующие разновидности метода информационно-технического воздействия ^{[5, 14]}:

– нарушение радиообмена между БПЛА и НСУ;

– нарушение информационного обмена между БПЛА и НСУ;

– изменение специального программного обеспечения на БПЛА и/или НСУ;

– подмена сигналов спутниковой радионавигации (GPS, ГЛОНАСС, Galileo, BeiDou и др.).

Нарушение радиообмена между БПЛА и НСУ предусматривает ^{[5, 14]}:

– срыв синхронизации и/или процедуры установления связи;

– навязывание некорректных режимов функционирования в канальных или сетевых протоколах радиосети;

– переполнение входного буфера путем DOS или DDOS-атак;

– нарушение функционирования программного обеспечения микроконтроллера управления средствами радиообмена.

Нарушение информационного обмена между БПЛА и НСУ включает ^{[5, 14]}:

– перехват управления БПЛА путем подмены пульта оператора;

– подмену управляющих команд с целью перевода БПЛА в некорректный режим полета, выключения двигателей, электропитания бортовой аппаратуры и полезной нагрузки;

– подмену данных телеметрии на НСУ.

Изменение специального программного обеспечения на БПЛА и/или НСУ предполагает несанкционированное внедрение ^{[5, 14]}:

– компьютерных вирусов в специальное программное обеспечение БПЛА;

– программных закладок в БПЛА, обеспечивающих прием и выполнение команд от сторонних источников.

Подмена сигналов спутниковой радионавигации (GPS, ГЛОНАСС, Galileo, BeiDou и др.) подразумевает создание ложного радионавигационного поля (GPS-spoofing) ^[14].

Метод информационно-технического воздействия на БПЛА обладает следующими достоинствами ^{[7, 9, 14]}:

– расходуются не средства поражения, а только возобновляемый ресурс – электроэнергия;

– полученная информация о формате и структуре используемых протоколов управления и обмена данными позволяет установить тип БПЛА, его координаты (на основе данных от бортовой навигационной аппаратуры) и координаты НСУ, статус (состояние) систем летательного аппарата, последовательность управляющих команд, параметры и настройки программного обеспечения и др.

– информационно-техническое воздействие характеризуется скрытностью, что существенно затрудняет для оператора своевременное и адекватное принятие мер противодействия;

– подмена радионавигационного поля позволяет существенно снизить эффективность применения некоторых типов автономных БПЛА.

Выделяют следующие недостатки данного метода ^{[4, 5, 7]}:

– перехват управления БПЛА представляется весьма нетривиальной научно-технической задачей, требующей от специалистов создания и постоянного пополнения базы данных о сигнальных, форматных, потоковых и сетевых параметрах каналов радиоуправления;

– невысокая эффективность подмены отдельных команд низкоуровневого управления и данных телеметрии, поскольку каждая последующая команда от НСУ и данные телеметрии от БПЛА делают неактуальными все предыдущие;

– эффективное информационно-техническое воздействие на БПЛА требует интеграции средств радио-и радиотехнической разведки, сетевой компьютерной разведки и др. в единый комплекс;

– использование аппаратуры криптографической защиты информации, а также широкополосных сигналов в канале связи между БПЛА и НСУ существенно затрудняет информационно-техническое воздействие на БПЛА;

– имеются правовые ограничения на применение средств подмены сигналов спутниковой радионавигации.

Следует отметить, что метод информационно-технического воздействия на БПЛА активно развивается. В настоящее время наибольшее распространение получили технические решения, обеспечивающие подмену сигналов спутниковой радионавигации.

Электромагнитное воздействие (функциональное поражение СВЧ излучением) – это метод противодействия БПЛА, основанный на дистанционном выведении из строя бортовой электроники электромагнитным излучением большой мощности ^[4]. Технические изделия (микроволновые излучатели, СВЧ-пушки) используют узконаправленное излучение, способное изменить электрофизические параметры полупроводниковых элементов радиоэлектронных систем путем их перегрева или пробоя с целью нарушения работы бортовых систем БПЛА. Эффективность функционального поражения электромагнитным оружием зависит от таких факторов, как напряженность электрического поля в точке нахождения цели, ее конструкции, а также частоты излучения.

Достоинствами метода электромагнитного воздействия являются следующие ^{[7, 8]}:

– расходуются не средства поражения, а только возобновляемый ресурс – электромагнитная энергия;

– средства электромагнитного воздействия обладают «площадным эффектом», что обеспечивает возможность поражения одиночных и групповых целей;

– способность воздействия практически на все типы БПЛА, в том числе автономные и FPV-дроны;

– средствам электромагнитного воздействия не требуется точное целеуказание и сведения о режимах работы БПЛА;

– погодные условия (дым, дождь, туман) не оказывают существенного влияния на дальность поражения.

К недостаткам метода следует отнести ^{[4, 7, 8]}:

– средства электромагнитного воздействия не обеспечивают избирательность в отношении поражаемых целей в зоне действия;

– имеет ограничения на применение в случаях нахождения в зоне поражения различных радиоэлектронных систем (например, в условиях городской застройки, при наличии объектов инфраструктуры и др.);

– требует больших энергетических затрат;

– для существенного снижения эффективности электромагнитного воздействия достаточно применить простые схемотехнические решения, направленные на уменьшение силы наведенных токов, а также экранировать электронные компоненты БПЛА (например, с помощью «клетки Фарадея»);

– излучение средств электромагнитного воздействия оказывает негативное влияние на операторов и других лиц в зоне их действия.

Необходимо отметить, что электромагнитное воздействие является эффективным методом противодействия БПЛА, который в настоящее время активно развивается в направлении обеспечения избирательного воздействия на цели.

Лазерное воздействие (функциональное поражение лазерным излучением) – это метод противодействия БПЛА, при котором воздействие на объект осуществляется узконаправленным высокоэнергетическим электромагнитным излучением в оптическом диапазоне волн.

В зависимости от плотности потока лазерного излучения выделяют следующие основные разновидности метода ^{[4, 7]}:

– термомеханическое воздействие на элементы БПЛА (разрушение, расплавление, испарение);

– поражение оптико-электронных приборов БПЛА (матриц приемников оптико-электронных систем);

– оптическое воздействие на оптико-электронные приборы БПЛА (ослепление).

Достоинствами метода лазерного воздействия являются следующие [6–8, 10, 15]:

– расходуются не средства поражения, а только возобновляемый ресурс – электроэнергия;

– термомеханическое воздействие (разрушение, расплавление) лазерных средств характеризуется скрытностью, что существенно затрудняет для оператора своевременное и адекватное принятие мер противодействия;

– лазерные средства обладают высокой избирательностью, поскольку требуют высокой точности наведения лазерного луча на цель;

– лазерные средства могут применяться по автономным БПЛА, осуществляющим полет в режиме «радиомолчания», и FPV-дронам;

– отсутствие механической инерции, обусловливающее способность лазерного луча поражать высокоманевренные цели;

– возможность регулировки степени воздействия на объект путем изменения мощности лазерного луча (от «ослепления» оптоэлектронных систем БПЛА до его физического разрушения).

Вместе с тем существует ряд недостатков метода лазерного воздействия ^{[4, 6–8, 15]}:

– высокие требования к качеству целеуказания для средств лазерного поражения;

– высокие требования к системам наведения лазера, обусловленные необходимой точностью и продолжительностью непрерывного воздействия (0,5-15 с) на БПЛА для расплавления их элементов в условиях активного маневрирования;

– существующие лазерные установки имеют значительный интервал между сериями «выстрелов», который может достигать десятков секунд, что негативно сказывается на возможности отражения групповой атаки БПЛА;

– на эффективность лазерного воздействия существенное влияние оказывают метеоусловия (дым, дождь, туман и др.), поскольку в газах атмосферы происходит затухание лазерного луча;

– высокая технологичность обслуживания и высокое энергопотребление;

– лазерные средства (химического типа) обладают значительными массогабаритными характеристиками и высоким тепловыделением;

– для снижения эффективности лазерного воздействия достаточно применить на БПЛА специальное покрытие, способствующее рассеиванию (отражению) лазерного излучения, а также оснастить летательный аппарат распылителем аэрозолей типа «дымовая завеса»;

– высокая стоимость лазерных систем.

Следует отметить, что лазерное воздействие является перспективным методом противодействия БПЛА. Данный метод активно развивается в направлении поиска новых конструктивных решений, обеспечивающих устранение его основных недостатков.

Акустическое воздействие (акустическое подавление автономной навигационной системы) – это метод противодействия БПЛА, при котором происходит воздействие на гироскоп БПЛА акустическими колебаниями. Подобранное по частоте акустическое воздействие негативно влияет на работу гироскопических датчиков из-за эффекта резонанса. Это может приводить к дестабилизации летательного аппарата в пространстве и последующей аварии ^[4].

Данный метод характеризуется следующими достоинствами ^{[4, 5]}:

– расходуется только возобновляемый ресурс – электроэнергия, а не средства поражения;

– относительно невысокая стоимость технической реализации метода;

– акустические средства могут воздействовать на гироскопы автономных БПЛА, осуществляющих полет в режиме «радиомолчания».

Основные недостатки метода акустического воздействия ^{[4, 5, 7, 8]}:

– малая дальность действия существующих технических средств (до 40 м) и интенсивное звуковое воздействие мощностью порядка 140 дБ;

– сложность подбора резонансной частоты разных моделей гироскопов БПЛА для создания аварийной ситуации;

– низкая эффективность метода противодействия БПЛА, обусловленная конструкцией гироскопов (в некоторых из них резонанс оказывает влияние только на канал ориентации по горизонтальной оси) и наличием магнитометров, дублирующих ориентацию БПЛА в горизонтальной плоскости;

– простым способом снижения эффективности данного воздействия является акустическая защита гироскопа вспененным материалом;

– требуется проработка вопросов обеспечения экологической безопасности таких средств, поскольку акустическое колебание на уровне 120-140 дБ соответствует болевому порогу и может привести к контузии оператора.

Необходимо отметить, что проведенные исследования и эксперименты выявили низкую эффективность данного метода по причине ограниченной дальности действия и требуемой высокой мощности акустического воздействия. В этой связи его применение для противодействия БПЛА считается нецелесообразным.

Механическое воздействие – это метод противодействия БПЛА, при котором происходит огневое поражение объекта (кинетическое воздействие) или его физический перехват (физическое воздействие) ^[