如何防范小型民用無人機系統？

托馬斯·帕默 約翰.P.蓋斯

小型無人機系統由于獨特的性能和集群規模優勢，在軍事任務中擔當越來越重要的角色，具有改變作戰游戲規則的潛力。小型無人機系統的廣泛使用逐漸成為軍事安全和民用安全的威脅。無人機產業的迅猛發展和廣泛應用對全球低空安全管理造成了前所未有的嚴峻壓力。無人機的安全監管問題成為全世界重點議論的話題之一。

二十一世紀的某個年份，在解決一場國際危機的外交和經濟努力失敗后，美國空軍受命領導一場重大的作戰行動，摧毀某敵對國家的戰略目標。在美國空軍某個本土基地，經過數周馬不停蹄的準備、計劃和協調后，由12架F-22隱形戰機和兩架KC-10空中加油機組成的第一波作戰機群只有兩個小時即將騰空而起，開始跨洋飛行。

在毫無預警的情況下，幾個小黑點出現在地平線上，并迅速迎頭向戰機逼近。隨著黑點越來接近，一個機長用肉眼識別出這些黑點是中型民用四軸飛行器，攜帶著幾個小型物體。為首的四軸飛行器向第一架戰機投擲出一枚鋁熱劑榴彈爆炸物，導致戰機的一個油箱破裂，燃起大火。接下來，另外一架四軸飛行器攻擊停機坪排列的最后一架戰機，導致其突然燃燒起來，阻斷其它1 0架飛機的逃離之路。又有5架四軸飛行器飛抵現場，摧毀其余的戰機，接著是那兩架KC-10空中加油機，導致20人犧牲，另外還有30人在熊熊大火中受傷。

在救援人員全力搶救時，又有1 0架四軸飛行器一窩蜂地飛抵機場，又摧毀了20架飛機，以及空軍基地巨大的燃料儲存罐。幾乎整個第五代戰機聯隊被燒成灰燼，損失數十億美元。沒有人知道操控四軸飛行器的人是誰，空軍基地人員愛莫能助，無法阻止這次猛烈攻擊，或有任何招架之功？雖然這純屬杜撰的場景，但是造成這種災難的技術卻存在于當今。

近年來，無人機系統（UAS）在普及性、可得性和性能方面出現爆炸性增長。隨著電池、照相機、飛行控制電腦，以及其他關鍵的無人機系統部件越來越小型化、廉價和多樣化，無人機系統的能力大幅提高。敵人無需接受正規訓練，只要通過使用一個簡單的智慧型手機應用程序，現在就能駕駛時速達113km/h、極易操控的四旋翼無人機。這種新技術向潛在的敵手提供一種針對友好目標的另外的和巨大進攻能力。

現代的小型無人機系統具備多種功能，能抵消目前美國空軍的很多能力。他們能自由地發動進攻、損毀空軍先進的隱形戰機和轟炸機、空中加油機和運輸機。小型無人機系統還能置關鍵的支援設施于危險之中。這種“邪惡的”無人機問題只會變得更遭。這些新的無人機系統能力讓使用者可能使興建的空基和陸基進攻和防御系統失效。因此，我們需要具備更好的能力，戰勝這些新的小型無人機系統。

為了探討這個問題，我們首先定義無人機系統擴散的問題并設定其框架，然后論述可能的敵手使用無人機系統并且詳盡闡明反無人機的能力，評估無人機系統的優勢和弱勢，展示敵手能使反無人機防御系統失效的方法，最后提出可能的解決辦法，最后為對付日益完善的無人機系統能力做進一步研究的提議。

無人機系統擴散問題

隨著信息時代的不斷發展，潛在的敵手注意到美國軍方無人機系統的成功，利用商用貨架產品，開發出他們的系統。在無人機系統霸主的問題上，美國空軍和國防部已不再獨占鰲頭。要實現戰術和戰略目標，已經可以不再需要龐大的國家出資的無人機系統項目。2014年8月，伊拉克和敘利亞的伊斯蘭國恐怖主義組織（ISIS）通過互聯網上傳了敘利亞軍方目標的視頻。這些視頻用簡易的、廣泛銷售的小型四軸飛行器拍攝。最近，伊斯蘭國恐怖主義組織在使用無人機作為攻擊運載工具的同時，用另外的無人機拍攝這些無人機攻擊的效果。

美國聯邦航空管理局（ FAA）估計，2016年，在美國出售的無人機系統大約為190萬架，預計到2020年無人機系統國內年銷售量增長到430萬架。這種擴散遍及全球，中國的銷售增長相仿。只要手中至少有130美元，幾乎任何人不需任何背景調查，也不需識別其是否有敵意企圖，都能購買一架可以運行的無人機系統。

潛在的敵手使用無人機系統

成本低廉、全球擴散、以及重量不足201b的無人機系統具備的能力，使得它們值得特別關注。未來的敵手能使用這些小型系統對空中和地面的軍事行動造成嚴重破壞，需要我們采取新的行動，保衛軍事資產和基地。小型無人機系統也能具備載荷能力、延程飛行，以及精度極高的全球定位系統或飛行員導航定位的能力。例如，DJl“精靈”3能攜帶21b的載荷，能以高達60km/h的速度飛行23min，如果自主導航，充電一次飛行21km，售價僅599～799美元。

雖然我們有防護空域免遭因疏忽造成小型無人機滲透的防御系統，但是這些防御能輕而易舉地被避開。可以改變設定無人機最大飛行高度只比起飛地點高120m的限制，以海拔6000m的最大高度飛行。同樣，雖然一些小型無人機具有使用其GPS位置決定其是否要進入敏感空域的地理限定，關閉GPS天線，能讓飛行員用視覺導航四軸飛行器到達任何地點。

視覺導航是通過第一人稱視角遙控（FPV）進行的。第一人稱視角遙控讓飛行員從無人機系統上的攝像機接收實時視頻圖像，這個圖像顯示在飛行員頭戴的視頻眼鏡上，或投視在安卓、iPhone或者iPad設備上。這種圖像向飛行員提供好像他們親身駕駛四軸飛行器一樣的視圖，這能讓操作員執行規避操作，或在飛往一個目標時導航一個秘密航線。

一種小型八旋翼無人機載荷重量為14.91b，其載荷能力相當于在攜帶用于FPV攝像機的同時，掛載6個爆炸物或者鋁熱劑榴彈。鋁熱劑榴彈僅重21b，燃燒熱度為4000℃，足能融化飛機外殼，造成油箱爆裂，導致飛機起火。飛機使用的鋁合金熔點僅為1180℃，破裂的油箱容易導致飛機本身的燃料著火。這種攻擊損壞或摧毀飛機，讓敵手獲得心理上的勝利。這些無人機系統的其他可能用途包括在跑道上放置釘刺帶，給飛機的輪胎放氣;投放碎片損壞飛機的引擎;向其他目標投擲爆炸物，甚至被用作擔任自殺性的角色。

在地面行動中，在起飛或降落時，甚至是在離機場較遠的延伸范圍，無人機系統的飛行員通過第一人稱視角遙控，可以將無人機系統飛入飛機的引擎。在飛機飛行關鍵的起飛或降落階段進行攻擊，無人機系統能增加造成更大損壞或災難性墜毀的幾率。

例如DJl“精靈”3等小型無人機能爬升到5791m的高度，從離機場很遠距離的地方發動攻擊，會使事故后的調查取證變得復雜，因為從那個高度產生的碎片散落的范圍很廣。從機場遠距離進行攻擊的可能性，加大了對遠程高保真反無人機系統偵測能力的需要。

任何稍有一點技術專業的人，只要有幾百美元以及下載一本電子書的時間，并且觀看“油管”（YouTube）的視頻，就能制造出他們自己的四軸/六軸/八旋翼直升機。這些自制的無人機系統能力或更強，能規避市場上可以買到的無人機系統的內置限制。

可能的對策

傳統的基地安全措施，其設計沒有針對發現和戰勝敵對的無人機系統。由于小型無人機系統的高速、機動性和生存能力，視覺觀察員發射小型武器的效果不大。傳統的基地/崗哨的安全柵欄也作用有限，因為使用第一人稱視角遙控的飛行員能飛越障礙，然后下降到目標上。“無人機防衛者”

“無人機防衛者”是一個201b的便攜式系統，看上去像一支巨型步槍，用于切斷無人機系統和飛行員之間的指揮鏈接。它的有效距離，從友軍的防衛者到敵對的無人機系統之間為400m。未來的研發將能讓這種系統干擾或欺騙GPS信號，阻止無人機系統使用精確導航的信號。

整體而言，“無人機防衛者”依靠觀察者發現無人機系統，然后瞄準并使用該系統。若使用得當，該系統如果干擾正確的指令鏈接頻率，就能迫使其飛行路徑失去聯系。倘若無人機系統逃離“無人機防衛者”30°波束寬度，無人機系統就可能恢復正常運行。

“無人機防衛者”的一個優點是，如果干擾產生不穩定和危險的無人機系統飛行路徑，這種非永久性的效果能被立即停止。它的缺點是400m的短距離，這將需要至少25個裝置和安全人員有效地覆蓋整個機場以及飛機停機坪。

在能夠部署更有能力的反無人機系統系統之前，這使得“無人機防衛者”成為一個簡單但資源密集的權宜之計。加強的區域防護和生存能力系統（EAPS）

美陸軍已測試過加強的區域防護和生存能力系統。這種系統能發射50mm口徑的彈藥，同距離1km開外的無人機系統交戰。該系統在無人機系統機動時發出行進中彈藥飛行路徑的修正信號，然后命令彈藥在最佳射程爆炸，擊落無人機系統。這產生連帶損毀和友軍相殘的擔憂，因此需要審慎的系統配置考慮和非常嚴格的交戰規則。

反火箭和迫擊炮系統（C-RAM）

目前，諾斯洛普·格魯門公司的反火箭和追擊炮系統是在海外部署的空軍基地防御系統。它使用雷達瞄準的加特林機槍，以每分鐘2000發的速度射擊，摧毀火箭和迫擊炮彈。

該系統也能針對距離].2km遠的無人機系統威脅來部署。動能連帶損毀的擔憂需要審慎的定位和使用程序。緊湊型激光武器系統“沉默打擊”

波音公司的緊湊型激光武器系統（CLWS）使用由雷達提示的破壞性激光和/或電光（EO）/紅外線相機追蹤敵對的無人機系統。這種10kW級的激光能熔化并摧毀2.5km開外的無人機系統。

這種系統無需依靠了解任何無人機系統指令頻率或導航技術，對任何改進的、使用自成體系導航技術的無人機系統有效。這種系統的缺點是在未達到或超過預定目標時導致的潛在連帶損毀。這限制交戰的窗口。激光還需要不會因天氣、煙霧或灰塵等遮蔽的相對晴朗的天空。周密設計空軍基地防御布局，能讓這種系統發揮其最大的潛力。

機動反無人機綜合能力（CMIC）系統

美國陸軍航空及導彈研發工程中心（AMRDEC）研發了機動反無人機綜合能力系統。反無人機綜合能力系統是一個開發成熟、經實兵測試、美國政府擁有的一體化和可升級的反無人機系統，能夠偵測、識別，然后擊敗敵方的無人機系統及其飛行員。

反無人機綜合能力系統使用很多普通的軍事部件，把多種傳感器整合成在一個易于理解的顯示屏上，向作戰人員提供敵方無人機系統以及飛行員位置的優越感知。該系統能提示多種光電、熱和電子傳感器，向操作人員提供高保真的威脅信息，然后協調非動能或動能效果，擊落無人機系統。反無人機綜合能力系統還能對指揮信號的來源做三角測量，找到飛行員的方位，從而能發射友軍無人機系統，或出動地面部隊搜尋無人機的飛行員。

為了減少后勤方面的復雜性，該設計把反無人機裝備安裝在現有的軍車上以及國防部廣泛使用的指揮和控制裝置上。反無人機綜合能力系統還配備不必使用車輛的“隨機器材包”。

反無人機綜合能力系統使用民用的SCR公司品牌LSTAR多普勒雷達來偵測小型無人機系統，甚至是禽鳥。偵測禽鳥的能力給予該系統附加的效用，協助有人駕駛飛機在起飛和降落時避免禽鳥。

無人機盾牌

無人機系統偵測的另外一個范圍是獨特的電機和旋轉的螺旋槳葉片的聲學特征。無人機盾牌公司制造的聲學傳感器，偵測無人機系統獨具的噪音，然后參考一個聲學特征庫，確定無人機的品牌和型號。無人機盾牌公布的無人機系統偵測范圍在使用遠程傳感器時為1km，而全向型偵測范圍為100m。

無人機系統從高于偵測限度的高度投擲武器，可能會使聲學偵測系統無效。使用聲學系統作為附加的傳感器來正確地識別無人機系統的類型，將能使得其他防御體系進行適當干擾或同威脅交戰。

高功率微波武器

如果美軍被部署在軍事基地以外一個幾乎沒有電子系統的地點，使用高功率微波（HPM）武器系統或是可行的，而不需要擔心連帶損毀。高功率微波武器能破壞無屏蔽的電子系統的線路和電路板的電流。高功率微波武器能對無人機系統飛行控制電腦造成廣泛的影響效果，從幾乎擾亂指揮信號，到“燒焦”電路板，致使無人機系統在飛行中立即發生故障。

未來的科學研究應著重在發展高功率的脈沖微波武器上，以戰勝無人機系統。研究的目標應該是產生一種脈沖微波效果，嚴重損壞敵方的無人機系統，而不會產生可能損壞友軍或民用系統的大量附加能量。

機場的改進

阻礙直接視線偵測無人機系統的高樓和樹木等密布的地區，能受益于高聳的圍欄，將無人機系統的威脅轉移到更容易觀察的地區。疏導攻擊無人機系統，讓安全部隊把聲學、雷達和攝像系統能力側重在更集中的地區。不過，不管采用什么樣的反無人機系統，應該在不能受到任何無人機系統干擾的所有高價值資產上空和周圍設立圍欄。

為了幫助捕獲敵方的或無知的無人機系統飛行員，需要研制無人機系統的“獵人殺手”，能迅捷飛向敵方的無人機系統，并且使用非動能（可能是小型化的脈沖高功率微波）或動能效果，使敵方的無人機系統喪失能力。這種非敵對的無人機系統也能搜尋并識別敵對的飛行員，讓我軍部隊逮捕身處美國飛行員或在作戰區用動能武器與其交火。

潛在的敵對反制措施

很多軍事武器開發的歷史案例表明，隨著對抗新威脅防御措施的出現，敵對者隨之調整裝備，降低新防御措施的有效性。雖然此前詳盡闡述的反無人機系統系統能力很強，他們當中很多系統依靠干擾無人機系統和飛行員之間的指揮鏈路，迫使無人機系統執行迷失的飛行路徑。程序化的迷失飛行路徑可能讓無人機返回基地、盤旋或只是立即降落。

敵對的行為者能使用無人機系統的自主飛行模式，繞過這個迷失問題，使用GPS、伽利略、GPS輔助型靜地軌道增強導航/印度洋區域導航衛星系統、北斗或格洛納斯全球導航衛星系統導航星座來控制飛行路徑。如果GPS信號被干擾或誑騙或如果無人機系統故意不裝備GPS以使任何干擾、誑騙或地理防御限制無效，慣性導航系統（INS）能用來給無人機系統導航。

慣性導航系統工作的原理是，在它飛向目標時，知道起飛地點，然后感知移動和飄移，以此確定無人機系統目前的位置。慣性導航系統不需要任何外界信號的要求來給無人機系統導航。另外一種使通信鏈路干擾無效的技術是，敵方飛行員輸入目標坐標作為“返回基地”，因此，在干擾系統切斷與飛行員的指揮鏈接時，無人機系統實際上在飛向目標。使用自主飛行模式把精確的目標坐標輸入到無人機系統，而不需要使用FPV特性，只會稍許降低導航的精確性。敵人只需一點點巧思和設備改裝，就能使很多目前戰勝無人機系統系統的機制失效。

美國現行的法律還限制使用反無人機系統防御系統的全部能力。美國聯邦航空局認為無人機系統是民用飛機，必須遵守安全要求和規定。

由于無人機系統被認為是民用飛機，除非認定是出于國防利益或出于自衛的原因，否則禁止安全部隊擊落無人機系統。

鑒于快速確定一架無人機系統的意圖幾乎不可能，現行的指導方針可能會導致應對的延誤，從而給敵人完成他們使命的關鍵時間。美國空軍必須要制定規程并且獲得美國聯邦航空局和所有必要的法律準許來使用反無人機系統防御系統，應對在軍事空域飛行的任何不明的無人機系統，無論其在軍事地區上空與否。

在選擇海外基地地點的過程中，必須要重點考慮空軍基地周邊空白區的大小，確保基地的防御。超大的緩沖區能允許更具攻勢的反無人機系統系統，例如反火箭和迫擊炮系統加特林機槍系統，或使用摧毀性激光系統，如緊湊型激光武器系統。

建議

近期而言，美國政府必須確定哪個部門將牽頭解決無人機系統問題。雖然國防部在戰區起主導作用，但在美國境內，有很多民用和軍事機構在解決無人機系統問題，這可能會導致混亂。要取得進展，需要整個政府的努力。美國空軍、國防部、美國聯邦航空局、商務部和國土安全部必須迅速組建一個跨政府部門團隊，制定全盤政府對策，部署有效的反無人機系統防御系統。這些機構還必須要協調一致空域防衛規程，就保持美國空軍維持空中優勢能力的更寬松的法律權限向國會提出建議。

美國國防部、美國聯邦航空局必須立即啟動更積極的全國范圍的無人機系統教育活動。在軍用機場周圍及起降走廊附近放置“無人機禁飛區”標識，標明電話號碼，報告非法的無人機系統活動，將能提高教育和執法能力。軍方同當地媒體的公關活動將最大限度地減少不了解新規定的無人機系統飛行員的數量。接受良好教育的公眾應降低無知的空域侵入數量，從而讓安全部隊能迅速決定敵對意圖，立即采取適當的行動。

如果不能修改法律，授權擊落敵對的無人機系統，那么另外一種選擇是，加大對空域和程序違規的處罰。D級（有空中交通管制塔的空域，如大多數空軍基地）和空中禁區（通常軍事轟炸靶場）的違例，構成最大的危險，因為這些地方通常頻繁起降速度很快的軍機。除非對無知的或無所顧忌的無人機系統飛行員的處罰廣而告之并始終如一地執行，否則公眾就不會重視新的無人機系統飛行規定。

美國空軍的安全部隊與其他國防部安全單位及主要執法機構密切協調，必須進行定期的訓練演習，包括敵對無人機系統場景。對跨越多個警方的轄區，飛入軍事空域的敵對無人機系統的反應，必須經過精心演練，法律審查和訓練，達到處理“前門闖入者”狀況的相同水準。例如，如果某人從基地外駕車通過某空軍基地檢查站而不停車的話，警衛接受過訓練要如何警告駕駛員，然后采取審慎和適當的行動，包括直到采取致命的武力。安全部隊必須有應對無人機系統侵入軍事空域的類似精心演練的反應，這樣他們才不會因優柔寡斷而無所適從，或反應過度，使用手槍或步槍，對背景中的飛機造成災難性的破壞。

在采購足夠的反無人機系統防御系統并且完全部署之前，可能需要一個系統中系統的策略來發現跨越各種能譜的無人機系統，在它能完成其毀滅任務之前，提示傳感器和武器將無人機系統殲滅。改善機場和匝道照明，或增加額外的低亮度的電光和熱成像系統，是相對來說費用低和常見的解決方案。

與具有合作精神的民眾良好協作，將能讓傳感器安裝在現有的基礎設施上，提供對機場起降走廊的監視。這些低成本的監視系統至少讓安全部隊能稍微增加警覺，意識到某人在他們機場附近飛行敵對的無人機系統。

為降低對非敵方的電子系統造成自相毀壞，合適的實驗室必須測試反無人機系統系統同現有的機場和國防部系統之間的互通性。了解整合定向能武器、無人機系統偵測雷達以及其他傳感器的效果，確保它們與飛機導航和通信系統、飛行控制計算機、儀表著陸系統、GPS接收、及空中交通管制（ATC）雷達的安全互通性，需要進行額外的測試。需要對這些系統和它們的人工操作者進行評估，確保反無人機系統系統不會對軍事行動造成危險。

必須要完善反無人機系統操作人員和ATC機構之間的程序，迅速將敵方無人機系統的位置傳給空中的飛機以指示規避動作。在發射武器時，還必須要密切協調，防止自相殘殺。有利的一點是，大多數反無人機系統武器系統能在短時間內部署，在幾秒到幾十秒范圍內。這應能使對飛行行動的干擾降到最低。

由于機動反無人機綜合能力系統相對成熟以及持續不斷、自動地把多個傳感器融合成一個完整的戰場圖像的能力，是目前最有希望的系統。機動反無人機綜合能力系統系統的大約成本，不包括運載工具，系統本身為100萬美元，LSTARS雷達110萬美元。由于機場附近因地勢、建筑物、樹木等導致的視線問題，多個雷達或安裝在高塔上的傳感器可能需要360°的能見度。機動反無人機綜合能力系統的優點是其多個傳感器融合以及多種交戰方式。隨著技術的進步，其他系統可能會在能力上取代機動反無人機綜合能力系統，但我們的研究強烈建議，未來最佳的系統將包含融合不同的傳感器，發現甚至是最小型的無人機系統，提供能同單個無人機系統到無人機系統集群威脅交戰的各種防御機制。

隨著無人機系統技術在未來5～10年的持續進展，民用無人機系統對民用工商業會變得越來越普及和有用，因此會增加友善的無人機系統在擁擠的空域和更高的高度飛行的整體數量。

由于這種擁擠的增加，強大的偵察和完美無暇的空中識別必不可少，才能迅速鎖定敵對的或可疑的無人機系統。由于空域充滿了無人機系統，有人駕駛飛機將很快需要機載偵察功能或連接陸基的感知和規避系統，躲避單個和集群無人機系統的空中威脅。

數以千計的無人機系統在低空飛行的增加，再加上常見的鳥禽危險，可能使軍事低空飛行訓練更加危險。這種風險可能會將低空訓練限制在封閉區，致使訓練的價值等于零，從而制約軍用飛機機動演習的選項。必須立即啟動發展機載無人機系統規避設備。

結束語

由于無人機系統功能的改善，以及在民用市場出售的絕對數量的增加，敵對無人機系統的威脅將以指數級的速度變得越來越嚴重。由于敵對無人機系統和有人駕駛飛機相撞引起重大、災難性的生命損失的風險持續上升，美國空軍必須協調并加快各種努力，獲取保護機組人員和飛機的反無人機系統系統。

雖然沒有任何單一的系統能使每個可預見的無人機系統威脅失效，AMRDEC的機動反無人機綜合能力系統，或與其相似的更先進系統，似乎是目前解決棘手的敵對無人機系統干擾問題的最佳系統。融合多種傳感器和多種針對敵對無人機系統的交戰選擇，是一種威力強大的組合。雖然這種系統可能造價昂貴，先行一步能拯救很多生命和節省數百萬美元，同時也剝奪敵人進一步推動他們目標的另外一種攻擊方式。一種不可替代的、造價1.43億美元的F-22“猛禽”，或造價9800萬美元的F-35“閃電”Ⅱ聯合攻擊戰斗機敗給價值799美元的敵對無人機系統，將使造價210萬美元的反無人機系統系統，諸如機動反無人機綜合能力系統之類，看起來非常便宜。

機動反無人機綜合能力系統系統還提供其他的優勢，能發現對航空運營構成危險的鳥禽，與此同時持續不斷的嚴陣以待，戰勝敵對的無人機系統。

本文建議采購AMRDEC的機動反無人機綜合能力系統或類似的系統，讓一小批空軍人員維護和操作，以此作為24h全天候保衛機場的技術解決方案。與此同時，必須要獲得部署其所有能力的法定權力。國防部、國土安全部、航空管理局、美國空軍、運輸部和商務部可以組建一個跨部門團隊的關鍵實體，必須相互協作，并向國會提出解決無人機系統問題的法律的修改。

安全人員必須具有法定權力，宣布在軍事空域飛行的任何未經授權的無人機系統為敵對威脅，無論敵對的無人機系統是在民產或軍產上空飛行，都能采取行動。安全部隊必須獲準立即在非敵對領域范圍內以非動能的方式同威脅交戰，如果在作戰區域，使用動能方式同威脅交戰，如果敵對的無人機系統在軍產以外被壓制，美國空軍必須具有規程讓軍事基地以外的公民執法機構保護被擊落的無人機系統并且逮捕違規的飛行員。

如果本文引言中所虛構的機場適當配備了反無人機系統系統，這次攻擊將會是一次空中優勢成功的故事，而不是一場噩夢的景象。美國的敵人使用這些能力難以置信的無人機系統威脅，試圖戰勝世界最先進的空軍得逞，可能只是個時間問題。