浅析“无人机粉碎机”反低慢小无人机解决方案

金钰，谷全祥，吴强

中国航空工业发展研究中心

随着无人机技术的快速发展，无人机大量应用于侦察、打击、航拍、植保等军用和民用领域，无人机黑飞现象愈发严重，反无人技术受到各国的高度关注。本文探讨美国安都瑞尔公司研制的反低慢小无人机解决方案，分析该方案的组成、功能、全杀伤链关键技术和作战能力。

2019年10月，美国安都瑞尔公司（Anduril）研制的反无人机解决方案“无人机粉碎机”(Drone-Smasher)系统成功击落一架四旋翼无人机。该反无人机系统基于无人机反制无人机的思路，能够有效打击目标无人机且减少附带损伤。

安都瑞尔公司于2017年成立，是一家专注于国防技术研究的人工智能初创企业。目前，安都瑞尔公司已发布“栅格”（Lattice）智能指挥操作系统、“哨塔”（Sentry Tower）复合型探测识别系统、“幽灵” 4（Ghost 4）战术无人机系统和“铁砧”（Anvils）无人机动能拦截装置等产品。安都瑞尔公司当前主打基地防御、关键基础设施保护、边境防卫和反无人机场景等提供解决方案。

“无人机粉碎机”反无人机系统已在“米拉马”海军陆战队航空站部署并应用，专用于特定的威胁系统。安都瑞尔公司将持续开发和发布系统软件，以确保系统性能持续提升。

合同概述

2021年，安都瑞尔公司获得美国国防部国防创新部门（DIU）授予的一份金额为9900万美元的合同，合同期限为5年期，为美国陆海空等各军种提供基于人工智能技术的反无人机系统（c-UAS）支持。根据合同条款，安都瑞尔公司的人工智能操作系统可基于传感器网络的数据，实现对潜在无人机威胁目标的探测、分类、跟踪和预警；国防创新部门要求安都瑞尔公司为特定任务提供针对性反制方案，而不是一刀切模型，并且非常重视人工智能操作系统的持续开发和性能提升。因此，安都瑞尔公司完善了以人工智能“栅格”系统为核心组成的“无人机粉碎机”系统的性能。针对特定场景，“无人机粉碎机”采用模块化系统完成不同的任务。通过与国防创新部门进行合作，该公司反无人机系统从原型机开发、生产到应用历时18个月（包括测试与评估周期），这种高效的开发与应用模式同样适用于美军其他装备，具有普适性推广与应用价值。

2022年1月20日，安都瑞尔公司从12家竞标厂商中脱颖而出，获得美国特种作战司令部（U.S. Special Operations Command，USSOCOM）授予的合同，合同总金额为9.676亿美元。作为美国特种作战司令部的合作伙伴，安都瑞尔公司将为该司令部提供不限数量的反无人机系统。按照合同条款，安都瑞尔公司将为特种作战部队提供反无人机系统，推进应用并提升反无人机系统的功能。2022财年，安都瑞尔公司获得运营和维修资金约109万美元。在未来十年内，反无人机系统将在美国的不同地点投产并运用。

安都瑞尔公司签订的反无人机系统合同均要求智能指挥操作系统对反无人机设备提供支持。这不仅表明安都瑞尔公司反无人机系统的智能化技术处于领先地位，也说明美国军方高度重视人工智能和反无人机系统的智能化技术。

反无人机解决方案分析

安都瑞尔公司“无人机粉碎机”系统由“栅格”智能指挥操作系统、探测识别系统和无人机拦截装置构成。“栅格”系统提供顶层协调，融合并处理传感器信息；探测识别系统的主体为安都瑞尔公司研发的“哨塔”系统，并可扩展用于纵深防御的第三方传感器系统或“幽灵” 4等携带传感器的无人机；无人机拦截装置采用“铁砧”无人机，具有速度快、抗冲击能力强、可重复使用等优点，通过“栅格”系统的控制，可执行集群监视、侦察和作战任务。“无人机粉碎机”系统组成如图1所示。“栅格”系统可提供全天时持续防御，能够自主检测、分类和跟踪威胁目标，并向终端用户发送预警信息，提供对应的处置方案。

图1 “无人机粉碎机”系统组成示意图。

探测识别系统

“哨塔”探测识别系统

“无人机粉碎机”系统中的“哨塔”系统（见图2）是一套集成了第三方传感器的探测识别系统，由光学、微波和红外热成像设备组成，属于近程探测识别系统，主要部署在警戒区域附近的高地，主要以太阳能、蓄电池为能源，无须外部电源。“哨塔”采用模块化设计，能够在复杂环境中工作，可根据任务需求订制传感器和电源，部署速度快，部署时间不超过3h。

图2 “哨塔”探测识别系统。

根据不同的探测识别任务，安都瑞尔公司推出了两种类型“哨塔”探测识别系统，分别是“远距离哨塔”（Long Range Sentry Tower）系统和“标准距离哨塔”（Standard Range Sentry Tower）系统。另外，为适应不同的任务场景，安都瑞尔公司基于“标准距离哨塔”系统订制了“寒冷天气哨塔”（Cold Weather Sentry Tower）系统和“海岸哨塔”（Maritime Sentry Tower）系统。

1.“远距离哨塔”探测识别系统

“远距离哨塔”系统如图3所示，配备了超高功率、可在360°范围内转动的雷达，旨在对第一类和三类无人机进行探测、识别、分类和跟踪。技术参数详见表1。

图3 “远距离哨塔”系统。

表1 “远距离哨塔”系统的技术参数。

2.“标准距离哨塔”探测识别系统

“标准距离哨塔”系统（见图4）可对地面威胁目标进行全天时监视，可识别的目标主要为人和车辆。技术参数如表2所述。

图4 “标准距离哨塔”系统。

表2 “标准距离哨塔”系统的技术参数。

（1）“寒冷天气哨塔”探测识别系统

“寒冷天气哨塔”系统如图5所示，专用于寒冷天气条件下的场景，配备了发电机和内部镜头加热器，以防止摄像机积冰。

图5 “寒冷天气哨塔”系统。

（2）“海岸哨塔”探测识别系统

“海岸哨塔”系统详见图6，用于舰船、摩托艇和其他水上目标探测，配备了雷达系统。

图6 “海岸哨塔”系统。

“幽灵” 4无人机

2020年9月，安都瑞尔公司展示了最新研制的自主战术无人机“幽灵”4（见图7）。该机机载计算机系统具备32位处理能力，搭载“栅格”智能指挥操作系统，可自主决策并对目标执行相关任务。

图7 “幽灵” 4无人机。

“幽灵” 4无人机是一种便携式无人机，机身采用镁合金及碳纤维复合材料制成，具有防水、防风、防雨功能，可执行多种任务，1名操控员可在不到3min的时间内完成组装和飞行准备。基于“栅格”智能指挥操作系统，无人机机载计算板卡能够完成传感器信息处理，物体自动探测、分类和跟踪。该型无人机采用单旋翼设计，实现了垂直起降功能。其模块化设计提高了任务载荷的集成度，使任务载荷更换和现场维护更加便捷。“幽灵” 4无人机的技术数据详见表3。

表3 “幽灵” 4无人机的技术数据

“幽灵” 4无人机是探测识别系统的重要组成部分，可与“哨塔”探测识别系统、“铁砧”无人机拦截装置和“栅格”智能指挥操作系统配合使用，并利用无人机的机动性和机载传感器，为“栅格”系统提供空中监测数据。

智能指挥操作系统

“栅格”智能指挥操作系统是“无人机粉碎机”系统的大脑。其主要任务是，接收第三方传感器的信息和“铁砧”无人机拦截装置传输的自身状态信息。“栅格”系统将两者的信息进行融合，然后在指定区域对车辆、人员、无人机或其他具有威胁的目标进行识别、分类和跟踪，必要时控制“铁砧”无人机对目标无人机实行拦截。

安都瑞尔公司的人工智能设备主要集成于“栅格”系统中。“栅格”系统具有如下功能。

1.智能化目标识别

“栅格”系统接收传感器网络数据并消除噪声，通过智能算法完成环境状态的实时认知，它可以在单个管理平台中自主将来自传感器和数据源的数千条数据解析为智能化通用操作图。“栅格”系统使用传感器融合、计算机视觉、边缘计算、机器学习和人工智能等技术来、识别、分类和跟踪目标。

在警戒区域内，“栅格”系统接收传感器网络即探测识别系统传输的光学、红外影像等数据，采用基于深度学习算法的图像识别处理技术，快速对目标进行识别、分类。目前基于深度学习算法的图像识别技术已经取得长足进步，其识别准确率和识别速度等指标已远超基于边缘检测等规则的传统目标识别技术。

“栅格”系统专为动态环境而设计，在动态环境中工作，必须快速地做出决策。“栅格”系统提供决策点并使用深度学习模型，向操作员提供决策支持，简化了决策过程，缩短了决策时间。

2.无人机指令传输

“栅格”系统利用深度学习算法快速完成计算，可在几秒钟内将决策转化为行动，能够在多个领域、地理位置以及复杂的通信环境中，对有人和无人系统进行实时指挥。“栅格”系统具有自主协同能力，简化了分布式操作的复杂度。

“栅格”系统可以控制“铁砧”无人机按照给定的坐标点巡航，并对敌我双方目标进行管理，在发现威胁目标后，将确认的威胁目标统一显示在软件界面上，形成态势图。根据“栅格”系统的功能菜单，操作员命令“铁砧”无人机撞击指定的无人机，管理机载传感器或指示警戒区域。

基于“铁砧”无人机机载传感器和地面探测系统提供的多层信息，“栅格”系统形成完整的战场态势图，已成为无人机智能对抗和反无人机作战的关键系统。

无人机拦截装置

安都瑞尔公司“铁砧”无人机拦截装置的技术数据如表4所述。

表4 “铁砧”无人机拦截装置的技术数据。

“铁砧”的拦截方式是直接撞击目标无人机。该无人机拦截装置采用四旋翼布局设计，如图9所示。电机位于机臂下方，桨叶升力面朝上。

图9 “铁砧”无人机拦截装置。

图10显示，“铁砧”无人机顶部装有光电/红外传感器和照明装置，因此该装置可在白天、夜间和低能见度条件下正常执行任务，并利用安都瑞尔公司开发的计算机视觉技术来瞄准并撞击目标无人机。

“铁砧”无人机拦截装置具有三层结构，如图10所示。电池舱位于下层，以机架固定电池，无人机的重心在下层，稳定性强；无人机机架位于中间层，电机及螺旋桨安装在机架上；无人机机载设备均安装在上层，比如机载光电/红外传感器、自驾仪、通信天线、GPS天线等设备，突出的天线保证遥控和GPS等信息传输顺畅，降低干扰。上层外围是硬质金属外壳，顶部为透明保护壳，内含照明装置、光电/红外传感器和机载板卡。由于拥有这种三层结构，“铁砧”无人机拦截装置在撞击目标时，可以有效防止无人机机载设备发生损坏。

图10 “铁砧”无人机顶部的特写照片。

“铁砧”无人机拦截装置主要借助最上层的硬质金属外壳撞击目标无人机，如图12所示。撞击目标后，如果机体未损坏，无人机可以安全返航；如果桨叶被打断，或者安装了电机的机架被撞断，无人机飞行姿态失稳，无法安全降落，这时“铁砧”可打开自身携带的降落伞，缓慢降落至地面，部分任务设备得到保护，可再次使用。

图11 “铁砧”无人机的结构图。

图12 “铁砧”无人机拦截目标无人机。

作战能力分析

动能拦截属于传统硬杀伤方法。凭借“无人机粉碎机”解决方案，安都瑞尔公司在反无人机领域占据了一席之地，受到美国军方青睐，主要原因是该公司大力推进人工智能技术的研究和应用，并形成基于“栅格”系统的集成化反无人机系统解决方案。通过模块化设计，该方案的探测识别系统可充分扩展，并且能为指定任务订制传感器。因此，目标探测识别可选用“哨塔”探测识别系统、“幽灵” 4无人机及第三方传感器，丰富的探测识别手段大大提高了“无人机粉碎机”的探测识别能力。另外，多种探测识别手段的使用在一定程度上带来了大量传感器数据，基于人工智能技术的“栅格”系统能够在动态环境下自主处理数据，识别、跟踪目标，提供应对方案，大幅降低了人工成本。操作员采纳应对方案后，“栅格”系统控制“铁砧”无人机，通过实时的识别与跟踪信息，指导“铁砧”无人机对入侵无人机进行拦截。相比于操控员控制无人机拦截装置，“栅格”系统具有控制与反应速度更快，响应时间更短，撞击精度更高等优点，可有效提升拦截率。但是，动能拦截方式瞬时速度快，机动灵活，对传感器等硬件设备的性能以及“栅格”系统处理传感器信息的速度、指挥控制时间和跟踪制导精度提出了更高的要求。

总结

安都瑞尔公司研制的“无人机粉碎机”系统采用无人机直接撞击方式，对低慢小无人机进行反制，具有直接快速、低成本、低附带损伤和可重复使用等优点。但是对于近距离、自主性高的入侵无人机，反制方来不及处置，软杀伤方式无法有效反制或干扰，必须引入硬杀伤手段进行反制。因此，“无人机粉碎机”解决方案无疑成为短距离内反无人机的一种有效措施。另外，“无人机粉碎机”的探测识别系统无法探测远距离的目标，且拦截范围小，拦截能力和拦截效率不高，不适合远程或高速无人机反制。因此，针对实际战场或核心区域，反无人机不能只凭借单一手段，往往须要软硬杀伤方法相结合，远近反制相结合，实现多手段，分层次反制。