集群無人機探測及對抗措施綜述

王奇珍，張允清，唐世玉,王小剛

(中國人民解放軍95894部隊，北京 102211)

0 引言

無人機從誕生以來在軍事領域中得到廣泛應用，可完成偵察、監視、干擾、誘餌、精確打擊等作戰任務。現在戰場變得越來越復雜，單架無人機在面臨地面防空系統和空中戰機時生存能力、執行任務能力有限[1]。這就需要多架無人機協同作戰，通過能力互補和行動協調，突破敵方的嚴密防空圈，到達任務區域對目標發起協同攻擊，摧毀敵方重要目標。無人機的作戰樣式已逐步從單平臺作戰向多平臺“集群”(swarm)作戰方向發展[2]。

“無人機集群”(unmanned aerial vehicle swarm，UAV swarm)是指多架無線網絡化的小型或微型無人機，采用分布式控制技術，以相同的模式飛行，執行相同或相似的任務[3]。無人機集群的優勢在于協同突防和協同攻擊。

由于具有數量多、散布式、無中心、自組織、成本低、機動靈活等特點，無人機集群給防御系統帶來極大挑戰，給重點目標的安全帶來極大的隱患。

本文主要對無人機集群的預警探測手段和反制措施進行討論，為無人機集群對抗提供一定參考。

1 無人機集群預警探測

要對抗無人機集群帶來的威脅，首先要能對無人機集群進行探測。由于集群中單個無人機體積小、飛行高度低、飛行速度慢，容易與鳥群混淆(如圖1所示)，探測難度大。

圖1 無人機集群構想(出自網絡)Fig.1 Concept of UAV swarm

1.1 雷達探測

雷達對集群無人機的探測同樣面臨“低、慢、小”目標探測難題。當集群無人機比較分散時,探測難度和探測單架無人機沒有多大區別，很難將目標從背景雜波中區分出來。集群無人機分布較密集時，占據幾個連續分辨單元的數個無人機被雷達視為一個擴展目標，回波強度是目標回波的疊加，會產生諸多稍大的擴展目標回波；如果無人機較分散，將產生多個小回波[4]。

集群無人機對雷達探測目標處理容量要求高，應具備抗點跡飽和措施，目標航跡數處理數越高越好。

預警機、球載雷達、低空補盲雷達(如圖2所示)等對低空無人機集群有較好探測效果。國內許多雷達廠家對“低、慢、小”目標探測進行了深入持續的研究，成功研制了許多中小型雷達，對精靈4旋翼無人機的探測距離均超過5 km，甚至超過10 km，并實現低功耗、無人值守功能。

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

1.2 聲波探測

無人機飛行中，螺旋槳葉片和電動機會發出一種獨特的尖利噪聲(轉子聲)，捕捉這種聲音特征，然后與數據庫中的已知聲音特征進行比較，并用多個地理定位來源進行識別。采用低成本高可靠的標量傳聲器陣列、微型高精度的矢量傳聲器陣列2種體制，突破復雜環境下目標特征提取與運動參數估計技術，提升復雜環境適應能力與多目標處理能力。聲波探測不像其他探測手段那么有效，主要受環境噪音影響和距離的限制，嘈雜城區環境下的虛警率高、探測距離受風影響嚴重。聲波對無人機集群的探測距離較近，通常在數百米量級。

1.3 光電探測

光電偵察與監視是利用光電轉換原理，利用目標的反射或輻射，通過轉換和處理獲取目標信息，實現目標的探測、發現、識別與跟蹤。

(1) 可見光探測

光學偵察儀器在軍事上應用最早，具有擴大和延伸人的視覺、發現人肉眼看不清或看不見目標、測定目標位置及瞄準的功能[5]。常見的電視系統由高清攝像機、傳輸設備、監視器組成，作為很多武器系統探測和跟蹤的必備手段。可見光探測設備作用距離通常在2 km左右。

美國國防預先研究項目局(DARPA)一直在進行“先進寬視場圖像重建與開發”(AWARE)項目的研究工作。2012年，成功測試了10億級像素的寬視場高清攝像機，計劃最終將攝像機的像素提高到100～500億。目前AWARE-2和AWARE-10攝像機的視場角為120°×70°和100°×60°，基本解決了大視場和高分辨率的矛盾，可實現對“低、慢、小”航空器的有效探測。

(2) 紅外探測

紅外探測技術利用目標和景物的紅外輻射來探測和識別目標。紅外手段也能幫助發現和跟蹤無人機集群，不過無人機的熱源比典型的飛機要小得多，通常探測距離在1 km左右。紅外探測受制于天氣，不利的天氣可極大降低其探測能力。波音公司的小型激光武器系統就采用電光/紅外探測技術在非惡劣天氣環境中跟蹤無人機集群。

(3) 激光探測

激光探測是利用激光波束照射目標并接收目標反射回波的方法來獲取目標信息。它既能夠精確測距又能夠精確測速、精密跟蹤。激光雷達探測微小振動的靈敏度比典型雷達高2～3個量級。激光雷達空間分辨力高，能夠獲取目標尺寸、形狀、速度、振動及旋轉速度等多種信息，實現對目標的識別和跟蹤。

大氣對激光的散射和吸收比對微波嚴重，當有云、霧、雨時，探測距離會大大減小。

(4) 光電綜合探測

光電綜合探測是將2種以上光電探測技術組合在一起，取長補短，對目標的偵察能力大大提高。例如電視、紅外、激光組合可實現對目標的定位、識別和跟蹤。

美國巴特爾公司研制的“無人機防御者”(如圖3所示)系統利用聲學、光學、紅外傳感器實時探測與識別來襲無人機。

圖3 無人機防御者Fig.3 UAV defender

1.4 復合探測

上面的各種探測手段都各有利弊，靠單一探測設備很難實現對無人機集群的穩定探測，采用以雷達探測為主的聲光電復合探測系統，將大大增強對無人機集群的探測能力。

AUDS系統(如圖4所示)集成了Ku波段電子掃描防空雷達、光電指示器、可見光相機、紅外相機和目標跟蹤軟件，能夠對8 km范圍內的無人機進行探測、跟蹤、識別[6]。

圖4 AUDS反無人機系統Fig.4 Anti-UAV system of AUDS

2 無人機集群反制措施

對無人機集群反制措施主要包括軟殺傷、硬殺傷、無人機集群對抗等。像狙擊手、無人機攜帶射網槍、導彈、老鷹等對付單架無人機的手段在對付無人機集群時變得無能為力。

2.1 軟殺傷

軟殺傷手段在美歐也稱為“非動能干擾系統”，主要是通過對無線射頻信號干擾，阻斷無人機集群定位系統、通信系統、控制鏈路，使其返航或迫降。

(1) 衛星信號干擾

目前大多數無人機均采用GPS/GLONASS衛星導航系統與慣性導航系統相結合的方式，只需向無人機集群發射一定功率的定向射頻干擾，干擾無人機定位、導航信號，使其無法獲得精確的自身坐標數據，導致無人機在一定程度上失控。這是反制無人機方式中最溫和的一種，不至于讓無人機墜落造成附帶損傷。該類設備干擾距離可超過1 km。

(2) 集群通信干擾

無人機集群需要采用無線自組網(Ad-hoc)通信模式，無人機作為網絡節點，不依賴于地面控制站或衛星等基礎通信設施，各節點間能夠相互轉發指控指令，交換感知態勢、健康情況和情報搜集等數據，自動連接建立起一個無線移動網絡[7]。該網絡中每個節點兼具收發器和路由器雙重職責，以多跳的方式把數據轉發給更遠的節點。

通過截獲無人機間的通信射頻信號，然后對其進行相應的干擾，增大通信誤碼率或使其失去彼此通信，使無人機間不能組網，失去協同作戰功能，陷入混亂。

(3) 控制鏈路干擾

目前無人機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載控制站通過無線鏈路進行遠程控制。

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，少量使用過時的遙控頻段:27,35,72 MHz；視頻數據流通常通過2.4 GHz/5.8 GHz (ISM頻段) 傳輸，使用WiFi或模擬PAL/NTSC。

通過對控制鏈路的干擾可以阻斷控制站和無人機間的聯系，讓集群無人機陷入行為混亂，失去作戰能力，阻截距離可達3 km。

(4) 網絡攻擊技術

Ad-hoc網絡屬于開放的對等網絡體系結構,沒有中心節點，沒有清晰的防御邊界，各節點內存和計算功率有限，傳統的網絡防火墻和入侵檢測技術和許多安全機制不再適用于無線自組網，使其更易受到各類安全威脅和攻擊[8]。利用網絡中潛在的漏洞可對無人機實施攻擊，通過安插“后門”程序甚至可以直接接管無人機的控制權[9-10]。

澳大利亞D13公司的“麥斯莫”無人機捕捉裝置采用“協議處理”開放軟件技術，可捕捉并解碼原始遙感數據，進而定位無人機，獲知無人機基站或控制器位置，及其他機載系統的數據。該裝置能接管至少10種無人機的信號，約占商用市場的近75%。

(5) 聲波干擾

無人機內部有一個重要的組件——陀螺儀，它可以為無人機提供機體傾斜、旋轉及方向角度等信息，以保持機體平衡。研究表明，當聲波頻率與無人機陀螺儀的固有頻率一致的時候，就會發生共振，使陀螺儀無法正常工作或者輸出錯誤信息導致無人機墜落。研究人員發現，如果聲音足夠強(例如達到140 dB)，聲波可以擊落40 m外的無人機。

聲波干擾的瞄準和跟蹤性不如GPS干擾穩定，且造價昂貴。韓國先進科學技術研究院研制了一種新型的“聲波干擾反無人機系統”是用聲波來干擾無人機的硬件，使其喪失工作能力。

美國使用的Lrad聲炮武器也可以適用于反無人機集群，它的功率足夠大，作用范圍在3 km以上，可有效對付無人機集群。缺點是采用高分貝聲波干擾武器會存在擾民問題[6]。

2.2 硬殺傷

硬殺傷包括使用激光武器、高功率微波武器、榴霰彈等進行物理毀傷的方法來反制無人機集群。

(1) 高能激光武器

激光武器通過對目標施加能量來破壞或摧毀目標。激光武器采用高功率光纖激光器和光束合成技術，電光轉換效率超過40%。用雷達探測信息導引高能激光束打擊無人機，可以致盲無人機上的傳感器，使其不能正常工作，也可破壞其殼體結構，直接將其摧毀。激光武器具有精度高、成本低、瞄準即摧毀等優點。

美國雷神高能激光防空武器系統能摧毀無人機、火箭彈乃至巡航導彈，吸引了全世界的視線。2017年3月，高能激光武器系統利用電光追蹤和無線電傳感器等信息的引導，發射32 kW的激光能量束，數秒之內就將無人飛機燒毀。中國“低空衛士”激光炮(如圖5所示)，發射功率近10 kW，能在5 s內精準攔截半徑2 km，360°空域的多種航空器[6]。

圖5 激光攔截武器“低空衛士”Fig.5 Laser interception system “low altitude guard”

激光武器系統不能全天候作戰，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以上的強電磁輻射武器[11]。利用微波的熱效應在數毫秒內燒毀目標內部的電子元器件，使進入微波束掃射面的無人機失效，特別適用于迅速毀傷無人機群。

美國陸軍正在試驗雷聲公司“相位器”高功率微波武器對抗無人機。該武器以柴油發動機為動力，在搜索雷達的引導下跟蹤無人機，通過蝶形天線以一定角度發射短促的微波能量射流，損毀無人機內部的電子器件，使其控制系統和發動機失能墜毀，從而對付一群無人機。俄羅斯聯合儀器制造公司研制的微波武器系統(如圖6所示)，通過發射超高頻微波，使無人機的通信系統失效，導致無人機失去控制，可應對0.8 km范圍內的無人機群。

圖6 俄羅斯車載高功率微波武器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，是榴彈和霰彈的結合，彈壁薄，內裝火藥及小鋼珠或鋼箭，彈頭裝有定時引信，能在預定目標上空爆炸或擊中目標后爆炸，釋放出上千枚破片，形成“彈片云”對目標進行殺傷，殺傷區域較大，達數百米，可對抗無人機群，作戰效能明顯高于導彈等傳統防空系統。可由榴彈炮、野戰炮、反坦克炮、坦克主炮發射此類炮彈，采用空炸引信，提高火炮威力。

圖7 榴霰彈結構(出自網絡)Fig.7 Shrapnel structure

缺點是損傷后的無人機墜落會造成附帶損傷，同時該系統只能供軍方使用。

2.3 集群無人機對抗

隨著無人機自主能力的不斷提高和智能集群技術的發展，軟殺傷和硬殺傷措施對無人機集群的限制效果將變得有限(例如無人機群分布范圍很分散或利用高大建筑物躲避反制)。美國海軍研究生院認為未來戰爭中唯一能對付集群無人機的將是另一群無人機[2]，并開展了無人機集群對抗中的多目標跟蹤研究。

例如采用集群無人機攜帶漁網的方式，對另一群無人機進行捕獲；在空中布設網墻，對無人機進行捕獲；攜帶進攻武器對對方無人機進行摧毀;采取自殺式襲擊的方式和對方無人機進行物理碰撞，使其喪失作戰能力等[12]。

3 結束語

隨著無人機的小型化、智能化及智能集群技術快速發展，無人機集群的反制措施難度越來越高。如微小型無人機會增加探測跟蹤難度；控制程序和通信鏈路的升級會增加網絡攻擊和射頻干擾的難度[13-15]。無人機集群由于其變革性的戰場應用前景，受到越來越多國家的關注和研究。本文對無人機集群的預警探測及較為有效的反制措施做了初步探討，為對抗敵方無人機集群威脅提供了一定的參考。