淺析“無人機粉碎機”反低慢小無人機解決方案

金鈺，谷全祥，吳強

中國航空工業發展研究中心

隨著無人機技術的快速發展，無人機大量應用于偵察、打擊、航拍、植保等軍用和民用領域，無人機黑飛現象愈發嚴重，反無人技術受到各國的高度關注。本文探討美國安都瑞爾公司研制的反低慢小無人機解決方案，分析該方案的組成、功能、全殺傷鏈關鍵技術和作戰能力。

2019年10月，美國安都瑞爾公司（Anduril）研制的反無人機解決方案“無人機粉碎機”(Drone-Smasher)系統成功擊落一架四旋翼無人機。該反無人機系統基于無人機反制無人機的思路，能夠有效打擊目標無人機且減少附帶損傷。

安都瑞爾公司于2017年成立，是一家專注于國防技術研究的人工智能初創企業。目前，安都瑞爾公司已發布“柵格”（Lattice）智能指揮操作系統、“哨塔”（Sentry Tower）復合型探測識別系統、“幽靈” 4（Ghost 4）戰術無人機系統和“鐵砧”（Anvils）無人機動能攔截裝置等產品。安都瑞爾公司當前主打基地防御、關鍵基礎設施保護、邊境防衛和反無人機場景等提供解決方案。

“無人機粉碎機”反無人機系統已在“米拉馬”海軍陸戰隊航空站部署并應用，專用于特定的威脅系統。安都瑞爾公司將持續開發和發布系統軟件，以確保系統性能持續提升。

合同概述

2021年，安都瑞爾公司獲得美國國防部國防創新部門（DIU）授予的一份金額為9900萬美元的合同，合同期限為5年期，為美國陸海空等各軍種提供基于人工智能技術的反無人機系統（c-UAS）支持。根據合同條款，安都瑞爾公司的人工智能操作系統可基于傳感器網絡的數據，實現對潛在無人機威脅目標的探測、分類、跟蹤和預警；國防創新部門要求安都瑞爾公司為特定任務提供針對性反制方案，而不是一刀切模型，并且非常重視人工智能操作系統的持續開發和性能提升。因此，安都瑞爾公司完善了以人工智能“柵格”系統為核心組成的“無人機粉碎機”系統的性能。針對特定場景，“無人機粉碎機”采用模塊化系統完成不同的任務。通過與國防創新部門進行合作，該公司反無人機系統從原型機開發、生產到應用歷時18個月（包括測試與評估周期），這種高效的開發與應用模式同樣適用于美軍其他裝備，具有普適性推廣與應用價值。

2022年1月20日，安都瑞爾公司從12家競標廠商中脫穎而出，獲得美國特種作戰司令部（U.S. Special Operations Command，USSOCOM）授予的合同，合同總金額為9.676億美元。作為美國特種作戰司令部的合作伙伴，安都瑞爾公司將為該司令部提供不限數量的反無人機系統。按照合同條款，安都瑞爾公司將為特種作戰部隊提供反無人機系統，推進應用并提升反無人機系統的功能。2022財年，安都瑞爾公司獲得運營和維修資金約109萬美元。在未來十年內，反無人機系統將在美國的不同地點投產并運用。

安都瑞爾公司簽訂的反無人機系統合同均要求智能指揮操作系統對反無人機設備提供支持。這不僅表明安都瑞爾公司反無人機系統的智能化技術處于領先地位，也說明美國軍方高度重視人工智能和反無人機系統的智能化技術。

反無人機解決方案分析

安都瑞爾公司“無人機粉碎機”系統由“柵格”智能指揮操作系統、探測識別系統和無人機攔截裝置構成。“柵格”系統提供頂層協調，融合并處理傳感器信息；探測識別系統的主體為安都瑞爾公司研發的“哨塔”系統，并可擴展用于縱深防御的第三方傳感器系統或“幽靈” 4等攜帶傳感器的無人機；無人機攔截裝置采用“鐵砧”無人機，具有速度快、抗沖擊能力強、可重復使用等優點，通過“柵格”系統的控制，可執行集群監視、偵察和作戰任務。“無人機粉碎機”系統組成如圖1所示。“柵格”系統可提供全天時持續防御，能夠自主檢測、分類和跟蹤威脅目標，并向終端用戶發送預警信息，提供對應的處置方案。

圖1 “無人機粉碎機”系統組成示意圖。

探測識別系統

“哨塔”探測識別系統

“無人機粉碎機”系統中的“哨塔”系統（見圖2）是一套集成了第三方傳感器的探測識別系統，由光學、微波和紅外熱成像設備組成，屬于近程探測識別系統，主要部署在警戒區域附近的高地，主要以太陽能、蓄電池為能源，無須外部電源。“哨塔”采用模塊化設計，能夠在復雜環境中工作，可根據任務需求訂制傳感器和電源，部署速度快，部署時間不超過3h。

圖2 “哨塔”探測識別系統。

根據不同的探測識別任務，安都瑞爾公司推出了兩種類型“哨塔”探測識別系統，分別是“遠距離哨塔”（Long Range Sentry Tower）系統和“標準距離哨塔”（Standard Range Sentry Tower）系統。另外，為適應不同的任務場景，安都瑞爾公司基于“標準距離哨塔”系統訂制了“寒冷天氣哨塔”（Cold Weather Sentry Tower）系統和“海岸哨塔”（Maritime Sentry Tower）系統。

1.“遠距離哨塔”探測識別系統

“遠距離哨塔”系統如圖3所示，配備了超高功率、可在360°范圍內轉動的雷達，旨在對第一類和三類無人機進行探測、識別、分類和跟蹤。技術參數詳見表1。

圖3 “遠距離哨塔”系統。

表1 “遠距離哨塔”系統的技術參數。

2.“標準距離哨塔”探測識別系統

“標準距離哨塔”系統（見圖4）可對地面威脅目標進行全天時監視，可識別的目標主要為人和車輛。技術參數如表2所述。

圖4 “標準距離哨塔”系統。

表2 “標準距離哨塔”系統的技術參數。

（1）“寒冷天氣哨塔”探測識別系統

“寒冷天氣哨塔”系統如圖5所示，專用于寒冷天氣條件下的場景，配備了發電機和內部鏡頭加熱器，以防止攝像機積冰。

圖5 “寒冷天氣哨塔”系統。

（2）“海岸哨塔”探測識別系統

“海岸哨塔”系統詳見圖6，用于艦船、摩托艇和其他水上目標探測，配備了雷達系統。

圖6 “海岸哨塔”系統。

“幽靈” 4無人機

2020年9月，安都瑞爾公司展示了最新研制的自主戰術無人機“幽靈”4（見圖7）。該機機載計算機系統具備32位處理能力，搭載“柵格”智能指揮操作系統，可自主決策并對目標執行相關任務。

圖7 “幽靈” 4無人機。

“幽靈” 4無人機是一種便攜式無人機，機身采用鎂合金及碳纖維復合材料制成，具有防水、防風、防雨功能，可執行多種任務，1名操控員可在不到3min的時間內完成組裝和飛行準備。基于“柵格”智能指揮操作系統，無人機機載計算板卡能夠完成傳感器信息處理，物體自動探測、分類和跟蹤。該型無人機采用單旋翼設計，實現了垂直起降功能。其模塊化設計提高了任務載荷的集成度，使任務載荷更換和現場維護更加便捷。“幽靈” 4無人機的技術數據詳見表3。

表3 “幽靈” 4無人機的技術數據

“幽靈” 4無人機是探測識別系統的重要組成部分，可與“哨塔”探測識別系統、“鐵砧”無人機攔截裝置和“柵格”智能指揮操作系統配合使用，并利用無人機的機動性和機載傳感器，為“柵格”系統提供空中監測數據。

智能指揮操作系統

“柵格”智能指揮操作系統是“無人機粉碎機”系統的大腦。其主要任務是，接收第三方傳感器的信息和“鐵砧”無人機攔截裝置傳輸的自身狀態信息。“柵格”系統將兩者的信息進行融合，然后在指定區域對車輛、人員、無人機或其他具有威脅的目標進行識別、分類和跟蹤，必要時控制“鐵砧”無人機對目標無人機實行攔截。

安都瑞爾公司的人工智能設備主要集成于“柵格”系統中。“柵格”系統具有如下功能。

1.智能化目標識別

“柵格”系統接收傳感器網絡數據并消除噪聲，通過智能算法完成環境狀態的實時認知，它可以在單個管理平臺中自主將來自傳感器和數據源的數千條數據解析為智能化通用操作圖。“柵格”系統使用傳感器融合、計算機視覺、邊緣計算、機器學習和人工智能等技術來、識別、分類和跟蹤目標。

在警戒區域內，“柵格”系統接收傳感器網絡即探測識別系統傳輸的光學、紅外影像等數據，采用基于深度學習算法的圖像識別處理技術，快速對目標進行識別、分類。目前基于深度學習算法的圖像識別技術已經取得長足進步，其識別準確率和識別速度等指標已遠超基于邊緣檢測等規則的傳統目標識別技術。

“柵格”系統專為動態環境而設計，在動態環境中工作，必須快速地做出決策。“柵格”系統提供決策點并使用深度學習模型，向操作員提供決策支持，簡化了決策過程，縮短了決策時間。

2.無人機指令傳輸

“柵格”系統利用深度學習算法快速完成計算，可在幾秒鐘內將決策轉化為行動，能夠在多個領域、地理位置以及復雜的通信環境中，對有人和無人系統進行實時指揮。“柵格”系統具有自主協同能力，簡化了分布式操作的復雜度。

“柵格”系統可以控制“鐵砧”無人機按照給定的坐標點巡航，并對敵我雙方目標進行管理，在發現威脅目標后，將確認的威脅目標統一顯示在軟件界面上，形成態勢圖。根據“柵格”系統的功能菜單，操作員命令“鐵砧”無人機撞擊指定的無人機，管理機載傳感器或指示警戒區域。

基于“鐵砧”無人機機載傳感器和地面探測系統提供的多層信息，“柵格”系統形成完整的戰場態勢圖，已成為無人機智能對抗和反無人機作戰的關鍵系統。

無人機攔截裝置

安都瑞爾公司“鐵砧”無人機攔截裝置的技術數據如表4所述。

表4 “鐵砧”無人機攔截裝置的技術數據。

“鐵砧”的攔截方式是直接撞擊目標無人機。該無人機攔截裝置采用四旋翼布局設計，如圖9所示。電機位于機臂下方，槳葉升力面朝上。

圖9 “鐵砧”無人機攔截裝置。

圖10顯示，“鐵砧”無人機頂部裝有光電/紅外傳感器和照明裝置，因此該裝置可在白天、夜間和低能見度條件下正常執行任務，并利用安都瑞爾公司開發的計算機視覺技術來瞄準并撞擊目標無人機。

“鐵砧”無人機攔截裝置具有三層結構，如圖10所示。電池艙位于下層，以機架固定電池，無人機的重心在下層，穩定性強；無人機機架位于中間層，電機及螺旋槳安裝在機架上；無人機機載設備均安裝在上層，比如機載光電/紅外傳感器、自駕儀、通信天線、GPS天線等設備，突出的天線保證遙控和GPS等信息傳輸順暢，降低干擾。上層外圍是硬質金屬外殼，頂部為透明保護殼，內含照明裝置、光電/紅外傳感器和機載板卡。由于擁有這種三層結構，“鐵砧”無人機攔截裝置在撞擊目標時，可以有效防止無人機機載設備發生損壞。

圖10 “鐵砧”無人機頂部的特寫照片。

“鐵砧”無人機攔截裝置主要借助最上層的硬質金屬外殼撞擊目標無人機，如圖12所示。撞擊目標后，如果機體未損壞，無人機可以安全返航；如果槳葉被打斷，或者安裝了電機的機架被撞斷，無人機飛行姿態失穩，無法安全降落，這時“鐵砧”可打開自身攜帶的降落傘，緩慢降落至地面，部分任務設備得到保護，可再次使用。

圖11 “鐵砧”無人機的結構圖。

圖12 “鐵砧”無人機攔截目標無人機。

作戰能力分析

動能攔截屬于傳統硬殺傷方法。憑借“無人機粉碎機”解決方案，安都瑞爾公司在反無人機領域占據了一席之地，受到美國軍方青睞，主要原因是該公司大力推進人工智能技術的研究和應用，并形成基于“柵格”系統的集成化反無人機系統解決方案。通過模塊化設計，該方案的探測識別系統可充分擴展，并且能為指定任務訂制傳感器。因此，目標探測識別可選用“哨塔”探測識別系統、“幽靈” 4無人機及第三方傳感器，豐富的探測識別手段大大提高了“無人機粉碎機”的探測識別能力。另外，多種探測識別手段的使用在一定程度上帶來了大量傳感器數據，基于人工智能技術的“柵格”系統能夠在動態環境下自主處理數據，識別、跟蹤目標，提供應對方案，大幅降低了人工成本。操作員采納應對方案后，“柵格”系統控制“鐵砧”無人機，通過實時的識別與跟蹤信息，指導“鐵砧”無人機對入侵無人機進行攔截。相比于操控員控制無人機攔截裝置，“柵格”系統具有控制與反應速度更快，響應時間更短，撞擊精度更高等優點，可有效提升攔截率。但是，動能攔截方式瞬時速度快，機動靈活，對傳感器等硬件設備的性能以及“柵格”系統處理傳感器信息的速度、指揮控制時間和跟蹤制導精度提出了更高的要求。

總結

安都瑞爾公司研制的“無人機粉碎機”系統采用無人機直接撞擊方式，對低慢小無人機進行反制，具有直接快速、低成本、低附帶損傷和可重復使用等優點。但是對于近距離、自主性高的入侵無人機，反制方來不及處置，軟殺傷方式無法有效反制或干擾，必須引入硬殺傷手段進行反制。因此，“無人機粉碎機”解決方案無疑成為短距離內反無人機的一種有效措施。另外，“無人機粉碎機”的探測識別系統無法探測遠距離的目標，且攔截范圍小，攔截能力和攔截效率不高，不適合遠程或高速無人機反制。因此，針對實際戰場或核心區域，反無人機不能只憑借單一手段，往往須要軟硬殺傷方法相結合，遠近反制相結合，實現多手段，分層次反制。