無人機(jī)蜂群與激光反無技術(shù)應(yīng)用研究

任 彥 楊 怡 趙 平

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

近年來，各國政府及軍事組織對無人機(jī)技術(shù)在戰(zhàn)爭中的實(shí)際應(yīng)用都十分重視，尤其是正在成為一種新型作戰(zhàn)樣式的無人機(jī)蜂群技術(shù)，其“低、慢、小”的特點(diǎn)本身就使傳統(tǒng)防空體系中的雷達(dá)極難發(fā)現(xiàn)，加上無人機(jī)數(shù)量眾多、群體智能以及協(xié)同作戰(zhàn)等優(yōu)勢，給傳統(tǒng)防空體系帶來了極大威脅。與此同時，反蜂群無人機(jī)作戰(zhàn)也相應(yīng)得到了各方組織的研究和推進(jìn)，在反無作戰(zhàn)的偵察探測、跟蹤干擾、利用防空武器實(shí)施毀傷等方面作了一定研究。

本文先從2020年9月份爆發(fā)的納卡軍事沖突入手，分析了沖突中無人機(jī)技術(shù)在實(shí)際戰(zhàn)爭中的應(yīng)用效果，以國外小精靈與灰山鶉蜂群項目以及國內(nèi)中電科和兵器工業(yè)研制的相關(guān)蜂群項目為例，介紹了目前國內(nèi)外無人機(jī)蜂群技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，并由此引出當(dāng)前反無人機(jī)領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)進(jìn)展，結(jié)合具體試驗(yàn)驗(yàn)證了激光壓制對無人機(jī)觀瞄系統(tǒng)的破壞，觀瞄系統(tǒng)破壞以后無人機(jī)無法鎖定目標(biāo)而失去打擊能力，證實(shí)了此方法的可行性、實(shí)用性和有效性。

1 無人機(jī)在納卡沖突中的應(yīng)用

2020年9月27日，阿塞拜疆和亞美尼亞兩國就“納卡”地區(qū)歸屬問題爆發(fā)嚴(yán)重武裝沖突。沖突中大量“察打一體”無人機(jī)和巡飛彈競相亮相，將新時代高科技戰(zhàn)爭下傳統(tǒng)防空系統(tǒng)的缺點(diǎn)暴露無疑。

納卡沖突的轉(zhuǎn)機(jī)出現(xiàn)在阿塞拜疆大量使用了以色列產(chǎn)“哈洛普”和“天空襲擊者”自殺式無人機(jī)，以及土耳其產(chǎn)TB-2察打一體無人機(jī)對亞美尼亞防空網(wǎng)絡(luò)發(fā)起密集攻擊以后，使亞美尼亞部署在納卡地區(qū)的俄制S-300防空系統(tǒng)雷達(dá)首次在戰(zhàn)爭中被摧毀，同時亞軍SA-8防空導(dǎo)彈、“驅(qū)蚊劑”無人機(jī)干擾系統(tǒng)均遭到阿軍無人機(jī)優(yōu)先打擊。整個沖突中，阿塞拜疆國防部宣稱摧毀亞軍坦克/裝甲車250多輛，輸送車150多輛，火炮270余門，防空系統(tǒng)60多臺套(含S-300系統(tǒng)一套)，地面指揮中心11個，軍械庫8處，亞美尼亞地面作戰(zhàn)力量遭受重創(chuàng)。

從阿塞拜疆發(fā)布的無人機(jī)攻擊畫面中能清晰地看到無人機(jī)對亞美尼亞軍事設(shè)施實(shí)施打擊的準(zhǔn)確性和有效性。

圖1 土耳其TB-2無人機(jī)

圖2 “哈洛普”無人機(jī)發(fā)射

由上述圖片可以看出，無人機(jī)在實(shí)戰(zhàn)中先通過高精度觀瞄系統(tǒng)來完成目標(biāo)鎖定，然后實(shí)施精確有效的打擊。如圖4所示，阿塞拜疆使用的“哈洛普”無人機(jī)使亞軍俄制S-300防空系統(tǒng)第一次在戰(zhàn)斗中被擊中癱瘓并退出戰(zhàn)斗。如圖3、圖5到圖8所示，阿塞拜疆派出以TB-2為首的察打一體無人機(jī)對亞美尼亞的火炮陣地，坦克陣地等主戰(zhàn)裝備進(jìn)行了滅頂式打擊。T5-72坦克，D-20 152 mm加榴炮，BM-21冰雹火箭炮，BMP-2步戰(zhàn)車以及薩姆8防空系統(tǒng)等在無人機(jī)的打擊下毫無還手之力。

圖3 被TB-2擊中的亞美尼亞T-72坦克

圖4 被鎖定的S-300系統(tǒng)陣地

圖5 亞美尼亞152mm加榴炮被摧毀

圖6 掩體里被鎖定的亞美尼亞BM-21冰雹火箭炮

圖7 掩體里被摧毀亞美尼亞BMP-2步戰(zhàn)車

圖8 被命中的薩姆8防空系統(tǒng)

2 蜂群技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

納卡沖突顯示出在新時代信息化戰(zhàn)爭中采用低成本、大規(guī)模的同構(gòu)或者異構(gòu)的無人機(jī)群來參與戰(zhàn)爭將成為未來一種新型作戰(zhàn)模式，蜂群系統(tǒng)作戰(zhàn)流程示意圖如圖9所示，現(xiàn)將國內(nèi)外最主要的無人機(jī)蜂群技術(shù)的發(fā)展做以簡述。

圖9 蜂群系統(tǒng)作戰(zhàn)流程示意圖

2.1 小精靈項目

“小精靈”項目由美國國防高級研究計劃局(DARPA)于2015年9月對外公布，重在研究基于無人機(jī)蜂群的偵察及電子攻擊效能，旨在證明多架無人機(jī)可從一架遠(yuǎn)離敵方防御系統(tǒng)的C-130運(yùn)輸機(jī)上安全發(fā)射并回收。并于2017年3月完成了項目第一階段，即對復(fù)合材料工程公司、Dynetics公司、通用原子航空系統(tǒng)公司和洛馬公司完成合同授予，論證無人機(jī)空中發(fā)射和回收系統(tǒng)的可行性。第二階段于2018年4月完成，即完成系統(tǒng)初步設(shè)計和風(fēng)險降低驗(yàn)證。第三階段是為期約1年半的演示驗(yàn)證飛行試驗(yàn)，目標(biāo)是使C-130運(yùn)輸機(jī)在30分鐘內(nèi)發(fā)射和回收4架X-61A無人機(jī)。該階段中Dynetics公司(已被美國雷多斯公司收購)提供了5架無人機(jī)，但其中一架在2019年11月進(jìn)行的首次測試中由于降落傘故障而墜毀。2020年春季由于受新冠疫情影響導(dǎo)致第二次飛行延期至7月份完成，但有一架無人機(jī)降落時系統(tǒng)氣囊沒有完全充氣，使得機(jī)體后端著地速度過快，最終出現(xiàn)了垂直安定面斷裂。最新消息，DARPA和美國空軍決定增加第四階段，計劃于2021年度完成與Dynetics公司的合同簽訂，第四階段將重點(diǎn)聚焦作戰(zhàn)能力，旨在通過兩年時間使X-61A能夠執(zhí)行壓制/摧毀敵防空系統(tǒng)的任務(wù)。這將涉及到無人機(jī)與監(jiān)偵傳感器、自主系統(tǒng)的整合等問題。

圖10 小精靈無人機(jī)

圖11 小精靈空中部署示意圖

2.2 “灰山鶉”微型無人機(jī)項目

美國防部戰(zhàn)略能力辦公室(SCO)2014年啟動了“無人機(jī)蜂群”項目，旨在通過有人機(jī)空射“灰山鶉”微型無人機(jī)蜂群執(zhí)行低空態(tài)勢感知和干擾任務(wù)。2017年1月，SCO主持開展了“山鶉”微型無人機(jī)演示驗(yàn)證項目，進(jìn)行了群體飛行演示。海軍3架戰(zhàn)斗機(jī)投放了103架無人機(jī)展開飛行任務(wù)，這些無人機(jī)蜂群在統(tǒng)一的指揮控制下，完成了自主協(xié)同、群體決策及自主編隊飛行等多種任務(wù)?！盎疑靳嚒睙o人機(jī)長約16.5 cm，翼展30 cm，投放質(zhì)量約0.3 kg，續(xù)航時間大于20 min，飛行速度可達(dá)110 km/h。其結(jié)構(gòu)如圖13所示。

圖12 灰山鶉無人機(jī)實(shí)物圖

圖13 灰山鶉無人機(jī)結(jié)構(gòu)說明

2.3 中國電科無人機(jī)蜂群項目

2020年10月13日，中國電子科技集團(tuán)公司電子科學(xué)院官方對外宣稱，該院在近期開展了陸空協(xié)同的固定翼無人機(jī)蜂群系統(tǒng)相關(guān)試飛工作和驗(yàn)證試驗(yàn)。包括采用陸上發(fā)射、空中投射的方式，利用蜂群執(zhí)行對地察、打、精確定點(diǎn)清除等各類任務(wù)，還包括車載快速部署、同步密集發(fā)射、運(yùn)動狀態(tài)投放，蜂群陣型快速轉(zhuǎn)變等一系列流程任務(wù)執(zhí)行能力的驗(yàn)證。從中電科公布的視頻來看，該系統(tǒng)包含一輛6×6的“猛士”車及48管發(fā)射器，每一管都可發(fā)射一架固定翼無人機(jī)，底盤可快速進(jìn)行部署和發(fā)射，無人機(jī)從發(fā)射管彈出后張開彈翼自主飛行。一次密集發(fā)射就能將48架無人機(jī)投射上空，進(jìn)行精確編隊，形成換裝以及地面檢查和精確打擊。在2021年9月28日舉辦的珠海航展上，中國電科的車載無人機(jī)蜂群系統(tǒng)驚艷展出，展會上“蜂群1號陸戰(zhàn)車”的亮相標(biāo)志著我國在蜂群無人機(jī)領(lǐng)域走在了世界前沿。

2.4 中國兵器工業(yè)某蜂群項目

該項目由中國兵器工業(yè)集團(tuán)公司某研究所承擔(dān)，旨在研究無人機(jī)蜂群技術(shù)在電子對抗領(lǐng)域的實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用，即對地面雷達(dá)或其他輻射源能實(shí)施有效的偵察和各種樣式的干擾，相較于傳統(tǒng)干擾模式，分布式蜂群技術(shù)更有利于對敵威脅源實(shí)施強(qiáng)有力的干擾壓制，如圖16所示。該項目根據(jù)應(yīng)用場景的不同，在自衛(wèi)，隨隊，遠(yuǎn)距離支援，近距離支援等作戰(zhàn)模式下做了大量試驗(yàn)，在無人機(jī)編隊，協(xié)同飛行，陣型變換，偵察干擾策略等方面做了大量研究，已初步符合實(shí)戰(zhàn)需求，實(shí)際應(yīng)用中干擾效果明顯，如圖17所示。

圖14 蜂群1號陸戰(zhàn)車

圖15 無人機(jī)

圖16 傳統(tǒng)作戰(zhàn)干擾模式和蜂群作戰(zhàn)干擾模式對比圖

圖17 多假目標(biāo)和相參噪聲干擾效果圖

除上述蜂群項目以外，還有拒止環(huán)境中的協(xié)同作戰(zhàn)(CODE)項目，美國海軍研究局(ONR)公布的“低成本無人機(jī)蜂群”(LOCUST)項目，歐盟委員會信息社會技術(shù)計劃(IST)資助的多異構(gòu)無人機(jī)實(shí)時協(xié)同和控制項目(COMETS)；歐盟委員會信息通信技術(shù)計劃(ICT)啟動的面向安全無線的高移動性協(xié)同工業(yè)系統(tǒng)的估計與控制項目(EC-SAFEMOBIL)；此外，俄、韓等國也啟動了蜂群作戰(zhàn)的相關(guān)研究。

3 反無人機(jī)技術(shù)

3.1 常規(guī)反無人機(jī)技術(shù)

目前來講，常規(guī)反無人機(jī)技術(shù)主要有三種。利用防空武器對敵方無人機(jī)實(shí)施直接打擊，但成本高昂的防空彈藥和價格低廉的無人機(jī)相比，給采用這種手段的參戰(zhàn)國家?guī)砹司薮蟮慕?jīng)濟(jì)壓力，并且對傳統(tǒng)的防空雷達(dá)發(fā)現(xiàn)“低慢小”目標(biāo)的能力帶來巨大考驗(yàn)。

此外，也可采用反無人機(jī)干擾槍或者機(jī)動型干擾車對無人機(jī)進(jìn)行電子干擾，阻斷無人機(jī)通信控制鏈路來使它不受控，例如俄羅斯的"驅(qū)蚊器"系統(tǒng)，但在納卡沖突中該系統(tǒng)也有被無人機(jī)摧毀的影像，因此電子干擾的可靠性還需不斷提高。

使用裝甲車輛攜帶的煙幕彈對無人機(jī)進(jìn)行干擾，這種方法只能用于高機(jī)動裝備的迅速轉(zhuǎn)移，煙幕彈發(fā)射后持續(xù)時間短且數(shù)量有限，無法持續(xù)地應(yīng)對空中威脅。

此外，高能微波武器、導(dǎo)航欺騙、網(wǎng)絡(luò)入侵控制以及蜂群格斗等方法也在持續(xù)研究中。反無人機(jī)系統(tǒng)工作策略流程如圖18所示。

圖18 反無人機(jī)系統(tǒng)工作策略流程圖

3.2 激光反無人機(jī)技術(shù)

激光干擾作為目前行之有效且成本低廉的反無人機(jī)技術(shù)受到各方格外關(guān)注，激光武器不僅可對無人機(jī)進(jìn)行硬毀傷，也可對其配備的高精度智能觀瞄系統(tǒng)進(jìn)行精確打擊，迫使無人機(jī)上的CCD傳感器損壞從而無法鎖定目標(biāo)或者直接致盲，這樣無人機(jī)便失去了作戰(zhàn)意義。下面以某光電干擾系統(tǒng)為例來說明激光在反無人機(jī)方面的使用。

該試驗(yàn)的主要參試設(shè)備為6架配備了高精度智能觀瞄系統(tǒng)的八旋翼無人機(jī)，3輛綜合光電防護(hù)系統(tǒng)和一輛搜索雷達(dá)。雷達(dá)與3輛綜合光電防護(hù)系統(tǒng)分別實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)連通，以保證數(shù)據(jù)的實(shí)時交互，試驗(yàn)流程由配備了指揮與監(jiān)控系統(tǒng)的作戰(zhàn)指控中心全程指揮完成。

試驗(yàn)中，作戰(zhàn)指控中心首先下發(fā)無人機(jī)起飛指令，然后6架已編號的無人機(jī)統(tǒng)一編隊以4～5 m/s的速度，在水平距離防護(hù)車3 km、高度100 m的空中進(jìn)行方位上的移動，當(dāng)無人機(jī)分別通過觀瞄系統(tǒng)鎖定光電防護(hù)車后，將鎖定目標(biāo)的信息及實(shí)時畫面?zhèn)魉偷阶鲬?zhàn)指控中心。指控中心收到無人機(jī)上報的信息并對雷達(dá)下發(fā)目標(biāo)搜索指令，雷達(dá)收到指令后完成對6架無人機(jī)的搜索，并立即將6批目標(biāo)的坐標(biāo)分別下發(fā)至3輛光電防護(hù)系統(tǒng)。由于參試的光電防護(hù)系統(tǒng)所配備的紅外搜索設(shè)備只能同時搜索并截獲2批目標(biāo)，所以雷達(dá)將第1批和第2批目標(biāo)坐標(biāo)下發(fā)至1號光電防護(hù)系統(tǒng)，將第3批和第4批目標(biāo)坐標(biāo)下發(fā)至2號光電防護(hù)系統(tǒng)，將第5批和第6批目標(biāo)坐標(biāo)下發(fā)至3號光電防護(hù)系統(tǒng)。3輛光電防護(hù)系統(tǒng)收到雷達(dá)分別下發(fā)的坐標(biāo)后迅速通過紅外搜索設(shè)備對相應(yīng)目標(biāo)先行實(shí)時搜索，之后轉(zhuǎn)入截獲狀態(tài)，并將該狀態(tài)信息上報指控中心。此時，指控中心下發(fā)激光開啟指令，3輛光電防護(hù)系統(tǒng)根據(jù)指令迅速開啟激光對目標(biāo)進(jìn)行可見光波段的激光壓制。當(dāng)六架無人機(jī)的觀瞄系統(tǒng)逐一被激光毀傷導(dǎo)致丟失目標(biāo)以后，指控中心通過監(jiān)控畫面確認(rèn)這一結(jié)果，并下發(fā)雷達(dá)停止搜索及激光關(guān)閉的指令，整個試驗(yàn)流程結(jié)束。

本試驗(yàn)成功的關(guān)鍵因素是紅外設(shè)備能夠快速實(shí)時地截獲無人機(jī)，并且當(dāng)一批目標(biāo)被毀傷后能夠依據(jù)雷達(dá)提供的目標(biāo)坐標(biāo)信息迅速切換到下一目標(biāo)。試驗(yàn)場景示意圖及激光干擾效果圖如圖19所示。

圖19 激光干擾無人機(jī)場景圖

圖20為參試的八旋翼無人機(jī)實(shí)物圖。由圖21可看出，無人機(jī)觀瞄系統(tǒng)在空中精確地鎖定了光電防護(hù)車。圖22看出，當(dāng)收到指控中心下發(fā)的激光開啟指令后，光電防護(hù)系統(tǒng)的激光有效開啟，無人機(jī)觀瞄系統(tǒng)整個畫面完全被激光壓制式覆蓋，導(dǎo)致在觀瞄系統(tǒng)上無法看出防護(hù)車所在位置，此時無人機(jī)已基本上失去了打擊能力。由圖23可看出，激光壓制干擾以后，無人機(jī)丟失目標(biāo)，不再鎖定防護(hù)車，而且觀瞄系統(tǒng)上出現(xiàn)了壞點(diǎn)，這種壞點(diǎn)將導(dǎo)致再次使用觀瞄系統(tǒng)時其只能鎖定在壞點(diǎn)上，使該無人機(jī)失去使用價值。說明激光對無人機(jī)觀瞄系統(tǒng)的毀傷完全有效可行。

圖20 八旋翼無人機(jī)

圖21 無人機(jī)鎖定目標(biāo)

圖22 發(fā)射激光干擾

圖23 無人機(jī)目標(biāo)丟失

由此試驗(yàn)試想，倘若面對數(shù)以千計的蜂群無人機(jī)，只要配備一定數(shù)量的雷達(dá)和光電防護(hù)系統(tǒng)，增大光電防護(hù)系統(tǒng)中紅外搜索設(shè)備可截獲的目標(biāo)批數(shù)以及激光發(fā)射功率，并且設(shè)備的反應(yīng)時間足夠迅速，完全可以通過硬毀傷來實(shí)現(xiàn)對各種類型蜂群無人機(jī)的打擊，以達(dá)到激光反蜂群的目的。

4 結(jié)束語

文中通過對納卡沖突的分析來說明無人機(jī)蜂群技術(shù)已成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭中備受關(guān)注的戰(zhàn)術(shù)方法，由此得出反蜂群無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展也迫在眉睫。蜂群技術(shù)和反蜂群無人機(jī)技術(shù)將在未來的戰(zhàn)術(shù)研究中持續(xù)表現(xiàn)出必要性和緊迫性。目前，從國外無人機(jī)蜂群技術(shù)的成熟度來看，國內(nèi)尚需加大科研投入，且在反無方面同樣需要大力發(fā)展。文中通過對無人機(jī)蜂群與激光反無技術(shù)的分析，為后續(xù)相關(guān)研究起到了一定的促進(jìn)作用。