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打破防护罩：反制无人机防御

发表时间：2024-08-02 15:40
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图：2023 年 11 月 29 日，美海军陆战队第 24 远征单元的战斗摄像师杰奎琳-佩格罗-蒙特斯（Jacqueline Peguero-Montes）中士在北卡罗来纳州勒让恩（Lejeune）营地的火力支援小组演习中操作 SkyDio 无人机系统（美国海军陆战队/Ryan Ramsammy 供图
乌克兰、纳戈尔诺-卡拉巴赫和也门的冲突表明，无人机正迅速成为各种技术复杂程度的战争发展和创新的核心领域。
无人机防御也在快速发展。美国国防部（DOD）计划仅在 2023 财年就在反无人机（c-UAV）上投入超过 7 亿美元，几乎全部用于研发。预计到 2029 年，全球 c-UAV 市场将增长到约 50 亿美元。C-UAV 和无人机防御可将无人机在高强度冲突中的影响降到最低；但是，如果开发出可减轻无人机威胁能力的反无人机防御系统，无人机仍可继续发挥作用。无人机、无人机防御系统和无人机防御系统反制手段之间不断发展的互动关系，对于确定无人机对全球安全的净影响至关重要。
文章首先概述了无人机防御系统，重点是无人机防御系统的运作方式和相关权衡。文章随后探讨了无人机防御的反制措施，调查了 11 种不同的方法来打破无人机防护罩。重点在于通过概述了解各种可能性的范围以及与每种方法相关的潜在权衡。反击无人机防御完全取决于采用哪些方法并证明其最有效，因此具体反击措施的价值会随着时间的推移而变化。接下来，将提出政策建议，强调了解对手的无人机防御系统；开发、评估和部署针对对手防御系统的反制措施；以及仔细了解反制措施开发和部署过程中的权衡。
首先，简要说明一下范围和语言。本文分析了无人机在战争各个领域的行动。文章中使用的无人机一词指的是无人系统这一通用类别。当分析侧重于某一特定领域时，则使用无人机的适当变体。无人机群是指具有集成通信功能的多架无人机，而不是简单的系统优势。最后，为了词汇的多样性，反无人机防御和反制措施这两个短语可以互换使用。

无人机防御

基本的无人机防御由探测/识别和拦截系统组成。探测器和识别器允许防御者识别来袭的无人机威胁和相关属性，如系统数量、速度、大小以及无人机是否友好，而拦截系统允许防御者使无人机失效、受损或被击落。理想情况下，无人机防御应包括多种传感器和拦截选项，以适应它们之间的权衡。在实践中，高价值的固定资产可能有强大的防御系统，而移动或临时资产可能只有有限的专门无人机防御系统，甚至没有。
拦截方法包括传统的动能武器、干扰无人机与操作员或导航卫星的连接、操纵无人机自主性、使用定向能降低和摧毁无人机框架或电子设备，以及在进攻性反空行动中利用情报攻击集结区。在不同领域，拦截系统的可行性可能有所不同。激光器价格昂贵（尽管单发成本可能较低），而且获取时间较长：虽然小型无人机可以很容易地获得保护涂层或采用新战术，但升级到更大型、更精良的系统可能成本更高、难度更大。一些现有拦截技术适用于任何领域。干扰器尤其如此，因为大多数无人机都依赖某种信号，不过信号的频率和类型可能取决于领域，UUV 使用的声学信号多于电磁信号。针对无人水面舰艇 (USV) 和无人地面飞行器 (UGV) 而设计的定向能武器和动能武器也正在测试中。新的、经济的动能系统，如英国的 “小马驹”（或轻型多用途导弹），可以打击陆地、海上和空中的无人平台。
尽管 c-UAV 技术有可能用于打击陆地和海上的无人平台，但发现对这一挑战进行分析的公开来源研究极少。公开资料对美国防部在该领域的工作提供了有限的参考：美海军试图提高 Mk 38 Mod 3 机枪系统对抗 USV 的能力，它还制定了一项采购计划，以提高 I-潜行者/北大西洋公约组织（NATO）“海麻雀 ”导弹系统对 USV 的态势感知能力。此外，国防部还在 2018 年举行了一次反无人地面飞行器工作组会议，但结果尚不得而知。
然而，简易和专门建造的 USV 和 UGV 的使用越来越多。在红海，伊朗支持的胡塞武装使用简易的装有爆炸物的 USV 对沙特领导的联军发动了多次袭击。在乌克兰，UGV 被小规模地用于扫雷和伤员后送等支援功能，而乌克兰还使用大规模神风特攻型 USV 攻击俄罗斯黑海舰队。同样，各国也在开发可同时在多个领域作战的无人机群，如俄罗斯的 UGV，其目标由多个小型无人机引导。随着无人机群大规模发展并成为大规模杀伤性武器，反无人机挑战变得更加严峻。跨越各个领域的全方位无人机战争可能会定义所谓的 “第三无人机时代”。

探测和识别

探测来袭无人机的方法有几种。雷达可以在远距离探测到大多数无人机，但对于低空飞行的无人机，特别是那些在地球上打盹的无人机，雷达会有困难。雷达和操作人员的启动成本很高，但大多数军队已经在使用雷达探测飞机和来袭弹丸。射频扫描仪成本较低，可探测无人机并对其位置进行三角测量，还可在无人机发射前对其进行探测（如果系统发射的信号在扫描仪设计探测的频谱范围内），但其探测距离和同时跟踪多个目标的能力受到限制。声学传感器可用于探测无人潜航器，但难以提供无人潜航器的位置和速度数据，对探测无人潜航器的作用也很有限。最后，视觉探测需要直接视线，所提供的有关无人机数量、类型和距离的信息有限。在本文中，探测还包括识别来袭无人机，以评估其是敌是友。

拦截

动能武器。对付无人机最明显的方法是在适当的领域使用现有的动能反车辆武器。大多数无人机速度缓慢，缺乏反制措施，因此如果进入射程，很容易受到大多数防空系统的攻击。启动成本也较低，因为各国军队都装备了各种防空炮、机枪、导弹、狙击手和便携式系统，只要发出足够的警告就能摧毁无人机。例如，乌克兰使用二战时期的老式自动高射炮就取得了一些成功。
动能 c-UAV 的缺点是，能力最强的防空系统用来对付无人机往往并不经济。许多无人机系统都比 “爱国者 ”或 S-300 发射的导弹便宜，如果面临无人机群的持续威胁，战略防空平台可能会面临导弹短缺的问题。兰德公司关于无人机群打击研究报告认为，防空炮台在海上试图打击无人机群时，导弹会用光。美国和其他国家正在研究更经济的解决方案，如 VAMPIRE c-UAV 导弹系统，但射程较短（不到 8 公里）。同样，传统的反坦克或反舰导弹也可以对付 UGV 或 USV，但这种方法不太可能经济实惠，除非是大型、更精致的系统。
定向能武器。反无人机发展的另一个主要途径是一系列定向能武器。从技术上讲，这些武器指的是将电磁能集中到目标上的任何武器，但对于无人机防御而言，重点是干扰器、全球导航卫星系统（GNSS）欺骗、高能激光和高功率微波。本文将依次讨论每种方法，但值得注意的是，大型电子战系统具有组合拦截要素，因此可以使用不止一种方法。与动能武器相比，一些电子战平台在居民区附近使用时造成附带损害的可能性较小，而且几乎所有电子战平台都具有 “减少后勤跟踪 ”的特点，因为用户无需储存大量弹药来维持系统运行。当然，确切的风险取决于武器的类型及其与脆弱民用系统的距离。
定向能武器的单次发射成本也往往比动能系统低得多，因为成本是以供电所需的电力来衡量的。然而，考虑到无人机技术和反制措施的发展速度，如果开发出廉价的反制措施，在定向能武器上投入巨资可能会有风险。
无线电频率和全球导航卫星系统干扰器是拦截无人机最常用的定向能方法。干扰器的工作原理是切断无人机与其操作人员之间的联系，或增加干扰，使无人机难以找到正确的信号。根据无人机的程序，干扰其与卫星的连接可迫使其返回基地或降低无人机的精确度。
便携式干扰器可以保护一小块区域免受单架无人机的干扰。2017 年，空军以每单元约 3 万美元的价格购置了便携式干扰器。性能更强的干扰器通常被集成到电子战和信号情报套件中，这些套件还能拦截和处理敌方通信，其价格往往高达数百万美元。车载电子战套件可以安装在海军舰艇上；也可以安装在地面上，如陆军的电子战战术车；还可以通过吊舱安装在飞机上，如 EA-18 咆哮者。虽然干扰器可能对非航无人机有用，但无人机可能使用不同频率的信号，或者根本不使用电磁频谱。
全球导航卫星系统欺骗是无人机防御的另一种选择。欺骗攻击不是阻止系统与卫星的连接，而是发送干扰或覆盖卫星导航服务的竞争信号。全球导航卫星系统欺骗可能导致攻击失误、无人机坠毁，甚至自相残杀。使用全球导航卫星系统航点导航的无人系统尤其容易受到欺骗。相反，不使用全球导航卫星系统或有备用系统的无人机可能不会受到明显影响。如果无人机处于欺骗范围内，干扰或摧毁系统可能对防御方更为有利。
高能激光可将光束聚焦到无人机上，使其传感器失明，削弱其结构完整性，最终使系统失效。激光造成破坏所需的时间是停留时间，可能需要激光保持聚焦数秒。激光无法越过地平线发射，目前在尺寸/射程方面存在很大的权衡。最先进的激光器体积大、静态，用于削弱敌方卫星和拦截高超音速导弹，而不是在一定距离内拦截无人机。此外，研究人员和制造商往往过度承诺激光器的功能，因此无法确定激光器将多快成为现代军队的标准配置。
为卫星和高超音速导弹设计的激光器以兆瓦为单位测量功率，而大多数民用无人机激光器则以千瓦（kW）为单位测量功率，这就以牺牲射程为代价提高了机动性。用于无人机防御的移动式低功率激光器，如美军 M-SHORAD 的拟议升级版，功率在 30 千瓦至 50 千瓦之间，因此射程和功率都受到限制。不过，它们仍然可以在比实际机身更大的范围内损坏或摧毁无人机上的传感器。同时，像陆军新的间接火力防护能力这样的大型系统有一辆大卡车那么大，使用 300 千瓦以上的激光击落中小型无人机以及传统的间接弹药。
高功率微波的工作原理与激光类似，都是将微波引向目标。微波的与众不同之处在于，它对电子元件的破坏力特别大，而且比激光的作用范围更广，这就降低了微波的有效射程，但如果无人机群集在一起，微波平台就可以攻击多架无人机。微波还可以在不同频率下工作。目前正在开发的军用高功率微波与一辆小型拖车差不多大，但一些公司正在设计小到足以安装在大型旋转翼无人机上的高功率微波。
自主操纵。随着无人机功能变得更加自主，对手的操纵也变得更加可信。例如，黑客利用小贴纸诱使特斯拉自动驾驶仪驶入迎面而来的车道。虽然自主军用无人机在不同的环境中工作，而且操纵特斯拉需要特定、有限的视角，但同样的方法也可以奏效。如果无人机使用机器视觉来探测和攻击目标，而不需要人工监控，那么对手就可以在校车侧面描绘出一辆坦克。当自主无人机摧毁校车时，对手可能会赢得一场信息战的胜利，因为它谴责了针对平民的暴力行为和使用容易出错的技术。随着无人机规模不断扩大，形成庞大的无人机群，它们必须变得更加自主，这意味着有更多机会进行此类操纵。利用无人机群的智能来对付它，可能比击落成千上万架无人机或用电磁能炸毁它们要有效得多。当然，任何自主操纵都需要对无人机自主功能的运行方式有强大而精确的技术了解。
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图：2021 年 5 月 21 日，隶属于美海军陆战队空地特遣部队-危机应对-中央司令部的海军陆战队第 1 海军陆战队第 2 营的陆战队员在美国中央司令部行动区参加反无人机系统训练（美国海军陆战队/Melissa Marnell）。
进攻性反空作战。凭借强大的情报能力，一些国家的军队可能不需要针对无人机制定专门的解决方案。面临无人机攻击的军队可以在攻击发起前攻击机场或储存设施，预测目标，并将点防御转移到该地区或定位无人机攻击的源头，以防止未来的攻击。一些北约官员认为，应重点打击操作人员和工业基地，而不是依赖任何特定技术。沙特阿拉伯经常声称，在胡塞武装的 USV 用于攻击之前，先在港口对其进行打击。同样，乌克兰和俄罗斯军队也越来越多地将目标对准对手的无人机操作员，因为训练有素的操作员比廉价的无人机更难替换。然而，情报机构很少有能力确定每一架无人机威胁的位置和意图，即使有，也很难保证每一架敌方无人机的位置都有足够的时间进行攻击或准备防御。

打破无人机防护罩

军队在寻求摧毁敌方无人机的方法的同时，也将寻求防止对手摧毁其无人机的方法。随着非国家行为者越来越多地使用无人机，他们也将寻求这些方法。下文将探讨现有的和新兴的技术和战术，以削弱对手的反无人机能力。反制措施可使无人机避免攻击，在防御成功时减轻伤害，或发动反击以破坏或摧毁对手的防御。任何反制措施的价值都必然取决于无人机防御系统的类型及其在实战中的有效性。目前，大多数无人机防御系统都是射频或全球导航卫星系统干扰器，因此对抗干扰的方法可能相当有效。几乎所有的反制措施都适用于干扰，因此另一种无人机防御可能会取代干扰成为主要模式。无人机技术的正常发展也可能产生反制措施；无人机的自主性减少了对外部电磁频谱指令的依赖。目前至少有 11 种反制措施（见表）。
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图：2017年4月6日，美国号两栖攻击舰在测试舰艇防御能力的演习中试射滚动机身导弹发射器拦截遥控无人机（美国海军/Demetrius Kennon）
本地反制武器。本地反武器集成在无人机平台中，旨在对抗无人机防御。无人机可配备专门针对无人机防御系统的反辐射导弹。虽然普通的反辐射导弹可能对典型的防空系统没有问题，但可能需要进行改装，以锁定这些武器使用的频率。无人机还可能安装定制的反弹药，如用于无人机的 “太阳神 ”反激光系统，该系统可感知射来的激光，推断出位置来源，然后使用无人机的激光来迷惑防御系统。另外，无人机也可以使用定向能传感器对激光源进行三角定位，然后使用其他弹药进行反击。
可攻击的无人机可用作诱饵，以启动伪装反制措施，或迫使反制措施在导弹或飞机打击目标的同时，将重点放在更近距离的无人威胁上。在伊拉克战争中就曾出现过这样的变种：20 世纪 60 年代制造的 “火蜂 ”无人机飞越巴格达上空，将防空火力从攻击机上引开。
辅助武器和单元。辅助武器和单元是无人机平台外部的系统或单元，用于对无人机防御实施打击。这首先需要一个能够定位无人机防御系统的情报机构。难度取决于无人机防御系统的形式及其发出的信号类型。找到并固定一名携带手持干扰器的士兵可能会异常困难。然而，寻找和修复相对大型的微波武器（如 THOR）可能要容易得多，因为这种武器需要 3 小时才能安装完毕，而且射程相对较短。更容易的是一种非隐形机载激光系统，比如未来波音 YAL-1 的变体，安装在 747-400F 飞机内，普通防空雷达很可能探测不到。
当然，一旦发现并固定了无人机防御系统，就必须使其失效、损坏或摧毁。指挥官有多种选择，从火炮和导弹到步兵或特种作战部队。挑战和机会成本是实实在在的，尽管它们将在很大程度上取决于具体情况。使用训练有素的特种作战部队来消灭一名手持干扰器的士兵，几乎肯定是在浪费操作员的技能。但在无人机对高价值目标发动大规模攻击之前，消除昂贵的高功率微波或激光器可能是值得的。这还取决于指挥官可使用的无人机类型和数量--接受高减员可能恰到好处。
材料加固。材料加固包括添加材料或改变现有无人机材料，以保护无人机免受外部伤害。材料可以吸收或反射进入的能量，保护无人机敏感的电子设备。空军正在研究可吸收高能激光的喷涂涂层。目前正在研究开发能更有效地反射或吸收能量的各种元材料。一个挑战是，新材料的有效性可能取决于定向能武器使用的频率。也就是说，材料可能只能有效抵御狭窄频段的能量。这意味着了解防御者的能力以及快速改变材料或倾向于宽带材料至关重要。当然，了解材料对无人机部件和复原力的潜在影响也很重要。例如，加固材料会如何影响通信系统？
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隐形。隐身是指改变无人机平台，降低对手发现无人机的可能性。一般来说，无人机的雷达信号较小，但这在很大程度上取决于无人机的大小，而不同领域的无人机大小差异很大。小型四旋翼无人机的雷达信号自然要比 MQ-9 “捕食者 ”大小的无人机小得多。当然，隐形很可能会带来成本上的折损，因为无人机的外形必须与之相适应。虽然计算能力的提高降低了隐身成本，但无人机对成本相当敏感，因为其军事价值很大程度上取决于经济承受能力。38 不过，某些形式的隐身可能并不太困难，例如减少小型无人机发出的通常相当独特的嗡嗡声，尤其是在成群作业时。
通信升级。通信升级是指改变无人机平台或地面控制站上通信系统的操作。最简单的，这涉及基本的电子保护。为无人机通信或跳频提供更多功率可使无人机操作员减少干扰信号。但无人机也可能使用不同类型的通信系统。第五代无线技术更难干扰，同时可提供更多的数据传输，更有可能探测到对手的电子战设备。
随着多架无人机整合成无人机群，通信变得至关重要。无人机群的精髓在于通信，它能实现复杂的行为。但是，如果对手试图干扰或操纵通信，通信也会成为潜在的漏洞。无人机群的架构可以进行修改，以适应这种情况。无人机群可以使用专用的通信无人机提供备用信号，强调分散式通信以尽量减少单点故障，或者使用外部系统提供替代通信中继。无人机群还可使用间接通信方法，如使用数字信息素标记目标或感兴趣区域的 stigmergy 方法。
导航升级。导航升级是指改变无人机平台上的导航系统或支持导航的基础设施。目前大多数无人机直接或间接依赖全球导航卫星系统（例如，一些无人潜航器使用全球导航卫星系统水面浮标，因为全球导航卫星系统信号不能很好地穿透水面）。无人机还可以使用多种冗余方法进行定位、导航和授时，例如同时使用 GPS、GLONASS（全球导航卫星系统）和 INS（惯性导航系统）。导航冗余可减轻对单一导航源的干扰，并在位置数据差异巨大时识别欺骗攻击。无人机可利用完整性监测来检测全球导航卫星系统的欺骗企图。据报道，伊朗沙赫德 131 型无人机有多个全球导航卫星系统天线，因此现有无人机可能已经具备简单的完整性监测能力。
另外，无人机导航的新方法可能不需要全球导航卫星系统信号。例如，无人机可以使用机载视觉传感器和预加载的卫星图像数据来确定其位置。视觉里程计和其他非干扰导航方法的进步将限制干扰或欺骗卫星导航的效用。

本文来源：专知智能防务


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