反无人机蜂群技术发展综述

2022-07-12梁延峰李学亮

中国电子科学研究院学报 2022年5期

付鑫, 赵然, 梁延峰, 李学亮

(1. 中国电子科学研究院，北京 100041; 2. 中国人民解放军93128部队，北京 100000;3. 中国人民解放军32145部队，河南新乡 453000)

0 引言

目前，随着无人机技术的不断发展，无人机种类和数量的快速增长，无人机功能的不断突破，军用无人机参与作战逐步成为战场上最活跃的因素之一。纳卡冲突，阿塞拜疆运用TB-2察打一体无人机攻击对手地面部队，造成亚美尼亚大批武装装备损毁和人员伤亡。无人机执行的任务已从传统情报侦察、战场监视等支援角色，扩展到边境巡逻、通信截听、电子干扰、中继通信、精确打击等主战领域。近年来，无人机通过增加功能种类和数量规模，产生了“群”的概念，利用蜂群无人机进行攻击或偷窥的事件频频发生[1-4]，如俄罗斯在叙利亚基地首次遭遇大规模无人机袭击，赫梅明空军基地部署的防空系统探测到10架小型无人机，塔尔图斯海军基地发现3架，其中7架被“铠甲-S”近程防空系统摧毁，另外6架被电子战部队拦截；也门胡塞武装利用蜂群无人机破坏了沙特“爱国者”防空导弹连的雷达，对“爱国者”系统保护的空域构成威胁[5]。当然，有矛就有盾。美国启动了低成本无人机集群技术(LOCUST)、“山鹑”(Perdix)微型无人集群、小精灵(Gremlins)、进攻性集群使能战术(OFFSET)以及小型作战单元体系增强(SESU)等[6-12]无人机蜂群项目；俄罗斯除了加紧作战力量建设和新型武器研发外，还注重加强反无人机能力训练和实战检验，成立了全球首支反无人机电子战部队并开始担负战斗值班；英国成立了无人机蜂群中队，开展无人机蜂群快速研发和飞行试验，并发布了《英国反无人机战略》，提出对小型无人机安全风险的应对策略。法、德、以等国也在积极行动，以期在反无人机领域抢占先机。

随着蜂群作战概念与技术的不断成熟，未来反无人机蜂群作战更为复杂[13-14]，发展对抗能力刻不容缓，以美俄为首的世界军事强国正积极发展高效反蜂群无人机手段。各国加紧研究和推动反蜂群无人机武器装备的发展，并积极开展反蜂群无人机技术试验验证，以确保在未来战争中掌握主动权。

1 无人机蜂群现状

目前无人机蜂群研究最值得密切关注的国家有美国和英国等，美国以DARPA为主，Gremlins、OFFSET等项目稳步向前推进；英军早于美军成立蜂群中队，不断开展演示验证试验。

1.1 国外无人机蜂群发展

1.1.1美军无人机蜂群发展

(1)Gremlins项目[15]

该项目旨在探索无人机蜂群利用空中平台发射和回收关键技术[16]。2019年11月，X-61A“小精灵”无人机首次由C-130运输机采用外挂挂架投放的方式进行投放试验，总计持续1 h41min。在最后回收阶段由于无人机降落伞发生故障而坠毁。2020年7月的第二次试飞试验中，4架X-61A“小精灵”无人机中的一架由于降落系统故障而受损，被迫返厂维修。10月,开展第三次飞行试验，验证了自主编队飞行能力，但9次空中对接均告失败。这种具有通用性的无人机，可搭载弹头、侦察传感器、电子战等装置，而像C-130运输机这种尺寸的飞机，一架就能搭载数十架X-61A小精灵无人机，如果这些无人机携带攻击弹头，则意味着它们变成了巡航导弹，已经足以同远程反舰巡航导弹相媲美。但由于当前技术水平，回收难度较大，未来还有很大的发展空间。

(2)OFFSET项目

该项目设想由250个协同自主系统组成的蜂群为城市地区的地面部队提供关键能力，旨在推动蜂群自主性和人与蜂群协同工作方面的革命性进步。2020年1月，DARPA宣布“OFFSET”进行第三次野外试验，验证OFFSET在城市地区的突袭战术。9月进行的第四次野外试验，是对无人机、无人车自主集群试验，该试验旨在发展大规模自主协同无人机系统能力，以支持在城市环境中的地面部队作战。2021年11月，项目团队完成了最后一次飞行试验，DARPA通过部署大量自主的空中和地面车辆以测试其任务能力，试验内容包括使用虚拟现实、增强现实和移动电话、指挥控制蜂群等。据2022年1月C4ISRNET网站消息，雷声公司和诺格公司展示了在城市作战环境下，单个用户可控制100多个无人机系统组成的蜂群的能力。

1.1.2英国无人机蜂群发展

英国国防部表示，未来的蜂群无人机能力的三项关键工作取得了良好进展，“蚊子”技术示范项目、“蜂群无人机作战效能提升”项目以及其他蜂群无人机项目进展顺利。“蚊子”是一项技术示范项目，不会产生作战能力；第二个项目旨在一个人控制由20架小型无人机组成的蜂群，探索其军事用途和技术可行性，2022年3月份成功完成了首飞；第三个“蜂群无人机”项目将由第216中队承担蜂群无人机的作战任务。2020年10月，蓝熊系统公司成功验证了最新的蜂群无人机技术，该技术可操作20架不同类型的固定翼无人机，形成协作、异构的无人机蜂群，进行超视距飞行[17]。2021年7月，英国海军陆战队首次使用蜂群进行演习，第一次在一个地面控制站将6架中型、重型无人机，集中在一个自主控制群进行操作，意味着英国已具备一定的无人机空海自主控制能力，但离实战应用还有较大的差距。

1.1.3俄罗斯无人机蜂群发展

俄罗斯也将无人机蜂群作为重点发展方向，下一代战斗机方案将于2025年公布，战机飞行速度可达4 Ma～5 Ma，并且能够指挥控制5～10架装备高频电磁炮的无人机蜂群作战[18]。2018年开始开展无人机蜂群试验，2020年使用三型无人机进行空中蜂群试验，使俄军的分层覆盖范围扩大到250 km；2021年开始研发采用人工智能原理进行“蜂群”作战。

1.2 蜂群作战特点分析

从各国的无人机蜂群来看，蜂群作战就是以数量优势达成对敌干扰压制和包围攻击，一般由空中或海上平台搭载并释放无人机，通过自主协同进行飞行控制组成蜂群编队，形成共享态势，能够进行目标分配，在复杂、强对抗的战场环境下形成整体战斗力，实现“1+1>2”的作战效果，作战特点具体表现在以下四个方面。

(1)低可探测，渗透性强

小型无人机由于具有目标飞行速度慢、电磁散射截面积小、低功率电磁辐射、低红外辐射等特征，使得现有探测手段难以远距离准确发现和精确识别无人机蜂群目标。

(2)功能分布，以量取胜

无人机蜂群通过网络集成大量功能单一的微小型无人机，可由智能集群实现复杂的功能，如以数量优势达成对敌方的包围攻击，具有突然攻击的优势，这使得防空探测系统与处置系统在短时间内饱和；通过多方向、多批次来袭迫使对方分散防空系统资源，从而使得探测盲区或打击盲区无法应对规模较大的无人机蜂群。

(3)互联互通，实时机动

同等条件下，无人机蜂群之间能够实时相互通信，具备比作战人员快得多的机动能力，能够在敌人意想不到的地点隐蔽集结，形成压倒性的优势。

(4)动态赋能，快速攻击

无人机蜂群具有自主决策能力，集群内根据共享态势能够进行任务分配并迅速做出反应，协同实施“侦-控-打-评”等行动，快速实现打击链闭环以提高作战速度。

2 国外反无人机蜂群发展及分析

为应对无人机及蜂群带来的颠覆性作战模式，世界各国也在加紧研究和推动反无人机蜂群的发展。从目前各国的发展趋势来看，在反无人机蜂群领域都开展了探测和处置技术的研究，也专门研发了相应的装备或系统。

反无人机蜂群技术的基础是反无人机技术，包括探测技术和处置技术[19]。探测技术包括雷达探测、无线电侦测、光电探测、声波探测，通过运用各种侦察探测装备，实现对无人机目标的及时检测、跟踪、定位、识别，为后续反无人机作战提供探测目标信息。处置技术分为软杀伤和硬杀伤技术。软杀伤是通过对无人机实施有效链路干扰、导航干扰、声波干扰、链路夺控、导航欺骗，使无人机的控制系统、导航系统、通信系统、动力系统等失效或受控；硬杀伤通过运用微波毁伤、激光毁伤、网捕拦截、火力杀伤等方式，拦截或摧毁无人机。

2.1 反无人机蜂群技术

2.1.1探测类

(1)雷达探测技术

雷达探测在反无人机作战中可对目标进行搜索和跟踪，通过发射调制电磁波信号，接收目标散射回波信号，从目标回波中提取目标距离、角度、高度、航向、调制谱等量测信息，实现对目标的检测、定位、跟踪和判别。

(2)无线电侦测技术

通过高速宽带信号处理算法，截获无人机遥测、遥控链路信号，实现对无人机及其操作者的侦察、测向、定位等功能，也可通过分析信号参数，实现对无人机的目标识别。

(3)光电探测技术

光电搜索设备通过周视搜索扫描成像，自动检测、告警搜索空域内的空中飞行目标；光电跟踪设备可以在光电、雷达、无线电引导下，利用红外、可见光传感器对指定目标进行自动跟踪、识别、测距定位。

(4)声波探测技术

声波探测是通过声源定位跟踪技术、“声纹”特征提取等技术对无人机的声纹特征-螺旋桨的旋转声进行探测识别，适用于超低空飞行无人机探测。

2.1.2处置类

(1)软杀伤

1)链路干扰技术。链路干扰是针对无人机测控链路通信信号，设计干扰信号样式及干扰策略，对无人机进行通信信号压制，切断通信链路，使其失去控制和情报传输功能。

2)导航干扰技术。导航干扰通过对无人机辐射大功率导航同频信号，迫使无人机获取错误位置信息或仅依靠自身陀螺仪的惯性导航系统工作，由于无法继续获得精准的位置坐标数据，从而导致无人机无法连续测绘或强制降落。

3)声波干扰技术。声波干扰是通过制造能够与无人机上的陀螺仪发生共振的某一频率声波，扰乱其正常平稳飞行，致使目标无人机高空坠落。该技术的使用前提是精确瞄准和持续跟踪，如此一来对跟踪雷达提出了较高的跟踪精度要求。

4)链路夺控技术。链路夺控是通过长期累积侦察无人机遥控信号，实现遥控信号解调、解码与帧结构分析，建立数据库，战时针对非法入侵无人机，通过链路破译、入侵以及解密等技术，实现机型识别、协议匹配与虚假控制指令注入，夺取无人机控制权。

5)导航欺骗技术。导航欺骗通过自主产生或转发方式生成虚假导航信号，实现对依赖导航信号飞行的无人机(航迹预先规划或遥控链路被切断)实施欺骗干扰的目的，诱导无人机向指定的方向飞行。

(2)硬杀伤

1)微波毁伤技术。微波毁伤通过向目标辐射高强度的电磁脉冲并与无人机的各个电子系统相作用对无人机元器件进行干扰和毁伤。高功率微波抗击无人机具有高速攻击、无需精确跟瞄等特点，该技术受限于发射功率，未来有待于提升打击距离。

2)激光毁伤技术。激光毁伤利用较高的发射功率产生高能激光束对目标进行定向遏止或损坏式打击，针对无人机目标的特殊部位集中瞄准烧毁控制电路或电模块，具备“发现即杀伤、一发对一架”的打击效果，如果打击多架无人机目标，需要多次发射才能完全摧毁，由于发射时产生的高能需要搭载油机水冷箱设备，使得激光设备体积较大，一般车载使用[20]。

3)网捕拦截技术。网捕拦截是利用高精度目标指示信息，引导网捕无人机远程精确抵近目标无人机，利用网枪发射一张柔性网抓铺目标无人机，并将拦截目标带回放入专业的收纳装置。该技术受目标景深的影响和抓捕手较高瞄准度的限制，成功率较低[19]，目前还没有利用网捕技术成功拦截无人机蜂群的报道案例。

4)火力杀伤技术。火力杀伤主要是在本体系探测系统的精确引导下，利用密集阵炮，多管速射炮，炮射无人机蜂群，低成本简易导弹对非法入侵无人机进行火力摧毁，该技术对武器精度要求较高，且在城市环境或人员密集区容易造成附带损伤。

除上述处置技术外，未来还可扩展无人机拦截、燃料/粘性/黏性气溶胶、拦截网、专门训练的鸟类、飞行器尾流扰乱等多种手段，目前技术成熟度较低。

2.2 国外反无人机蜂群现状

(1)美军“机动低空慢速小型无人机综合防御系统(M-LIDS)”[21]

该系统具有四联装的固定式托盘发射系统和M-ATV车载发射系统两种部署方式，如图1所示配备武器站，启用“郊狼”Block2+拦截器变体与KuRFS精确瞄准雷达和Ku-720移动传感雷达，可击败无人机蜂群目标。系统采用开放式系统架构、模块化组件式开发以便应对逐渐变化的无人机威胁，还配备了一系列红外摄像机、测向传感器等在内的防御组件以及枪炮等打击组件，使用综合网络进行通信，允许操作人员执行适当的任务，从电子战到全面的物理拦截。

图1 M-LIDS系统

(2)美军“索尔”(THOR)高能微波反无人机系统

该系统不同于激光武器发射光束只摧毁单一目标，而是能同时瞬间摧毁成群的无人机，而且无声无光，通过定向发射能量高度集中的高功率微波，迅速提高物体表面温度，或其辐射形成的电磁场在金属表面形成电流，实现对人员目标的杀伤或是损毁。如图2所示相比于phaser，索尔更加轻便，且拥有更高的输出功率，一台发电机便可驱动，仅需3名作战人员便可完成部署。

图2 THOR系统

(3)美国升级版Leonidas系统

该系统是将Leonidas定向能系统和高功率微波技术集成到了美陆军的Stryker装甲车上，以增强美国陆军的机动近程防空能力，抵御无人机蜂群和其他电子威胁。如图3所示该系统与美国陆军“前方区域防空指挥控制(FAAD C2)”系统集成，共享并利用FAAD C2网络中传感器和预警系统的信息，毁伤300 m范围内无人机搭载的电子设备，通过形成窄波束，可在狭窄、拥挤空间中高精度消除单个威胁目标，还可生成禁飞区，从多个目标中筛选出个别目标，聚集能量，实施精确攻击，附带损伤小，不影响己方无人机在附近区域飞行，针对蜂群目标通过数字波束形成生成宽波束状态且转换速度快，能为用户提供优越的控制能力和安全性。

图3 Leonidas系统

(4)英国升级版反无人机蜂群防御系统(AUDS)

升级版反无人机防御系统已具备对抗无人机蜂群及可移动部署的能力。如图4所示研发人员通过升级AUDS系统算法和相关技术，使AUDS系统具备对抗无人机蜂群的能力，其核心是采用智能多波段射频抑制器干扰无人机蜂群所使用的不同类型指控链路，研发人员已验证了升级版AUDS可有效对抗无人机蜂群，已累计击落2 000架次约60多型固定翼或旋翼无人机。

图4 升级版的AUDS系统

(5)法国海军新型中口径舰炮(RAPIDFire)系统

该系统的主炮部分采用40 mm中口径火炮，设计方面除了考虑传统目标之外，主要考虑低慢小和隐身空中目标，射程达到4 km，光电火控可与舰上作战管理系统共享威胁分析信息，对不同类型的目标提供5个弹种供选择，系统采用防空空爆弹提高对无人机蜂群的防御能力和效率，该系统将于2022年首次部署在法国海军未来水面战舰上如图5所示。

图5 RAPIDFire系统

(6)新加坡的“反蜂群系统”

新加坡航展ST公司首次展出了“反蜂群系统”，专门用于拦截消费级遥控飞行器，该系统配备40AGL高速榴弹发射器，使用专门的空爆弹药，配备红外、激光和无线电等高精度装备，可将弹药精确引导至距离目标4 m的近距离范围爆炸，火控计算机可计算来袭目标轨迹，自动建议射手单发或齐射，并以最优化的弹道在空中形成弹幕击毁目标。

另外有报道，德国展示了配备“厄瑞康”35 mm Mk3旋膛机关炮的Skynex防空系统，该机关炮已证明能够摧毁8架小型无人机，初步具备反无人机蜂群的能力。

总结现有的反无人机蜂群技术：

1)电子干扰压制。采用电磁压制、通信信号干扰和GPS欺骗使无人机蜂群失控，这种软杀伤手段对无人机设备本身无损坏，仅对无人机的飞行路径和悬停位置有影响。

2)使用微波武器摧毁。使用微波武器能够对无人机蜂群进行区域性、大面积杀伤，相比于激光打击，微波武器受天气影响更小，作用距离更远，目前来看效果较好，但若在城市环境使用附带损伤较大。

3)使用激光武器打击。利用高能激光束能对无人机目标进行快速遏止或损坏式打击，能够在较短时间内瞄准目标，需要使用较高频率的射击，才能有效抗击全方位、多方向蜂群的饱和攻击，但该手段易受天气影响。

4)密集武器拦截。利用空空导弹发射杀伤弹头，该杀伤弹头通常带有前向爆炸型碎片，或利用火炮发射射向可修正的炮弹来对抗无人机蜂群，该手段还未曾进入实战化演习或试验验证阶段。

5)利用反“蜂群”手段。通过对蜂群的敌我识别，运用反无人机蜂群实施攻击或直接撞击，从而摧毁敌方蜂群，这种方式容易造成我方蜂群无人机机体造成损坏，加之回收技术不成熟，比较耗费无人机。

6)利用网捕型无人机。通过对无人机蜂群发射网弹或抓捕网将无人机网住使其失去飞行功能进行抓捕，物理网捕价格便宜，实施位置可控，次生灾害小，但对目标无人机抵近处置难度大，精确度低。

2.3 反无人机蜂群技术难点

无人机蜂群已成为各国面临的最大威胁，针对传统防空系统无法应对蜂群饱和攻击的短板[22-23]，已经发展的针对蜂群饱和式攻击多采用成本较低、更灵巧的对抗方式，如电子干扰、通信干扰、激光、微波武器等，但技术上[24]依然面临以下三个难点。

1)探测难。无人机蜂群密度大，都是由小型无人机组成的，飞行高度低、机动速度慢，雷达反射截面积小，在复杂的电磁环境中难以被雷达精准探测到个体目标，无法获取蜂群全貌和具体数量。

2)识别难。城市环境中，移动车辆、人群等目标的运动速度与无人机相当，通信信号与民用相似性较高，无人机所使用的通信链路频段内含有大量混杂频谱信号，同频段信号分选难度较大，且对于较远的目标，现有光电设备的成像像素难以满足无人机外形识别要求。

3)打击难。由于无人机蜂群数量多、密度较大，高功率定向能设备对集群目标打击相对有效，但附带损伤大，对具备防护手段的目标打击效果有待验证。网捕技术是较好的拦截手段之一，但对高机动目标的成功捕获概率较低。

3 反无人机蜂群作战构想

无人机蜂群来袭过程分为远程载机释放、中程密集飞行、中近程散布飞行和近程侦察攻击四个阶段，针对各个阶段的特点，采用多层拦截方式实施拦截，即远程处对攻击无人机蜂群载机采用拦截弹常规火力打击使部分无人机被摧毁；中程密集飞行阶段由于释放的无人机尚未形成有效的蜂群编队，相互之间的通信和协作未完全展开，自我保护能力相对较弱，适合采取面杀伤武器进行拦截；中近程阶段可以采用电子干扰、导航欺骗等手段干扰无人机蜂群通讯链路使无人机无法正常工作。另一种手段是利用“蜂群对蜂群”的作战模式，与远程、中程和中近程拦截方式相互配合，降低每层拦截的漏网无人机概率。反无人机蜂群作战概念图如图6所示。

图6 反无人机蜂群作战概念图

无人机蜂群典型作战过程构想可分以下七个阶段。

1)战备阶段。红方陆基拦截系统在被保护区域附近就近部署，空基和陆基等探测装备战备值班。

2)预警阶段。蓝方蜂群无人机载机起飞后，红方预警卫星发现敌方无人机目标后进行目标识别，初步判断目标属性后将目标信息发送给指控机构，陆基探测装备持续对载机监视跟踪，经过一段时间的探测和识别信息积累后，指挥机构做出拦截指挥决策。

3)准备阶段。指挥机构根据探测和识别信息命令常规火力打击和高功率微波武器调整自身位置和姿态，并命令反制无人机蜂群载机做好起飞准备。

4)远程拦截阶段。预警装备通过协同探测得到目标精确位置，目标进入拦截区后，拦截弹在载机制导导引下飞向目标，接近目标后导引头截获目标，中/末制导交接班后进入末制导直至弹目交汇。

5)中程拦截阶段。若蓝方载机未被成功击中，并已释放蜂群无人机，红方指挥机构根据预警装备探测信息命令面杀伤武器进行拦截打击，形成面杀伤效果大量摧毁无人机蜂群。

6)中近程拦截阶段。由于射程原因，高功率微波武器难以奏效，此时指挥机构命令导航欺骗、电子干扰设备对蓝方蜂群无人机目标进行照射，切断无人机与操作台之间的测控链路和数传链路，迫使无人机按照预设程序返航或迫降，使其无法正常工作，同时，下令红方载机起飞至合适位置释放反制蜂群，进行“蜂群对蜂群”的对抗。

7)末端拦截阶段。高功率微波武器在收到发射指令后对剩下的蓝方无人机目标进行打击，并进行毁伤效果评估，若未摧毁，则指挥机构决定继续拦截或转入陆基拦截流程。

可以看出，被攻击方可从侦、防、扰、阻、打等方面反击，综合运用欺骗、干扰、杀伤等软硬手段，形成远-中-近、高-中-低的多层次防御体系，对无人机蜂群实施多波次、立体化拦截，多手段综合使用，相辅相成，尽早、尽远消灭无人机蜂群。

4 反蜂群技术未来发展趋势

传统打击手段难以应对无人机蜂群饱和式攻击，即使能应对蜂群内的一部分无人机，也会使作战成本提高，未来引入人工智能、定向能等技术[25]以实现反蜂群的便携化、集成化和低成本。

(1)引入人工智能技术

为实现对无人机蜂群的有效探测、跟踪和打击，人工智能越来越多地运用到反无人机领域，俄罗斯卡巴斯基实验室通过构建人工神经网络分析处理各类数据，能快速发现识别无人机蜂群，并能分类识别，快速做出针对性的反应；美国的智能子弹系统也有望成为未来反无人机蜂群技术发展的一个方向。

(2)使用定向能武器

激光、微波、电磁脉冲等定向武器具有打击速度快、拦截效果好和效费比高等优势，已成为反无人机蜂群装备发展的主流，并且已由概念化进入实战化，特别是激光武器成本低廉、部署灵活且毁伤效果突出，备受各国青睐，除研发更大功率的激光发射器之外，还尝试将激光武器与传统飞机、火炮、导弹相结合，形成快速响应的无人机拦截能力。已有的定向能武器主要以地基平台为主，模块化、固态化、小型化是未来的改进方向。

(3)构建攻防一体的立体化无人机蜂群作战体系

目前没有一种单纯手段能够适应各种操作环境来应对无人机蜂群，单一利用传统防空手段也无法适应蜂群作战，采用分布式组网部署的方式，综合集成陆、海、空、天等各类预警探测手段，形成信息、频率和空间互补、交错配置的立体化蜂群预警攻防体系，实现电子对抗系统远距离干扰，硬毁杀伤系统近距离打击，形成统一、快速、高效的立体化侦察预警攻防体系。

(4)装备呈现机动化、便携化、微型化特点

当前的反无人机蜂群装备虽然具备发射功率强、作用距离远等优点，但构成设备多、维护保养复杂，不利于快速部署、机动作战和实时维护。因此，各国在注重将反无人机系统与小型作战平台整合，实现多域灵活部署的同时，积极开发便携式反无人机装备研发。