如何防范小型民用无人机系统？

托马斯·帕默 约翰.P.盖斯

小型无人机系统由于独特的性能和集群规模优势，在军事任务中担当越来越重要的角色，具有改变作战游戏规则的潜力。小型无人机系统的广泛使用逐渐成为军事安全和民用安全的威胁。无人机产业的迅猛发展和广泛应用对全球低空安全管理造成了前所未有的严峻压力。无人机的安全监管问题成为全世界重点议论的话题之一。

二十一世纪的某个年份，在解决一场国际危机的外交和经济努力失败后，美国空军受命领导一场重大的作战行动，摧毁某敌对国家的战略目标。在美国空军某个本土基地，经过数周马不停蹄的准备、计划和协调后，由12架F-22隐形战机和两架KC-10空中加油机组成的第一波作战机群只有两个小时即将腾空而起，开始跨洋飞行。

在毫无预警的情况下，几个小黑点出现在地平线上，并迅速迎头向战机逼近。随着黑点越来接近，一个机长用肉眼识别出这些黑点是中型民用四轴飞行器，携带着几个小型物体。为首的四轴飞行器向第一架战机投掷出一枚铝热剂榴弹爆炸物，导致战机的一个油箱破裂，燃起大火。接下来，另外一架四轴飞行器攻击停机坪排列的最后一架战机，导致其突然燃烧起来，阻断其它1 0架飞机的逃离之路。又有5架四轴飞行器飞抵现场，摧毁其余的战机，接着是那两架KC-10空中加油机，导致20人牺牲，另外还有30人在熊熊大火中受伤。

在救援人员全力抢救时，又有1 0架四轴飞行器一窝蜂地飞抵机场，又摧毁了20架飞机，以及空军基地巨大的燃料储存罐。几乎整个第五代战机联队被烧成灰烬，损失数十亿美元。没有人知道操控四轴飞行器的人是谁，空军基地人员爱莫能助，无法阻止这次猛烈攻击，或有任何招架之功？虽然这纯属杜撰的场景，但是造成这种灾难的技术却存在于当今。

近年来，无人机系统（UAS）在普及性、可得性和性能方面出现爆炸性增长。随着电池、照相机、飞行控制电脑，以及其他关键的无人机系统部件越来越小型化、廉价和多样化，无人机系统的能力大幅提高。敌人无需接受正规训练，只要通过使用一个简单的智慧型手机应用程序，现在就能驾驶时速达113km/h、极易操控的四旋翼无人机。这种新技术向潜在的敌手提供一种针对友好目标的另外的和巨大进攻能力。

现代的小型无人机系统具备多种功能，能抵消目前美国空军的很多能力。他们能自由地发动进攻、损毁空军先进的隐形战机和轰炸机、空中加油机和运输机。小型无人机系统还能置关键的支援设施于危险之中。这种“邪恶的”无人机问题只会变得更遭。这些新的无人机系统能力让使用者可能使兴建的空基和陆基进攻和防御系统失效。因此，我们需要具备更好的能力，战胜这些新的小型无人机系统。

为了探讨这个问题，我们首先定义无人机系统扩散的问题并设定其框架，然后论述可能的敌手使用无人机系统并且详尽阐明反无人机的能力，评估无人机系统的优势和弱势，展示敌手能使反无人机防御系统失效的方法，最后提出可能的解决办法，最后为对付日益完善的无人机系统能力做进一步研究的提议。

无人机系统扩散问题

随着信息时代的不断发展，潜在的敌手注意到美国军方无人机系统的成功，利用商用货架产品，开发出他们的系统。在无人机系统霸主的问题上，美国空军和国防部已不再独占鳌头。要实现战术和战略目标，已经可以不再需要庞大的国家出资的无人机系统项目。2014年8月，伊拉克和叙利亚的伊斯兰国恐怖主义组织（ISIS）通过互联网上传了叙利亚军方目标的视频。这些视频用简易的、广泛销售的小型四轴飞行器拍摄。最近，伊斯兰国恐怖主义组织在使用无人机作为攻击运载工具的同时，用另外的无人机拍摄这些无人机攻击的效果。

美国联邦航空管理局（ FAA）估计，2016年，在美国出售的无人机系统大约为190万架，预计到2020年无人机系统国内年销售量增长到430万架。这种扩散遍及全球，中国的销售增长相仿。只要手中至少有130美元，几乎任何人不需任何背景调查，也不需识别其是否有敌意企图，都能购买一架可以运行的无人机系统。

潜在的敌手使用无人机系统

成本低廉、全球扩散、以及重量不足201b的无人机系统具备的能力，使得它们值得特别关注。未来的敌手能使用这些小型系统对空中和地面的军事行动造成严重破坏，需要我们采取新的行动，保卫军事资产和基地。小型无人机系统也能具备载荷能力、延程飞行，以及精度极高的全球定位系统或飞行员导航定位的能力。例如，DJl“精灵”3能携带21b的载荷，能以高达60km/h的速度飞行23min，如果自主导航，充电一次飞行21km，售价仅599～799美元。

虽然我们有防护空域免遭因疏忽造成小型无人机渗透的防御系统，但是这些防御能轻而易举地被避开。可以改变设定无人机最大飞行高度只比起飞地点高120m的限制，以海拔6000m的最大高度飞行。同样，虽然一些小型无人机具有使用其GPS位置决定其是否要进入敏感空域的地理限定，關闭GPS天线，能让飞行员用视觉导航四轴飞行器到达任何地点。

视觉导航是通过第一人称视角遥控（FPV）进行的。第一人称视角遥控让飞行员从无人机系统上的摄像机接收实时视频图像，这个图像显示在飞行员头戴的视频眼镜上，或投视在安卓、iPhone或者iPad设备上。这种图像向飞行员提供好像他们亲身驾驶四轴飞行器一样的视图，这能让操作员执行规避操作，或在飞往一个目标时导航一个秘密航线。

一种小型八旋翼无人机载荷重量为14.91b，其载荷能力相当于在携带用于FPV摄像机的同时，挂载6个爆炸物或者铝热剂榴弹。铝热剂榴弹仅重21b，燃烧热度为4000℃，足能融化飞机外壳，造成油箱爆裂，导致飞机起火。飞机使用的铝合金熔点仅为1180℃，破裂的油箱容易导致飞机本身的燃料着火。这种攻击损坏或摧毁飞机，让敌手获得心理上的胜利。这些无人机系统的其他可能用途包括在跑道上放置钉刺带，给飞机的轮胎放气;投放碎片损坏飞机的引擎;向其他目标投掷爆炸物，甚至被用作担任自杀性的角色。

在地面行动中，在起飞或降落时，甚至是在离机场较远的延伸范围，无人机系统的飞行员通过第一人称视角遥控，可以将无人机系统飞入飞机的引擎。在飞机飞行关键的起飞或降落阶段进行攻击，无人机系统能增加造成更大损坏或灾难性坠毁的几率。

例如DJl“精灵”3等小型无人机能爬升到5791m的高度，从离机场很远距离的地方发动攻击，会使事故后的调查取证变得复杂，因为从那个高度产生的碎片散落的范围很广。从机场远距离进行攻击的可能性，加大了对远程高保真反无人机系统侦测能力的需要。

任何稍有一点技术专业的人，只要有几百美元以及下载一本电子书的时间，并且观看“油管”（YouTube）的视频，就能制造出他们自己的四轴/六轴/八旋翼直升机。这些自制的无人机系统能力或更强，能规避市场上可以买到的无人机系统的内置限制。

可能的对策

传统的基地安全措施，其设计没有针对发现和战胜敌对的无人机系统。由于小型无人机系统的高速、机动性和生存能力，视觉观察員发射小型武器的效果不大。传统的基地/岗哨的安全栅栏也作用有限，因为使用第一人称视角遥控的飞行员能飞越障碍，然后下降到目标上。“无人机防卫者”

“无人机防卫者”是一个201b的便携式系统，看上去像一支巨型步枪，用于切断无人机系统和飞行员之间的指挥链接。它的有效距离，从友军的防卫者到敌对的无人机系统之间为400m。未来的研发将能让这种系统干扰或欺骗GPS信号，阻止无人机系统使用精确导航的信号。

整体而言，“无人机防卫者”依靠观察者发现无人机系统，然后瞄准并使用该系统。若使用得当，该系统如果干扰正确的指令链接频率，就能迫使其飞行路径失去联系。倘若无人机系统逃离“无人机防卫者”30°波束宽度，无人机系统就可能恢复正常运行。

“无人机防卫者”的一个优点是，如果干扰产生不稳定和危险的无人机系统飞行路径，这种非永久性的效果能被立即停止。它的缺点是400m的短距离，这将需要至少25个装置和安全人员有效地覆盖整个机场以及飞机停机坪。

在能够部署更有能力的反无人机系统系统之前，这使得“无人机防卫者”成为一个简单但资源密集的权宜之计。加强的区域防护和生存能力系统（EAPS）

美陆军已测试过加强的区域防护和生存能力系统。这种系统能发射50mm口径的弹药，同距离1km开外的无人机系统交战。该系统在无人机系统机动时发出行进中弹药飞行路径的修正信号，然后命令弹药在最佳射程爆炸，击落无人机系统。这产生连带损毁和友军相残的担忧，因此需要审慎的系统配置考虑和非常严格的交战规则。

反火箭和迫击炮系统（C-RAM）

目前，诺斯洛普·格鲁门公司的反火箭和追击炮系统是在海外部署的空军基地防御系统。它使用雷达瞄准的加特林机枪，以每分钟2000发的速度射击，摧毁火箭和迫击炮弹。

该系统也能针对距离].2km远的无人机系统威胁来部署。动能连带损毁的担忧需要审慎的定位和使用程序。紧凑型激光武器系统“沉默打击”

波音公司的紧凑型激光武器系统（CLWS）使用由雷达提示的破坏性激光和/或电光（EO）/红外线相机追踪敌对的无人机系统。这种10kW级的激光能熔化并摧毁2.5km开外的无人机系统。

这种系统无需依靠了解任何无人机系统指令频率或导航技术，对任何改进的、使用自成体系导航技术的无人机系统有效。这种系统的缺点是在未达到或超过预定目标时导致的潜在连带损毁。这限制交战的窗口。激光还需要不会因天气、烟雾或灰尘等遮蔽的相对晴朗的天空。周密设计空军基地防御布局，能让这种系统发挥其最大的潜力。

机动反无人机综合能力（CMIC）系统

美国陆军航空及导弹研发工程中心（AMRDEC）研发了机动反无人机综合能力系统。反无人机综合能力系统是一个开发成熟、经实兵测试、美国政府拥有的一体化和可升级的反无人机系统，能够侦测、识别，然后击败敌方的无人机系统及其飞行员。

反无人机综合能力系统使用很多普通的军事部件，把多种传感器整合成在一个易于理解的显示屏上，向作战人员提供敌方无人机系统以及飞行员位置的优越感知。该系统能提示多种光电、热和电子传感器，向操作人员提供高保真的威胁信息，然后协调非动能或动能效果，击落无人机系统。反无人机综合能力系统还能对指挥信号的来源做三角测量，找到飞行员的方位，从而能发射友军无人机系统，或出动地面部队搜寻无人机的飞行员。

为了减少后勤方面的复杂性，该设计把反无人机装备安装在现有的军车上以及国防部广泛使用的指挥和控制装置上。反无人机综合能力系统还配备不必使用车辆的“随机器材包”。

反无人机综合能力系统使用民用的SCR公司品牌LSTAR多普勒雷达来侦测小型无人机系统，甚至是禽鸟。侦测禽鸟的能力给予该系统附加的效用，协助有人驾驶飞机在起飞和降落时避免禽鸟。

无人机盾牌

无人机系统侦测的另外一个范围是独特的电机和旋转的螺旋桨叶片的声学特征。无人机盾牌公司制造的声学传感器，侦测无人机系统独具的噪音，然后参考一个声学特征库，确定无人机的品牌和型号。无人机盾牌公布的无人机系统侦测范围在使用远程传感器时为1km，而全向型侦测范围为100m。

无人机系统从高于侦测限度的高度投掷武器，可能会使声学侦测系统无效。使用声学系统作为附加的传感器来正确地识别无人机系统的类型，将能使得其他防御体系进行适当干扰或同威胁交战。

高功率微波武器

如果美军被部署在军事基地以外一个几乎没有电子系统的地点，使用高功率微波（HPM）武器系统或是可行的，而不需要担心连带损毁。高功率微波武器能破坏无屏蔽的电子系统的线路和电路板的电流。高功率微波武器能对无人机系统飞行控制电脑造成广泛的影响效果，从几乎扰乱指挥信号，到“烧焦”电路板，致使无人机系统在飞行中立即发生故障。

未来的科学研究应着重在发展高功率的脉冲微波武器上，以战胜无人机系统。研究的目标应该是产生一种脉冲微波效果，严重损坏敌方的无人机系统，而不会产生可能损坏友军或民用系统的大量附加能量。

机场的改进

阻碍直接视线侦测无人机系统的高楼和树木等密布的地区，能受益于高耸的围栏，将无人机系统的威胁转移到更容易观察的地区。疏导攻击无人机系统，让安全部队把声学、雷达和摄像系统能力侧重在更集中的地区。不过，不管采用什么样的反无人机系统，应该在不能受到任何无人机系统干扰的所有高价值资产上空和周围设立围栏。

为了帮助捕获敌方的或无知的无人机系统飞行员，需要研制无人机系统的“猎人杀手”，能迅捷飞向敌方的无人机系统，并且使用非动能（可能是小型化的脉冲高功率微波）或动能效果，使敌方的无人机系统丧失能力。这种非敌对的无人机系统也能搜寻并识别敌对的飞行员，让我军部队逮捕身处美国飞行员或在作战区用动能武器与其交火。

潜在的敌对反制措施

很多军事武器开发的历史案例表明，随着对抗新威胁防御措施的出现，敌对者随之调整装备，降低新防御措施的有效性。虽然此前详尽阐述的反无人机系统系统能力很强，他们当中很多系统依靠干扰无人机系统和飞行员之间的指挥链路，迫使无人机系统执行迷失的飞行路径。程序化的迷失飞行路径可能让无人机返回基地、盘旋或只是立即降落。

敌对的行为者能使用无人机系统的自主飞行模式，绕过这个迷失问题，使用GPS、伽利略、GPS辅助型静地轨道增强导航/印度洋区域导航卫星系统、北斗或格洛纳斯全球导航卫星系统导航星座来控制飞行路径。如果GPS信号被干扰或诳骗或如果无人机系统故意不装备GPS以使任何干扰、诳骗或地理防御限制无效，惯性导航系统（INS）能用来给无人机系统导航。

惯性导航系统工作的原理是，在它飞向目标时，知道起飞地点，然后感知移动和飘移，以此确定无人机系统目前的位置。惯性导航系统不需要任何外界信号的要求来给无人机系统导航。另外一种使通信链路干扰无效的技术是，敌方飞行员输入目标坐标作为“返回基地”，因此，在干扰系统切断与飞行员的指挥链接时，无人机系统实际上在飞向目标。使用自主飞行模式把精确的目标坐标输入到无人机系统，而不需要使用FPV特性，只会稍许降低导航的精确性。敌人只需一点点巧思和设备改装，就能使很多目前战胜无人机系统系统的机制失效。

美国现行的法律还限制使用反无人机系统防御系统的全部能力。美国联邦航空局认为无人机系统是民用飞机，必须遵守安全要求和规定。

由于无人机系统被认为是民用飞机，除非认定是出于国防利益或出于自卫的原因，否则禁止安全部队击落无人机系统。

鉴于快速确定一架无人机系统的意图几乎不可能，现行的指导方针可能会导致应对的延误，从而给敌人完成他们使命的关键时间。美国空军必须要制定规程并且获得美国联邦航空局和所有必要的法律准许来使用反无人机系统防御系统，应对在军事空域飞行的任何不明的无人机系统，无论其在军事地区上空与否。

在选择海外基地地点的过程中，必须要重点考虑空军基地周边空白区的大小，确保基地的防御。超大的缓冲区能允许更具攻勢的反无人机系统系统，例如反火箭和迫击炮系统加特林机枪系统，或使用摧毁性激光系统，如紧凑型激光武器系统。

建议

近期而言，美国政府必须确定哪个部门将牵头解决无人机系统问题。虽然国防部在战区起主导作用，但在美国境内，有很多民用和军事机构在解决无人机系统问题，这可能会导致混乱。要取得进展，需要整个政府的努力。美国空军、国防部、美国联邦航空局、商务部和国土安全部必须迅速组建一个跨政府部门团队，制定全盘政府对策，部署有效的反无人机系统防御系统。这些机构还必须要协调一致空域防卫规程，就保持美国空军维持空中优势能力的更宽松的法律权限向国会提出建议。

美国国防部、美国联邦航空局必须立即启动更积极的全国范围的无人机系统教育活动。在军用机场周围及起降走廊附近放置“无人机禁飞区”标识，标明电话号码，报告非法的无人机系统活动，将能提高教育和执法能力。军方同当地媒体的公关活动将最大限度地减少不了解新规定的无人机系统飞行员的数量。接受良好教育的公众应降低无知的空域侵入数量，从而让安全部队能迅速决定敌对意图，立即采取适当的行动。

如果不能修改法律，授权击落敌对的无人机系统，那么另外一种选择是，加大对空域和程序违规的处罚。D级（有空中交通管制塔的空域，如大多数空军基地）和空中禁区（通常军事轰炸靶场）的违例，构成最大的危险，因为这些地方通常频繁起降速度很快的军机。除非对无知的或无所顾忌的无人机系统飞行员的处罚广而告之并始终如一地执行，否则公众就不会重视新的无人机系统飞行规定。

美国空军的安全部队与其他国防部安全单位及主要执法机构密切协调，必须进行定期的训练演习，包括敌对无人机系统场景。对跨越多个警方的辖区，飞入军事空域的敌对无人机系统的反应，必须经过精心演练，法律审查和训练，达到处理“前门闯入者”状况的相同水准。例如，如果某人从基地外驾车通过某空军基地检查站而不停车的话，警卫接受过训练要如何警告驾驶员，然后采取审慎和适当的行动，包括直到采取致命的武力。安全部队必须有应对无人机系统侵入军事空域的类似精心演练的反应，这样他们才不会因优柔寡断而无所适从，或反应过度，使用手枪或步枪，对背景中的飞机造成灾难性的破坏。

在采购足够的反无人机系统防御系统并且完全部署之前，可能需要一个系统中系统的策略来发现跨越各种能谱的无人机系统，在它能完成其毁灭任务之前，提示传感器和武器将无人机系统歼灭。改善机场和匝道照明，或增加额外的低亮度的电光和热成像系统，是相对来说费用低和常见的解决方案。

与具有合作精神的民众良好协作，将能让传感器安装在现有的基础设施上，提供对机场起降走廊的监视。这些低成本的监视系统至少让安全部队能稍微增加警觉，意识到某人在他们机场附近飞行敌对的无人机系统。

为降低对非敌方的电子系统造成自相毁坏，合适的实验室必须测试反无人机系统系统同现有的机场和国防部系统之间的互通性。了解整合定向能武器、无人机系统侦测雷达以及其他传感器的效果，确保它们与飞机导航和通信系统、飞行控制计算机、仪表着陆系统、GPS接收、及空中交通管制（ATC）雷达的安全互通性，需要进行额外的测试。需要对这些系统和它们的人工操作者进行评估，确保反无人机系统系统不会对军事行动造成危险。

必须要完善反无人机系统操作人员和ATC机构之间的程序，迅速将敌方无人机系统的位置传给空中的飞机以指示规避动作。在发射武器时，还必须要密切协调，防止自相残杀。有利的一点是，大多数反无人机系统武器系统能在短时间内部署，在几秒到几十秒范围内。这应能使对飞行行动的干扰降到最低。

由于机动反无人机综合能力系统相对成熟以及持续不断、自动地把多个传感器融合成一个完整的战场图像的能力，是目前最有希望的系统。机动反无人机综合能力系统系统的大约成本，不包括运载工具，系统本身为100万美元，LSTARS雷达110万美元。由于机场附近因地势、建筑物、树木等导致的视线问题，多个雷达或安装在高塔上的传感器可能需要360°的能见度。机动反无人机综合能力系统的优点是其多个传感器融合以及多种交战方式。随着技术的进步，其他系统可能会在能力上取代机动反无人机综合能力系统，但我们的研究强烈建议，未来最佳的系统将包含融合不同的传感器，发现甚至是最小型的无人机系统，提供能同单个无人机系统到无人机系统集群威胁交战的各种防御机制。

随着无人机系统技术在未来5～10年的持续进展，民用无人机系统对民用工商业会变得越来越普及和有用，因此会增加友善的无人机系统在拥挤的空域和更高的高度飞行的整体数量。

由于这种拥挤的增加，强大的侦察和完美无暇的空中识别必不可少，才能迅速锁定敌对的或可疑的无人机系统。由于空域充满了无人机系统，有人驾驶飞机将很快需要机载侦察功能或连接陆基的感知和规避系统，躲避单个和集群无人机系统的空中威胁。

数以千计的无人机系统在低空飞行的增加，再加上常见的鸟禽危险，可能使军事低空飞行训练更加危险。这种风险可能会将低空训练限制在封闭区，致使训练的价值等于零，从而制约军用飞机机动演习的选项。必须立即启动发展机载无人机系统规避设备。

结束语

由于无人机系统功能的改善，以及在民用市场出售的绝对数量的增加，敌对无人机系统的威胁将以指数级的速度变得越来越严重。由于敌对无人機系统和有人驾驶飞机相撞引起重大、灾难性的生命损失的风险持续上升，美国空军必须协调并加快各种努力，获取保护机组人员和飞机的反无人机系统系统。

虽然没有任何单一的系统能使每个可预见的无人机系统威胁失效，AMRDEC的机动反无人机综合能力系统，或与其相似的更先进系统，似乎是目前解决棘手的敌对无人机系统干扰问题的最佳系统。融合多种传感器和多种针对敌对无人机系统的交战选择，是一种威力强大的组合。虽然这种系统可能造价昂贵，先行一步能拯救很多生命和节省数百万美元，同时也剥夺敌人进一步推动他们目标的另外一种攻击方式。一种不可替代的、造价1.43亿美元的F-22“猛禽”，或造价9800万美元的F-35“闪电”Ⅱ联合攻击战斗机败给价值799美元的敌对无人机系统，将使造价210万美元的反无人机系统系统，诸如机动反无人机综合能力系统之类，看起来非常便宜。

机动反无人机综合能力系统系统还提供其他的优势，能发现对航空运营构成危险的鸟禽，与此同时持续不断的严阵以待，战胜敌对的无人机系统。

本文建议采购AMRDEC的机动反无人机综合能力系统或类似的系统，让一小批空军人员维护和操作，以此作为24h全天候保卫机场的技术解决方案。与此同时，必须要获得部署其所有能力的法定权力。国防部、国土安全部、航空管理局、美国空军、运输部和商务部可以组建一个跨部门团队的关键实体，必须相互协作，并向国会提出解决无人机系统问题的法律的修改。

安全人员必须具有法定权力，宣布在军事空域飞行的任何未经授权的无人机系统为敌对威胁，无论敌对的无人机系统是在民产或军产上空飞行，都能采取行动。安全部队必须获准立即在非敌对领域范围内以非动能的方式同威胁交战，如果在作战区域，使用动能方式同威胁交战，如果敌对的无人机系统在军产以外被压制，美国空军必须具有规程让军事基地以外的公民执法机构保护被击落的无人机系统并且逮捕违规的飞行员。

如果本文引言中所虚构的机场适当配备了反无人机系统系统，这次攻击将会是一次空中优势成功的故事，而不是一场噩梦的景象。美国的敌人使用这些能力难以置信的无人机系统威胁，试图战胜世界最先进的空军得逞，可能只是个时间问题。