无人驾驶航空器,也就是大家常说的无人机,是指没有机载驾驶员、自备动力系统的航空器,包括有飞控的无人机也包括手动操作的航模。在今年4月国务院、中央军委公布的《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例》中,进一步将无人机规范划分为5种类型:微型、轻型、小型、中型及大型。 近年来,随着无人机应用领域的不断扩展,特别是“微轻小”无人机的大规模使用给很多国家和地区带来了潜在的安全威胁。如2018年1月,13架装有爆炸物的无人机袭击了多个俄军驻叙的基地目标;2018年8月,2架分别携带1kgC4炸药的无人机对正在演讲的委内瑞拉总统马杜罗进行袭击;2018年11月,沙特王室在也门前线阵地遭遇胡塞多架满载导弹的无人机袭击;2020年9至11月,阿塞拜疆和亚美尼亚就纳卡地区的归属问题爆发武装冲突,首次将无人机作为主战装备。无人机成为主导战争进程、决定战争成败的关键要素,对战局走向发挥了重要作用。加之近期俄乌冲突,双方愈演愈烈的无人机攻防作战,“微轻小”无人机防御反制技术已逐渐成为空中防御体系中迫切需要且不可或缺的组成部分,其反制装备及技术发展也越来越受到关注和重视。 ► 一、“微轻小”无人机的特点及主要威胁
随着自主组网技术、任务动态调整技术、自动化技术及载荷小型化的快速发展,无人机增强了其态势感知能力和抗干扰能力,使其能够高效协同执行任务,同时具备灵活机动性高、抗毁伤能力强等优势。其中“微轻小”无人机因具有操作简单、飞行速度低、体积小、成本低廉、可搭载载荷等特点,成为当前的主流无人机。随着攻击目标、攻击手段、攻击载体的复杂化以及攻击动机的大规模杀伤化,无人机不仅能够遂行目标探测侦察、协同火力打击等威胁任务,还大大增加了隐蔽性和危害性。
“微轻小”无人机还可通过搭载雷达、光电及红外传感器、拍摄载荷、通信中继载荷等,对重点区域及敏感场所进行偷拍摄像和测绘拍照,获取保密信息。通过装载武器、有毒化学物质和爆炸物,进行火力攻击、恐怖袭击及自杀式打击,造成人员伤亡及军事目标摧毁。结合“微轻小”无人机的特点,分析出无人机反制难点主要为以下四点。
1.机身体积小、材料偏向非金属,随着复合及隐身化技术材料的发展,造成针对探测发现、识别预警的难度增加。
2.无人机技术的获取门槛降低,使得恐怖分子利用无人机实施恐怖袭击的几率不断增大。
3.无人机攻击和防护的能力提升,以及灵活机动性能的提高,造成无人机处置难度增大。
4.无人机搭载载荷的多样化发展,造成未来战争面临抵近侦察、电子干扰、火力引导、自杀式攻击等威胁。
► 二、典型场景下“微轻小”无人机反制需求
随着“微轻小”无人机技术日趋成熟和性能日益完善,应用形式逐渐由保障性向攻击性转变,应用手段和应用体系发生了重大变革,已经成为重要人物、重要场馆、重要活动保障中极具强破坏力的空中威胁。
军事领域场景中,由于“微轻小”无人机具有发现难、攻击形式与手段多样、攻击时间地点突发性强的特点,能够执行战术侦察、协同打击、自杀式打击等任务,故反制装备着重需要提升预警监视能力和综合对抗能力。这要求反制装备首先能够及时、准确的探测发现目标,形成对目标的预警与识别能力,其次能够无附带损伤的处置目标,形成精准打击、高效毁伤的对抗处置能力。
在非军事作战场景中,由于“微轻小”无人机具有体积小、低空飞行、隐蔽性强、成本低廉、可搭载多类载荷等特点,故反制装备着重提高对“微轻小”无人机的探测能力和高效精准的处置能力。这要求反制装备能够进行及时的监测跟踪、快速的识别定位、准确的干扰欺骗,以及安全且精准的拒止。特别需要注意的是,在人员聚集或流动性强的环境中,反制的前提一定是保证安全。
► 三、“微轻小”无人机反制技术手段及不足
无人机反制技术是为保护重要人员、重要空地区域对非法入侵的无人机进行控制的技术。当前,“微轻小”无人机反制领域已有诸多基于不同原理的反制技术,根据其作用形式的不同大致可分类为雷达探测、无线电监测、光电追踪、信号干扰、导航诱骗等几大类。国外反无人机系统研发起步较早,已形成一些面向市场的产品,如英国Blighter公司开发完成的“AUDS”系统,该系统采用雷达、光学、电磁干扰等技术手段,实现对可疑目标的监控跟踪以及反制。美国Battelle公司研制的“DroneDefender”反无人机枪,利用电磁干扰技术实现对可疑无人机的驱离。Dedrone公司开发的“DroneTracker”系统结合了光学、红外、声音等目标探测识别手段。
国内反无人机系统已经投入市场并实现了行业应用,但还存在不同程度的局限性,主要体现在以下几个方面:一是探测数据信息少,多探测源数据未有效融合;二是反制系统和装备大多适用于较简单的陆地环境,针对于海上空旷、大范围、远距离、海杂波干扰、城市等复杂环境下的探测手段还不够成熟。其主要表现在对复杂地形或强杂波环境中的探测跟踪及目标识别困难,电磁环境中的干扰阻断效果欠佳及欺骗控制难度较大。
雷达探测对于远距离探测、轨迹跟踪等方面具有优势,但对悬停或低速飞行的目标探测难度大,易受背景杂波及复杂环境影响,导致虚警率较高。光电探测可实现对目标的高精度跟踪,进行精确引导打击,但易受恶劣天气的影响导致其主动搜索能力差,需要其他手段提供位置信息引导。无线电探测能够识别无人机机型且隐蔽性好,但受电磁环境影响较大,在城市环境中使用局限性高且无法监测处于无线电“静默”状态的无人机。
在探测预警方面,为了增强无人机全天候侦察探测能力,需要综合集成雷达探测、光电探测、无线电探测等技术手段,通过分布式组网进行联合感知,实现在不同任务场景下对无人机目标全天候、全方位、多手段的侦察探测和跟踪监视。
“微轻小”无人机的反制手段单一,需以能力需求为导向,构建“软硬杀伤”联合打击的无人机反制系统。软杀伤针对“微轻小”无人机高度依赖控制链路的特点通常采取电磁干扰阻断、信号欺骗压制等方式,即通过对无人机遥控信号及图传、数传信号进行干扰或使用无线电攻击技术,阻断、隔绝地面控制站向无人机发射的上行无线电控制信号,最终使无人机因无法收到指令信息原地迫降,或处于引导位置上空盘旋等待通联,或原航线返回等。硬杀伤则是使用防空导弹、高射炮等传统防空 武器进行火力打击,使用定向能武器破坏或击毁无人机的核心部件,达到直接摧毁无人机的目的。激光、微波、电磁脉冲等定向能武器具有打击速度快、拦截效果好和效费比高等优势,在应对无人机安全威胁方面也更具优势。这类武器不仅能够提供更高的精度、更快的速度,而且操作更安全,比传统动能武器的性价比更高。
此外,现有的“微轻小”无人机反制系统还存在单点布控不具备大范围无缝防御能力的问题。在大防区场景下,当前无人机反制系统难以实施全面实时有效管控,面对无人机“蜂群”数量高、突防作战能力强、智能机间通信等特点,当前无人机反制系统也难以有效全面处置,同时存在智能化程度不高多依赖于人工盯防等问题。
► 四、“微轻小”无人机反制技术发展方向
针对当前“微轻小”无人机反制系统存在的不足,采用多手段融合、智能探测反制的反无人机系统在各行业应用中均产生了强烈需求。总体而言,未来反无人机系统的发展趋势表现在以下几个方面:一是构建网络化预警体系,分布式多节点覆盖;二是多种探测手段相融合,提升系统的稳定性;三是软杀伤和硬杀伤相结合,确保威胁目标有效拦截。因此,行业一致将分布式无人机探测防御系统作为主要攻研方向。
分布式无人机探测防御系统依据分布式无人机探测防御系统平台架构,构建分布式快速优化布站、多节点多设备自适应动态调度模型,设计多源感知信息融合策略,利用地理信息系统(GIS)进行全系统的布防区域、节点设备状态、目标态势全景展示。从而实现对“微轻小”无人机构建多探测源探测/数据融合,大范围智能化无缝防控、多手段防御反制,打造空地一体多节点、多层次防御反制体系。
系统分布式架构设计通过网络通信的方式,实现前端设备、分控中心及管控中心的系统互通。系统采用面向服务架构设计,通过标准的系统接入、推送协议,将系统的设备信息、目标数据、图像信息等推送至系统平台,实现对布防区域、节点设备状态、目标态势全景展示。
分布式快速优化布站模型则根据防御区域管控需求、应用场景、电磁环境等评估分析,优化设计防御区域布站节点,每个节点按照防区定义要求进行划分,执行对应布站策略,完成快速构建全区域无人机探测防御系统。
多源感知信息融合策略是由系统融合多节点多设备数据信息,通过同节点雷达探测与光电跟踪信息融合,提升系统探测跟踪精度。通过同节点雷达探测与无线电侦测信息融合,有效提升系统探测概率、降低系统虚警率。通过融跨节点多设备信息融合实现了对目标的跨节点广域连续锁定跟踪。
多节点多设备自适应动态调度模型可实时监测各节点负载变化、节点损毁或性能下降,通过跨节点雷达、光电、无线电协同调度,持续锁定跟踪,提高系统响应时间。运用多节点反制手段调度,进行目标多手段处置,实现全区域全时段的无人机探测防御能力。
系统内设备及相关反制技术方面也进行了诸多创新。系统采用的是自适应微轻小探测雷达,雷达信号具有准连续波特性、伪随机特性及较好的隐蔽性,通过调整脉间随机码及脉内随机码参数,改变信号带宽及时宽信息。利用大时宽带宽积雷达信号的相关并行处理算法,提升微弱目标回波信号相关检测能力。通过设备参数最优匹配的自适应调整策略,提升雷达对不同场景的通用性及灵活性。利用微普勒检测的悬停无人机探测跟踪方法,实现对悬停无人机的有效探测跟踪。
无线电方面,通过引入基于机器学习的复杂电磁环境无人机信号监测技术,构建基于无人机目标多维度信号识别特征库,有效区分合法及非法无人机。同时设备会根据不同类别无人机图传信号、遥控信号的时域、频域等先验信息,构造多尺度检测模板,结合非极大值抑制算法实现无人机信号初步检测处理,提高复杂电磁环境下无人机信号检测率。采用单站比幅测向、双站测向与时差结合、三站时差定位算法,对分布式多站环境下的目标信号进行灵活测向、定位处理。结合卡尔曼滤波算法进行点迹建航,实现对无人机的单站/多站联合高精度测向定位,无线电监测方位精度的显著提升。
场景应用方面,针对大防区全面防护的应用场景,分布式无人机探测防御系统能够基于防御区域地理环境、管控需求、设备性能等进行分布式多节点部署评估分析。依据探测预警、确认识别、打击处置等管控需求对防御区域内布站节点位置进行分层次优化设计,结合多节点设备性能分析进行多源目标信息融合识别、跟踪、打击,实现对入侵无人机的全区域多等级探测防御。针对无人机集群数量高、突防作战能力强、智能机间通信等特点,分布式无人机探测防御系统搭建集空中多节点移动式机载设备、地面多节点固定位置设备及移动车载设备于空地一体多等级告警处置探测防御区域、空地节点协同沟通进行智能调度,进而形成空地一体的多节点、多等级、机动式防控系统,可有效防御集群目标。
综上所述,无人机产业的蓬勃发展带动了反无技术飞速提升,无人机反制技术在不断创新与突破中正逐步构筑起多维、高效的防御体系。代表行业发展趋势的分布式无人机探测防御系统通过引入新的信号体制、并行处理算法、自适应调整策略、多源信息融合等手段,推动无人机反制技术在探测、识别、干扰和防御等领域取得相应突破。这些技术的应用将为维护空域安全,保障公共利益和国家及人民生命安全发挥积极而重要的作用。