专打“小慢低”漫谈反无人机系统

文/陈思许   2017-07-06 23:30:55

◎欧洲空客防御与太空公司反无人机系统

◎“捕食者”一类的军用侦察打击一体化无人机极具威胁

◎伊拉克政府军展示被他们击落的IS组织改装民用无人机,机上装有爆炸投掷装置

◎民用无人机越来越多出现在城市上空,有时会带来安全隐患关于未来战争的特点,不同领域、不同立场、不同层面有着不同的理解,涌现出了诸如“太空战”、“网络战”、“无人战”、“信息战”等解读。然而,从当前相关技术发展状态来看,“无人”无疑是最“明确”的一个特点——近年来,无人平台及其应用已经遍布陆、海、空、天、网络空间、电磁频谱等所有域。

近20年以来,众多无人平台中又以无人机发展最为迅速。通过搭载各种各样的载荷,无人机能够承担多种任务——监视(雷达、光电等)、情报收集(图像、信号情报等)、电子侦察(通信侦察、雷达侦察、光电侦察等)、指控与通信(主要充当通信中继节点)、组网(主要充当空中网关)、电子攻击(干扰、欺骗、定向能攻击等)、火力打击等。

军用无人机可搭载光电吊舱、火力打击武器、核生化武器、高能激光武器等载荷,能对军事基地、巡逻部队、军用设备、军用基础设施、各类军用平台等实施情报侦察(战略/战术侦察)、软硬杀伤打击等。民用无人机特别是消费类四旋翼无人机因为其低廉的价格和独特灵活的转向能力等特性,简单改装便可搭载爆炸物、核生化武器、激光器、干扰机等载荷。

而这场“无人机热”终于也引发了一场“反无人机热”:近几年反无人机装置、技术不断涌现。反无人机装备可以从两个阶段来分类:从侦察阶段来看,可分为探测、分类与识别类装备;从打击阶段来看,可分为软杀伤装备和硬杀伤装备两类。

探测、分类与识别类装备

探测、分类与识别类装备的作用是综合利用各种传感器来“发现”或“找到”粗略的威胁目标,在其基础上,通过对探测阶段采集的数据进行分析,以便将真实的目标从海量、复杂的背景数据中区分出来。

这类装备主要通过对目标无人机的光学特性(如可见光成像)、热学特性(如红外成像)、射频特性(如电台辐射信号)、声学特性(如发动机声学特性)、磁学特性(如感应磁场)等进行测量,以找出目标并对其进行分类与识别。

在光电探测方面,据报道,2015年9月23日,欧洲空客防御与太空公司宣布,已研发出可远距离探测无人机非法入侵的反无人机系统。该系统利用红外摄像机、测向仪等设备,识别5~10千米外的无人机并评估其潜在风险。

该系统会根据威胁资料库的信息以及无人机控制信号的实时分析结果,使用干扰发射机中断无人机和操纵人员或其导航之间的联系。此外,测向仪将会跟踪到这架无人机操作者的位置,随后执法部门即可采取行动。该系统应用的是空客公司研发的智能响应性干扰技术,干扰发射机只会对目标无人机的频率发出干扰信号不会影响周边其它无人机的操作。除了包括接收和发射功能外,干扰技术还包含更复杂的功能,例如远程控制分类、GPS欺骗。因此,该系统可以在有效、精确的方式下“捕获”无人机。◎瑞典“长颈鹿”雷达

◎AUDS反无人机系统及其工作流程示意图在雷达探测方面,为了应对低空/超低空武器的空袭,欧美各国研制出多种军用低空监视雷达,如美国雷锡恩公司研制的MRSR雷达、法国泰莱斯公司与雷锡恩公司合作研制的AN/ MPQ-64“哨兵”系列雷达,以及瑞典萨博公司研制的“长颈鹿”(Giraffe)系列雷达等。2015年,萨博公司在代号“布里斯托15”的试验中,验证了“长颈鹿”捷变多波束(AMB)雷达对“低慢小”航空器的探测跟踪能力。“长颈鹿”AMB雷达是用于地面和海洋的G/H波段被动电子扫描阵列雷达,在提供海岸监视能力的同时,还能对固定翼飞机、直升机、地面目标等进行分类与跟踪。在“布里斯托15”试验期间,“长颈鹿”AMB雷达从周围的地面杂波中识别出100多架雷达散射截面积(RCS)低至0.001平方米的无人机。

此外,由于“低慢小”航空器种类繁多、飞行机动灵活,单一手段很难对其进行精准探测,因此欧美国家也在大力发展多元传感器协同探测技术。比如,2015年5月,英国Blighter公司等联合研制出反无人机防御系统(AUDS)。AUDS系统集成了Ku波段电子扫描防空雷达,光电指示器(可见光/红外相机和目标跟踪软件)与定向射频抑制/干扰系统,能够对8千米范围内的无人机进行探测、跟踪、识别、干扰和制止。AUDS团队表示,这种技术已经在朝韩边界韩国一侧长达250千米的军事停火线地区进行了广泛的测试。2015年3月,AUDS团队参与了法国政府主办、在卡普蒂厄举行的多供应商试验测试。在此次试验中,AUDS系统在探测与制止一系列微型/紧凑型/标准型固定翼和旋翼无人机方面取得了巨大的成功。

关于AUDS反无人机系统的工作流程是:首先由一台扫描角度为180°,作用距离为8千米,能跟踪上百个目标的雷达侦测飞行物,之后一台高动态扫描摄像机协助发现那些不怀好意的无人机,最后由无线干扰器使用多种手段干扰无人机的GPS信号和通信链路,使无人机迫降或者返回。

上述的装备都包含以下一些关键技术。

无源光学成像技术。包括紫外成像、可见光成像、近红外光谱成像等技术。该类技术的优点包括成本低、可用商用现货充足、视场灵活性较高;缺点是受杂波影响严重、夜间效果差(需要主动照射),受天气影响严重。

◎C-RAM系统示意图。先由雷达照射目标,再由双管50毫米口径“大毒蛇”火炮以200发/分的速度一次发射10发雷达制导炮弹。炮弹在飞行过程中接收数据链参数,不断调整弹道,之后在接近目标时爆炸,依靠破片摧毁目标◎波音公司紧凑型激光武器系统(CLWS)

◎波音激光武器系统攻击效果,外国网站形容为“用昂贵的放大镜烤一只蚂蚁”无源热成像技术。包括短波红外成像、中波红外成像、长波红外成像等技术。该类技术的优点为杂波影响小、夜间效果好、受天气影响程度低;缺点是需要大范围搜索模块配合使用,因为大部分的无人机的热学特征都不很明显。

有源飞行时间测量技术。包括激光雷达、距离门成像技术等。该类技术的优点包括可在很远距离上(数千米)实现非常精确的距离测量、几乎不受天气影响、日间与夜间效果均很好;缺点是成本高、半球扫描周期长、安全性差(由于主动辐射信号)。

声学传感技术。这类技术的优点包括成本低、安全性好(无源);缺点是探测距离难确定、识别能力差(需事先建立目标声学特征库)、复杂环境下的虚警问题严重、探测距离受风的影响严重。

射频辐射感知技术。该类技术的优点包括成本相对较低、作战对象充足(大多数无人机都会辐射各种各样容易检测的射频信号);缺点是无法感知处于电磁静默状态下的无人机。

雷达技术。该类技术能够在数千米距离上探测并跟踪各种尺寸的目标、半球扫描周期适中、技术成熟度高;缺点主要是识别性能差,因为很多无人机的雷达截面积未知,无法仅通过雷达实现识别。

杀伤类装备

杀伤类装备是综合采取各种行动来拒止作战目标,作用方式包括软杀伤、硬杀伤等。

在硬杀伤手段方面,欧美等国较为青睐激光拦截技术,并取得了长足的进步。

2016年8月,波音公司发布了紧凑型激光武器系统(CLWS)。通过发射10千瓦的激光束,该系统可以立即摧毁35千米外的无人机。CLWS可拆分成四部分,可由两人运送,15分钟内就可以在野外组装部署完毕。

2016年1月有报道透露,在2015年美国国防部组织的代号为“黑刺”(Black Dart)的反无人机演习中,波音公司演示了CLWS的反无人机能力。在演习中它用持续时间为10秒的激光击落了一架微型无人机。外国网站将此次试验形容为“用昂贵的放大镜烤一只蚂蚁”。◎美国巴特勒公司研制的“无人机防御者”无线电射线步枪

◎第三代“无人机破坏者”干扰设备有5磅重

◎中国武汉警方用国产“尖板眼”无人机反制枪击落无人机。该枪单价25万元高能激光武器、高功率电磁武器等技术的优点是效能“确定”,可对目标实施不可逆的硬摧毁,且效能投递速度非常高(光速量级),此外,该技术还可以在低功率情况下实现干扰效果;缺点是受限于前期传感器对目标的探测、跟踪、识别、引导能力,效能受目标性状、材料、距离影响较大,且成本高。

美国陆军基于反火箭、火炮和迫击炮(C-RAM)的“扩展区域防御与生存能力”(EAPS)项目,也在推进反无人机系统的研究,主要依靠50毫米口径机关炮发射指令制导炮弹攻击无人机,利用精确追踪雷达、射频收发系统、火控计算机实施瞄准和弹道控制。EAPS项目于2015年成功进行了2次反无人机试验。首次试验成功拦截了一架巡航无人机,第二次试验采用改进的火控系统,提高了拦截距离,成功拦截了2架无人机。试验表明,EAPS项目所采用的火炮技术已具备反无人机能力,一旦军方提出需求,便可进入生产部署阶段。

这种传统火力打击技术的优点是成本低,效能“确定”,可对目标实施不可逆的硬摧毁;缺点是受限于前期传感器对目标的探测、跟踪、识别能力,且效能投递速度低。

除了利用激光武器和传统火力等对无人机进行“硬杀伤”外,美、英等国对无线电干扰技术等“软杀伤”手段的研究也方兴未艾。上文提到的AUDS和空客防御与太空公司反无人机系统都具有无线电干扰功能。

美国巴特勒(BATTELLE)国家安全研究与发展公司在2015年10月公布“无人机防御者”(DroneDefender)无线电射线步枪。使用者只需将枪身上的光学瞄具瞄准目标,然后扣动扳机,“无人机防御者”就能发射一束30°的圆锥轮廓无线电脉冲,中断对方无人机的通信系统。该枪重4.5千克,冷启动时间为0.1秒,反应十分迅速,在携带备用电源的情况下,步枪可连续工作5小时。巴特勒公司表示,操作这款步枪不需要经过特殊训练,稍加培训就可灵活掌握。

电子干扰技术(包括通信干扰技术、雷达干扰技术、光电干扰技术、导航干扰技术等)总的来说技术含量相对较低,成本较少。目前市面上大多数无人机均采用GPS卫星导航系统/惯性导航系统/超声波雷达相结合的导航方式。要想让GPS信号受到干扰并不难,反无人机系统只需向目标无人机发射一定功率的定向射频即可,无人机GPS信号受到干扰后无法获得精确的自身坐标数据,就会在一定程度上失控以至于作业失败。这种方式也是诸多“围剿”无人机技术中最温和的一种,不一定会让无人机坠落,是一种通过干扰降低无人机“有害目的性”的方式,缺点是难以应对高复杂度无人机,附带损伤和电磁误伤问题严重。

反无人机系统发展趋势

反无人机技术尚处于探索阶段,基于不同原理的各型反无人机系统层出不穷,但反无人机系统实现实战化尚需一段时间。通过前面的关键技术特点分析不难看出,单一的侦察与打击手段很难达到较好的反制效果,因此,发展一型具有普遍适应性的实战化反无人机系统迫在眉睫。

同时,反无人机技术的难度也正不断增加。伴随微机电技术和隐身技术的发展,无人机向小型化、微型化、隐身化方向发展,这种趋势增加了对其进行探测跟踪和预警的难度。伴随无人机开放式架构的发展,有效载荷已经实现模块化,无人机在发挥ISR(情报,电子监视,侦察)功能的同时,可发挥打击作用,即飞行中的无人机对地面威胁实时侦察,一旦发现威胁,可实施打击,这种趋势增加了空防系统的压力。此外,伴随无人机数据链技术的发展,使得无人机的闭环控制成为可能,通信效率和抗干扰能力增加,通过电子干扰技术干扰无人机的难度加大。未来,无人机与反无人机的较量还会持续下去。

[编辑/行 健]

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