集群無(wú)人機(jī)探測(cè)及對(duì)抗措施綜述

王奇珍，張?jiān)是?，唐世?王小剛

(中國(guó)人民解放軍95894部隊(duì)，北京 102211)

0 引言

無(wú)人機(jī)從誕生以來(lái)在軍事領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，可完成偵察、監(jiān)視、干擾、誘餌、精確打擊等作戰(zhàn)任務(wù)?，F(xiàn)在戰(zhàn)場(chǎng)變得越來(lái)越復(fù)雜，單架無(wú)人機(jī)在面臨地面防空系統(tǒng)和空中戰(zhàn)機(jī)時(shí)生存能力、執(zhí)行任務(wù)能力有限[1]。這就需要多架無(wú)人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)，通過(guò)能力互補(bǔ)和行動(dòng)協(xié)調(diào)，突破敵方的嚴(yán)密防空圈，到達(dá)任務(wù)區(qū)域?qū)δ繕?biāo)發(fā)起協(xié)同攻擊，摧毀敵方重要目標(biāo)。無(wú)人機(jī)的作戰(zhàn)樣式已逐步從單平臺(tái)作戰(zhàn)向多平臺(tái)“集群”(swarm)作戰(zhàn)方向發(fā)展[2]。

“無(wú)人機(jī)集群”(unmanned aerial vehicle swarm，UAV swarm)是指多架無(wú)線網(wǎng)絡(luò)化的小型或微型無(wú)人機(jī)，采用分布式控制技術(shù)，以相同的模式飛行，執(zhí)行相同或相似的任務(wù)[3]。無(wú)人機(jī)集群的優(yōu)勢(shì)在于協(xié)同突防和協(xié)同攻擊。

由于具有數(shù)量多、散布式、無(wú)中心、自組織、成本低、機(jī)動(dòng)靈活等特點(diǎn)，無(wú)人機(jī)集群給防御系統(tǒng)帶來(lái)極大挑戰(zhàn)，給重點(diǎn)目標(biāo)的安全帶來(lái)極大的隱患。

本文主要對(duì)無(wú)人機(jī)集群的預(yù)警探測(cè)手段和反制措施進(jìn)行討論，為無(wú)人機(jī)集群對(duì)抗提供一定參考。

1 無(wú)人機(jī)集群預(yù)警探測(cè)

要對(duì)抗無(wú)人機(jī)集群帶來(lái)的威脅，首先要能對(duì)無(wú)人機(jī)集群進(jìn)行探測(cè)。由于集群中單個(gè)無(wú)人機(jī)體積小、飛行高度低、飛行速度慢，容易與鳥(niǎo)群混淆(如圖1所示)，探測(cè)難度大。

圖1 無(wú)人機(jī)集群構(gòu)想(出自網(wǎng)絡(luò))Fig.1 Concept of UAV swarm

1.1 雷達(dá)探測(cè)

雷達(dá)對(duì)集群無(wú)人機(jī)的探測(cè)同樣面臨“低、慢、小”目標(biāo)探測(cè)難題。當(dāng)集群無(wú)人機(jī)比較分散時(shí),探測(cè)難度和探測(cè)單架無(wú)人機(jī)沒(méi)有多大區(qū)別，很難將目標(biāo)從背景雜波中區(qū)分出來(lái)。集群無(wú)人機(jī)分布較密集時(shí)，占據(jù)幾個(gè)連續(xù)分辨單元的數(shù)個(gè)無(wú)人機(jī)被雷達(dá)視為一個(gè)擴(kuò)展目標(biāo)，回波強(qiáng)度是目標(biāo)回波的疊加，會(huì)產(chǎn)生諸多稍大的擴(kuò)展目標(biāo)回波；如果無(wú)人機(jī)較分散，將產(chǎn)生多個(gè)小回波[4]。

集群無(wú)人機(jī)對(duì)雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)處理容量要求高，應(yīng)具備抗點(diǎn)跡飽和措施，目標(biāo)航跡數(shù)處理數(shù)越高越好。

預(yù)警機(jī)、球載雷達(dá)、低空補(bǔ)盲雷達(dá)(如圖2所示)等對(duì)低空無(wú)人機(jī)集群有較好探測(cè)效果。國(guó)內(nèi)許多雷達(dá)廠家對(duì)“低、慢、小”目標(biāo)探測(cè)進(jìn)行了深入持續(xù)的研究，成功研制了許多中小型雷達(dá)，對(duì)精靈4旋翼無(wú)人機(jī)的探測(cè)距離均超過(guò)5 km，甚至超過(guò)10 km，并實(shí)現(xiàn)低功耗、無(wú)人值守功能。

圖2 Giraffe AMB雷達(dá)(低空補(bǔ)盲雷達(dá))Fig.2 Giraffe AMB radar

1.2 聲波探測(cè)

無(wú)人機(jī)飛行中，螺旋槳葉片和電動(dòng)機(jī)會(huì)發(fā)出一種獨(dú)特的尖利噪聲(轉(zhuǎn)子聲)，捕捉這種聲音特征，然后與數(shù)據(jù)庫(kù)中的已知聲音特征進(jìn)行比較，并用多個(gè)地理定位來(lái)源進(jìn)行識(shí)別。采用低成本高可靠的標(biāo)量傳聲器陣列、微型高精度的矢量傳聲器陣列2種體制，突破復(fù)雜環(huán)境下目標(biāo)特征提取與運(yùn)動(dòng)參數(shù)估計(jì)技術(shù)，提升復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)能力與多目標(biāo)處理能力。聲波探測(cè)不像其他探測(cè)手段那么有效，主要受環(huán)境噪音影響和距離的限制，嘈雜城區(qū)環(huán)境下的虛警率高、探測(cè)距離受風(fēng)影響嚴(yán)重。聲波對(duì)無(wú)人機(jī)集群的探測(cè)距離較近，通常在數(shù)百米量級(jí)。

1.3 光電探測(cè)

光電偵察與監(jiān)視是利用光電轉(zhuǎn)換原理，利用目標(biāo)的反射或輻射，通過(guò)轉(zhuǎn)換和處理獲取目標(biāo)信息，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的探測(cè)、發(fā)現(xiàn)、識(shí)別與跟蹤。

(1) 可見(jiàn)光探測(cè)

光學(xué)偵察儀器在軍事上應(yīng)用最早，具有擴(kuò)大和延伸人的視覺(jué)、發(fā)現(xiàn)人肉眼看不清或看不見(jiàn)目標(biāo)、測(cè)定目標(biāo)位置及瞄準(zhǔn)的功能[5]。常見(jiàn)的電視系統(tǒng)由高清攝像機(jī)、傳輸設(shè)備、監(jiān)視器組成，作為很多武器系統(tǒng)探測(cè)和跟蹤的必備手段?？梢?jiàn)光探測(cè)設(shè)備作用距離通常在2 km左右。

美國(guó)國(guó)防預(yù)先研究項(xiàng)目局(DARPA)一直在進(jìn)行“先進(jìn)寬視場(chǎng)圖像重建與開(kāi)發(fā)”(AWARE)項(xiàng)目的研究工作。2012年，成功測(cè)試了10億級(jí)像素的寬視場(chǎng)高清攝像機(jī)，計(jì)劃最終將攝像機(jī)的像素提高到100～500億。目前AWARE-2和AWARE-10攝像機(jī)的視場(chǎng)角為120°×70°和100°×60°，基本解決了大視場(chǎng)和高分辨率的矛盾，可實(shí)現(xiàn)對(duì)“低、慢、小”航空器的有效探測(cè)。

(2) 紅外探測(cè)

紅外探測(cè)技術(shù)利用目標(biāo)和景物的紅外輻射來(lái)探測(cè)和識(shí)別目標(biāo)。紅外手段也能幫助發(fā)現(xiàn)和跟蹤無(wú)人機(jī)集群，不過(guò)無(wú)人機(jī)的熱源比典型的飛機(jī)要小得多，通常探測(cè)距離在1 km左右。紅外探測(cè)受制于天氣，不利的天氣可極大降低其探測(cè)能力。波音公司的小型激光武器系統(tǒng)就采用電光/紅外探測(cè)技術(shù)在非惡劣天氣環(huán)境中跟蹤無(wú)人機(jī)集群。

(3) 激光探測(cè)

激光探測(cè)是利用激光波束照射目標(biāo)并接收目標(biāo)反射回波的方法來(lái)獲取目標(biāo)信息。它既能夠精確測(cè)距又能夠精確測(cè)速、精密跟蹤。激光雷達(dá)探測(cè)微小振動(dòng)的靈敏度比典型雷達(dá)高2～3個(gè)量級(jí)。激光雷達(dá)空間分辨力高，能夠獲取目標(biāo)尺寸、形狀、速度、振動(dòng)及旋轉(zhuǎn)速度等多種信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的識(shí)別和跟蹤。

大氣對(duì)激光的散射和吸收比對(duì)微波嚴(yán)重，當(dāng)有云、霧、雨時(shí)，探測(cè)距離會(huì)大大減小。

(4) 光電綜合探測(cè)

光電綜合探測(cè)是將2種以上光電探測(cè)技術(shù)組合在一起，取長(zhǎng)補(bǔ)短，對(duì)目標(biāo)的偵察能力大大提高。例如電視、紅外、激光組合可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的定位、識(shí)別和跟蹤。

美國(guó)巴特爾公司研制的“無(wú)人機(jī)防御者”(如圖3所示)系統(tǒng)利用聲學(xué)、光學(xué)、紅外傳感器實(shí)時(shí)探測(cè)與識(shí)別來(lái)襲無(wú)人機(jī)。

圖3 無(wú)人機(jī)防御者Fig.3 UAV defender

1.4 復(fù)合探測(cè)

上面的各種探測(cè)手段都各有利弊，靠單一探測(cè)設(shè)備很難實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)集群的穩(wěn)定探測(cè)，采用以雷達(dá)探測(cè)為主的聲光電復(fù)合探測(cè)系統(tǒng)，將大大增強(qiáng)對(duì)無(wú)人機(jī)集群的探測(cè)能力。

AUDS系統(tǒng)(如圖4所示)集成了Ku波段電子掃描防空雷達(dá)、光電指示器、可見(jiàn)光相機(jī)、紅外相機(jī)和目標(biāo)跟蹤軟件，能夠?qū)? km范圍內(nèi)的無(wú)人機(jī)進(jìn)行探測(cè)、跟蹤、識(shí)別[6]。

圖4 AUDS反無(wú)人機(jī)系統(tǒng)Fig.4 Anti-UAV system of AUDS

2 無(wú)人機(jī)集群反制措施

對(duì)無(wú)人機(jī)集群反制措施主要包括軟殺傷、硬殺傷、無(wú)人機(jī)集群對(duì)抗等。像狙擊手、無(wú)人機(jī)攜帶射網(wǎng)槍、導(dǎo)彈、老鷹等對(duì)付單架無(wú)人機(jī)的手段在對(duì)付無(wú)人機(jī)集群時(shí)變得無(wú)能為力。

2.1 軟殺傷

軟殺傷手段在美歐也稱(chēng)為“非動(dòng)能干擾系統(tǒng)”，主要是通過(guò)對(duì)無(wú)線射頻信號(hào)干擾，阻斷無(wú)人機(jī)集群定位系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、控制鏈路，使其返航或迫降。

(1) 衛(wèi)星信號(hào)干擾

目前大多數(shù)無(wú)人機(jī)均采用GPS/GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)相結(jié)合的方式，只需向無(wú)人機(jī)集群發(fā)射一定功率的定向射頻干擾，干擾無(wú)人機(jī)定位、導(dǎo)航信號(hào)，使其無(wú)法獲得精確的自身坐標(biāo)數(shù)據(jù)，導(dǎo)致無(wú)人機(jī)在一定程度上失控。這是反制無(wú)人機(jī)方式中最溫和的一種，不至于讓無(wú)人機(jī)墜落造成附帶損傷。該類(lèi)設(shè)備干擾距離可超過(guò)1 km。

(2) 集群通信干擾

無(wú)人機(jī)集群需要采用無(wú)線自組網(wǎng)(Ad-hoc)通信模式，無(wú)人機(jī)作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，不依賴(lài)于地面控制站或衛(wèi)星等基礎(chǔ)通信設(shè)施，各節(jié)點(diǎn)間能夠相互轉(zhuǎn)發(fā)指控指令，交換感知態(tài)勢(shì)、健康情況和情報(bào)搜集等數(shù)據(jù)，自動(dòng)連接建立起一個(gè)無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)[7]。該網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)兼具收發(fā)器和路由器雙重職責(zé)，以多跳的方式把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給更遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)。

通過(guò)截獲無(wú)人機(jī)間的通信射頻信號(hào)，然后對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的干擾，增大通信誤碼率或使其失去彼此通信，使無(wú)人機(jī)間不能組網(wǎng)，失去協(xié)同作戰(zhàn)功能，陷入混亂。

(3) 控制鏈路干擾

目前無(wú)人機(jī)集群大多尚不能做到自主控制，多是半自主控制，需要地面控制站或機(jī)載控制站通過(guò)無(wú)線鏈路進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

控制鏈路頻率大多采用ISM頻段:2.4 GHz，5.8 GHz，很少使用433 MHz，少量使用過(guò)時(shí)的遙控頻段:27,35,72 MHz；視頻數(shù)據(jù)流通常通過(guò)2.4 GHz/5.8 GHz (ISM頻段) 傳輸，使用WiFi或模擬PAL/NTSC。

通過(guò)對(duì)控制鏈路的干擾可以阻斷控制站和無(wú)人機(jī)間的聯(lián)系，讓集群無(wú)人機(jī)陷入行為混亂，失去作戰(zhàn)能力，阻截距離可達(dá)3 km。

(4) 網(wǎng)絡(luò)攻擊技術(shù)

Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)屬于開(kāi)放的對(duì)等網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),沒(méi)有中心節(jié)點(diǎn)，沒(méi)有清晰的防御邊界，各節(jié)點(diǎn)內(nèi)存和計(jì)算功率有限，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)防火墻和入侵檢測(cè)技術(shù)和許多安全機(jī)制不再適用于無(wú)線自組網(wǎng)，使其更易受到各類(lèi)安全威脅和攻擊[8]。利用網(wǎng)絡(luò)中潛在的漏洞可對(duì)無(wú)人機(jī)實(shí)施攻擊，通過(guò)安插“后門(mén)”程序甚至可以直接接管無(wú)人機(jī)的控制權(quán)[9-10]。

澳大利亞D13公司的“麥斯莫”無(wú)人機(jī)捕捉裝置采用“協(xié)議處理”開(kāi)放軟件技術(shù)，可捕捉并解碼原始遙感數(shù)據(jù)，進(jìn)而定位無(wú)人機(jī)，獲知無(wú)人機(jī)基站或控制器位置，及其他機(jī)載系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。該裝置能接管至少10種無(wú)人機(jī)的信號(hào)，約占商用市場(chǎng)的近75%。

(5) 聲波干擾

無(wú)人機(jī)內(nèi)部有一個(gè)重要的組件——陀螺儀，它可以為無(wú)人機(jī)提供機(jī)體傾斜、旋轉(zhuǎn)及方向角度等信息，以保持機(jī)體平衡。研究表明，當(dāng)聲波頻率與無(wú)人機(jī)陀螺儀的固有頻率一致的時(shí)候，就會(huì)發(fā)生共振，使陀螺儀無(wú)法正常工作或者輸出錯(cuò)誤信息導(dǎo)致無(wú)人機(jī)墜落。研究人員發(fā)現(xiàn)，如果聲音足夠強(qiáng)(例如達(dá)到140 dB)，聲波可以擊落40 m外的無(wú)人機(jī)。

聲波干擾的瞄準(zhǔn)和跟蹤性不如GPS干擾穩(wěn)定，且造價(jià)昂貴。韓國(guó)先進(jìn)科學(xué)技術(shù)研究院研制了一種新型的“聲波干擾反無(wú)人機(jī)系統(tǒng)”是用聲波來(lái)干擾無(wú)人機(jī)的硬件，使其喪失工作能力。

美國(guó)使用的Lrad聲炮武器也可以適用于反無(wú)人機(jī)集群，它的功率足夠大，作用范圍在3 km以上，可有效對(duì)付無(wú)人機(jī)集群。缺點(diǎn)是采用高分貝聲波干擾武器會(huì)存在擾民問(wèn)題[6]。

2.2 硬殺傷

硬殺傷包括使用激光武器、高功率微波武器、榴霰彈等進(jìn)行物理毀傷的方法來(lái)反制無(wú)人機(jī)集群。

(1) 高能激光武器

激光武器通過(guò)對(duì)目標(biāo)施加能量來(lái)破壞或摧毀目標(biāo)。激光武器采用高功率光纖激光器和光束合成技術(shù)，電光轉(zhuǎn)換效率超過(guò)40%。用雷達(dá)探測(cè)信息導(dǎo)引高能激光束打擊無(wú)人機(jī)，可以致盲無(wú)人機(jī)上的傳感器，使其不能正常工作，也可破壞其殼體結(jié)構(gòu)，直接將其摧毀。激光武器具有精度高、成本低、瞄準(zhǔn)即摧毀等優(yōu)點(diǎn)。

美國(guó)雷神高能激光防空武器系統(tǒng)能摧毀無(wú)人機(jī)、火箭彈乃至巡航導(dǎo)彈，吸引了全世界的視線。2017年3月，高能激光武器系統(tǒng)利用電光追蹤和無(wú)線電傳感器等信息的引導(dǎo)，發(fā)射32 kW的激光能量束，數(shù)秒之內(nèi)就將無(wú)人飛機(jī)燒毀。中國(guó)“低空衛(wèi)士”激光炮(如圖5所示)，發(fā)射功率近10 kW，能在5 s內(nèi)精準(zhǔn)攔截半徑2 km，360°空域的多種航空器[6]。

圖5 激光攔截武器“低空衛(wèi)士”Fig.5 Laser interception system “l(fā)ow altitude guard”

激光武器系統(tǒng)不能全天候作戰(zhàn)，受限于大霧、大雪、大雨。

(2) 高功率微波武器

高功率微波武器是指頻率在100 MHz～300 GHz，峰值功率在100 MW以上或平均功率在1 MW以上的強(qiáng)電磁輻射武器[11]。利用微波的熱效應(yīng)在數(shù)毫秒內(nèi)燒毀目標(biāo)內(nèi)部的電子元器件，使進(jìn)入微波束掃射面的無(wú)人機(jī)失效，特別適用于迅速毀傷無(wú)人機(jī)群。

美國(guó)陸軍正在試驗(yàn)雷聲公司“相位器”高功率微波武器對(duì)抗無(wú)人機(jī)。該武器以柴油發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，在搜索雷達(dá)的引導(dǎo)下跟蹤無(wú)人機(jī)，通過(guò)蝶形天線以一定角度發(fā)射短促的微波能量射流，損毀無(wú)人機(jī)內(nèi)部的電子器件，使其控制系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)失能墜毀，從而對(duì)付一群無(wú)人機(jī)。俄羅斯聯(lián)合儀器制造公司研制的微波武器系統(tǒng)(如圖6所示)，通過(guò)發(fā)射超高頻微波，使無(wú)人機(jī)的通信系統(tǒng)失效，導(dǎo)致無(wú)人機(jī)失去控制，可應(yīng)對(duì)0.8 km范圍內(nèi)的無(wú)人機(jī)群。

圖6 俄羅斯車(chē)載高功率微波武器Fig.6 Russian vehicular high power microwave weapons

(3) 榴霰彈

榴霰彈(如圖7所示)是一種炮彈，是榴彈和霰彈的結(jié)合，彈壁薄，內(nèi)裝火藥及小鋼珠或鋼箭，彈頭裝有定時(shí)引信，能在預(yù)定目標(biāo)上空爆炸或擊中目標(biāo)后爆炸，釋放出上千枚破片，形成“彈片云”對(duì)目標(biāo)進(jìn)行殺傷，殺傷區(qū)域較大，達(dá)數(shù)百米，可對(duì)抗無(wú)人機(jī)群，作戰(zhàn)效能明顯高于導(dǎo)彈等傳統(tǒng)防空系統(tǒng)?？捎闪駨椗凇⒁皯?zhàn)炮、反坦克炮、坦克主炮發(fā)射此類(lèi)炮彈，采用空炸引信，提高火炮威力。

圖7 榴霰彈結(jié)構(gòu)(出自網(wǎng)絡(luò))Fig.7 Shrapnel structure

缺點(diǎn)是損傷后的無(wú)人機(jī)墜落會(huì)造成附帶損傷，同時(shí)該系統(tǒng)只能供軍方使用。

2.3 集群無(wú)人機(jī)對(duì)抗

隨著無(wú)人機(jī)自主能力的不斷提高和智能集群技術(shù)的發(fā)展，軟殺傷和硬殺傷措施對(duì)無(wú)人機(jī)集群的限制效果將變得有限(例如無(wú)人機(jī)群分布范圍很分散或利用高大建筑物躲避反制)。美國(guó)海軍研究生院認(rèn)為未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中唯一能對(duì)付集群無(wú)人機(jī)的將是另一群無(wú)人機(jī)[2]，并開(kāi)展了無(wú)人機(jī)集群對(duì)抗中的多目標(biāo)跟蹤研究。

例如采用集群無(wú)人機(jī)攜帶漁網(wǎng)的方式，對(duì)另一群無(wú)人機(jī)進(jìn)行捕獲；在空中布設(shè)網(wǎng)墻，對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行捕獲；攜帶進(jìn)攻武器對(duì)對(duì)方無(wú)人機(jī)進(jìn)行摧毀;采取自殺式襲擊的方式和對(duì)方無(wú)人機(jī)進(jìn)行物理碰撞，使其喪失作戰(zhàn)能力等[12]。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著無(wú)人機(jī)的小型化、智能化及智能集群技術(shù)快速發(fā)展，無(wú)人機(jī)集群的反制措施難度越來(lái)越高。如微小型無(wú)人機(jī)會(huì)增加探測(cè)跟蹤難度；控制程序和通信鏈路的升級(jí)會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)攻擊和射頻干擾的難度[13-15]。無(wú)人機(jī)集群由于其變革性的戰(zhàn)場(chǎng)應(yīng)用前景，受到越來(lái)越多國(guó)家的關(guān)注和研究。本文對(duì)無(wú)人機(jī)集群的預(yù)警探測(cè)及較為有效的反制措施做了初步探討，為對(duì)抗敵方無(wú)人機(jī)集群威脅提供了一定的參考。