小型商用無人機的安全性分析

安東尼·廷格爾 大衛(wèi)·泰里

小型無人機系統(tǒng)技術(shù)逐漸成為一種極具顛覆性的商業(yè)技術(shù)，對人類社會生活構(gòu)成了一種特別的“威脅”。與任何新技術(shù)一樣，其軍事用途能力尚未充分驗證，但最近發(fā)生地幾起事件則暴露了其潛在的危險性。

2013年9月，在德國總理安格拉·默克爾在發(fā)表競選演說時，一架小型的無人機就在默克爾的附近徘徊。2015年1月，在白宮草坪上，一架小型無人機在本應(yīng)受限制的區(qū)域隨意降落且一段時間內(nèi)并未被檢測到。2016年8月，至少有5架小型無人機擾亂了洛杉磯附近的野火行動，使直升機因擔(dān)心空中相撞被迫停飛。同時，美國聯(lián)邦航空局每月收到超過100份關(guān)于小型無人機的投訴報告，與執(zhí)法部門的糾紛案件數(shù)量也在增加。這些例子強調(diào)，這種新興技術(shù)存在的不可預(yù)測的危險性甚至是致命性。

小型無人機是快速發(fā)展的商業(yè)技術(shù)的一個縮影。小型無人機的產(chǎn)量很高，但同時因為它具有破壞性，也在一定程度上挑戰(zhàn)了國家聯(lián)合防空的規(guī)定和原則，并重新定義了商業(yè)技術(shù)在軍事中的用途。

特點和功能

商業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展是小型無人機系統(tǒng)快速發(fā)展的直接原因。通信設(shè)備、密碼學(xué)和輕質(zhì)材料的改進使得目前的小型多旋翼無人機的外形有了一定的參考模型。這些無人機通常是指四旋翼無人機和小型固定翼無人機。美國國防部定義了第]級無人機，即重量不足201b的無人機，因為超過l級以上無人機的攔截速度很快，接近傳統(tǒng)的防御空中作戰(zhàn)速度。隨著技術(shù)的進步，小型無人機的速度會更快，同時小型無人機的指令和控制距離、光電傳感器分辨率、全球定位系統(tǒng)制導(dǎo)精度和戰(zhàn)場自主性也會增加。隨著材料科學(xué)的進步，尤其是考慮到自適應(yīng)3D打印技術(shù)和碳納米管材料，小型無人機將變得更小、更快、更輕，并且將會有更強的續(xù)航能力，也會承受更重的負(fù)載。小型無人機的基本物理結(jié)構(gòu)使用先進材料，使得雷達難以識別。

雖然碳纖維和塑料材質(zhì)（大部分的小型無人機都是由其組成的）減弱了雷達對信號的識別，但尺寸是對小型無人機雷達識別和跟蹤的最大缺點。現(xiàn)代雷達技術(shù)有能力識別更小的物體。此外，小型無人機通常與其他空中物體一樣難以區(qū)分，特別是鳥類。聲相陣列和光電攝像機有希望能夠解決這個問題，這些跟蹤和識別技術(shù)的結(jié)合是抵御日益增長的小型無人機威脅的必要手段。

我們不能低估當(dāng)前小型無人機的復(fù)雜性和重要性。由于小型無人機繼續(xù)用于包括包裹遞送和攝影在內(nèi)的各種商業(yè)和私人目的，小型無人機操作人員的意圖也難以分辨。與傳統(tǒng)飛機不同的是，傳統(tǒng)飛機需要跑道，可以提供更長的跟蹤時間，但小型無人機能夠迅速地在空中飛行并接近目標(biāo)。

正確識別無人機是交戰(zhàn)時非常重要的條件，特別是考慮在領(lǐng)土上部署反小型無人機措施時，包括執(zhí)法封鎖和平民傷亡的可能性。為了有效地對抗小型無人機，不僅要改進對抗技術(shù)，同時要發(fā)展有效檢測、跟蹤和積極識別威脅的能力。未來，材料學(xué)和計算科學(xué)的發(fā)展將使小型無人機作為進攻性武器的效能提高。隨著戰(zhàn)場自動化進程的推進，軍隊正朝著使用大量小型無人機的方向前進，這被稱為“小型無人機群”。群體戰(zhàn)術(shù)的使用增加了小型無人機的破壞力，使對手很難進行防御。在這方面，軍隊可能不得不重新考慮戰(zhàn)場上的防御系統(tǒng)。

目前，小型無人機群的實際應(yīng)用受到技術(shù)的限制，但所支持的技術(shù)快速進步使其應(yīng)用有望實現(xiàn)。小型無人機的爬升能力、速度和靈活性直接取決于承載的重量，減少通信設(shè)備、傳感器、機載處理器和動態(tài)負(fù)載的重量將增加性能范圍和可操作性。同樣，小型輕質(zhì)動力和碳納米管材料以及3D打印等相應(yīng)制造工藝的進步，將使小型無人機更小、更快且具有更長的續(xù)航時間和更大的航程。

雖然小型無人機具有可操作性和集群特征，但智能算法是集群攻擊的必要組成部分。同時，只有自主技術(shù)才能指揮和控制大量的小物體，目前部署或開發(fā)的許多小型無人機具備不同程度的自主性。因此，攻擊小型無人機群是可行的，能夠自動感知和防御弱點，從而相應(yīng)地調(diào)整群戰(zhàn)術(shù)。小型無人機群的策略和技術(shù)源自20世紀(jì)70年代早期出現(xiàn)的再入飛行器技術(shù)（ MIRV）。MIRV的概念包括使用在一枚彈道導(dǎo)彈上配裝多個核彈頭，大大增加了攻擊的成功概率。但是，小型無人機在可操作性和著陸能力方面與MIRV不同，超出了簡單的數(shù)值優(yōu)勢。進攻性小型無人機可以戰(zhàn)術(shù)性地從MIRV對象中選擇誘餌。隨著MIRV誘餌的出現(xiàn)，配裝同等數(shù)量相同物理特性的彈頭，MIRV技術(shù)的經(jīng)濟性使得非對稱優(yōu)勢得以實現(xiàn)。同時，使用誘餌可以降低攻擊性大批量小型無人機的總成本。

目前，美國軍方有多種方法可以有效地摧毀小型無人機。從2002年開始，“黑色飛鏢”軍事演習(xí)就把聚焦于對抗小型無人機所造成的威脅。演習(xí)采用了動力學(xué)和非動力學(xué)方法，測試了從0.5mm口徑機槍到“海爾法”（Hellfire）導(dǎo)彈抵御這種威脅能力，其核心問題是要解決不對稱和效率的問題。如何以一種實用且高效益的方式來抵御這些大量的價值高達1500美元的無人機是需要解決的問題。現(xiàn)有的反小型無人機的方法有傳統(tǒng)的動力學(xué)方法和定向能的方法，每種方法都有對小型無人機防御的適用性。傳統(tǒng)的空中防御的動力方式，只有在單個小型無人機入侵時可以做到低成本的抵御，但作戰(zhàn)中是有多個小型且快速移動的目標(biāo)，因此傳統(tǒng)的防御手段在戰(zhàn)術(shù)上是不夠的。

目前的動力防御系統(tǒng)在對抗小型無人機群時缺乏覆蓋性，覆蓋范圍小且精確度不足。這些武器系統(tǒng)不太可能在固定的位置上發(fā)揮特定的效果。雖然降低這些防御性武器的口徑可能會增加射擊速度，但相應(yīng)射程要比期望降低很多。不考慮目前正在開發(fā)的軌道炮等武器，小型無人機最可行的直接動力防御方法是小口徑精確制導(dǎo)彈藥，精確制導(dǎo)彈藥的微型化使得防御系統(tǒng)具備了在對峙距離內(nèi)攔截大量小型無人機的能力。根據(jù)美國國防部官員的說法，“我們要求子彈是0.5mm的口徑已經(jīng)接近目標(biāo)，但同時要保證把武器與傳感器系統(tǒng)合二為一，要求速度快同時能精確地追蹤人類的生物特征信號。在缺乏可行的“強力”區(qū)域防御方法的情況下，這些相對便宜的微型制導(dǎo)彈藥在一定程度上可以防御大量的小型無人機。另一種抵御小型無人機的方法是使用其他小型無人機作為防御方進行攻擊。前段時間在東京上空出現(xiàn)了一場“無人機戰(zhàn)爭”，日本黑幫使用小型無人機在東京全市范圍內(nèi)運送毒品，當(dāng)警方抓捕這些無人機時，日本黑幫再次以攻擊警察的無人機來進行報復(fù)。

因為小型無人機的靈活性使得對戰(zhàn)雙方都具有削弱或摧毀敵人的小型無人機的能力，像這樣的便攜式防御系統(tǒng)也可能對小型無人機不利。因此，將生物作為一種干預(yù)手段可能是更自然的解決方案。目前，已有研究表明，可以用鳥類來抵御小型無人機的攻擊。美國空軍學(xué)院最近進行了“獵鷹”（ Falcon）為期一年的研究。測試結(jié)果顯示，獵鷹能夠檢測、識別、跟蹤并參與特定的小型無人機攻擊行動。與鷹等翱翔的鳥類相比，獵鷹在飛行時必須積極地扇動翅膀，將時間限制在20min左右。此外，每只獵鷹的訓(xùn)練時間約為4～5個月。雖然這項研究并沒有涉及使用獵鷹來攔截不同類型的小型無人機，但項目研究負(fù)責(zé)人、美國陸軍中校唐納德·賴梅爾認(rèn)為，訓(xùn)練獵鷹來對付不同類型的小型無人機是可能的。

美國陸軍研發(fā)的定向能系統(tǒng)在尺寸和重量方面處于領(lǐng)先地位，而美國空軍研發(fā)的系統(tǒng)性能不足。美國空軍試圖研發(fā)由飛機攜帶的定向能系統(tǒng)。目前，美國空軍科學(xué)顧問委員會正在評估改進的AC-130H飛機對這些任務(wù)的要求，其中26個項目預(yù)計將于2020年完成。這個項目讓人聯(lián)想到現(xiàn)在已經(jīng)失敗的機載激光系統(tǒng)，美國空軍只有將機載激光系統(tǒng)輕型化、小型化，才能安裝在飛機上。最有效的定向能技術(shù)是利用高能微波武器來攻擊小型無人機集群。類似于電磁脈沖EMP，這些微波武器能夠使小型無人機的電子元件失效。雖然在城市環(huán)境或戰(zhàn)場上使用EMP裝置會對環(huán)境造成危害，但研發(fā)中微波武器將是對付大量小型無人機攻擊的最有效手段之一。

商業(yè)適應(yīng)性研發(fā)

自本世紀(jì)初以來，美國國防部已取得共識，有必要將商業(yè)技術(shù)集成到軍事系統(tǒng)采購中。但是，目前，商業(yè)技術(shù)發(fā)展迅速，已經(jīng)超過了傳統(tǒng)的政府研發(fā)和采購計劃。美國國防部已經(jīng)適應(yīng)了國防采購的商業(yè)影響，但是并沒有意識到技術(shù)對國家安全的影響正在擴大。小型民用無人機等商業(yè)技術(shù)的崛起，不僅具有更大的商業(yè)機會，而且?guī)砹烁蟮募夹g(shù)威脅。

與惡意軟件對網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的影響相類似，商業(yè)技術(shù)的軍事應(yīng)用也會對國家安全產(chǎn)生較大影響。目前，美國國防部面對的挑戰(zhàn)是，在現(xiàn)有國防采購流程下，如何應(yīng)對這種新型快速發(fā)展的商業(yè)威脅。現(xiàn)有的國防采購范式依賴于通過商用貨架系統(tǒng)和組件來滿足需求。由于新興的商用貨架能力超過了政府研發(fā)機構(gòu)的能力，美國必須制定政策以保證其與對手的技術(shù)優(yōu)勢，促進了美國國防部與商業(yè)公司的合作，使得美國國防部也能跟上新的商業(yè)技術(shù)的步伐。

與1957年發(fā)射Sputnik后美國國防部預(yù)研局的發(fā)展類似，首先，使用電子名片策略將有助于美國提前了解重要的商業(yè)技術(shù)。其次，對于商業(yè)公司和美國國防部來說，發(fā)現(xiàn)他們技術(shù)的額外用途可能會帶來好處。技術(shù)的雙重用途很少能立即顯現(xiàn)出來，通過與大公司緊密合作，美國國防部能夠發(fā)現(xiàn)新的軍事和商業(yè)技術(shù)應(yīng)用。再次，美國國防部可以恢復(fù)可能有用的技術(shù)，有些技術(shù)之前很可能被商業(yè)公司視為沒有商業(yè)可行性，但美國國防部如果對這些技術(shù)感興趣，就為這些技術(shù)提供一個“第二生命”的機會，從而可能再次實現(xiàn)商業(yè)化。最后，電子名片的構(gòu)建降低了政府的研發(fā)風(fēng)險。政府不再直接審查新技術(shù)，因為該行業(yè)在創(chuàng)新的成熟度首當(dāng)其沖，還可以降低風(fēng)險。例如，英特爾公司2013年的研發(fā)預(yù)算約為106億美元。利用這些商業(yè)公司與政府研發(fā)部門進行合作，可以達到降低研發(fā)風(fēng)險。

結(jié)束語

目前，最先進的商用小型無人機有很大的威脅性，并且正處于技術(shù)進步的最前沿，危險指數(shù)很高。特別是在群體戰(zhàn)術(shù)中，小型無人機的不對稱特性使得對方難以抵御。同時，小型無人機相對便宜且容易購買，導(dǎo)致它無處不在。據(jù)估計，僅在美國就有超過100萬架的小型無人機。而相反，同期的防御系統(tǒng)則非常昂貴。通過大規(guī)模軍事采購來對抗這種商業(yè)威脅，在經(jīng)濟上不僅很難承受，而且非常低效。此外，新技術(shù)的微小進步很可能會使得小型無人機在能力上產(chǎn)生質(zhì)的飛躍，這進一步加劇了應(yīng)對小型無人機檢測和識別等防御性問題的難度。

為了應(yīng)對這種威脅，美國必須研究商業(yè)小型無人機的攻擊和防御理論，提高應(yīng)對小型無人機的攻防能力。此外，應(yīng)對小型商用無人機的威脅本質(zhì)上是一種聯(lián)合作戰(zhàn)，需要在各軍種之間實施技術(shù)協(xié)同，才能促進反小型無人機技術(shù)的發(fā)展和實施。現(xiàn)在，建議成立一個專門針對小型無人機的類似于聯(lián)合臨時威脅防御組織的聯(lián)合組織。

此外，整合商用貨架需求解決方案，不僅促進民營企業(yè)積極研發(fā)新產(chǎn)品，而且政府部門可以利用商用貨架產(chǎn)品進行二次研發(fā)以滿足新的軍事需求。但是，這種研發(fā)模式只是簡單滿足政府需求，已經(jīng)很陳舊。為了應(yīng)對商用小型無人機的威脅，美國國防部必須與商業(yè)公司密切合作才能實現(xiàn)這一目標(biāo)。

來自小型無人機的潛在威脅會促使軍方對商業(yè)技術(shù)的使用產(chǎn)生新的思考和推動力。但是，也正是這種先進技術(shù)的商業(yè)應(yīng)用才是對國家安全最大的挑戰(zhàn)。