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(yè)發(fā)展研究中心

隨著無人機技術(shù)的快速發(fā)展，無人機大量應用于偵察、打擊、航拍、植保等軍用和民用領(lǐng)域，無人機黑飛現(xiàn)象愈發(fā)嚴重，反無人技術(shù)受到各國的高度關(guān)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(guān)鍵技術(shù)和作戰(zhàn)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(tǒng)成功擊落一架四旋翼無人機。該反無人機系統(tǒng)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(shù)研究的人工智能初創(chuàng)企業(yè)。目前，安都瑞爾公司已發(fā)布“柵格”（Lattice）智能指揮操作系統(tǒng)、“哨塔”（Sentry Tower）復合型探測識別系統(tǒng)、“幽靈” 4（Ghost 4）戰(zhàn)術(shù)無人機系統(tǒng)和“鐵砧”（Anvils）無人機動能攔截裝置等產(chǎn)品。安都瑞爾公司當前主打基地防御、關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施保護、邊境防衛(wèi)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(tǒng)已在“米拉馬”海軍陸戰(zhàn)隊航空站部署并應用，專用于特定的威脅系統(tǒng)。安都瑞爾公司將持續(xù)開發(fā)和發(fā)布系統(tǒng)軟件，以確保系統(tǒng)性能持續(xù)提升。

合同概述

2021年，安都瑞爾公司獲得美國國防部國防創(chuàng)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(shù)的反無人機系統(tǒng)（c-UAS）支持。根據(jù)合同條款，安都瑞爾公司的人工智能操作系統(tǒng)可基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對潛在無人機威脅目標的探測、分類、跟蹤和預警；國防創(chuàng)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(tǒng)的持續(xù)開發(fā)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(tǒng)為核心組成的“無人機粉碎機”系統(tǒng)的性能。針對特定場景，“無人機粉碎機”采用模塊化系統(tǒng)完成不同的任務。通過與國防創(chuàng)新部門進行合作，該公司反無人機系統(tǒng)從原型機開發(fā)、生產(chǎn)到應用歷時18個月（包括測試與評估周期），這種高效的開發(fā)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(zhàn)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(zhàn)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(shù)量的反無人機系統(tǒng)。按照合同條款，安都瑞爾公司將為特種作戰(zhàn)部隊提供反無人機系統(tǒng)，推進應用并提升反無人機系統(tǒng)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(nèi)，反無人機系統(tǒng)將在美國的不同地點投產(chǎn)并運用。

安都瑞爾公司簽訂的反無人機系統(tǒng)合同均要求智能指揮操作系統(tǒng)對反無人機設(shè)備提供支持。這不僅表明安都瑞爾公司反無人機系統(tǒng)的智能化技術(shù)處于領(lǐng)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(tǒng)的智能化技術(shù)。

反無人機解決方案分析

安都瑞爾公司“無人機粉碎機”系統(tǒng)由“柵格”智能指揮操作系統(tǒng)、探測識別系統(tǒng)和無人機攔截裝置構(gòu)成。“柵格”系統(tǒng)提供頂層協(xié)調(diào)，融合并處理傳感器信息；探測識別系統(tǒng)的主體為安都瑞爾公司研發(fā)的“哨塔”系統(tǒng)，并可擴展用于縱深防御的第三方傳感器系統(tǒng)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(yōu)點，通過“柵格”系統(tǒng)的控制，可執(zhí)行集群監(jiān)視、偵察和作戰(zhàn)任務。“無人機粉碎機”系統(tǒng)組成如圖1所示。“柵格”系統(tǒng)可提供全天時持續(xù)防御，能夠自主檢測、分類和跟蹤威脅目標，并向終端用戶發(fā)送預警信息，提供對應的處置方案。

圖1 “無人機粉碎機”系統(tǒng)組成示意圖。

探測識別系統(tǒng)

“哨塔”探測識別系統(tǒng)

“無人機粉碎機”系統(tǒng)中的“哨塔”系統(tǒng)（見圖2）是一套集成了第三方傳感器的探測識別系統(tǒng)，由光學、微波和紅外熱成像設(shè)備組成，屬于近程探測識別系統(tǒng)，主要部署在警戒區(qū)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(shè)計，能夠在復雜環(huán)境中工作，可根據(jù)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(tǒng)。

根據(jù)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(tǒng)，分別是“遠距離哨塔”（Long Range Sentry Tower）系統(tǒng)和“標準距離哨塔”（Standard Range Sentry Tower）系統(tǒng)。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(tǒng)訂制了“寒冷天氣哨塔”（Cold Weather Sentry Tower）系統(tǒng)和“海岸哨塔”（Maritime Sentry Tower）系統(tǒng)。

1.“遠距離哨塔”探測識別系統(tǒng)

“遠距離哨塔”系統(tǒng)如圖3所示，配備了超高功率、可在360°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)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(shù)參數(shù)詳見表1。

圖3 “遠距離哨塔”系統(tǒng)。

表1 “遠距離哨塔”系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)。

2.“標準距離哨塔”探測識別系統(tǒng)

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

圖4 “標準距離哨塔”系統(tǒng)。

表2 “標準距離哨塔”系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)。

（1）“寒冷天氣哨塔”探測識別系統(tǒng)

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

圖5 “寒冷天氣哨塔”系統(tǒng)。

（2）“海岸哨塔”探測識別系統(tǒng)

“海岸哨塔”系統(tǒng)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(tǒng)。

圖6 “海岸哨塔”系統(tǒng)。

“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(zhàn)術(shù)無人機“幽靈”4（見圖7）。該機機載計算機系統(tǒng)具備32位處理能力，搭載“柵格”智能指揮操作系統(tǒng)，可自主決策并對目標執(zhí)行相關(guān)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(zhí)行多種任務，1名操控員可在不到3min的時間內(nèi)完成組裝和飛行準備。基于“柵格”智能指揮操作系統(tǒng)，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(shè)計，實現(xiàn)了垂直起降功能。其模塊化設(shè)計提高了任務載荷的集成度，使任務載荷更換和現(xiàn)場維護更加便捷。“幽靈” 4無人機的技術(shù)數(shù)據(jù)詳見表3。

表3 “幽靈” 4無人機的技術(shù)數(shù)據(jù)

“幽靈” 4無人機是探測識別系統(tǒng)的重要組成部分，可與“哨塔”探測識別系統(tǒng)、“鐵砧”無人機攔截裝置和“柵格”智能指揮操作系統(tǒng)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(tǒng)提供空中監(jiān)測數(shù)據(jù)。

智能指揮操作系統(tǒng)

“柵格”智能指揮操作系統(tǒng)是“無人機粉碎機”系統(tǒng)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?shù)淖陨頎顟B(tài)信息。“柵格”系統(tǒng)將兩者的信息進行融合，然后在指定區(qū)域?qū)囕v、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(shè)備主要集成于“柵格”系統(tǒng)中。“柵格”系統(tǒng)具有如下功能。

1.智能化目標識別

“柵格”系統(tǒng)接收傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)并消除噪聲，通過智能算法完成環(huán)境狀態(tài)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(shù)據(jù)源的數(shù)千條數(shù)據(jù)解析為智能化通用操作圖。“柵格”系統(tǒng)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(shù)來、識別、分類和跟蹤目標。

在警戒區(qū)域內(nèi)，“柵格”系統(tǒng)接收傳感器網(wǎng)絡(luò)即探測識別系統(tǒng)傳輸?shù)墓鈱W、紅外影像等數(shù)據(jù)，采用基于深度學習算法的圖像識別處理技術(shù)，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(shù)已經(jīng)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(guī)則的傳統(tǒng)目標識別技術(shù)。

“柵格”系統(tǒng)專為動態(tài)環(huán)境而設(shè)計，在動態(tài)環(huán)境中工作，必須快速地做出決策。“柵格”系統(tǒng)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(tǒng)利用深度學習算法快速完成計算，可在幾秒鐘內(nèi)將決策轉(zhuǎn)化為行動，能夠在多個領(lǐng)域、地理位置以及復雜的通信環(huán)境中，對有人和無人系統(tǒng)進行實時指揮。“柵格”系統(tǒng)具有自主協(xié)同能力，簡化了分布式操作的復雜度。

“柵格”系統(tǒng)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(fā)現(xiàn)威脅目標后，將確認的威脅目標統(tǒng)一顯示在軟件界面上，形成態(tài)勢圖。根據(jù)“柵格”系統(tǒng)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(qū)域。

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

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(shù)數(shù)據(jù)如表4所述。

表4 “鐵砧”無人機攔截裝置的技術(shù)數(shù)據(jù)。

“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(shè)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(zhí)行任務，并利用安都瑞爾公司開發(fā)的計算機視覺技術(shù)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(jié)構(gòu)，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(wěn)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(shè)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(shè)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(zhì)金屬外殼，頂部為透明保護殼，內(nèi)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(jié)構(gòu)，“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(shè)備發(fā)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(zhì)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(tài)失穩(wěn)，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(shè)備得到保護，可再次使用。

圖11 “鐵砧”無人機的結(jié)構(gòu)圖。

圖12 “鐵砧”無人機攔截目標無人機。

作戰(zhàn)能力分析

動能攔截屬于傳統(tǒng)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(lǐng)域占據(jù)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(shù)的研究和應用，并形成基于“柵格”系統(tǒng)的集成化反無人機系統(tǒng)解決方案。通過模塊化設(shè)計，該方案的探測識別系統(tǒng)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(tǒng)、“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(shù)據(jù)，基于人工智能技術(shù)的“柵格”系統(tǒng)能夠在動態(tài)環(huán)境下自主處理數(shù)據(jù)，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(tǒng)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(tǒng)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(yōu)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(shè)備的性能以及“柵格”系統(tǒng)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(jié)

安都瑞爾公司研制的“無人機粉碎機”系統(tǒng)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(yōu)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(nèi)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(tǒng)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(zhàn)場或核心區(qū)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(jié)合，遠近反制相結(jié)合，實現(xiàn)多手段，分層次反制。