無人機(jī)發(fā)展應(yīng)用及反無手段研究

任媛媛 高一棟 焦慕卿

(1.西安電子工程研究所 西安 710100；2.中國北方工業(yè)公司 北京 100053)

0 引言

隨著人工智能、現(xiàn)代控制等技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)應(yīng)用范圍越來越廣。在民用、軍用，國內(nèi)、國際，甚至重大政治活動中都有無人機(jī)的身影。

民用上，無人機(jī)在農(nóng)業(yè)、勘探測繪、警用、文化(航拍、攝影)、甚至疫情防控等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。但不受控的情況下也給飛機(jī)和鐵路交通、環(huán)境和人身的安全和保密帶來威脅，如機(jī)場、高鐵站周邊無人機(jī)干擾有人駕駛飛機(jī)飛行、高鐵通行，無人機(jī)運(yùn)毒，無人機(jī)未報批進(jìn)行測繪等時有發(fā)生。一些重大政治活動中也有無人機(jī)的出現(xiàn)，如不明無人機(jī)出現(xiàn)在白宮草坪，韓國總統(tǒng)府附近拍照，出現(xiàn)在默克爾競選集會上，甚至被遙控制造恐怖襲擊，2018年委內(nèi)瑞拉總統(tǒng)馬杜羅檢閱軍隊時遭2架載著C4炸藥的無人機(jī)襲擊，2021年11月伊拉克總理卡迪米的住所多次遭武裝無人機(jī)的襲擊等，類似事件，給國家形象帶來負(fù)面影響。

軍事上，無人機(jī)及蜂群設(shè)備以其低成本、靈活機(jī)動的工作方式，和無人化、智能化的先進(jìn)工作手段受到各方青睞，日益成為戰(zhàn)場新威脅。無人機(jī)通常用于執(zhí)行探測、偵查、電子戰(zhàn)或其他非動能作戰(zhàn)任務(wù)、自殺式襲擊、甚至定點清除等，如印巴邊界印度使用“蒼鷺”無人機(jī)偵察；2019年沙特石油公司兩處設(shè)施遭無人機(jī)攻擊；美管敘利亞油氣田遭無人機(jī)投簡易迫擊炮彈襲擊；2020年初美國利用MQ-9C無人機(jī)對伊朗高級官員實施定點清除；2020年發(fā)生在南高加索地區(qū)納卡沖突中阿塞拜疆使用數(shù)量遠(yuǎn)超亞美尼亞的多種無人機(jī)甚至成為改變戰(zhàn)爭的關(guān)鍵要素……層出不窮的無人機(jī)事件，使戰(zhàn)場作戰(zhàn)樣式發(fā)生了改變，世界各國在無人化作戰(zhàn)方式上越來越重視。

1 無人機(jī)作戰(zhàn)方式及發(fā)展

1.1 無人機(jī)應(yīng)用特點及分類

無人機(jī)被越來越多的應(yīng)用于作戰(zhàn)，因其具備以下特點：

1)平臺微型化：小型甚至微型無人機(jī)體積不及書本大小，可衣兜或掌上攜帶、單兵作戰(zhàn)背負(fù)，甚至可以無人機(jī)攜帶無人機(jī)，無需專用平臺或底盤。

2)放飛條件低：無需大型起飛降落場地或者特別的場地和路面條件，行駛的車輛、山區(qū)、甚至手掌上都可以起飛。

3)目標(biāo)特征小：無人機(jī)采用復(fù)合材料制作，體積小、重量輕、RCS小，對于雷達(dá)和光電探測手段來講，目標(biāo)特征小，易隱藏于背景光線或雜波。

4)突防能力強(qiáng)，成功率高：運(yùn)動方式機(jī)動靈活，其運(yùn)動特征與鳥類、樹木、汽車等雜波近似，易被隱藏不易發(fā)現(xiàn)，可低空高速運(yùn)動，也可盤旋慢速前行，臨機(jī)出現(xiàn)。

5)集成度高：部分無人機(jī)集雷達(dá)、攝像頭、激光、電子干擾甚至炸藥等探測或者攻擊手段、特定或多種于一身，小體積實現(xiàn)復(fù)合功能。

根據(jù)美國防部和北約的劃分，無人機(jī)有以下分類見表1、表2所示。

表1 美國國防部(DOD)無人機(jī)分類標(biāo)準(zhǔn)

表2 北約定義的無人機(jī)類型和級別

1.2 無人機(jī)作戰(zhàn)方式分析

無人機(jī)可用于偵察預(yù)警、電子干擾、集群攻擊、特種作戰(zhàn)、火力引導(dǎo)、自殺式襲擊等等，甚至部分無人機(jī)集多種功能于一身。表1中的1～2級，通常為小微型無人機(jī)，主要用于偵查、自殺式襲擊等功能，如PD-100，Puma AE、ScanEagle等；表1中的3～5級，由于體積稍大，可復(fù)合加裝光電、雷達(dá)、無線電偵測及干擾等設(shè)備，以及炸藥、導(dǎo)彈等打擊武器，能夠完成更深層功能，如MQ-8B、MQ-9B(察打一體)等。

無人機(jī)應(yīng)用于戰(zhàn)場作戰(zhàn)，既可單獨(dú)起飛作戰(zhàn)，也可蜂群方式作戰(zhàn)。無人機(jī)蜂群可在空中實施分布式協(xié)同作戰(zhàn)，或集中飽和攻擊，或分散實現(xiàn)大的散布面積。

戰(zhàn)術(shù)上，部分體積較大無人機(jī)通常攜帶載荷自主起飛作戰(zhàn)居多，如MQ-1“捕食者”系列、MQ-4“全球鷹”系列、MQ-9“死神”系列、甚至續(xù)航時間可達(dá)10h的Dash-X等等。這一類無人機(jī)通常速度較高，載荷能力較強(qiáng)，體型較大，但因外形設(shè)計、機(jī)身材料及涂覆考慮隱身性能，因而RCS也較小，使得雷達(dá)難以探測。小型無人機(jī)如“精靈”類、旋翼類、小型固定翼類，甚至微型無人機(jī)如RQ-11“大烏鴉”、“珀耳狄克斯(Perdix)”、“螢火蟲(FireFly，以色列制)”，通常體型較小，載荷能力有限，飛行速度、高度低，飛行距離受限，其作戰(zhàn)方式大多為運(yùn)輸機(jī)或者戰(zhàn)機(jī)運(yùn)輸至指定地點上空或附近釋放，蜂群作戰(zhàn)。如美國使用F-16戰(zhàn)機(jī)運(yùn)送“山鶉”無人機(jī)至指定空域投放、“小精靈”計劃無人機(jī)通常以蜂群形式作戰(zhàn)，不僅可投放，還可完成任務(wù)后回收。

近年來，隨著無人機(jī)及電子戰(zhàn)的發(fā)展，部分體積較大型無人機(jī)也在朝著蜂群作戰(zhàn)方式發(fā)展，如納卡沖突中阿方采用的情報監(jiān)視偵查(ISR)無人機(jī)和至少2種以上對地攻擊無人機(jī)(“貝拉克塔”(翼展12m)和“哈洛普”)進(jìn)行蜂群戰(zhàn)術(shù)，實現(xiàn)協(xié)同作戰(zhàn)和飽和攻擊。而隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，越來越多的項目將無人機(jī)自主飛行技術(shù)與人工智能決策相結(jié)合，實行無人機(jī)+集群化+人工智能作戰(zhàn)方式。2020年8月，印度陸軍開始開展巡飛彈蜂群的人工智能攻擊研究，從5枚增至75枚并在閱兵節(jié)上演示。2021年6月，美國空軍在“橙旗”演習(xí)中使用MQ-20“復(fù)仇者”無人機(jī)再次對SkyBorg項目的自主控制系統(tǒng)(ACS)軟件包進(jìn)行了飛行測試。以色列軍方更在2021年5月對加沙的哈馬斯組織發(fā)動空襲和導(dǎo)彈打擊期間，已經(jīng)使用了人工智能輔助的無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)。

圖1 MQ-20無人機(jī)搭載SkyBorg吊艙

無人機(jī)技術(shù)及系統(tǒng)在全世界范圍如火如荼的發(fā)展和擴(kuò)散，特別是偵/攻一體無人機(jī)的研制成功，“蜂群”攻擊模式的發(fā)展，改變著瞬息萬變的戰(zhàn)場形態(tài)，各國越來越重視無人機(jī)/反無人機(jī)系統(tǒng)作戰(zhàn)發(fā)展。美國近年來一直非常重視無人機(jī)/反無人機(jī)的發(fā)展，2017年美陸軍發(fā)布了《美國陸軍技術(shù)出版物(STP)3-01.81反無人機(jī)系統(tǒng)技術(shù)手冊》， 2019年發(fā)布《反無人機(jī)系統(tǒng)》， 2020年發(fā)布《小型無人機(jī)系統(tǒng)(SUAS)戰(zhàn)略》， 2021年1月發(fā)布《反小型無人機(jī)系統(tǒng)》戰(zhàn)略。目前國際上已有美國、以色列、英國、巴基斯坦、伊朗、伊拉克、尼日利亞、土耳其，還有非政府組織真主黨以及伊斯蘭國等國家將其應(yīng)用于實戰(zhàn)。

這種軍事環(huán)境背景下，如何有效探測無人機(jī)尤其是“小型戰(zhàn)術(shù)無人飛行器”及蜂群實現(xiàn)反無人機(jī)能力逐漸成為各種中近程防空探測手段研究的重點。

2 反無手段及系統(tǒng)組成

針對無人機(jī)運(yùn)動特性及使用、作戰(zhàn)方式，各種反無裝備不斷涌現(xiàn)，從作戰(zhàn)流程和使用功能上來講，主要分為探測單元、決策和控制單元、對抗處置單元三部分。

2.1 探測單元及主要手段

圖2 探測單元及其主要手段

探測上，雷達(dá)作為主要手段，用于全天候探測，具備探測距離遠(yuǎn)、精度高、多目標(biāo)批數(shù)、不受天氣影響等優(yōu)點。雷達(dá)對于目標(biāo)的檢測依賴于發(fā)射電磁波到目標(biāo)的反射回波，是主動工作方式，其缺點是信號暴露于空間，可被敵方電子偵測設(shè)備接收并被干擾設(shè)備干擾，或遭受目標(biāo)攻擊。此時，雙多基地及無源雷達(dá)可有力對抗該攻擊方式。雷達(dá)對于低慢小目標(biāo)的探測性能主要受雜波影響，實現(xiàn)上有以下關(guān)鍵技術(shù)：一是強(qiáng)雜波抑制技術(shù)；二是精細(xì)化信號處理技術(shù)；三是低空探測技術(shù)。解決途徑是實現(xiàn)時、空、頻的高分辨。同時對于不能實現(xiàn)高分辨的雷達(dá)，許道明等人在檢測算法上進(jìn)行了研究。

光電紅外作為輔助被動探測手段，不易被電子偵測設(shè)備探測并干擾到，探測精度較高，由于其對目標(biāo)成像功能，也常用于目標(biāo)識別和輔助決策，但易受天氣和光照影響。其對目標(biāo)的探測通過目標(biāo)成像以及紅外特性來實現(xiàn)，當(dāng)大氣衰減、湍流產(chǎn)生變化，或者環(huán)境光照產(chǎn)生變化，厚云層或多云時目標(biāo)與背景紅外特性不明顯，逆光時目標(biāo)與背景對比度低，且在小目標(biāo)如體積接近鳥類時易因衍射效應(yīng)顯示為模糊斑點，此時“低慢小”目標(biāo)的光電信號弱、信噪比低，難以檢測。其主要在目標(biāo)識別上應(yīng)用較為廣泛。

無線電偵測主要用于探測無人機(jī)工作所使用的頻譜，如通訊鏈路、控制鏈路、GPS/GLONASS導(dǎo)航信號等，是一種被動探測手段。同時也可通過對目標(biāo)機(jī)型偵測，進(jìn)行來襲目標(biāo)機(jī)型識別。相比其他方式，具有隱秘性好，不易受干擾、探測距離遠(yuǎn)等優(yōu)點，但其精度相比光電和雷達(dá)不高，且當(dāng)目標(biāo)無線電靜默時，不能及時發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。目前作戰(zhàn)中，已經(jīng)有自殺式無人機(jī)，在鎖定目標(biāo)后，關(guān)閉自身導(dǎo)航和通訊信號，沿著預(yù)設(shè)航路攻擊固定目標(biāo)。聲學(xué)，可接收并識別“低慢小”航空發(fā)動機(jī)、旋翼和大氣摩擦所產(chǎn)生的特征聲信號,作為一種特殊方式，在探測上起補(bǔ)盲作用，應(yīng)用較少。

實戰(zhàn)中通常依據(jù)具體作戰(zhàn)環(huán)境和使用要求，采用一種或多種探測方式，多元探測器協(xié)同，多源傳感器信息融合，為系統(tǒng)提供更有效的多層次探測能力。

2.2 決策和控制單元及主要手段

決策和控制單元通常為計算機(jī)軟硬件設(shè)備，從功能流程上來講，可分為以下4個層次。

圖3 決策和控制單元及主要手段

2.2.1 空情融合單元

空情融合單元主要用于將各探測器協(xié)同探測所得多源目標(biāo)信息進(jìn)行去偽、融合、凝聚、輸出。

對于單一平臺而言，由于光電、雷達(dá)等探測器往往出廠已經(jīng)進(jìn)行軸系一致性的標(biāo)定，采用精度優(yōu)先原則，其空情融合較為簡單。

對于多平臺多源信息關(guān)聯(lián)處理中，由于目標(biāo)信息來源多樣，各信源在分辨精度、信息性質(zhì)、信息類型、信息維數(shù)、信息周期等方面存在差異；同時，各信源信息中包含的目標(biāo)特性不一致、信息含糊或不可靠等現(xiàn)象經(jīng)常出現(xiàn)，噪聲和誤差也會對關(guān)聯(lián)性能產(chǎn)生不利影響，使得多平臺信息的關(guān)聯(lián)處理成為融合功能的重要節(jié)點。目前已有各種算法針對論述。

2.2.2 目標(biāo)識別單元

目標(biāo)識別單元依據(jù)目標(biāo)運(yùn)動特征如速度、飛行高度、機(jī)動性，以及微多普勒信息(雷達(dá)探測)、外形輪廓(光電成像)、敵我(加裝詢問機(jī))等信息，甚至綜合電偵設(shè)備探測到的來襲目標(biāo)所發(fā)射信號類型等信息，進(jìn)行來襲目標(biāo)類型及機(jī)型的判斷。該功能由于與探測手段緊密相關(guān)，有時也集成于探測單元。

2.2.3 決策和目標(biāo)分配單元

決策和目標(biāo)分配單元主要依據(jù)戰(zhàn)場形勢和作戰(zhàn)使命任務(wù)，通過目標(biāo)威脅度和綜合費(fèi)效比、附帶毀傷等因素，確定目標(biāo)處置和任務(wù)分配方式，包含目標(biāo)處置方式和平臺移交，即將不同目標(biāo)分配給不同的探測單元，或配屬的不同處置和打擊設(shè)備。

目標(biāo)威脅度判斷，依據(jù)目標(biāo)的位置、速度、運(yùn)動方向、類型、體積、薄弱要害位置等多種因素，確定來襲目標(biāo)威脅度等級供決策。

目標(biāo)分配是針對不同來襲目標(biāo)選擇相應(yīng)的攔截手段并按照有效距離、有利方向、有利時機(jī)完成對應(yīng)的攔截任務(wù)。

2.2.4 打擊控制單元

根據(jù)目標(biāo)分配單元的決策，對配屬的武器，通過網(wǎng)絡(luò)、高速串口、總線等通訊方式進(jìn)行火控解算、目標(biāo)導(dǎo)引、指令下發(fā)和輸出。

2.3 對抗處置單元

常規(guī)對抗無人機(jī)威脅的方法包括摧毀發(fā)射平臺、偽裝欺騙、網(wǎng)絡(luò)捕獲、直接火力打擊等。近年來隨著定向能、微波武器、激光武器等新概念武器的發(fā)展，打擊對抗手段也逐漸多樣化。

從處置結(jié)果來講，可分為軟殺傷和硬殺傷。“軟殺傷”使無人機(jī)某些部件或者器件失效或失能從而失去任務(wù)執(zhí)行能力，但平臺和載機(jī)本身不受到硬性破壞，如電子干擾、高功率微波武器、電磁脈沖炮、甚至無人機(jī)對撞等；“硬殺傷”是無人機(jī)工作所需硬、部件直接被打擊或損毀，失去任務(wù)執(zhí)行能力，如小型導(dǎo)彈、密集炮彈、高能激光武器等?，F(xiàn)階段，充分利用無人機(jī)的優(yōu)勢對抗無人機(jī)的方式也將平臺從地面轉(zhuǎn)換到空中，如無人機(jī)網(wǎng)捕、無人機(jī)對撞及加裝微波輻射設(shè)備近距離摧毀等。2021年11月，北約已經(jīng)成功演習(xí)定位、識別并使用無人機(jī)網(wǎng)捕并帶回等技術(shù)攔截?zé)o人機(jī)系統(tǒng)及蜂群攻擊。

圖4 對抗處置單元及主要手段

使用軟殺傷方式，具有打擊精準(zhǔn)、可光速交戰(zhàn)、同時殺傷多個目標(biāo)、作戰(zhàn)效費(fèi)比高、附帶損傷小等優(yōu)勢。干擾反制設(shè)備通常從通信(干擾無人機(jī)上行控制鏈路和圖像回傳下行鏈路)、GPS(干擾無人機(jī)機(jī)載定位系統(tǒng)，使其失去位置信息，不能執(zhí)行任務(wù))、雷達(dá)(干擾雷達(dá)探測工作)等方面進(jìn)行。而高功率微波、激光武器、以及電磁輻射等打擊手段可在極短時間內(nèi)通過天線或者孔徑定向輻射高功率微波或激光、電磁脈沖等，形成功率高、能量集中、且具有方向性的微波、激光射束，干擾或者損壞目標(biāo)設(shè)備的電子元器件，使其失去效能。既可針對單個目標(biāo)形成窄波束精準(zhǔn)打擊目標(biāo)，不影響己方目標(biāo)，又可通過數(shù)字波束形成寬波束，且轉(zhuǎn)換速度快，可在廣闊區(qū)域消除多個目標(biāo)，實現(xiàn)“一掃一大片”的毀傷效果。

對抗大型無人機(jī)，傳統(tǒng)武器導(dǎo)彈、炮彈等能實現(xiàn)良好的作戰(zhàn)效能；對付小型無人機(jī)，尤其是采用蜂群戰(zhàn)術(shù)的大規(guī)模編隊無人機(jī)群而言，單一手段就捉襟見肘，應(yīng)多層次、多手段、靈活的構(gòu)建防御體系，實現(xiàn)多種手段、多層次立體打擊。

3 目前世界上典型反無系統(tǒng)

目前較為成熟的反無人機(jī)系統(tǒng)大多由復(fù)合手段組成，含主被動探測、有源無源探測設(shè)備、軟硬殺傷等方式結(jié)合，如雷達(dá)、無線電偵測、光電紅外、以及干擾反制設(shè)備、反無人機(jī)用無人機(jī)等多種手段。

典型系統(tǒng)如以色列拉法爾先進(jìn)防務(wù)系統(tǒng)公司的“無人機(jī)穹”系統(tǒng)(圖5所示)包含RPS-42 S波段多任務(wù)半球形雷達(dá)、MEOS光電/紅外監(jiān)視套件、通信套件及C-“警戒”RD干擾裝置和“聯(lián)網(wǎng)感知”寬頻帶探測傳感器系統(tǒng)，及定向能硬殺傷攔截能力。

圖5 拉法爾公司“無人機(jī)穹”反無人機(jī)系統(tǒng)

美國雷聲公司推出“郊狼”(Coyote)無人機(jī)和KRFS先進(jìn)雷達(dá)組成反無人機(jī)系統(tǒng)(圖6所示)，“郊狼”無人機(jī)配裝一個先進(jìn)的導(dǎo)引頭和一個戰(zhàn)斗部，與工作在Ku波段、能夠捕獲并精確跟蹤各種尺寸無人機(jī)威脅的KRFS有源相控陣?yán)走_(dá)一起，能夠識別和消滅威脅無人機(jī)。該系統(tǒng)近期已經(jīng)在美國陸軍舉辦的一場系統(tǒng)測試中成功擊敗無人機(jī)蜂群。

圖6 雷聲公司“郊狼”無人機(jī)(右下角)和 KRFS先進(jìn)雷達(dá)(中間)反無人機(jī)系統(tǒng)

以色列宇航工業(yè)公司開發(fā)了用于探測、跟蹤并壓制無人機(jī)的新型“無人機(jī)護(hù)衛(wèi)者”系統(tǒng)(圖7所示)，其最新一代系統(tǒng)增加了通信情報功能，并升級了3D雷達(dá)、光電和干擾系統(tǒng)，可有效干擾或破壞無人機(jī)的控制通道和導(dǎo)航系統(tǒng)。

圖7 以色列“無人機(jī)護(hù)衛(wèi)者”系統(tǒng)

英國布萊特監(jiān)控系統(tǒng)公司、切斯動力公司和恩特普賴斯控制公司聯(lián)合研制出一款集合了探測、跟蹤和干擾能力的“反無人機(jī)防御系統(tǒng)”(AUDS)(圖8所示)，由4頻段射頻抑制/屏蔽系統(tǒng)、光學(xué)干擾器和快速部署模塊組成，能夠在8km內(nèi)探測、跟蹤、識別和干擾壓制無人機(jī)。

圖8 英國開發(fā)的反無人機(jī)防御系統(tǒng)(AUDS)

MBDA公 司 推 出 “天空守望者”(Sky Warden)(圖9所示)，主要分系統(tǒng)包括：傳感器、軟殺傷效應(yīng)器和硬殺傷效應(yīng)器，傳感器部分使用了瑞典薩伯公司的Giraffe 1X雷達(dá)、CERBAIR公司的無源射頻傳感器、遠(yuǎn)程光電傳感器；軟殺傷效應(yīng)器使用了OPENWORKS公司的Skywall無人機(jī)捕捉網(wǎng)、KEAS公司的射頻干擾機(jī)、TELEDYNE e2v公司高功率微波武器；硬殺傷效應(yīng)器使用了 MBDA 公司 Mistral 導(dǎo)彈和 cilashelma 公司的激光武器。

圖9 Sky Warden系統(tǒng)組成

4 反無中雷達(dá)技術(shù)發(fā)展和方向

通常提到的無人機(jī)指表1中1、2、3級“低慢小”航空器。反無系統(tǒng)中雷達(dá)主要用于目標(biāo)探測和識別。

解決辦法首先要提高系統(tǒng)分辨力，使目標(biāo)和雜波落入不同分辨單元?？臻g角度上，可通過提高波束指向精度來實現(xiàn)，如提高探測頻段、使用較大陣面。空間距離上增加信號帶寬，實現(xiàn)良好距離高分辨力。

其次增加波束駐留時間，即增加波束對目標(biāo)的照射時間，實現(xiàn)長時相干積累，可以增加速度維多普勒通道分辨力。

再次對于無人機(jī)蜂群目標(biāo)采用兩維有源相控陣AESA技術(shù)，在實現(xiàn)長時駐留的同時實現(xiàn)系統(tǒng)多目標(biāo)能力。對于多個方向來襲目標(biāo)，采用多面陣協(xié)同探測的方式。AESA還具有多任務(wù)能力，可實現(xiàn)多功能雷達(dá)技術(shù)。

在識別上，除使用傳統(tǒng)目標(biāo)多普勒、信噪比、強(qiáng)度等信息外，還可使用目標(biāo)微多普勒特性從信號級進(jìn)行目標(biāo)識別，以及人工智能機(jī)器學(xué)習(xí)等方法從點跡信息進(jìn)行識別。

5 結(jié)束語

無論是無人機(jī)的發(fā)展還是反無人機(jī)的探測和處置，都是今后較長一段時間內(nèi)世界各國關(guān)注的重點。傳統(tǒng)手段和雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，再結(jié)合人工智能等新興學(xué)科的日益發(fā)展，必將給作戰(zhàn)方式帶來更新的發(fā)展和變化。