面向通信脆弱性的反小型無人機系統分析與評估

◎李雨鍇 胡浩 黃天禹 劉文斌

◎1、西南交通大學；2、北京賽迪軟件測評工程技術中心有限公司

針對低慢小無人機、蜂群無人機的發展引發的安全防御難題，本文深入分析小型無人機的通信脆弱性問題，借鑒美軍對反蜂群無人機等項目的評估和美國防部反小型無人機戰略，提出了反小型無人機系統的四點評估建議，為無人機網絡安全測評與反小型無人系統測評提供參考。

一、引言

近年的沙特油井遇襲事件、第二次納卡戰爭，是無人機成為戰爭舞臺主角的重要轉折點。未來軍事強國之間的戰爭必然是高烈度、高技術水平的對抗，無人機也逐漸從戰爭輔助支援工具轉變為殺傷性主戰裝備。隨著蜂群作戰、忠誠僚機、馬賽克戰等新型作戰概念深入推進，無人機在國家安全中的作用日益凸顯，甚至將直接影響戰爭結果[1]。

美國陸軍2006年就推出了無人機作戰手冊，加快了無人機作戰應用的步伐[2]。無人機應用的迅速發展導致其帶來的對關鍵設施、重要目標的威脅甚至攻擊能力也在快速提升[3]。蜂群式/集群式無人機發射靈活，使用成本低，發展十分迅速，軍用固定翼式無人機蜂群測試在2018年已達到同時出動200架的規模；同年，民用旋翼式無人機蜂群單次出動能力已超過2000架[4]。

小 型 無 人 機 系 統（small Unmanned Aircraft Systems，sUAS）能夠快速轉變為攻擊手段或武裝力量，這提升了各類反小型無人機系統（Counter-small Unmanned Aircraft Systems，C-sUAS）的技術與能力發展需求。重要人物、大型慶典活動的安全反恐，油田等重要工業基地、機場高鐵等交通命脈、金融與數據中心等關鍵基礎設施的安全防衛，防空預警系統、后勤補給基地、海上艦艇編隊等軍事重地與軍事活動安全保障，亟需推進軍民C-sUAS的規劃設計與部署[5]；集群化、智能化的小型蜂群無人機的發展及其帶來的作戰方式的改變，提升了C-sUAS系統的設計難度[6]。上述各類需求和場景，使得一方面C-sUAS的的防御手段、裝備建設需要跟得上無人機的攻擊能力快速發展節奏，另一方面也促使C-sUAS的分析與評估體系構建及其能力建設都變得更加迫切。

國內以節慶演示為代表的民用小型無人機發展較快，對小型無人機的遙控、圖傳等通信鏈路反制等技術關注較多，但從安全測評角度來看，行業缺乏反無人機的科學的、體系的評估方法。因此，有必要研究并對比國外的反無人機方法和戰略[7-11]，如美國的C-sUAS的經驗。調查發現，控制、數據回傳等通信鏈路是小型無人機的主要薄弱點，也是C-sUAS系統感知與反制的主要目標。分析以反制無線通信網絡為主要手段的美軍反無人機項目評估與測試，可借鑒用于國內C-sUAS系統綜合效能評估，加快國防與安防等領域C-sUAS能力的提升。

論文下述部分安排如下：首先分析了無人機的類別和典型的反無人機系統，然后對比了各類無人機檢測識別方法和典型的反無人機手段優缺點，接著研究了美軍的反蜂群及小型無人機的評估方法以及發展戰略，最后提出了圍繞通信脆弱性的小型無人機對抗反制方法，并提出了促進反小型無人機系統發展的四點評估建議。

二、無人機的分類

無人機的分類是反無人機的出發點，只有明確了無人機目標對象，才能有的放矢建立科學的反制措施。根據文獻[7]美國防部反小型無人機戰略的附件描述，無人機一般分為5類，如表1所示。該分類方法考慮了起飛總重量、飛行高度、速度等參數，也是美國陸軍反小型無人機條令和工程測試發展起來的[10-11]，其中小型無人機主要針對其中的組1和組2。

表1 無人機分類方法1

文獻[8]描述了產業界的通用分類方法，與文獻[7]類似，也分為5型，但除了飛行高度外，還綜合考慮了任務半徑、載荷重量等，且類別描述更清晰，如表2所示。本文的小型無人機系統主要針對等級I和等級II，其中等級I又包含了微型和迷你型。

表2 無人機分類方法2

三、反無人機方法與分類

（一）典型的無人機檢測識別手段

反無人機系統的首要任務是對無人機目標進行檢測識別，主要手段如表3所示。各種手段可根據設備自身是否主動發射信號，分為主動、被動兩個大類；各種手段根據適應天氣情況、識別距離、識別準確率、建設成本等，具備不同的適用性特點。檢測手段中，雷達搜索比較成熟，但戰場安全性低，易成為反輻射攻擊的目標；以通信信號為主的電磁信號檢測識別，適用性強，安全性高。

表3 無人機檢測技術手段

（二）典型的無人機反制手段

典型的無人機反制手段，包括導彈（Missles）、槍炮（Guns）、激 光 系 統（Power Laser Systems）、電 子 對 抗措 施（Electronic Counter Measures，ECM）、高 功 率 微 波（High Power Microwave， HPM）/高功率電磁（High Power Electromagnetic， HPEM）武器。表4對以通信為代表的電子對抗措施以及HPM/HPEM等電磁手段進行描述。網絡攻擊手段與通信對抗手段相關聯，但更多的是針對無線通信網絡更深層次的漏洞進行攻擊，表中也因此專門進行了描述。

表4 無人機反制典型手段

（三）典型的反無人機系統

美軍作戰測試與評估主任2020財年年報中，把其測試的現有的反小型無人系統分為三類[11]：①固定或半固定系統，為重要基地、設施提供廣泛的防御能力，通常構成整體分層防御策略的一部分；②車載或移動系統，設計更加靈活、可伸縮和便于操作，可以在前方作戰基地內移動以保護高價值資產，也可以安裝在車載平臺上以保護移動中的部隊；③手持或穿戴式系統，通常被用作固定站點系統的一個組成部分，用于短程作戰交互，部分手持系統缺少目標檢測能力，需要依靠肉眼檢測識別。

文獻[5-7]介紹了美國、英國、俄羅斯等國典型的反無人機系統，其中典型系統如圖1所示。

圖1 國外典型反無人機系統

四、美軍對反小型無人機系統的評估

2012年，美海軍就已經基于62艘驅逐艦部署反蜂群無人機系統進行了可行性、風險、實施成本等深入評估[9]。2017年，美陸軍牽頭頒布了反小型無人機條令[10]，牽頭開展了C-sUAS的系統測試，并把反蜂群無人機列入后續測試計劃[11]。2021年，美國防部針對越來越突出的小型無人機系統的威脅，把C-sUAS上升為國防部戰略[7]。通過近十年的發展對比可以看出，反蜂群及小型無人機一直是美軍的發展重點。

（一）美驅逐艦反蜂群無人機評估

相比于陸地，海面艦艇受限于部署環境，對自殺式蜂群無人機的防御難度更大。早在2012年，美海軍研究生院項目團隊就以美宙斯盾導彈驅逐艦為對象，分析其反蜂群無人機的能力差距[9]。該項目重點模擬了4架遙控（remotely controlled，RC）無人機和4架以色列哈比（Harpy）無人機對宙斯盾驅逐艦進行自殺式攻擊的場景，以擊中目標驅逐艦次數作為攻擊效能的判別方法，對應提出了多種反蜂群無人機方法。根據各種反制手段的作戰范圍等能力，基于攻防距離、反制時間等參數進行了分段仿真評估。

該項目提出并評估了可用于反無人機的選項包括：激光武器系統（Laser Weapon System， LaWS）、電子戰遙控干擾（EW：RC Jamming）、無人機作為雷達誘餌（UAV acting as Radar Decoy）、火力偵察與常規武器、新增小型武器、艦基雷達誘餌（Ship-based Radar Decoy）、反應裝甲（Reactive Armor）、煙幕（Smoke Scrren）、彈片箔條（Shrapnel-Chaff）、近程武器系統（Close-In Weapons System， CIWS）等。

仿真結果表明，對遙控通信鏈路的干擾效費比高，且能夠提供持續的作戰能力，安裝部署簡單，能夠針對遙控通信形式的無人機進行干擾來實現高效的防御艦隊反蜂群無人機防御。同時，項目建議有必要通過聯合使用具有較高效費比的其它手段，來解決處于無線電靜默狀態或具備隱蔽通信能力的無人機感知與反制問題。

（二）美軍反小型無人機作戰測評評估

根據美軍作戰測試與評估主任（DOT&E）2020財年年報，美軍對表1中的第1類和第2類小型無人機，開展了一系列C-sUAS系統的測評[11]。

從2019年11月到2020年3月，美聯合部署分析小組（Joint Deployable Analysis Team， JDAT）根 據DOT&E批準的測試計劃，使用11種C-sUAS系統執行了281架次美國本土外測試。2020年2月到3月，在亞利桑那州尤馬試驗場對輕型海軍陸戰隊防空綜合系統（L-MADIS）進行了60架次的C-sUAS系統美國本土測試，在加利福尼亞州愛德華茲空軍基地對美杜莎C-sUAS系統進行了61架次美國本土測試。

雖然測試數據因為敏感而未發布，但從公開報告來看，測評有幾個特點：①C-sUAS系統種類多，相關測試足夠用于評估各類C-sUAS系統的探測、識別、跟蹤、反制能力，其中控制與圖傳通信鏈路的感知與阻斷能力已經比較成熟；②各類C-sUAS系統檢測能力較強，但受環境等各方面因素影響，擊落能力還有待提升；③構建了紅藍對抗環境，測試條件逐步成熟；④能力測試全覆蓋難度大，以單無人機為目標的測試雖多，但蜂群式無人機測試尚未開展，預計是被測對象以及相關測試條件正在建設，但測試方法已列入后續測評規劃中。

（三）美國防部反小型無人機系統戰略

2019年，美國防部成立了聯合反小型無人機系統辦公室，以同步并指導相關活動。2021年，美國防部發布了反小型無人機系統戰略，以聯合作戰為出發點，提出了國土（Homeland）、東道國（Host nations）、應急地點（Contigency locations）等三種作戰環境，列出了增強創新能力、開發解決方案、構建聯盟關系三個戰略目標，并提出了相應的實施路線。

美軍認為，隨著小型無人機技術的快速發展，必須能夠檢測、跟蹤、識別，并在必要時威懾、拒止或殲滅具有威脅的小型無人機。美國防部將評估其當前流程，并根據風險進行有針對性的投資選擇，增強部門間協調，提升互操作性，共建共享反小型無人機的通用安全體系架構，以應對多種威脅，并重新考慮如何在快速變化的技術和安全環境中更好地為聯合部隊提供支持。在上述戰略目標的指導下，美將開發并部署有效的反制系統，并輔以培訓，為聯合部隊提供能力。同時，通過與盟友和合作伙伴一起對威脅、漏洞和互操作性需求形成共識。美軍通過這種整體戰略，支撐構建分層防御體系，提升聯合部隊成功應對當前和未來的小型無人機威脅的能力。

五、小型無人機的通信對抗反制發展趨勢

通過跟蹤并借鑒美軍C-sUAS的技術發展，可以分析出小型無人機的通信對抗反制發展趨勢：

（一）通信鏈路反制是反無人機的主要手段

2020財年美軍DOT&E評估的11種反小型無人機系統中，8種具有通信感知能力，9種具有通信鏈路反制能力。可見，通信鏈路是小型無人機安全的主要薄弱點，通信鏈路對抗是反小型無人機的主要手段。

（二）多手段互補的聯合偵察與反制技術

從感知與探測角度，雷達等主動機制可以輔助進行定位跟蹤，基于通信信號的分布式傳感器聯合測向定位也非常有必要；從反制角度，對GPS信號、光學信號的干擾，也是較為有效的反制手段。因此，有必要多種手段協作互補以提升綜合反制能力。

（三）在隱蔽與對抗中互相發展

為了避免反無人機系統的偵察與反制，未來小型無人機通信會朝著靜默、小功率發射、定向通信等隱蔽方式以及航跡動態規劃、通信誘餌欺騙等新方向發展，同時將探索除GPS之外的多種導航方法。未來通過無人機來反制無人機將成為發展的主流之一，即防御方盡早派出無人機對攻擊方無人機或其集群進行抵近偵察與驅離，從而提升識別預警與反制效能。

（四）反蜂群是未來發展的重要方向

蜂群無人機發射平臺多樣化，發射時機不固定，載荷功能模塊化多樣化，個體間協作能力強，系統建設成本極低，因此小型無人機集群作戰是未來作戰方式的重要方向。反蜂群方面，傳統的方法難以對蜂群個體進行有效識別，防御手段性價比低。美軍早期就進行了反蜂群的仿真評估，近期還專門開展了蜂群無人機能力發展評估，并把反蜂群納入實測規劃，可見反蜂群是未來發展的重要方向。

六、反小型無人機的評估建議

從上述分析來看，測試評估成為阻礙C-sUAS系統發展的短板。為此，我們需圍繞關鍵難題，盡快建立科學的的測試環境和效能評估方法，通過評估來提升系統標準化、模塊化和互操作能力，建立完整的評估方法體系，促進C-sUAS系統的科學發展。借鑒國外C-sUAS系統的評估方法和發展趨勢，本文對C-sUAS的評估提出四點發展建議：

（一）開展小型無人機通信脆弱性專項評估

從反制角度來看，通信脆弱性的利用是反制小型無人機的最常用方法。隨著民用小型無人機和5G等無線通信的快速發展，未來的小型無人機將更加輕型化，通信模式也會多樣化，但其安全漏洞也會增多。因此，可以針對小型無人機的控制網絡、通信鏈路進一步開展脆弱性分析，針對不同對象建立漏洞庫，開展通信脆弱性專項評估。

（二）開展反蜂群通信智能專項評估

考慮到無人群體智能的快速發展，以及蜂群通信功率小、個體及行為識別難等問題，需要提升對蜂群目標的通信感知、個體識別能力的評估。此外，對于整個系統，還需要實現快速響應決策能力、跟蹤瞄準能力與擊毀能力的評估。針對低慢小與蜂群目標航跡無規律、個體對象多的場景，需要提供精準的發現、識別和分離能力，這要求對反蜂群等無人化、智能化處理能力進行專項評估。

（三）開展多應用場景系統集成綜合評估

反小型無人機系統應用場景有個體間的對抗也有體系的對抗，反制方法有軟殺傷也有硬殺傷，各種場景及反制方法的效能、作用范圍需要具體評估。美軍反蜂群及小型無人機的具體仿真、測試以及戰略表明，有必要結合具體場景、地理環境、電磁環境，以及需要反制的無人機種類、速度、高度、距離、數量，構建仿真推演平臺，對以通信對抗為主要手段的反無人機紅藍對抗場景進行構建，對相關參數進行模擬，對各類行動、事件進行推演，以實現復雜場景的快速構建與綜合效能評估。

（四）結合大數據平臺開展實訓演練效能評估

有必要結合各類反無人機系統的測試評估與實戰演練，獲取各類目標識別方法、反制殺傷手段的真實參數與數據結果，建立以無人機通信對抗為主的電子對抗大數據平臺，并推動數字孿生技術，反哺實訓演練。一方面，該大數據平臺可以支撐仿真推演、設備參數設計與集成設計；另一方面，加快系統與實際場景結合，加快技術成果向實際應用轉化。

七、結論

從美軍的反蜂群及反小型無人機具體項目評估方法以及未來發展戰略可以看出，圍繞通信鏈路的脆弱性分析，是未來小型無人機反制的發展趨勢。應對小型無人機威脅，將從傳統的通信對抗，逐步走向網絡對抗和智能對抗。無人機與反無人機是未來感知與決策、安全與對抗的軍民融合重要技術與應用領域，后續研究將以通信網絡脆弱性分析為出發點，持續深入反小型無人機的技術分析與測試評估，推動反小型無人機系統的智能化、標準化與高效化發展。