無人機發展應用及反無手段研究

任媛媛 高一棟 焦慕卿

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

0 引言

隨著人工智能、現代控制等技術的發展，無人機應用范圍越來越廣。在民用、軍用，國內、國際，甚至重大政治活動中都有無人機的身影。

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

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

1 無人機作戰方式及發展

1.1 無人機應用特點及分類

無人機被越來越多的應用于作戰，因其具備以下特點：

1)平臺微型化：小型甚至微型無人機體積不及書本大小，可衣兜或掌上攜帶、單兵作戰背負，甚至可以無人機攜帶無人機，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、甚至手掌上都可以起飛。

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

4)突防能力強，成功率高：運動方式機動靈活，其運動特征與鳥類、樹木、汽車等雜波近似，易被隱藏不易發現，可低空高速運動，也可盤旋慢速前行，臨機出現。

5)集成度高：部分無人機集雷達、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，小體積實現復合功能。

根據美國防部和北約的劃分，無人機有以下分類見表1、表2所示。

表1 美國國防部(DOD)無人機分類標準

表2 北約定義的無人機類型和級別

1.2 無人機作戰方式分析

無人機可用于偵察預警、電子干擾、集群攻擊、特種作戰、火力引導、自殺式襲擊等等，甚至部分無人機集多種功能于一身。表1中的1～2級，通常為小微型無人機，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，可復合加裝光電、雷達、無線電偵測及干擾等設備，以及炸藥、導彈等打擊武器，能夠完成更深層功能，如MQ-8B、MQ-9B(察打一體)等。

無人機應用于戰場作戰，既可單獨起飛作戰，也可蜂群方式作戰。無人機蜂群可在空中實施分布式協同作戰，或集中飽和攻擊，或分散實現大的散布面積。

戰術上，部分體積較大無人機通常攜帶載荷自主起飛作戰居多，如MQ-1“捕食者”系列、MQ-4“全球鷹”系列、MQ-9“死神”系列、甚至續航時間可達10h的Dash-X等等。這一類無人機通常速度較高，載荷能力較強，體型較大，但因外形設計、機身材料及涂覆考慮隱身性能，因而RCS也較小，使得雷達難以探測。小型無人機如“精靈”類、旋翼類、小型固定翼類，甚至微型無人機如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，其作戰方式大多為運輸機或者戰機運輸至指定地點上空或附近釋放，蜂群作戰。如美國使用F-16戰機運送“山鶉”無人機至指定空域投放、“小精靈”計劃無人機通常以蜂群形式作戰，不僅可投放，還可完成任務后回收。

近年來，隨著無人機及電子戰的發展，部分體積較大型無人機也在朝著蜂群作戰方式發展，如納卡沖突中阿方采用的情報監視偵查(ISR)無人機和至少2種以上對地攻擊無人機(“貝拉克塔”(翼展12m)和“哈洛普”)進行蜂群戰術，實現協同作戰和飽和攻擊。而隨著人工智能技術的發展，越來越多的項目將無人機自主飛行技術與人工智能決策相結合，實行無人機+集群化+人工智能作戰方式。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枚并在閱兵節上演示。2021年6月，美國空軍在“橙旗”演習中使用MQ-20“復仇者”無人機再次對SkyBorg項目的自主控制系統(ACS)軟件包進行了飛行測試。以色列軍方更在2021年5月對加沙的哈馬斯組織發動空襲和導彈打擊期間，已經使用了人工智能輔助的無人機蜂群作戰。

圖1 MQ-20無人機搭載SkyBorg吊艙

無人機技術及系統在全世界范圍如火如荼的發展和擴散，特別是偵/攻一體無人機的研制成功，“蜂群”攻擊模式的發展，改變著瞬息萬變的戰場形態，各國越來越重視無人機/反無人機系統作戰發展。美國近年來一直非常重視無人機/反無人機的發展，2017年美陸軍發布了《美國陸軍技術出版物(STP)3-01.81反無人機系統技術手冊》， 2019年發布《反無人機系統》， 2020年發布《小型無人機系統(SUAS)戰略》， 2021年1月發布《反小型無人機系統》戰略。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用于實戰。

這種軍事環境背景下，如何有效探測無人機尤其是“小型戰術無人飛行器”及蜂群實現反無人機能力逐漸成為各種中近程防空探測手段研究的重點。

2 反無手段及系統組成

針對無人機運動特性及使用、作戰方式，各種反無裝備不斷涌現，從作戰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，雷達作為主要手段，用于全天候探測，具備探測距離遠、精度高、多目標批數、不受天氣影響等優點。雷達對于目標的檢測依賴于發射電磁波到目標的反射回波，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備接收并被干擾設備干擾，或遭受目標攻擊。此時，雙多基地及無源雷達可有力對抗該攻擊方式。雷達對于低慢小目標的探測性能主要受雜波影響，實現上有以下關鍵技術：一是強雜波抑制技術；二是精細化信號處理技術；三是低空探測技術。解決途徑是實現時、空、頻的高分辨。同時對于不能實現高分辨的雷達，許道明等人在檢測算法上進行了研究。

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

無線電偵測主要用于探測無人機工作所使用的頻譜，如通訊鏈路、控制鏈路、GPS/GLONASS導航信號等，是一種被動探測手段。同時也可通過對目標機型偵測，進行來襲目標機型識別。相比其他方式，具有隱秘性好，不易受干擾、探測距離遠等優點，但其精度相比光電和雷達不高，且當目標無線電靜默時，不能及時發現目標。目前作戰中，已經有自殺式無人機，在鎖定目標后，關閉自身導航和通訊信號，沿著預設航路攻擊固定目標。聲學，可接收并識別“低慢小”航空發動機、旋翼和大氣摩擦所產生的特征聲信號,作為一種特殊方式，在探測上起補盲作用，應用較少。

實戰中通常依據具體作戰環境和使用要求，采用一種或多種探測方式，多元探測器協同，多源傳感器信息融合，為系統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軟硬件設備，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同探測所得多源目標信息進行去偽、融合、凝聚、輸出。

對于單一平臺而言，由于光電、雷達等探測器往往出廠已經進行軸系一致性的標定，采用精度優先原則，其空情融合較為簡單。

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

2.2.2 目標識別單元

目標識別單元依據目標運動特征如速度、飛行高度、機動性，以及微多普勒信息(雷達探測)、外形輪廓(光電成像)、敵我(加裝詢問機)等信息，甚至綜合電偵設備探測到的來襲目標所發射信號類型等信息，進行來襲目標類型及機型的判斷。該功能由于與探測手段緊密相關，有時也集成于探測單元。

2.2.3 決策和目標分配單元

決策和目標分配單元主要依據戰場形勢和作戰使命任務，通過目標威脅度和綜合費效比、附帶毀傷等因素，確定目標處置和任務分配方式，包含目標處置方式和平臺移交，即將不同目標分配給不同的探測單元，或配屬的不同處置和打擊設備。

目標威脅度判斷，依據目標的位置、速度、運動方向、類型、體積、薄弱要害位置等多種因素，確定來襲目標威脅度等級供決策。

目標分配是針對不同來襲目標選擇相應的攔截手段并按照有效距離、有利方向、有利時機完成對應的攔截任務。

2.2.4 打擊控制單元

根據目標分配單元的決策，對配屬的武器，通過網絡、高速串口、總線等通訊方式進行火控解算、目標導引、指令下發和輸出。

2.3 對抗處置單元

常規對抗無人機威脅的方法包括摧毀發射平臺、偽裝欺騙、網絡捕獲、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展，打擊對抗手段也逐漸多樣化。

從處置結果來講，可分為軟殺傷和硬殺傷。“軟殺傷”使無人機某些部件或者器件失效或失能從而失去任務執行能力，但平臺和載機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、甚至無人機對撞等；“硬殺傷”是無人機工作所需硬、部件直接被打擊或損毀，失去任務執行能力，如小型導彈、密集炮彈、高能激光武器等。現階段，充分利用無人機的優勢對抗無人機的方式也將平臺從地面轉換到空中，如無人機網捕、無人機對撞及加裝微波輻射設備近距離摧毀等。2021年11月，北約已經成功演習定位、識別并使用無人機網捕并帶回等技術攔截無人機系統及蜂群攻擊。

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、可光速交戰、同時殺傷多個目標、作戰效費比高、附帶損傷小等優勢。干擾反制設備通常從通信(干擾無人機上行控制鏈路和圖像回傳下行鏈路)、GPS(干擾無人機機載定位系統，使其失去位置信息，不能執行任務)、雷達(干擾雷達探測工作)等方面進行。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，干擾或者損壞目標設備的電子元器件，使其失去效能。既可針對單個目標形成窄波束精準打擊目標，不影響己方目標，又可通過數字波束形成寬波束，且轉換速度快，可在廣闊區域消除多個目標，實現“一掃一大片”的毀傷效果。

對抗大型無人機，傳統武器導彈、炮彈等能實現良好的作戰效能；對付小型無人機，尤其是采用蜂群戰術的大規模編隊無人機群而言，單一手段就捉襟見肘，應多層次、多手段、靈活的構建防御體系，實現多種手段、多層次立體打擊。

3 目前世界上典型反無系統

目前較為成熟的反無人機系統大多由復合手段組成，含主被動探測、有源無源探測設備、軟硬殺傷等方式結合，如雷達、無線電偵測、光電紅外、以及干擾反制設備、反無人機用無人機等多種手段。

典型系統如以色列拉法爾先進防務系統公司的“無人機穹”系統(圖5所示)包含RPS-42 S波段多任務半球形雷達、MEOS光電/紅外監視套件、通信套件及C-“警戒”RD干擾裝置和“聯網感知”寬頻帶探測傳感器系統，及定向能硬殺傷攔截能力。

圖5 拉法爾公司“無人機穹”反無人機系統

美國雷聲公司推出“郊狼”(Coyote)無人機和KRFS先進雷達組成反無人機系統(圖6所示)，“郊狼”無人機配裝一個先進的導引頭和一個戰斗部，與工作在Ku波段、能夠捕獲并精確跟蹤各種尺寸無人機威脅的KRFS有源相控陣雷達一起，能夠識別和消滅威脅無人機。該系統近期已經在美國陸軍舉辦的一場系統測試中成功擊敗無人機蜂群。

圖6 雷聲公司“郊狼”無人機(右下角)和 KRFS先進雷達(中間)反無人機系統

以色列宇航工業公司開發了用于探測、跟蹤并壓制無人機的新型“無人機護衛者”系統(圖7所示)，其最新一代系統增加了通信情報功能，并升級了3D雷達、光電和干擾系統，可有效干擾或破壞無人機的控制通道和導航系統。

圖7 以色列“無人機護衛者”系統

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

圖8 英國開發的反無人機防御系統(AUDS)

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

圖9 Sky Warden系統組成

4 反無中雷達技術發展和方向

通常提到的無人機指表1中1、2、3級“低慢小”航空器。反無系統中雷達主要用于目標探測和識別。

解決辦法首先要提高系統分辨力，使目標和雜波落入不同分辨單元。空間角度上，可通過提高波束指向精度來實現，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，即增加波束對目標的照射時間，實現長時相干積累，可以增加速度維多普勒通道分辨力。

再次對于無人機蜂群目標采用兩維有源相控陣AESA技術，在實現長時駐留的同時實現系統多目標能力。對于多個方向來襲目標，采用多面陣協同探測的方式。AESA還具有多任務能力，可實現多功能雷達技術。

在識別上，除使用傳統目標多普勒、信噪比、強度等信息外，還可使用目標微多普勒特性從信號級進行目標識別，以及人工智能機器學習等方法從點跡信息進行識別。

5 結束語

無論是無人機的發展還是反無人機的探測和處置，都是今后較長一段時間內世界各國關注的重點。傳統手段和雷達技術的發展，再結合人工智能等新興學科的日益發展，必將給作戰方式帶來更新的發展和變化。