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反无人机技术及应用浅析

来源:用户 冯仙森 收藏 编辑:吕秀秀
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2019年6月20日,伊朗革命卫队在霍尔木兹海峡击落了一架美国监视无人机,该无人机型号为RQ-4A“全球鹰”,由美国诺斯罗普格鲁曼公司研发生产。该无人机飞行高度60000英尺(18288m),航程逾12300海里(22000km),连续滞空时间超过34小时,是高空连续监视、情报和侦察信息的主要提供者,平均单机造价超1.5亿美元。

被击落RQ-4A“全球鹰”的ISR航迹和网格图

资料来源:美国国防部

从技术作战使用阶段来看,反无人机系统技术可分为探测类技术、分类与识别类技术、杀伤类技术。从系统作战效能角度来看,大致可分为软杀伤与硬杀伤两类,在实际系统中,通常软硬杀伤一体应用。由于目标探测与分类识别技术在既有防空体系中的应用已经相当成熟,无人机只是其目标子类中的一种,本文在此不作探讨,仅从作战效能的角度对杀伤类技术进行简述。

软杀伤是指采取特定的技术手段使目标无人机非毁伤性失效。这些方法和相应的手段经常用于破坏性武器交战可能对友军造成危险或可能发生一些平民伤亡的地区。非破坏性方法的应用通常不仅在经济上更有效率,而且甚至能够在可用状态下占有敌方无人机,其代表性技术为电磁干扰,其作战目标通过中断、渗透和修改以下各项来实现:

从信息流的角度并考虑到采用上述方法的相应信号,对应的反制措施就变成了:单纯的的信号干扰、通过电子战手段闯入无人系统控制回路和无人机飞行参数的修改。从系统的角度来看,无人机飞行是在控制回路中实现的,控制回路包括地面控制中心(发射机、接收机、接口等),数据传输路径和飞机本身。

对抗无人机的电子战系统原理图

干扰RC(无线电遥控)向无人机发送的信号

干扰分析的第一个选项是对从遥控发射器到飞机的信号(控制命令)的攻击——“上行链路”。在上图中,这用字母“A”标记。如果无人机具有自动切换到自主模式的功能,通常在失去控制信号后,它会返回起飞位置并试图在那里着陆,或者无人机被引导到最后一个位置,在那里重置正确的连接。

干扰无人机向RC发送的信号

关于命令控制回路的中断,也可能干扰所谓的“下行链路”,在图中标记为“B”。在这种情况下,无人机必须进行视觉或自主导航。如果禁用或破坏由公共地面控制站命令的若干UAV的协调,则这种类型的中断是有利的。

无人机向驻地控制人员提供信息的干扰

一些无人机被用作间谍手段,它们获取的信息被发送到地面。该数据流的内容通常由音频和视频组成,数据由无人机模块或传感器获得。干扰此类信号能够防止信息泄露导致的安全隐患。

干扰全球定位系统参考信号

其他可能干扰的信号是全球定位系统信号。如果干扰成功,若无人机只有全球定位系统定位,无人机只能被迫着陆。关于GPS干扰,重要的是要讨论产生GPS的错误信号的可能性——“GPS欺骗”。这是通过所谓的“伪卫星”实现的。如果无人机捕捉到一个错误信号,并且无人机机载的全球定位系统传感器将其评估为“正确”,那么很有可能是由于指定无人机位置错误导致任务失败,从而达到己方防御的目的。

破坏无人机软件功能

其中一个使用较少,可行性高而且非常有效的选项是重复发送解除认证数据包(也称为“Disassociate Package”或“Aircrack”),这会阻止UAV与运营者之间的连接。然而,这种方法只能在较短的距离(需要一定功率的干扰信号)和特定类型(或参数已知)无人机的情况下进行。

2011年12月4日,伊朗通过运用俄罗斯的车载电子战系统,对装置卫星数据链路加密程度非常高的美军RQ-170“哨兵”无人机成功实施控制引导,成功将其捕获。通过电磁手段反无人机技术已在战场环境得到实战检验,正因如此,各国和相关公司研发出了一批基于电磁干扰技术的各种反无人机系统。

伊朗公开展示其捕获的美国RQ-170无人机

资料来源:BBC

1、AUDS反无人机系统

AUDS反无人机系统于2015年由英国国防公司联盟开发,旨在应对日益增长的敌方和失控无人机系统的威胁。该系统应用了Blighter Surveillance Systems、Chess Dynamics和Enterprise Control Systems三家公司经过战场验证的成熟技术,根据任务部署高度集成的TRL-9级系统可以在大约15秒钟内探测、跟踪和击败6英里(10km)范围内的无人驾驶飞机。AUDS系统使用最先进的电子扫描微多普勒雷达探测无人机,使用高精度红外和日光相机和先进的视频跟踪软件跟踪它,然后使用非动态射频(RF)抑制器击败无人机。操作员通过AUDS系统可以有效地控制无人机并强制其安全着陆。

事实证明,AUDS系统对群体攻击非常有效,并已成功击败接近2000架次的无人机,并对包括固定翼和四轴飞机在内的60多种无人机进行了测试。该团队认识到协调的群体攻击正在增加——特别是在军事领域——因此其工程师一直在研究算法和技术,以提高AUDS系统击败这些多无人机攻击场景的能力。根据目标需求,AUDS系统的组装方式有固定设施永久安装、基地基站半永久安装、车载平台安装以及双人团队临时部署安装四种。该系统目前已在美国、澳大利亚和西班牙等多国军中服役。

AUDS系统反无人机蜂群作战概念图

资料来源:AUDS防御系统官网

AUDS雷达是一种模块化非旋转电子扫描(e-scan)系统,采用高效功率的PESA(无源电子扫描阵列)和FMCW(调频连续波)技术,即使在复杂的环境中也能提供可靠、小和慢的UAS检测。自动驾驶仪光电系统作为一个可拆卸的光电传感器盒安装在自动驾驶仪定位器上,该定位器基于在用双轴稳定安装。AUDS定位器设计用于容纳各种传感器和有效载荷,并提供出色的稳定性能,允许高放大倍数传感器安装在极端范围内观察快速移动的小目标。方位轴有一个中心安装的特殊信号和同轴滑环组件,允许以高达90°/s的速度连续旋转。AUDS射频抑制器是一种专门设计的多频段系统,旨在最大限度地提高UAS命令和控制(C2)链路的效率。射频抑制可在400兆赫至6千兆赫频谱范围内选择性或同时启动,目标是五个威胁频带,旨在击垮UAS威胁范围内常用的C2链路(即433MHz、915MHz、2.4GHz、5.8GHz及全球导航卫星系统频带)。

AUDS系统的四个模块组件

2、Falcon Shield反无人飞行器系统

2015年意大利芬梅卡尼卡-塞莱克斯(Selex ES)公司公布了其反无人飞行器系统,名为猎鹰盾牌。猎鹰盾牌(Falcon Shield)为用户提供了多光谱威胁感知能力,并且通过集成电子攻击能力,独特地提供了多层威胁响应。这种反应引入了控制遥控无人驾驶飞机的能力,并在需要通过简单的干扰或动力学解决方案击败威胁之前将其安全着陆(命令链接控制干预能力)。

猎鹰盾牌(Falcon Shield)利用Selex ES的高性能无源光电和电子监视传感器,并结合场景特定雷达,提供了完全集成的威胁检测、识别和跟踪能力,使猎鹰盾牌能够在从广域到高度混乱的“城市峡谷”的环境中运行。Selex ES独特的电子攻击功能包含在Falcon Shield系统中,可为用户提供破坏或控制威胁的能力。由于Falcon Shield具有固有的灵活性,因此可以通过集成额外的可选动能效应器来补充这种电子攻击能力。

Selex ES公司研发的反无人机系统构成

3、空客公司反无人机系统方案

空中客车防务与航天公司开发了一种反无人机系统,可以检测远距离关键区域的无人驾驶飞行器(UAV)的非法入侵,并提供电子对抗措施,最大限度地降低附带损害的风险。

该系统通过将来自不同来源的传感器数据与最新的数据融合,信号分析和干扰技术相结合,提供了非常高的效率。它使用空中客车防务和太空组合的操作雷达,红外摄像机和测向仪来识别无人机并评估其在5到10公里范围内的威胁潜力。基于广泛的威胁库和控制信号的实时分析,干扰器然后中断无人机和飞行员之间的链路和/或其导航。由于空中客车防务和空间开发的智能响应干扰技术,干扰信号仅阻挡用于操作无人机的相关频率,而附近的其他频率仍保持运行。由于干扰技术包含多种接收和发送功能,因此也可以使用更复杂的措施,如遥控分类和GPS欺骗。这允许有效且特定的干扰以及无人机的受控后接管。

空中客车防务与航天公司发布的反无人机系统

4、SRC“沉默射手”反无人机系统

2019年1月31日,美国陆军向美国国防解决方案公司SRC授予了1.08亿美元的合同,用于交付其反无人机技术——名为“Silent Archer”反UAS系统。SRC宣布该合同是针对“反向小型,慢速和低空飞行无人机的移动系统”,这对全球部署的美国武装部队构成了更大的威胁。根据五角大楼的说明,SRC是合同的唯一竞标者,而且提供了额外的系统,如雷达和其他电子传感器,以识别、跟踪和击落/控制小型敌方无人机。

SRC公司“沉默射手”反无人机系统

除了上述反无人机系统之外,目前已研发服役的还有以色列航空工业公司(IAI)“无人机卫士系统”(Drone Guard),用于无人机探测、识别以及飞行干扰以及拉斐尔公司的“无人机穹”系统等等。

考虑到军事行动中作战规模的限制以及任务的多样性,便于携带的单兵反无人机步枪也已被各种公司成功研制。比如Battelle公司开发的DroneDefender装置,该装置利用非动力学解决方案来保护0-400米范围内的空域并对抗无人机,例如四轴和六角形,而不会影响安全性或冒着附带损害的风险。这种创新的系统使用两种不同的防御机制来即时中断无人机,即遥控无人机干扰和GPS信号中断。该装置只有两个运动部件:选择器和触发器,同时小型化电子元件完全集成到手持式设备中,轻便易于使用,无需大量培训。

Battelle公司研发的手持DroneDefender装置

同样DroneShield公司研发的DroneGun战术装置提供了一种针对各种无人机型号的安全对策。它能对无人机有效载荷(如爆炸物)进行控制管理,而不会因为无人机通常通过现场垂直控制着陆或返回起点(帮助跟踪操作员)做出响应而损坏无人机模型或对环境产生安全威胁。

DroneGun战术装置

武器制造商卡拉什尼科夫公司研制的REX-1便携式反无人机电磁枪以电磁为弹药,配备有可互换的电磁及红外软件,可对无人机指挥控制系统及通信网络进行针对性干扰,专门针对GPS、GSM、GNSS、GSNS、BDS等导航系统发射相应干扰及压制射线,可使小型无人机返航、迫降及被击落,并且电磁枪在处理故障方面非常简便,使用者仅需几秒钟就能实现对零部件及弹药进行更换,操作使用限制较小,只需充电4h就能继续使用。2018年9月,俄军在赫梅米姆空军基地用REX-1有效应对了叙利亚反政府武装围攻,将多家无人机雷达及导航等电子设备烧穿,创造了一周击落50架无人机袭击的记录,展现出极强的反无人机作战能力。

软杀伤除了电磁干扰手段以外,还有openworks工程公司开发的SKY WALL反无人机系统(用射出带降落伞的网来无伤捕获低空无人机),日本以体型较大的无人机带网捕获目标无人机等其它方案,但目前并非军用主流,一般限于城市安保和重点区域防卫领域。

硬杀伤是指利用武器直接对己方产生安全威胁的无人机/机群进行物理摧毁。传统热武器摧毁无人机的新闻早已屡见不鲜,上个月20号美国“全球鹰”无人机就是被伊朗发射的两枚Sayyad-2型防空导弹所击落。然而,用防空导弹应对“全球鹰”这种高价值无人机目标固然无可厚非,但战略级无人机在战场军用无人机中数量占比很低,导弹反无人机存在成本问题,而除导弹外的传统的防空火力无论射击精度还是响应时间都对使用日益普及的无人机力不从心,因此作战效能更优的激光武器和高能微波武器应运而生。

1、波音公司激光武器项目

早在2014年,波音公司就开始了激光武器化的项目研究。该公司的高能激光移动演示器(HEL MD)团队在奥什科什战术军用车上安装了一个10千瓦的高能激光器。该演示器是第一个由美国陆军建造和演示的移动式高能激光,反火箭,无人机和迫击炮(C-RAM)平台。在波音公司公布的测试视频中,激光武器成功摧毁了发射后的迫击炮弹。

波音公司车载HEL MD系统

2018年9月17至19日,在战斗发展司令部和海军陆战队系统司令部的所在地举办的海洋军事博览会上,美国陆军使用的一种反无人机激光器在这里展出,让海军陆战队得以一窥他们将如何很快融化无人机。紧凑型激光武器系统(CLWS)是美国陆军移动远征高能激光计划的一部分。它部署在欧洲的Stryker车辆上,并已用于现场试验。

博览会展出被CLWS击落的无人机

波音公司创造的是一种5千瓦的激光器,可以用于各种方法,包括反无人机,反狙击手,突破障碍物,未爆弹药的设置,拒绝敌方着陆区以及保卫港口或机场。波音公司的产品是一种5千瓦的激光器,可以用于反无人驾驶飞机、反狙击手、突破障碍、引爆未爆炸弹药、登陆拒止以及保卫港口或机场。激光器可以安装在车辆的顶部,在中型前方作战基地或大型设施的周边消除威胁。该产品的功率范围为2至10千瓦,专为短距离、低成本而设计。在该功率水平下,CLWS具有“深度备弹量”,可以在几分钟内击落10个或更多目标,具体取决于目标配置的大小,典型目标如较小的无人机群。

车载平台安装的紧凑型激光武器系统

资料来源:波音公司

2、洛克希德·马丁公司激光武器项目

洛克希德·马丁公司在2015年便开始对无人机/机群的反制措施进行了相关研究。洛克希德·马丁臭鼬工厂的高能激光一体化总工程师丹尼尔米勒表示,“恐怖分子和其他武装分子可以操作装载武器的小型廉价无人机来威胁美国和盟军,由于它们的大小,这些无人机很难被雷达捕捉,很难用常规武器射击,无人机群的威胁加致命。”为了消除无人机威胁,洛克希德·马丁公司将应对措施分解为三个步骤:检测、识别、反制。

通信和战斗管理系统检测,跟踪和识别无人机威胁

资料来源:洛克希德·马丁公司官网

ICARUS系统由公司内部投资构建,可识别和拦截商用无人机。它的多光谱传感器系统能够在几秒钟内检测并表征进来的无人机,然后再使用网络电磁活动将其禁用或允许操作员控制无人机并将其移至指定安全区域。

洛克希德·马丁公司的高级测试高能资产系统,也称“ATHENA”,是一种原型激光武器系统,旨在抵御近距离,低价值威胁,如简易火箭,无人机系统,车辆和小船。“ATHENA”是一种可移动的地面系统,可作为低成本试验台,用于演示军事使用激光武器系统所需的技术。

ATHENA系统反无人机测试画面

资料来源:洛克希德·马丁公司官网

它采用洛克希德·马丁公司的30千瓦加速激光演示计划(ALADIN)光谱光束结合光纤激光器,其中多个光纤激光器模块形成单一,强大,高质量的光束,模块化激光设计允许激光器的功率根据特定任务和威胁的需要进行调整。通过这种并行方法,只要有功率存在,就不会有单点故障会损害激光器的功率和功能。

生产组装中的激光武器组件

微波武器系统可运用高能电磁脉冲对敌无人机进行高压击穿,并且频谱覆盖范围广,对无人机的毁伤区域大,是应对无人机蜂群最有效的武器。

2018年3月雷神公司和美国空军研究实验室合作,签订200万美元的合同,用于测试和演示高功率微波反无人机技术。2019年6月20日上午,科特兰空军基地空军研究实验室在与当地记者的现场演示中展示了一款新型的高能微波武器系统“Thor”,该系统在公开演示中毫不费力地击落了目标无人机。这个价值1500万美元的系统被称为战术高功率微波操作应答器(THOR),它能在一瞬间使无人驾驶飞行器失效,当无人机被电磁射线击中时,就会失控螺旋坠毁。“THOR”项目经理安珀安德森表示,如果更多的无人机在其广阔的照射范围内飞行,它们一样会在一瞬间坠落。该系统旨在保护军事基地免受多次无人机攻击,空军已将其确定为新兴“定向能量”或微波和激光防御系统的首要任务。

美媒公开的高能微波武器系统“Thor”

总结:

随着无人机使用的普及,防空作战已突破传统模式,因其突发几率更高、破坏性更大、威胁程度更严重。就反小型化无人机/无人机蜂群作战而言,激光与微波武器是未来反无人机装备发展的重点。我军必须尽快形成反无人机作战装备体系,才能在军事强国的激烈角逐中占得先机。

主要参考文献:

[1]Miroslav Kratky,Vaclav Minarik.The Non-destructive Methods of Fight Against UAVs. International Conference on Military Technologies(ICMT),2017

[2]刘丽,魏雁飞,张宇涵.美军反无人机技术装备发展解析.航天电子对抗,2017

[3]李富良,胡荣等.俄罗斯反无人机策略与装备现状及发展,2019

END

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反无人机的技术涉及哪些?有用吗?

答:你好,目前国内的反无人机过程主要分为无人机探测、无人机追踪、无人机干扰三个阶段。 其中会涉及到雷达探测,以及可见光、红外线追踪等技术。 在这一方面,国内已经有较好的发展,在许多机场和重大活动场所也已经投入了实际使用,经过实践可以...

反无人机系统的原理是什么?

答:阻断干扰型 该类型是比较适用于目前无人机泛滥、应用在广的反无人机方式。干扰阻断型反无人机策略应用较为广泛的主要是向目标无人机发射定向的声波或射频,干扰无人机的硬件或切断无人机与遥控器之间的通讯, 从而迫使无人机自行降落或者返航。 ...

懂行的朋友说一下反无人机系统的工作原理是什么?

答:能 达 到 这 个目 的的 方 法有 很多, 我 只 说 其中 最容易 理 解的一种 吧 , 以北 京 神 州 明达 反无 人机 系 统 为例 , 该 系统 是通过 发 射定 向的 声波或射 频 , 干扰无人机 的 硬件或 切断 无 人机 与 遥 控 器之 间 的通 讯 , 达 ...

中国最新研制的反无人机步枪有多厉害

答:中国最新研制了一种“反无人机”步枪,它是一种专门针对无人机的枪,在外形上看起来类似于步枪,通过一系列天线来干扰或压制操控者对无人机的控制,可以说是非常厉害的一款武器装备。 首先,这种反无人机步枪能够对于无人机的传感器进行干扰。无人...

国内目前有哪些反无人机手段?有哪些从技术上管控...

答:您好!目前,各国反无人机技术主要有声波干扰、信号干扰、黑客技术、激光炮、“反无人机”无人机、夺取无线电控制等,特点和效果各有不同,但总体上可以分为三大类。 一是干扰阻断类反无人机系统。应用较为广泛的是目标无人机发射定向的大功率干扰...

国外在反无人机方面主要采取什么措施?

答:国外也主要是拦截击落 国内常见的就是干扰拦截 比如天弩反无人机电磁干扰设备

有人了解反无人机系统吗?

答:这个 我多 少知 道一些 , 北 京 神州 明达 反无 人 机发射定 向 的 声波 或射频 ,干 扰无人机 的 硬 件 或切 断无 人 机与遥控器 之 间 的 通讯 , 从而迫 使 无人 机 自 行 降 落 或者 返航 。

求近几年反无人机(Anti-Drone)的论文,最好A类

答:反无人机(anti-drone)”技术例如电磁屏蔽(...预期在近几年会有强劲成长;”Grand View ...

国内有哪些公司在做反无人机设备

答:北京宇能瑞达拥有专业便携式反无人机电磁干扰枪、反无人机基站式电磁干扰设备,可实现光速攻击、同时多目标打击,远距离目标防御、全天候工作,成本低、重量轻、附带损伤校

国内目前有哪些反无人机手段?有哪些从技术上管控...

答:"天弩"反无人机电磁干扰设备是一种利用高功率微波能量,针对中小型无人机、旋翼飞行器、航空模型等目标,通过干扰、压制无人航空器无线遥控链路和卫星导航系统,迫使其悬停、坠落或返航的多波段微波辐射装置。

无人机可以有哪些用途

其飞行器已在非洲投入广泛使用。经过改良的无人机还能够被应用于反偷猎巡逻。英国... 成立Connectivity Lab,开发包括卫星、无人机在内的各自互联网连接技术。 (8)制造浪漫...

国内目前有哪些反无人机手段?有哪些从技术上管控无人机的方...

您好!目前,各国反无人机技术主要有声波干扰、信号干扰、黑客技术、激光炮、“反无... 但总体上可以分为三大类。 一是干扰阻断类反无人机系统。应用较为广泛的是目标无...

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易操作性,在很多民用领域对无人机都有着旺盛的需求,小型无人机可广泛应用于防灾减... 无人机专业从事航测无人机设备的设计、生产、销售、及航测航拍服务,是中国技术顶尖...

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读无人机专业为什么要选南方IT学院

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无人机飞行的原理是什么?

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