无人机发展应用及反无手段研究

2022-04-27任媛媛高一栋焦慕卿

火控雷达技术 2022年1期

任媛媛高一栋焦慕卿

(1.西安电子工程研究所西安 710100；2.中国北方工业公司北京 100053)

0 引言

随着人工智能、现代控制等技术的发展，无人机应用范围越来越广。在民用、军用，国内、国际，甚至重大政治活动中都有无人机的身影。

民用上，无人机在农业、勘探测绘、警用、文化(航拍、摄影)、甚至疫情防控等领域发挥着重要作用。但不受控的情况下也给飞机和铁路交通、环境和人身的安全和保密带来威胁，如机场、高铁站周边无人机干扰有人驾驶飞机飞行、高铁通行，无人机运毒，无人机未报批进行测绘等时有发生。一些重大政治活动中也有无人机的出现，如不明无人机出现在白宫草坪，韩国总统府附近拍照，出现在默克尔竞选集会上，甚至被遥控制造恐怖袭击，2018年委内瑞拉总统马杜罗检阅军队时遭2架载着C4炸药的无人机袭击，2021年11月伊拉克总理卡迪米的住所多次遭武装无人机的袭击等，类似事件，给国家形象带来负面影响。

军事上，无人机及蜂群设备以其低成本、灵活机动的工作方式，和无人化、智能化的先进工作手段受到各方青睐，日益成为战场新威胁。无人机通常用于执行探测、侦查、电子战或其他非动能作战任务、自杀式袭击、甚至定点清除等，如印巴边界印度使用“苍鹭”无人机侦察；2019年沙特石油公司两处设施遭无人机攻击；美管叙利亚油气田遭无人机投简易迫击炮弹袭击；2020年初美国利用MQ-9C无人机对伊朗高级官员实施定点清除；2020年发生在南高加索地区纳卡冲突中阿塞拜疆使用数量远超亚美尼亚的多种无人机甚至成为改变战争的关键要素……层出不穷的无人机事件，使战场作战样式发生了改变，世界各国在无人化作战方式上越来越重视。

1 无人机作战方式及发展

1.1 无人机应用特点及分类

无人机被越来越多的应用于作战，因其具备以下特点：

1)平台微型化：小型甚至微型无人机体积不及书本大小，可衣兜或掌上携带、单兵作战背负，甚至可以无人机携带无人机，无需专用平台或底盘。

2)放飞条件低：无需大型起飞降落场地或者特别的场地和路面条件，行驶的车辆、山区、甚至手掌上都可以起飞。

3)目标特征小：无人机采用复合材料制作，体积小、重量轻、RCS小，对于雷达和光电探测手段来讲，目标特征小，易隐藏于背景光线或杂波。

4)突防能力强，成功率高：运动方式机动灵活，其运动特征与鸟类、树木、汽车等杂波近似，易被隐藏不易发现，可低空高速运动，也可盘旋慢速前行，临机出现。

5)集成度高：部分无人机集雷达、摄像头、激光、电子干扰甚至炸药等探测或者攻击手段、特定或多种于一身，小体积实现复合功能。

根据美国防部和北约的划分，无人机有以下分类见表1、表2所示。

表1 美国国防部(DOD)无人机分类标准

表2 北约定义的无人机类型和级别

1.2 无人机作战方式分析

无人机可用于侦察预警、电子干扰、集群攻击、特种作战、火力引导、自杀式袭击等等，甚至部分无人机集多种功能于一身。表1中的1～2级，通常为小微型无人机，主要用于侦查、自杀式袭击等功能，如PD-100，Puma AE、ScanEagle等；表1中的3～5级，由于体积稍大，可复合加装光电、雷达、无线电侦测及干扰等设备，以及炸药、导弹等打击武器，能够完成更深层功能，如MQ-8B、MQ-9B(察打一体)等。

无人机应用于战场作战，既可单独起飞作战，也可蜂群方式作战。无人机蜂群可在空中实施分布式协同作战，或集中饱和攻击，或分散实现大的散布面积。

战术上，部分体积较大无人机通常携带载荷自主起飞作战居多，如MQ-1“捕食者”系列、MQ-4“全球鹰”系列、MQ-9“死神”系列、甚至续航时间可达10h的Dash-X等等。这一类无人机通常速度较高，载荷能力较强，体型较大，但因外形设计、机身材料及涂覆考虑隐身性能，因而RCS也较小，使得雷达难以探测。小型无人机如“精灵”类、旋翼类、小型固定翼类，甚至微型无人机如RQ-11“大乌鸦”、“珀耳狄克斯(Perdix)”、“萤火虫(FireFly，以色列制)”，通常体型较小，载荷能力有限，飞行速度、高度低，飞行距离受限，其作战方式大多为运输机或者战机运输至指定地点上空或附近释放，蜂群作战。如美国使用F-16战机运送“山鹑”无人机至指定空域投放、“小精灵”计划无人机通常以蜂群形式作战，不仅可投放，还可完成任务后回收。

近年来，随着无人机及电子战的发展，部分体积较大型无人机也在朝着蜂群作战方式发展，如纳卡冲突中阿方采用的情报监视侦查(ISR)无人机和至少2种以上对地攻击无人机(“贝拉克塔”(翼展12m)和“哈洛普”)进行蜂群战术，实现协同作战和饱和攻击。而随着人工智能技术的发展，越来越多的项目将无人机自主飞行技术与人工智能决策相结合，实行无人机+集群化+人工智能作战方式。2020年8月，印度陆军开始开展巡飞弹蜂群的人工智能攻击研究，从5枚增至75枚并在阅兵节上演示。2021年6月，美国空军在“橙旗”演习中使用MQ-20“复仇者”无人机再次对SkyBorg项目的自主控制系统(ACS)软件包进行了飞行测试。以色列军方更在2021年5月对加沙的哈马斯组织发动空袭和导弹打击期间，已经使用了人工智能辅助的无人机蜂群作战。

图1 MQ-20无人机搭载SkyBorg吊舱

无人机技术及系统在全世界范围如火如荼的发展和扩散，特别是侦/攻一体无人机的研制成功，“蜂群”攻击模式的发展，改变着瞬息万变的战场形态，各国越来越重视无人机/反无人机系统作战发展。美国近年来一直非常重视无人机/反无人机的发展，2017年美陆军发布了《美国陆军技术出版物(STP)3-01.81反无人机系统技术手册》， 2019年发布《反无人机系统》， 2020年发布《小型无人机系统(SUAS)战略》， 2021年1月发布《反小型无人机系统》战略。目前国际上已有美国、以色列、英国、巴基斯坦、伊朗、伊拉克、尼日利亚、土耳其，还有非政府组织真主党以及伊斯兰国等国家将其应用于实战。

这种军事环境背景下，如何有效探测无人机尤其是“小型战术无人飞行器”及蜂群实现反无人机能力逐渐成为各种中近程防空探测手段研究的重点。

2 反无手段及系统组成

针对无人机运动特性及使用、作战方式，各种反无装备不断涌现，从作战流程和使用功能上来讲，主要分为探测单元、决策和控制单元、对抗处置单元三部分。

2.1 探测单元及主要手段

图2 探测单元及其主要手段

探测上，雷达作为主要手段，用于全天候探测，具备探测距离远、精度高、多目标批数、不受天气影响等优点。雷达对于目标的检测依赖于发射电磁波到目标的反射回波，是主动工作方式，其缺点是信号暴露于空间，可被敌方电子侦测设备接收并被干扰设备干扰，或遭受目标攻击。此时，双多基地及无源雷达可有力对抗该攻击方式。雷达对于低慢小目标的探测性能主要受杂波影响，实现上有以下关键技术：一是强杂波抑制技术；二是精细化信号处理技术；三是低空探测技术。解决途径是实现时、空、频的高分辨。同时对于不能实现高分辨的雷达，许道明等人在检测算法上进行了研究。

光电红外作为辅助被动探测手段，不易被电子侦测设备探测并干扰到，探测精度较高，由于其对目标成像功能，也常用于目标识别和辅助决策，但易受天气和光照影响。其对目标的探测通过目标成像以及红外特性来实现，当大气衰减、湍流产生变化，或者环境光照产生变化，厚云层或多云时目标与背景红外特性不明显，逆光时目标与背景对比度低，且在小目标如体积接近鸟类时易因衍射效应显示为模糊斑点，此时“低慢小”目标的光电信号弱、信噪比低，难以检测。其主要在目标识别上应用较为广泛。

无线电侦测主要用于探测无人机工作所使用的频谱，如通讯链路、控制链路、GPS/GLONASS导航信号等，是一种被动探测手段。同时也可通过对目标机型侦测，进行来袭目标机型识别。相比其他方式，具有隐秘性好，不易受干扰、探测距离远等优点，但其精度相比光电和雷达不高，且当目标无线电静默时，不能及时发现目标。目前作战中，已经有自杀式无人机，在锁定目标后，关闭自身导航和通讯信号，沿着预设航路攻击固定目标。声学，可接收并识别“低慢小”航空发动机、旋翼和大气摩擦所产生的特征声信号,作为一种特殊方式，在探测上起补盲作用，应用较少。

实战中通常依据具体作战环境和使用要求，采用一种或多种探测方式，多元探测器协同，多源传感器信息融合，为系统提供更有效的多层次探测能力。

2.2 决策和控制单元及主要手段

决策和控制单元通常为计算机软硬件设备，从功能流程上来讲，可分为以下4个层次。

图3 决策和控制单元及主要手段

2.2.1 空情融合单元

空情融合单元主要用于将各探测器协同探测所得多源目标信息进行去伪、融合、凝聚、输出。

对于单一平台而言，由于光电、雷达等探测器往往出厂已经进行轴系一致性的标定，采用精度优先原则，其空情融合较为简单。

对于多平台多源信息关联处理中，由于目标信息来源多样，各信源在分辨精度、信息性质、信息类型、信息维数、信息周期等方面存在差异；同时，各信源信息中包含的目标特性不一致、信息含糊或不可靠等现象经常出现，噪声和误差也会对关联性能产生不利影响，使得多平台信息的关联处理成为融合功能的重要节点。目前已有各种算法针对论述。

2.2.2 目标识别单元

目标识别单元依据目标运动特征如速度、飞行高度、机动性，以及微多普勒信息(雷达探测)、外形轮廓(光电成像)、敌我(加装询问机)等信息，甚至综合电侦设备探测到的来袭目标所发射信号类型等信息，进行来袭目标类型及机型的判断。该功能由于与探测手段紧密相关，有时也集成于探测单元。

2.2.3 决策和目标分配单元

决策和目标分配单元主要依据战场形势和作战使命任务，通过目标威胁度和综合费效比、附带毁伤等因素，确定目标处置和任务分配方式，包含目标处置方式和平台移交，即将不同目标分配给不同的探测单元，或配属的不同处置和打击设备。

目标威胁度判断，依据目标的位置、速度、运动方向、类型、体积、薄弱要害位置等多种因素，确定来袭目标威胁度等级供决策。

目标分配是针对不同来袭目标选择相应的拦截手段并按照有效距离、有利方向、有利时机完成对应的拦截任务。

2.2.4 打击控制单元

根据目标分配单元的决策，对配属的武器，通过网络、高速串口、总线等通讯方式进行火控解算、目标导引、指令下发和输出。

2.3 对抗处置单元

常规对抗无人机威胁的方法包括摧毁发射平台、伪装欺骗、网络捕获、直接火力打击等。近年来随着定向能、微波武器、激光武器等新概念武器的发展，打击对抗手段也逐渐多样化。

从处置结果来讲，可分为软杀伤和硬杀伤。“软杀伤”使无人机某些部件或者器件失效或失能从而失去任务执行能力，但平台和载机本身不受到硬性破坏，如电子干扰、高功率微波武器、电磁脉冲炮、甚至无人机对撞等；“硬杀伤”是无人机工作所需硬、部件直接被打击或损毁，失去任务执行能力，如小型导弹、密集炮弹、高能激光武器等。现阶段，充分利用无人机的优势对抗无人机的方式也将平台从地面转换到空中，如无人机网捕、无人机对撞及加装微波辐射设备近距离摧毁等。2021年11月，北约已经成功演习定位、识别并使用无人机网捕并带回等技术拦截无人机系统及蜂群攻击。

图4 对抗处置单元及主要手段

使用软杀伤方式，具有打击精准、可光速交战、同时杀伤多个目标、作战效费比高、附带损伤小等优势。干扰反制设备通常从通信(干扰无人机上行控制链路和图像回传下行链路)、GPS(干扰无人机机载定位系统，使其失去位置信息，不能执行任务)、雷达(干扰雷达探测工作)等方面进行。而高功率微波、激光武器、以及电磁辐射等打击手段可在极短时间内通过天线或者孔径定向辐射高功率微波或激光、电磁脉冲等，形成功率高、能量集中、且具有方向性的微波、激光射束，干扰或者损坏目标设备的电子元器件，使其失去效能。既可针对单个目标形成窄波束精准打击目标，不影响己方目标，又可通过数字波束形成宽波束，且转换速度快，可在广阔区域消除多个目标，实现“一扫一大片”的毁伤效果。

对抗大型无人机，传统武器导弹、炮弹等能实现良好的作战效能；对付小型无人机，尤其是采用蜂群战术的大规模编队无人机群而言，单一手段就捉襟见肘，应多层次、多手段、灵活的构建防御体系，实现多种手段、多层次立体打击。

3 目前世界上典型反无系统

目前较为成熟的反无人机系统大多由复合手段组成，含主被动探测、有源无源探测设备、软硬杀伤等方式结合，如雷达、无线电侦测、光电红外、以及干扰反制设备、反无人机用无人机等多种手段。

典型系统如以色列拉法尔先进防务系统公司的“无人机穹”系统(图5所示)包含RPS-42 S波段多任务半球形雷达、MEOS光电/红外监视套件、通信套件及C-“警戒”RD干扰装置和“联网感知”宽频带探测传感器系统，及定向能硬杀伤拦截能力。

图5 拉法尔公司“无人机穹”反无人机系统

美国雷声公司推出“郊狼”(Coyote)无人机和KRFS先进雷达组成反无人机系统(图6所示)，“郊狼”无人机配装一个先进的导引头和一个战斗部，与工作在Ku波段、能够捕获并精确跟踪各种尺寸无人机威胁的KRFS有源相控阵雷达一起，能够识别和消灭威胁无人机。该系统近期已经在美国陆军举办的一场系统测试中成功击败无人机蜂群。

图6 雷声公司“郊狼”无人机(右下角)和 KRFS先进雷达(中间)反无人机系统

以色列宇航工业公司开发了用于探测、跟踪并压制无人机的新型“无人机护卫者”系统(图7所示)，其最新一代系统增加了通信情报功能，并升级了3D雷达、光电和干扰系统，可有效干扰或破坏无人机的控制通道和导航系统。

图7 以色列“无人机护卫者”系统

英国布莱特监控系统公司、切斯动力公司和恩特普赖斯控制公司联合研制出一款集合了探测、跟踪和干扰能力的“反无人机防御系统”(AUDS)(图8所示)，由4频段射频抑制/屏蔽系统、光学干扰器和快速部署模块组成，能够在8km内探测、跟踪、识别和干扰压制无人机。

图8 英国开发的反无人机防御系统(AUDS)

MBDA公司推出 “天空守望者”(Sky Warden)(图9所示)，主要分系统包括：传感器、软杀伤效应器和硬杀伤效应器，传感器部分使用了瑞典萨伯公司的Giraffe 1X雷达、CERBAIR公司的无源射频传感器、远程光电传感器；软杀伤效应器使用了OPENWORKS公司的Skywall无人机捕捉网、KEAS公司的射频干扰机、TELEDYNE e2v公司高功率微波武器；硬杀伤效应器使用了 MBDA 公司 Mistral 导弹和 cilashelma 公司的激光武器。