无人机反对抗措施综述
近期的一些军事演习表明,无人系统将对台海局势产生影响。兰德公司2020年的一项研究对一系列中美军事演习进行了分析,发现互连和易损耗无人机(UAV)的优势被证明是中美近对等冲突的决定性部分。2022年8月举行的新美国安全中心军演建议,美国应投资无人潜航器(UUV),台湾也应投资无人机,以获得优势。此外,乌克兰、纳卡和也门的冲突也表明,无人机正迅速成为各种技术水平战争发展和创新的核心领域。
无人机防御也在快速发展。仅在2023财年,美国国防部就计划在反无人机(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和无人机防御可能会将无人机在高强度冲突中的影响降至最低;然而,如果能开发出对抗无人机防御的手段,降低其威胁能力,无人机就能保持效用。无人机、无人机防御和对抗无人机防御之间不断发展的相互作用将是决定无人机对全球安全影响的关键。
2024年7月,美国国防大学公开发表了一篇文章《打破护盾:对抗无人机防御》。文章首先概述了无人机防御措施,重点是它们如何运作以及所涉及的权衡。然后,文章着眼于对无人机防御的对抗措施,概述了11种不同方法。重点是了解每种方法的适用范围和潜在权衡。采用哪种措施对抗无人机防御完全取决于哪种措施最为有效,此外,特定反对抗措施的价值将随时间发生变化。接下来,该文提出政策建议,强调了解敌方的无人机防御措施;开发、评估和部署针对敌方防御的反对抗措施方法;并了解反对抗措施开发和部署中的权衡。
文章分析了无人机在战争各个领域的作用。文章中使用“无人机”作为各种无人系统的代称。当集中进行特定领域分析时,则使用适当的具体无人系统类别名称,如无人艇、无人车。无人机群指的是集成了通信功能的多架无人机,而不是简单的数量优势。
基本的无人机防御系统包括探测/识别和拦截系统。探测器和识别器使防御方能够识别来袭无人机威胁及相关属性,如无人机数量、速度、大小以及是敌是友,而拦截系统使防御方能够击落来袭无人机或使来袭无人机失效、受损。理想情况下,无人机防御应包括多个传感器和拦截选项,以适应它们之间的权衡。在实践中,高价值的固定资产可能具有强大的防御能力,而移动或临时资产可能仅限于非专业的无人机防御措施。
拦截方法包括传统动能武器、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,使用定向能降级和摧毁无人机机身或电子设备,以及在进攻性防空作战中利用情报来攻击集结地。拦截系统的可行性在不同领域可能有所不同。激光器虽然价格昂贵,但每次发射成本很低,非常适合对抗小型无人机,其性价比远高于传统动能武器(如导弹)。某些现有拦截技术适用于任何领域,比如采用干扰机,因为大多数无人机都依赖于某种信号进行通信、导航或控制,尽管信号的频率和类型可能取决于域(如无人潜航器更多使用声学信号而非电磁信号)。值得注意的是,大型电子战系统具有组合拦截要素,可以使用不止一种方法。与动能武器相比,在居民区附近使用时,电子战平台造成附带损害的可能性较小,而且几乎所有电子战平台都无需“大量弹药补给”。
当然,确切的风险取决于武器类型及其与脆弱的民用系统的距离。为对抗无人机而设计的定向能武器和动能武器也在针对无人艇和无人车进行测试。新的经济型动能武器,如英国的Martlet轻型多用途导弹可以瞄准陆地、海上和空中的无人平台。尽管反无人机技术有潜力用于对抗陆地和海上的无人平台,但相关开源研究很少。公开来源关于美国防部在该领域工作的信息有限:美海军试图提高Mk 38 Mod 3机枪系统对抗无人艇的能力,它还有一个采购计划来提高I-Stalker/NATO Seasparrow导弹系统对无人艇的态势感知能力。此外,美国防部在2018年成立了反无人车工作组,尽管结果未知。
然而,简易的、特制的无人艇和无人车使用得越来越多。在红海,伊朗支持的胡塞武装使用简单的满载炸药的无人艇对沙特领导的联盟进行了多次攻击。在乌克兰,无人车被小规模用于作战支援,如扫雷和伤员后送,同时乌克兰也对俄罗斯黑海舰队使用了大规模自杀式无人艇攻击。同样,世界各国都在开发可同时在多个领域作战的无人机群,如目标瞄准由数架小型无人机引导的俄罗斯地面无人车。随着无人机群大规模开发并成为大规模杀伤性武器,反无人机挑战也越来越大。跨越各个领域的全谱无人机战争可能会定义所谓的“第三无人机时代”。
1.1 探测和识别
有几种方法可以探测来袭无人机。雷达可以远距离探测大多数无人机,但它们探测低空飞行无人机有困难,特别是极低空飞行无人机。雷达的启动成本很高,但大多数军队已经在使用雷达探测飞机和来袭炮弹。射频扫描仪更便宜,可以探测并三角定位无人机,还可以在无人机发射前对其进行探测(前提是系统发射的信号在扫描仪探测频谱范围内),但它同时跟踪多个目标的范围和能力有限。声学传感器对于探测无人潜航器(UUV)十分有用,但是难以提供无人机位置和速度数据,而且探测无人车的效用有限。最后,视觉探测需要直接可视,且只能提供无人机数量、类型、距离等有限信息。本文中,探测还包括无人机识别,评估它是敌是友。
1.2 拦截
(1)动能武器对抗无人机最明显的方式是在适当区域使用现有动能反无人机武器。大多数无人机速度慢且缺乏反制措施,致使其(在射程内)易受大多数防空系统攻击。动能武器启动成本较低,军队可部署各种高射炮、机枪、导弹、狙击手和便携式系统,可以在充分警告的情况下摧毁无人机。例如,乌克兰使用二战风格的老式自动高射炮取得了一些成功。
动能反无人机的缺点是,用最强大的防空系统对抗无人机通常不经济。许多无人机系统比爱国者导弹或S-300导弹便宜得多,面临无人机群持续威胁时,战略防空平台可能会出现导弹短缺。美国等国正在研究更经济的解决方案,如“吸血鬼”反无人机导弹系统,但其射程较短(不到8千米)。同样,传统的反坦克导弹或反舰导弹可能对无人车或无人艇有效,但这种方法不太经济,除非是对抗大型更精密的无人系统。
(2)干扰机射频干扰机和GNSS干扰机是拦截无人机最常见的方法。干扰机要么切断无人机与其操作员之间的连接,要么增加干扰,使无人机难以找到正确信号。根据无人机的程序设计,干扰它与卫星的连接可以迫使其返回基地或降低无人机精度。便携式干扰机可以保护一小片区域免遭单架无人机攻击。2017年,美国空军以每台约3万美元的价格采购了便携式干扰机。能力更强的干扰机通常被整合到电子战和信号情报套件中,这些套件可以截获和处理敌方通信,其价格往往高达数百万美元。
电子战套件可以放置在海军舰艇上、陆基车辆上,如美陆军电子战战术车(EWTV),也可通过类似EA-18“咆哮者”电子战飞机上的吊舱集成到飞机上。GNSS欺骗是无人机防御的另一种选择。欺骗攻击不是阻断无人系统与卫星的连接,而是发送干扰或覆盖卫星导航服务的对抗性信号。GNSS欺骗可能导致攻击失败、无人机坠毁,甚至自相残杀。使用GNSS航点导航的无人系统特别容易受到欺骗。相反,不使用GNSS或有备用系统的无人机可能不会受到太大影响。如果无人机在欺骗范围内,干扰或摧毁系统可能更有利于防御方。
(3)自主操控随着无人机自主能力变得更强,对手也越来越多利用这点来操控无人机。例如,黑客利用地面标识贴纸诱骗特斯拉自动驾驶系统驶入对向车道。尽管自主军用无人机在不同环境下运行,但同样的方法也是可行的。如果无人机在没有人类监督的情况下使用机器视觉探测和攻击目标,对手可在校车侧面画一辆坦克,当自主无人机摧毁校车时,对手可能会通过谴责针对平民的暴力行为赢得信息战的胜利。
随着无人机规模扩大到大规模无人机群,它们必须变得更加自主,这意味着对手操控的机会也更多。利用蜂群智能进行对抗可能远比利用动能武器击落数千架无人机或用电磁能攻击它们要有效得多。当然,任何自主操控都需要对对手无人机的自主运行方式有深刻而准确的技术理解。
(4)定向能武器
反无人机发展的另一个主要途径是定向能武器。从技术上讲,定向能武器指的是可将电磁能集中在目标上的任何武器,但对无人机防御来说,重点是高能激光和高功率微波。定向能武器的单次发射成本也往往比动能系统低得多。然而,鉴于无人机技术和对抗措施的发展速度,如果开发出廉价的对抗措施,在定向能武器上投入巨资可能会有风险。高能激光器将光束聚焦到无人机上,以致盲其传感器,破坏其结构完整性,并最终击落无人机。
激光要造成损害可能需要其保持聚焦几秒钟,所需的时间称为激光停留时间。受地球曲率影响,激光无法攻击地平线以下目标,而且目前还需要在设备尺寸和射程上进行权衡。最先进的激光器是大型静态设备,用于摧毁敌方卫星和拦截高超音速导弹,而不是拦截射程内的无人机。
此外,研究人员和制造商常常过分夸大激光的能力,因此无法确定激光多快会成为现代军队的标准能力。为卫星和高超音速导弹设计的激光器功率以兆瓦为单位计,而大多数反无人机激光器功率以千瓦(kW)为单位计,设备尺寸较前者小,机动性高,这就以牺牲射程为代价增加了机动性。用于无人机防御的移动低功率激光器,如美军拟议升级的“机动近程防空”(M-SHORAD)系统,其功率在30kW至50kW之间,其功率和射程有限。但是,它们仍然可以在更大范围内破坏或摧毁无人机传感器,但不能破坏无人机机身。同时,更大的系统,如美陆军新的“间接火力防护能力”(IFPC)系统,大小相当于一辆大卡车,使用300千瓦以上激光击落中小型无人机以及传统间接弹药。高功率微波的工作原理与激光相似,只不过是用微波瞄准目标。
微波的不同之处在于,它们对电子元件的损害特别大,而且其作用范围(锥形)比激光更宽,这会降低其有效射程,但可用于对抗无人机群。微波武器也可以在不同频率下工作。目前正在开发的军用微波武器大小相当于一辆小型拖车,但一些公司正在设计小到足以安装在大型旋翼无人机上的高功率微波武器。
(5)进攻性防空作战凭借强大的情报,一些军队可能不需要为无人机攻击开发定制解决方案。面对无人机攻击,军队可以通过预测目标,将要点防御转移到该地区或定位无人机攻击的源头,在攻击开始前攻击机场或仓储设施,以防止未来攻击。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,在胡塞武装的无人艇袭击之前,他们就会在港口对其进行攻击。
同样,乌克兰和俄罗斯军队也在越来越多攻击敌方无人机操作员,因为训练有素的操作员比廉价的无人机更无可替代。然而,情报机构很少能确定每架威胁无人机的位置和意图,即使有这个能力,也很难保证有足够的时间定位和攻击所有敌对无人机或准备防御。
正如军队在寻求摧毁敌方无人机的方法一样,他们也在寻求阻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部署无人机,他们也将寻找无人机反对抗方法。以下部分将探讨现有和新兴的削弱对手反无人机能力的技战术。无人机反对抗措施可以使无人机避开攻击,减轻伤害,或者发动反击来破坏或摧毁对手的防御。
任何对抗措施的价值必然取决于部署的无人机防御类型以及它们在战斗中的有效性。目前,大多数无人机防御系统都是射频或GNSS干扰机,因此干扰对抗方法可能相当有效。在无人机技术的正常发展中也可能产生反对抗措施;无人机的自主性减少了对外部电磁频谱指令的依赖。至少有11种反对抗措施(见表1)。
(1)本机反制武器
本机反制武器集成在无人机平台中,旨在对抗无人机防御。无人机可以装备专门针对无人机防御系统的反辐射导弹。可能适用于典型防空系统的普通反辐射导弹经过改装可以锁定到无人机防御系统使用的频率。
无人机还可能携带定制的反制武器,例如用于无人机的Helios反激光系统,该系统可以感知入射激光,推断位置来源,然后使用本机的激光来迷惑对手防御系统。或者,无人机可以使用传感器对激光源进行定位,然后用其他武器进行反击。
当导弹或飞机攻击目标时,可使用可消耗无人机激活敌伪装对抗措施或迫使敌对抗措施重点应对更近距离的无人威胁。伊拉克战争中曾出现过类似情况,美军利用上世纪60年代制造的“火蜂”(Firebee)无人机飞越巴格达上空,引开伊防空火力。
(2)支持武器和单元支持武器和单元是无人机平台外部对敌无人机防御实施打击的系统或单元。这首先需要一个能够定位敌无人机防御系统的情报设备。难度取决于敌无人机防御措施的形式和防御系统发出的信号类型。找到并定位一个携带手持干扰机的士兵可能会非常困难。
然而,找到并定位相对大型的微波武器(如THOR,安装需要3个小时,且射程相对较短)可能容易得多。更容易的是一种非隐身机载激光系统,如波音YAL-1的未来改型,安装在波音747-400F内,很可能被普通防空雷达探测到。
当然,一旦发现并定位敌无人机防御系统,就必须使其失效或破坏、摧毁它。指挥官有许多选择,从火炮和导弹到步兵或特种作战部队。挑战和机会成本是真实存在的,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消灭一个手持干扰机的士兵,几乎肯定是大材小用。而在无人机对高价值目标发动大规模攻击之前,使用昂贵的高功率微波武器或激光器可能就物有所值。这还取决于指挥官可用的无人机类型和数量,以及是否能接受高损耗。
(3)材料加固材料加固包括添加材料或改变现有无人机材料,保护无人机免受外部伤害。添加的新材料可以吸收或反射入射能量,保护敏感的无人机电子设备。美国空军正在研究能够吸收高能激光的喷涂涂层。
目前正在研究开发各种能够更有效反射或吸收能量的超材料。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,这种材料可能只能有效防御窄带频率。这意味着了解防御者的能力以及快速改变材料或支持宽带材料将至关重要。当然,了解材料对无人机部件和韧性的潜在影响也很重要。例如,加固材料会如何影响通信系统?
(4)隐身隐身涉及改变无人机平台,降低对手发现无人机的可能性。一般来说,无人机的雷达信号很小,但这在很大程度上取决于无人机的大小,而不同领域无人机的大小差别很大。
小型四旋翼无人机的雷达信号自然比MQ-9“捕食者”大小的无人机小得多。当然,隐身可能会带来成本上的权衡,因为无人机的外形必须与之相适应。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。不过,某些形式的隐身可能并不太困难,例如降低小型无人机发出的通常相当独特的嗡嗡声,尤其是在蜂群行动时。
(5)通信升级通信升级是对无人机平台通信系统或地面控制站运行方式的改变。简单来说,这涉及基本电子防护。在无人机通信或跳频上投入更多可能会减轻无人机的抗干扰负担。无人机可能使用不同类型的通信系统。5G技术抗干扰性更强,同时其数据传输能力也更强。随着多架无人机组成无人机群,通信变得至关重要。
无人机群的关键在于通信,它能够实现复杂的行为。然而,如果对手试图干扰或操纵通信,无人机通信也是一个潜在的漏洞。可以修改无人机群架构以弥补这一漏洞。无人机群可以使用专用通信无人机来提供备用信号,强调分散通信以最大限度减少单点故障,或者使用外部系统提供替代通信中继。无人机群还可以使用间接通信方法,如stigmergy,用数字信息素来标记目标或感兴趣的区域。
(6)导航升级导航升级是指改变无人机平台上的导航系统或配套导航基础设施。目前大多数无人机直接或间接依赖GNSS(例如,一些无人潜航器使用GNSS水面浮标,因为GNSS信号不能穿透水)。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和INS(惯性导航系统)。
导航冗余可减轻单一导航源的干扰,并在位置数据相差很大时识别欺骗攻击。无人机可以利用完整性监测来检测GNSS欺骗企图。据报道,伊朗的Shahed 131无人机拥有多部GNSS天线,该无人机现在可能已经能够进行简单的完整性监测。另外,无人机导航的新方法可能不需要GNSS信号。例如,无人机可能会使用机载视觉传感器和预加载的卫星图像数据来确定位置。视觉里程计和其他抗干扰导航方法的进步将限制干扰或欺骗卫星导航的效用。
(7)无人机技术增强无人机技术增强是对无人机平台及其运行的一般技术更改,不一定旨在对抗无人机防御。增加无人机自主运行能力将减少使用电磁频谱接收外部指令的需求。如果无人机可以在完全没有外部指令的情况下运行,射频干扰将毫无用处。
对于不打算进行多次攻击的单向攻击无人机来说尤其如此。然而,无人机自主性可能有实际上限。人工智能目前还没有能力进行复杂的任务规划,因此即使无人机能够自主执行任务,也可能需要人类提供高级任务指挥和支持。有效干扰窗口将仅限于无人机操作员提供任务更新的时候。
同样,改进和开发用于机器视觉和其他功能的自主系统和人工智能也将提高无人机的韧性。目前的机器视觉系统非常脆弱,甚至会被单个像素欺骗。尽管军用机器视觉不至于如此脆弱,但它们仍然面临着错误和敌方操纵的挑战。改进测试和评估,以及总体上更可靠的机器视觉系统,将使对手更加难以操纵。同样,使机器视觉系统可以轻松升级的改进将使军队能够从发现的漏洞中快速恢复。理解欺骗视觉系统的机制也可能找出其他反对抗措施:单像素攻击高度依赖相机角度,因此己方简单操纵无人机偏离滑翔路径就可以降低风险。
(8)网络安全网络安全涉及无人机平台和支持系统的改进。这需要广泛的活动,例如识别可能被利用的潜在漏洞,了解恶意软件如何影响无人机系统和运行,衡量对手持续使用无人机的能力,以及寻找机会保护无人机。必须考虑无人机系统所有单元的网络安全,包括平台、控制系统和所有支持系统,如外部传感器和通信中继,这些系统可能易受网络攻击。
除了需要保护无人机运行相关的所有系统和评估飞行控制器等系统的漏洞之外,一般的无人机网络安全与普通网络安全没有太大不同。无人机对计算机代码的依赖程度较低,因此也可以通过增加人为控制来减少网络安全漏洞。当然,这意味着人为控制程度更高,这会使无人机更容易受到干扰攻击。
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