集群无人机探测及对抗措施综述

王奇珍，张允清，唐世玉,王小刚

(中国人民解放军95894部队，北京 102211)

0 引言

无人机从诞生以来在军事领域中得到广泛应用，可完成侦察、监视、干扰、诱饵、精确打击等作战任务。现在战场变得越来越复杂，单架无人机在面临地面防空系统和空中战机时生存能力、执行任务能力有限[1]。这就需要多架无人机协同作战，通过能力互补和行动协调，突破敌方的严密防空圈，到达任务区域对目标发起协同攻击，摧毁敌方重要目标。无人机的作战样式已逐步从单平台作战向多平台“集群”(swarm)作战方向发展[2]。

“无人机集群”(unmanned aerial vehicle swarm，UAV swarm)是指多架无线网络化的小型或微型无人机，采用分布式控制技术，以相同的模式飞行，执行相同或相似的任务[3]。无人机集群的优势在于协同突防和协同攻击。

由于具有数量多、散布式、无中心、自组织、成本低、机动灵活等特点，无人机集群给防御系统带来极大挑战，给重点目标的安全带来极大的隐患。

本文主要对无人机集群的预警探测手段和反制措施进行讨论，为无人机集群对抗提供一定参考。

1 无人机集群预警探测

要对抗无人机集群带来的威胁，首先要能对无人机集群进行探测。由于集群中单个无人机体积小、飞行高度低、飞行速度慢，容易与鸟群混淆(如图1所示)，探测难度大。

图1 无人机集群构想(出自网络)Fig.1 Concept of UAV swarm

1.1 雷达探测

雷达对集群无人机的探测同样面临“低、慢、小”目标探测难题。当集群无人机比较分散时,探测难度和探测单架无人机没有多大区别，很难将目标从背景杂波中区分出来。集群无人机分布较密集时，占据几个连续分辨单元的数个无人机被雷达视为一个扩展目标，回波强度是目标回波的叠加，会产生诸多稍大的扩展目标回波；如果无人机较分散，将产生多个小回波[4]。

集群无人机对雷达探测目标处理容量要求高，应具备抗点迹饱和措施，目标航迹数处理数越高越好。

预警机、球载雷达、低空补盲雷达(如图2所示)等对低空无人机集群有较好探测效果。国内许多雷达厂家对“低、慢、小”目标探测进行了深入持续的研究，成功研制了许多中小型雷达，对精灵4旋翼无人机的探测距离均超过5 km，甚至超过10 km，并实现低功耗、无人值守功能。

图2 Giraffe AMB雷达(低空补盲雷达)Fig.2 Giraffe AMB radar

1.2 声波探测

无人机飞行中，螺旋桨叶片和电动机会发出一种独特的尖利噪声(转子声)，捕捉这种声音特征，然后与数据库中的已知声音特征进行比较，并用多个地理定位来源进行识别。采用低成本高可靠的标量传声器阵列、微型高精度的矢量传声器阵列2种体制，突破复杂环境下目标特征提取与运动参数估计技术，提升复杂环境适应能力与多目标处理能力。声波探测不像其他探测手段那么有效，主要受环境噪音影响和距离的限制，嘈杂城区环境下的虚警率高、探测距离受风影响严重。声波对无人机集群的探测距离较近，通常在数百米量级。

1.3 光电探测

光电侦察与监视是利用光电转换原理，利用目标的反射或辐射，通过转换和处理获取目标信息，实现目标的探测、发现、识别与跟踪。

(1) 可见光探测

光学侦察仪器在军事上应用最早，具有扩大和延伸人的视觉、发现人肉眼看不清或看不见目标、测定目标位置及瞄准的功能[5]。常见的电视系统由高清摄像机、传输设备、监视器组成，作为很多武器系统探测和跟踪的必备手段。可见光探测设备作用距离通常在2 km左右。

美国国防预先研究项目局(DARPA)一直在进行“先进宽视场图像重建与开发”(AWARE)项目的研究工作。2012年，成功测试了10亿级像素的宽视场高清摄像机，计划最终将摄像机的像素提高到100～500亿。目前AWARE-2和AWARE-10摄像机的视场角为120°×70°和100°×60°，基本解决了大视场和高分辨率的矛盾，可实现对“低、慢、小”航空器的有效探测。

(2) 红外探测

红外探测技术利用目标和景物的红外辐射来探测和识别目标。红外手段也能帮助发现和跟踪无人机集群，不过无人机的热源比典型的飞机要小得多，通常探测距离在1 km左右。红外探测受制于天气，不利的天气可极大降低其探测能力。波音公司的小型激光武器系统就采用电光/红外探测技术在非恶劣天气环境中跟踪无人机集群。

(3) 激光探测

激光探测是利用激光波束照射目标并接收目标反射回波的方法来获取目标信息。它既能够精确测距又能够精确测速、精密跟踪。激光雷达探测微小振动的灵敏度比典型雷达高2～3个量级。激光雷达空间分辨力高，能够获取目标尺寸、形状、速度、振动及旋转速度等多种信息，实现对目标的识别和跟踪。

大气对激光的散射和吸收比对微波严重，当有云、雾、雨时，探测距离会大大减小。

(4) 光电综合探测

光电综合探测是将2种以上光电探测技术组合在一起，取长补短，对目标的侦察能力大大提高。例如电视、红外、激光组合可实现对目标的定位、识别和跟踪。

美国巴特尔公司研制的“无人机防御者”(如图3所示)系统利用声学、光学、红外传感器实时探测与识别来袭无人机。

图3 无人机防御者Fig.3 UAV defender

1.4 复合探测

上面的各种探测手段都各有利弊，靠单一探测设备很难实现对无人机集群的稳定探测，采用以雷达探测为主的声光电复合探测系统，将大大增强对无人机集群的探测能力。

AUDS系统(如图4所示)集成了Ku波段电子扫描防空雷达、光电指示器、可见光相机、红外相机和目标跟踪软件，能够对8 km范围内的无人机进行探测、跟踪、识别[6]。

图4 AUDS反无人机系统Fig.4 Anti-UAV system of AUDS

2 无人机集群反制措施

对无人机集群反制措施主要包括软杀伤、硬杀伤、无人机集群对抗等。像狙击手、无人机携带射网枪、导弹、老鹰等对付单架无人机的手段在对付无人机集群时变得无能为力。

2.1 软杀伤

软杀伤手段在美欧也称为“非动能干扰系统”，主要是通过对无线射频信号干扰，阻断无人机集群定位系统、通信系统、控制链路，使其返航或迫降。

(1) 卫星信号干扰

目前大多数无人机均采用GPS/GLONASS卫星导航系统与惯性导航系统相结合的方式，只需向无人机集群发射一定功率的定向射频干扰，干扰无人机定位、导航信号，使其无法获得精确的自身坐标数据，导致无人机在一定程度上失控。这是反制无人机方式中最温和的一种，不至于让无人机坠落造成附带损伤。该类设备干扰距离可超过1 km。

(2) 集群通信干扰

无人机集群需要采用无线自组网(Ad-hoc)通信模式，无人机作为网络节点，不依赖于地面控制站或卫星等基础通信设施，各节点间能够相互转发指控指令，交换感知态势、健康情况和情报搜集等数据，自动连接建立起一个无线移动网络[7]。该网络中每个节点兼具收发器和路由器双重职责，以多跳的方式把数据转发给更远的节点。

通过截获无人机间的通信射频信号，然后对其进行相应的干扰，增大通信误码率或使其失去彼此通信，使无人机间不能组网，失去协同作战功能，陷入混乱。

(3) 控制链路干扰

目前无人机集群大多尚不能做到自主控制，多是半自主控制，需要地面控制站或机载控制站通过无线链路进行远程控制。

控制链路频率大多采用ISM频段:2.4 GHz，5.8 GHz，很少使用433 MHz，少量使用过时的遥控频段:27,35,72 MHz；视频数据流通常通过2.4 GHz/5.8 GHz (ISM频段) 传输，使用WiFi或模拟PAL/NTSC。

通过对控制链路的干扰可以阻断控制站和无人机间的联系，让集群无人机陷入行为混乱，失去作战能力，阻截距离可达3 km。

(4) 网络攻击技术

Ad-hoc网络属于开放的对等网络体系结构,没有中心节点，没有清晰的防御边界，各节点内存和计算功率有限，传统的网络防火墙和入侵检测技术和许多安全机制不再适用于无线自组网，使其更易受到各类安全威胁和攻击[8]。利用网络中潜在的漏洞可对无人机实施攻击，通过安插“后门”程序甚至可以直接接管无人机的控制权[9-10]。

澳大利亚D13公司的“麦斯莫”无人机捕捉装置采用“协议处理”开放软件技术，可捕捉并解码原始遥感数据，进而定位无人机，获知无人机基站或控制器位置，及其他机载系统的数据。该装置能接管至少10种无人机的信号，约占商用市场的近75%。

(5) 声波干扰

无人机内部有一个重要的组件——陀螺仪，它可以为无人机提供机体倾斜、旋转及方向角度等信息，以保持机体平衡。研究表明，当声波频率与无人机陀螺仪的固有频率一致的时候，就会发生共振，使陀螺仪无法正常工作或者输出错误信息导致无人机坠落。研究人员发现，如果声音足够强(例如达到140 dB)，声波可以击落40 m外的无人机。

声波干扰的瞄准和跟踪性不如GPS干扰稳定，且造价昂贵。韩国先进科学技术研究院研制了一种新型的“声波干扰反无人机系统”是用声波来干扰无人机的硬件，使其丧失工作能力。

美国使用的Lrad声炮武器也可以适用于反无人机集群，它的功率足够大，作用范围在3 km以上，可有效对付无人机集群。缺点是采用高分贝声波干扰武器会存在扰民问题[6]。

2.2 硬杀伤

硬杀伤包括使用激光武器、高功率微波武器、榴霰弹等进行物理毁伤的方法来反制无人机集群。

(1) 高能激光武器

激光武器通过对目标施加能量来破坏或摧毁目标。激光武器采用高功率光纤激光器和光束合成技术，电光转换效率超过40%。用雷达探测信息导引高能激光束打击无人机，可以致盲无人机上的传感器，使其不能正常工作，也可破坏其壳体结构，直接将其摧毁。激光武器具有精度高、成本低、瞄准即摧毁等优点。

美国雷神高能激光防空武器系统能摧毁无人机、火箭弹乃至巡航导弹，吸引了全世界的视线。2017年3月，高能激光武器系统利用电光追踪和无线电传感器等信息的引导，发射32 kW的激光能量束，数秒之内就将无人飞机烧毁。中国“低空卫士”激光炮(如图5所示)，发射功率近10 kW，能在5 s内精准拦截半径2 km，360°空域的多种航空器[6]。

图5 激光拦截武器“低空卫士”Fig.5 Laser interception system “low altitude guard”

激光武器系统不能全天候作战，受限于大雾、大雪、大雨。

(2) 高功率微波武器

高功率微波武器是指频率在100 MHz～300 GHz，峰值功率在100 MW以上或平均功率在1 MW以上的强电磁辐射武器[11]。利用微波的热效应在数毫秒内烧毁目标内部的电子元器件，使进入微波束扫射面的无人机失效，特别适用于迅速毁伤无人机群。

美国陆军正在试验雷声公司“相位器”高功率微波武器对抗无人机。该武器以柴油发动机为动力，在搜索雷达的引导下跟踪无人机，通过蝶形天线以一定角度发射短促的微波能量射流，损毁无人机内部的电子器件，使其控制系统和发动机失能坠毁，从而对付一群无人机。俄罗斯联合仪器制造公司研制的微波武器系统(如图6所示)，通过发射超高频微波，使无人机的通信系统失效，导致无人机失去控制，可应对0.8 km范围内的无人机群。

图6 俄罗斯车载高功率微波武器Fig.6 Russian vehicular high power microwave weapons

(3) 榴霰弹

榴霰弹(如图7所示)是一种炮弹，是榴弹和霰弹的结合，弹壁薄，内装火药及小钢珠或钢箭，弹头装有定时引信，能在预定目标上空爆炸或击中目标后爆炸，释放出上千枚破片，形成“弹片云”对目标进行杀伤，杀伤区域较大，达数百米，可对抗无人机群，作战效能明显高于导弹等传统防空系统。可由榴弹炮、野战炮、反坦克炮、坦克主炮发射此类炮弹，采用空炸引信，提高火炮威力。

图7 榴霰弹结构(出自网络)Fig.7 Shrapnel structure

缺点是损伤后的无人机坠落会造成附带损伤，同时该系统只能供军方使用。

2.3 集群无人机对抗

随着无人机自主能力的不断提高和智能集群技术的发展，软杀伤和硬杀伤措施对无人机集群的限制效果将变得有限(例如无人机群分布范围很分散或利用高大建筑物躲避反制)。美国海军研究生院认为未来战争中唯一能对付集群无人机的将是另一群无人机[2]，并开展了无人机集群对抗中的多目标跟踪研究。

例如采用集群无人机携带渔网的方式，对另一群无人机进行捕获；在空中布设网墙，对无人机进行捕获；携带进攻武器对对方无人机进行摧毁;采取自杀式袭击的方式和对方无人机进行物理碰撞，使其丧失作战能力等[12]。

3 结束语

随着无人机的小型化、智能化及智能集群技术快速发展，无人机集群的反制措施难度越来越高。如微小型无人机会增加探测跟踪难度；控制程序和通信链路的升级会增加网络攻击和射频干扰的难度[13-15]。无人机集群由于其变革性的战场应用前景，受到越来越多国家的关注和研究。本文对无人机集群的预警探测及较为有效的反制措施做了初步探讨，为对抗敌方无人机集群威胁提供了一定的参考。