新型无人机反制技术浅析研究（新型无人机反制技术浅析）
美国C-5军用运输机及衍生机介绍作者：电境之鹰 来源：军鹰资讯
一、概述
随着无人机在国民经济和社会发展的各领域的广泛应用，其所带来的各种潜在安全威胁也愈发被重视起来。为了有效的抵御无人机尤其是小型民用无人机所来的安全威胁，国内外各厂商研制生产了为数众多的无人机反制装备系统。总体上看，这些装备系统基本上采用传统的探测、监视、定位、跟踪、反制的运行逻辑，主要包括雷达、光电/红外、无线电侦察和干扰等装备。与此同时，还有部分采用新型技术机理的反无人机装备和系统也正在不断涌现，如导航诱骗、高功率微波武器、高能激光武器等，这些新型反无人机装备目前也正得到越来越广泛的应用。
二、现有无人机反制技术的主要局限
从目前情况来看，雷达、光电/红外、无线电侦察和干扰等无人机反制装备能够执行无人机探测、跟踪、监视、测向、干扰反制等类型的任务。但由于其各自的技术特点，使得这些目前主要的无人机反制技术在反制中还存在着不同程度的不足和局限，如下表所示：
表1 当前主流的无人机反制技术特点
反制技术
主要优势/特点
主要不足
雷达
探测距离远，可探测处于无线电静默的无人机
耗电多，存在近距离盲区，漏警率高，难以探测“低慢小”无人机，
光电/红外
能摄像取证
能探测无线电静默无人机
受环境和能见度影响较大，无法测量无人机距离
无线电侦察
不受低慢小目标特性影响，探测成功概率高
对无线电环境要求较高
二、导航诱骗技术
针对无人机的导航诱骗一般是指采用一定的技术手段向非法无人机注入人为设定的错误威胁导航信息，使得无人机自身的卫星导航系统错误的判断自身位置，并由此错误进行进行航路规划和飞行控制，从而起到驱离无人机或定点迫降无人机的目的。由于目前主流无人机均采用全球卫星导航系统（GNSS）作为其主要的导航信息来源，因此导航诱骗技术几乎可以对一切无人机尤其是民用无人机产生作用，具有较好的适用性。在实际使用过程中，一般由地面的无人机导航诱导设备发射与真实无人机GNSS信号具有一定相似性的伪导航信号，迫使相关用户接收终端接收解算此类伪导航信号，从而在隐蔽条件下使的无人机得到了虚假的位置、速度和时间信息并无法有效察觉。需要指出的是，导航欺骗与导航干扰不同，导航压制干扰一般是以大功率干扰机发射不同类型的压制信号，使得目标接收机无法接收到正常的导航信号，用户无法获取导航、定位和授时结果，从而导致导航系统的不可用。由于导航欺骗往往不需要太强的发射功率, 隐蔽性好, 并能在一定程度上引导相关用户按照错误方式进行导航，这也使得导航欺骗在实际中具有较好的应用效果。
当前，主要有两种针对无人机的导航诱骗技术：
（一）转发式欺骗
顾名思义，转发式欺骗就是指在待欺骗目标周边放置一台GNSS接收机，在获取真实GNSS信号的基础上，进行存储并转发至待欺骗对象，从而起到欺骗的效果。一般的，由于信号接收、存储、处理和转发等过程中不可避免的会出现信号到达延迟，因此按照延迟中有无人为延迟又可将转发式干扰分为直接转发式欺骗和延迟转发式欺骗。由于转发式欺骗干扰是直接转发真实信号，这意味着只要能够接收当前信号即可进行欺骗，因此不需要知道事先掌握信号伪码结构，尤其是可以不用了解GPS 的M(Y)码的具体实现细节，因此可以对军用GPS信号进行直接欺骗。但由于转发式欺骗信号到达接收机的时延一定大于真实信号到的时延。同时转发式欺骗干扰在欺骗过程中由于不能改变伪码结构只改变伪距测量值，所以控制的灵活性相对较差，往往需要较为复杂的转发时延控制策略，同时对于转发设备的部署位置也有一定的限制。对于已经实现GPS信号稳态跟踪接收机，转发式欺骗干扰由于其伪码相位时钟滞后于真实信号，因此只有当转发信号与直达信号在目标接收机天线相位中心处的时延小于一个码片时，转发式欺骗才有效。此外，有研究表明，由于GPS接收机一般会接收到多颗卫星信号（一般大于10路），因此在欺骗时往往需要接收并转发多颗卫星信号，而实际中如果采用单站单天线的方式进行转发，往往无法实现同时转发四路以上(不包括四路)卫星信号，同时需要将多路信号在一个转发站进行转发，往往导致转发站体积庞大，转发欺骗信号也极易被检测出来。因此，转发式欺骗的使用在实际中往往受到一定限制
（二）生成式欺骗
生成式欺骗的基本原理是利用欺骗设备，根据预先指定的期望用户位置，实时计算出在该位置上用户所需接收到的GNSS信号的码相位延迟、载波多普勒、导航电文等必要参数，并在此基础上生成在该点的虚假GNSS信号并通过发射天线辐射到欺骗对象，以虚假信号的功率优势遮蔽真实GNSS信号，使其逐步跟踪捕获到欺骗信号指定的伪码相位和载波多普勒上，从而使得待欺骗对象得到错误的伪距测量值，进而解算出错误的位置信息，最终达到欺骗目的。这一方法的基本原理如下图所示：
生成式欺骗要求必须完全掌握 GNSS信号的数据和频率结构，如伪码结构、导航电文等，所以难以对 P(Y)码信号实施生成式欺骗。由于生成式欺骗干扰是利用自身设备生成欺骗信号并不依赖 GNSS 系统，所以欺骗方可以自由决定导航电文和信号发射时间，这就使得欺骗信号既可以滞后也可以超前于真实信号达到接收机。所以生成式干扰可以通过改变到达实验测量值和篡改卫星星历/历书等多种途径对目标接收机实施欺骗。此外，由于GNSS信号实际上是以一定码周期进行重复的直序扩频信号，有研究表明：生成式欺骗信号可以在最长一个伪码周期内（对GPS L1信号来说是1ms）与真实信号自动实现码相位匹配，并通过稍高于真实信号的功率将接收机伪码跟踪环路牵引至跟踪欺骗信号。同时，由于欺骗信号伪码的周期重复特性，如果在一个伪码周期内欺骗不成功，该欺骗信号还可以自动在下一个伪码周期实施牵引，直至成功引导目标接收机。一旦欺骗信号成功牵引目标接收机伪码跟踪环路，干扰方则可以通过调整其发射的欺骗信号伪码相位控制目标接收机的定时定位结果，从而达到欺骗目标接收机的目的。因此，这种方法对于当前接收机所处状态的要求不高，既可以对处于捕获状态的接收机进行欺骗，也可以对处于稳态跟踪状态下的接收机进行欺骗。因此，生成式欺骗的实用性往往更强。
由于卫星导航系统的应用已深入到社会生活及军事应用的各个方面，卫星导航接收终端因接收到虚假信号而得出错误定时、定位结果将可能导致灾难性果。因此，采用导航诱骗技术的无人机反制案例正在不断增多。2011年12月4日，伊朗防空部队宣称他们采用欺骗技术在该国东部边境俘获的一架美国“RQ-170”无人侦察机。如果该报道属实，那将是导航欺骗技术在无人机反制作战中的首次应用。有媒体报道，作为电子战技术和装备的大国，近年来俄罗斯极有可能大量使用了针对GPS的诱骗技术。据美国非营利性组织C4ADS报道，近几年内俄罗斯境内先后发生的近10,000起不同的GPS欺骗事件，尤其是当俄罗斯总统普京到访敏感地区时，其周围会冒出欺骗性GPS信号。此外，该组织报道，在莫斯科，尤其是在克里姆林宫附近，游客多次发现其位置被指定到32Km以外的一处机场。俄罗斯这种做法被普遍认为是一种防御措施，避免被北约GPS制导武器攻击。有分析指出，俄军能在叙利亚多次挫败针对其军事基地的无人机集群攻击行动，很有可能是使用了部分的GPS欺骗技术。
三、高功率微波武器
高功率微波武器是指采用大功率的无线电波摧毁目标的相关电子设备，从而迫使目标失能的一种手段。目前各类无人机中大量的使用各类微电子设备，因此摧毁这些电子部件对无人机的杀伤往往是致命的。实战中，高功率微波武器一般将电磁脉冲能量集中于单一频率的窄带内，通过天线直接进入无人机的机载电子设备中，对设备内部的电子元器件产生物理破坏作用。相比于传统的电子干扰技术，高功率微波武器实际上是对目标电子元器件的彻底、不可恢复的摧毁，因此其杀伤效果更加显著。另外，由于高功率微波波束窄，发射时间短，不易因发射电磁波造成重要阵地暴露。
2015年之前，美国政府只是把高功率微波技术作为一项有潜力的技术，并没有重点扶持。自2015年开始，这种情况发生了改变，在美国大力推进定向能技术发展的背景下，高功率微波技术相关研究经费逐年大幅度提高，美国防部还开始自上而下地推进相关技术发展，加速高功率微波技术从实验室走向战场。当前，围绕高功率微波武器在无人机反制中的应用，美军开展了大量的研究工作。目前主要包括两类代表性的高功率微波反无人机武器系统。一是雷声公司为美国陆军研制的“相位器”高功率微波系统。早在2013年，雷神公司就曾在希尔堡演示了利用高功率微波演示样机使小型无人机失效的能力。
雷神公司的“相位器”高能反无人机系统
2018年4月，美国陆军近期在俄克拉何马州西尔堡的美国陆军火力卓越训练这中心举行了名为机动火力综合试验（MFIX）的演习。在此次演习中，雷神公司利用其先进的高功率微波武器和高能激光武器先后击落了45架无人机。在整个演习过程中，雷神公司的高功率微波武器先后与多个无人机群作战，共击落了33架无人机。
与此同时，雷神公司的相关研究也引发了美军中别的军种对高功率微波武器的兴趣。2019年5月，雷神公司向美国空军演示了其先进高功率微波武器击落无人机的能力。雷神公司表示，这些技术可以为美国空军提供一种低成本反无人机解决方案，可有效对抗日益增长的无人机威胁。值得一提的是，该公司研制的高功率微波武器系统可与雷神公司的多光谱目标系统一起工作，并能够集成安装在“北极星”全地形车上，能够探测、识别、跟踪和摧毁无人机，显示出了较高的工程化应用水平。有媒体报道，雷神公司已经于去年9月获得了美国空军一份价值1.62亿美元的合同，用于生产一台高功率微波系统原型车。
此外，今年早些时候，美国海军在霍尔木兹海峡使用了类似的定向能武器摧毁了伊朗的一架无人机，证明了这种武器在军事参与中的可行性。
与此同时，美空军等军种也在开展其它类型的高功率微波武器的研制工作。目前主要的研究计划是一个名为战术高能反应器（THOR，Tactical High-power Operational Responder）的高功率微波系统。该系统由空军研究实验室开发，通过高能毁伤手段，保护空军基地免受无人机及无人机蜂群的袭击。该系统依靠地面电源供电，利用短脉冲微波使无人机上的电子设备失效。整套系统可以存放在一个方舱中运往任何地方，并在两三个小时内完成架设。THOR 自2018年7月开始研发，经费约1,500万美元，历经18个月后完成。国空军研究实验室（AFRL , Air Force Research Laboratory）、BAE系统公司、Leidos公司和总部位于新墨西哥州的Verus研究所等多家企业和研究机构参与了这一系统的研制过程。美国空军研究实验室（AFRL）在今年4月6日宣布，该实验室已开始在海外演示测试定向能武器。空军研究实验室（AFRL）的定向能源总监凯利·哈米特（Kelly Hammett）在一次发布会上称，“THOR是一个定向能源的游戏规则改变者。”他说:“无人机正变得越来越普遍，它们可以被用作武器，在远距离对我们的军事基地造成伤害，而THOR所具备的无人机毁伤能力对我们的战士乃至整个国防来说都是一笔惊人的财富。”
THOR系统
需要指出的是，高功率微波武器由于由于其作用范围大，能够进行宽空域、分布式的杀伤，因此对于蜂群式的无人机来袭具有很好的防御杀伤能力。
四、高能激光武器
高能激光武器采用高功率的激光束长期照射灼烧无人机目标，从而烧毁无人机上重要的结构部件，进而迫使无人机迫降和坠毁。相比于传统的杀伤性火器，激光武器具有显著的性能和应用优势：1）见效更快，激光可以采用光速聚束发射，因此其见效速度远远快于其它类型武器；2）毁伤大，耗能低，激光武器能够形成面杀伤，同时其消耗的能量相比于同等水平的火器来说更低；3）抗干扰和隐蔽性强，因为激光光谱纯净、单向性好，一般不易发现和干扰，此外激光发射过程中一般不会出现爆炸和闪光，可以在比较狭小的空间内发射，因此难于事先侦察。
目前，美国同样在积极开展这类装备的研究工作，其中较为典型的代表是洛克希德马丁公司的先进测试高能激光设备（ATHENA，The Advanced Test High Energy Asset），俗称“雅典娜系统”。“雅典娜”是一种地面机动式光纤激光武器，目前主要作为未来技术的试验平台来使用，用于研发用于战场的大功率激光武器。美国国防部对激光武器进行了大量投资，用于打击间接火力、简易爆炸装置、无人机、导弹和飞机。一个完整的雅典娜系统一般采用车载的配置形式，其上带有指挥与控制系统和无人机探测雷达，在获得无人机航迹后通过指挥控制系统引导操作人员人员操作激光武器完成转向、获取、跟踪并击落无人机的基本操作。“雅典娜”激光武器可由单人操作，由多个光纤激光器模块组成，不仅保证了更大的安装与使用灵活性，同时也减小了因某个模块出现小故障而失效的风险，降低了维修需求。洛克希德·马丁公司表示，模块化设计意味着激光功率可在极宽的范围内进行调节，以适应具体任务的需要。使用现成的、商用货架式光纤激光器组件，可以大幅降低成本。将各个模块连接起来，可组成总输出功率达120千瓦的激光武器系统。
2017年9月，“雅典娜”激光武器系统在白沙导弹靶场举行的一次测试中击落了5架无人机。洛克希德·马丁公司首席技术官表示，在白沙导弹靶场对空中目标的测试验证了武器的杀伤力，同时复现了对在测试范围内对静态目标的攻击结果。随着激光武器技术的成熟，整个系统将会更加有效。2019年，洛克希德·马丁公司最近在俄克拉荷马州希尔堡的一个政府测试靶场为美国空军演示了他们的激光武器系统，该系统成功拦截了多架固定翼和旋翼无人机组成的蜂群。此外，“雅典娜”激光武器系统原型在当年3月进行了30千瓦功率测试。试验中激光束摧毁了一辆小型皮卡车。
“雅典娜”激光武器系统
除了雅典娜系统之外，美军还联合波音公司同步开展CLaWS“利爪”紧凑型激光武器系统的研制和试验工作。这一系统属于小型激光武器系统，战斗全重约295千克，总功率2～10 kW，可以集成在中小型作战车辆上，也可安装在支架上使用，便于携带和部署，可作为供地面作战人员使用的陆基激光武器，防御小型无人机。该系统中的武器组件采用商用工业激光器（该组件通常用于焊接等作业），结合第二代光束定位器（较上一代减重40%），并对其进行紧凑化以及轻量化设计。该激光器采用的工业激光器功率范围为2~10千瓦。该系统可由1人操作，系统包含控制器、激光器、水冷系统、电池系统以及激光定位器，系统还可集成追踪雷达辅助定位器捕捉目标。波音公司官方表示该武器可聚能于直径1英尺的光斑。由于采用了专门的模块化和紧凑化设计，该系统携带方式简单，通过中波红外传感器在40千米的范围内识别以及追踪地面以及空中目标。紧凑型激光武器可在37千米的范围内清晰聚焦美海军陆战队已在 2018 年夏季接收了 2kW 型别的 ClaWS。2019 年 6 月，美海军陆战队完成5kW陆基激光武器反无人机测试，目前样机已交付海军陆战队。有报道称，今年2月20日，美国海军陆战队在加利福尼亚州勒琼海军陆战队基地进行了该系统的实地测试
五、基于到达时差定位（TDOA）的无人机侦测技术
如何探测小型无人机始终是无人机反制中的一个显著难点。无人机等“低慢小”目标具有飞行高度低、运动速度慢、雷达散射面积小等特点，其自身的这些特性决定了它难于被常规雷达探测，实现全天时、全天候的有效探测、监控和管制，成了当前国际上反“低慢小”目标的技术难题。为此，如果采用基于时差定位（TDOA）的无人机侦测方法就成为探测小型无人机的重要手段。
TDOA技术采用分布式的射频传感器进行系统组网，组成一个针对无人机测控链路的无源侦收、测向和定位系统。系统中的每一个射频传感器都具有无线电频谱侦收和测向功能，一旦在无线电频谱扫描过程中发现无人机目标的测控链路信号，即对信号进行捕捉和测向，并切换到TDOA定位模式，在此模式下，最少只需要三台射频传感器即可对无人机的实时位置坐标实现时差定位，此外能够截获并分析无人机数据链的实时信号参数。基于TDOA的无人机侦测方法，一般具有定位精度高、发现速度快等优势，而且可以直接引导无线电干扰装置对无人机进行精准反制，对周边电磁环境干扰和破坏相对较小，非常适用于人口稠密、遮挡严重的城市环境，因此近年来得到了越来越多的影响。
六、无人机链路接管技术
由于现代无人机尤其是民用无人机对于其测控链路高度依赖，因此如果能够控制接管无人机链路，实际上也就接管了无人机。为此，目前相关国家和企业正在开展针对无人机链路接管的无人机反制系统。目前以色列相关厂商走在这一领域的前列。近期，以色列一家公司展示了一款代号为EnforceAir的新型反无人机系统。与传统反无人机系统不同，EA系统既不依赖雷达或光学设备探测目标无人机，也不依赖动能打击或电子干扰清除无人机威胁，而是通过自主执行网络控制程序，入侵目标无人机控制网络，在切断目标无人机与原操控员联系后，“接管”其后续飞行活动，使其安全着陆，最终消除隐患。需要说明的是，无人机链路接管技术需要对目标无人机测控链路的技术参数和通信协议有较为全面的了解，要能够动态跟踪并及时对无人机工作过程中频率、功率、调制方式等链路参数的变化，并能够根据链路特征对无人机目标的类型进行可靠识别。
EnforceAir反无人机系统
七、小结
随着无人机产业的快速发展，无人机所带来的社会安全威胁已经成为现代社会不可忽视的安全问题，为此近年来多种类型的反无人机技术层出不穷。新的反无人机技术的出现，为反无作战提供了新的手段。目前从本文梳理的主要反无作战新手段来看，主要呈现出如下的发展特点：1）从新概念逐步走向实用，大批的实用化装备正逐步在外军列装，具备较好的工程化基础、实际应用经验甚至是实战经验；2）更加强调对无人机的精确杀伤，如激光武器已经实现了很高的瞄准和杀伤精度；3）更加强调对无人机蜂群的对抗能力，很多手段具有覆盖范围大、使用灵活、作用效率高等特点；4）智能化和信息化融合趋势明显，一方面突出对无人机的毁伤和打击，同时也突出对无人机目标的侦察和跟踪。
需要指出的是，虽然目前已经出现了多种类型的无人机反制手段、技术和装备，但由于无人机类型多样，无人机反制任务也面临着环境复杂、任务艰巨等诸多实际困难，从目前情况来看，还没有一种技术是能够完整、有效的应对全部类型无人机威胁的。尤其是在人口稠密的城市环境下如何稳妥、可靠的进行无人机反制始终是一个业界非常头疼的问题。总结当前无人机反制的主要经营，有效应对无人机的安全威胁，必须结合无人机的活动特点及所在区域的环境特性，综合利用多种类型的无人机反制手段，才能够确保无人机反制的实际效果。
