Акустична система моніторингу повітряного простору: новий рівень виявлення безпілотних літальних апаратів

Abstract

UA: У роботі подано комплексний проєкт пристрою на базі акустичної системи моніторингу повітряного простору, розроблений для розв’язання актуальної проблеми своєчасного виявлення безпілотних літальних апаратів (БПЛА). В умовах швидкого розвитку технологій БПЛА стають усе більш поширеною загрозою для приватності, комерційної безпеки та громадського порядку. Особливу увагу в роботі приділено захисту комерційних і громадських об'єктів, що обумовлює специфічні вимоги до системи виявлення. У рамках дослідження проаналізовано сучасні методи виявлення БПЛА, включаючи їхні сильні та слабкі сторони. Вибираючи систему виявлення, особливу увагу приділяли можливості виявлення малогабаритних БПЛА на невеликих відстанях, що є критично важливим для гарантування безпеки в умовах міської забудови та обмеженого простору. Акустичні системи завдяки своїй відносно низькій вартості, простоті інтеграції та можливості ефективного виявлення звукових сигнатур є перспективним рішенням для таких завдань. Спроєктована система виявлення використовує обертові направлені мікрофони для підвищення точності визначення джерела звуку. Описано принцип роботи системи, що базована на виявленні та аналізі акустичних сигналів, які видають БПЛА під час польоту. Проведені детальні розрахунки точності та похибок позиціонування БПЛА з використанням кутових (AoA) і часових (TDoA) методів локації. Проаналізовано вплив різних факторів, таких як атмосферні умови (температура, вітер), на точність акустичного виявлення та запропоновані способи компенсації їхнього негативного впливу. Крім того, розглянуто застосування сучасних методів машинного навчання, зокрема згорткових і рекурентних нейронних мереж, для виявлення та класифікації БПЛА за їхніми акустичними сигнатурами. Це дає змогу не тільки виявляти присутність БПЛА, але й ідентифікувати їхні тип і модель, що є важливим для реагування на потенційні загрози. Результати дослідження демонструють можливість створення ефективної та надійної системи акустичного моніторингу повітряного простору, орієнтованої на захист комерційних і громадських об'єктів шляхом своєчасного виявлення малогабаритних БПЛА на невеликих відстанях.

EN: The paper presents a comprehensive project for a device based on an acoustic airspace monitoring system, designed to address the pressing issue of timely detection of unmanned aerial vehicles (UAVs). With the rapid development of technology, UAVs are becoming an increasingly widespread threat to privacy, commercial security and public order. Particular attention is paid to the protection of commercial and public facilities, which determines the specific requirements for the detection system. The study analyses existing methods of UAV detection, including their strengths and weaknesses. When selecting a detection system, special attention was paid to the ability to detect small UAVs at short distances, which is critical for ensuring safety in urban areas and confined spaces. Acoustic systems, due to their relatively low cost, ease of integration, and ability to effectively detect sound signatures, are a promising solution for such tasks. The designed detection system uses rotating directional microphones to improve the accuracy of sound source determination. The principle of operation of the system is described, which is based on the detection and analysis of acoustic signals emitted by UAVs during flight. During the study, detailed calculations of the accuracy and positioning errors of UAVs were performed using angular (AoA) and time (TDoA) location methods. The influence of various factors, such as atmospheric conditions (temperature, wind), on the accuracy of acoustic detection is analysed, and methods for compensating for their negative impact are proposed. In addition, the application of modern machine learning methods, in particular convolutional and recurrent neural networks, for the detection and classification of UAVs by their acoustic signatures was considered. This allows not only to detect the presence of UAVs, but also to identify their type and model, which is important for responding to potential threats. The results of the study demonstrate the possibility of creating an effective and reliable acoustic airspace monitoring system focused on protecting commercial and public facilities by timely detection of small UAVs at short distances.