无人机集群反制技术剖析|反无人机|无人机|激光武器|防空系统|雷达

作者：谢海斌、闫家鼎、庄东晔、王祥科，国防科技大学‍ ‍

无人机集群作战具有作战效能高、战场生存能力强、效费比极高的巨大优势，将给传统防空系统带来巨大挑战。现有反无人机集群技术大多来源于反无人机技术，但反平台与反集群存在显著差异，必须针对无人机集群自身技战术特点，加强对精确/高效/低成本的集群反制技术研究。因此，本文以剖析无人机集群反制技术的可行性为出发点，首先，从反无人机集群作战视角，将无人机集群划分为无自主时空协同型（I类）、半自主编组协同型（II类）、全自主任务协同型（III类）三种类型，明确II类无人机集群为主要反制对象；其次，深入分析无人机集群的技术弱点与战术劣势，以此作为无人机集群反制技术可行性的关键切入点；最后，梳理出七大类有效的无人机集群反制技术，并对其可行性进行分析，以期为未来无人机集群反制技术发展方向提供参考。

一、引言

近年来，无人机集群先后发生了扰乱机场、攻击军事基地和袭击大型油田等诸多极端事件，尤其是阿亚战争爆发，亚美尼亚因缺乏有效反无人机（群）手段而损失惨重。无人机集群战场应用的巨大潜力，促使世界各军事强国纷纷加大研发投入，力争扩大对敌不对称优势，以谋求未来战争的主动权。

从战争角度而言，无人机集群技术的快速发展蕴含着对传统联合防空系统的挑战，甚至将引发防空装备体系的颠覆性变革。现有无人机集群反制手段大多来源于无人机反制手段，但无人机集群具备“群”的典型特征，与单架无人机在反制原则、反制战法、反制手段等方面差异巨大。

本文结合无人机集群的技战术特点，针对性地对反无人机集群技术的可行性进行剖析，以期引领反无人机集群技术发展方向，加快反无人机集群作战能力生成。

二、无人机集群的威胁类型

2.1 无人机集群分类

本文根据反无人机集群特征，将无人机集群类型划分为三类，如表1所示。

表1 无人机集群类型划分表

无自主时空协同型（I类）无人机集群不具备自主能力，依赖早期预编程，采取时空协同（起飞前为每架无人机预设飞行轨迹和时序关系，集群行动呈现出“白箱”状态），以多旋翼无人机平台为主，技术门槛较低，典型代表是广泛应用于灯光秀表演的无人机集群。据公开报道，2020年9月20日，深圳大漠大智控技术有限公司以同时升空3051架旋翼无人机的数量，打破了世界记录。

半自主编组协同型（II类）无人机集群具备半自主能力，属于“人在回路上”的状态，以同构/异构无人机平台为主，进行编组协同（各编组内部自主协同，大大减少人工干预，大多数情况下只需进行状态监控和有限干预，集群行动呈现出“灰箱”状态），技术门槛较高，是现在和未来几年研究的重点。美国的“山鹑”（Perdix）微型无人机项目、“进攻性蜂群使能战术”项目就是典型代表[3]。

全自主任务协同型（III类）无人机集群具备完全自主能力，属于“人在回路外”的状态，进行任务协同（以完成作战任务为导向，无人机集群自主侦察/判断/决策/行动，人为不干预集群内部协同，集群行动呈现出“黑箱”状态），可不依托于通信链路实现自主察打，是无人机集群的最高自主形态，技术门槛极高，基于目前技术水平，短期内较难实现[1-2]。

三类无人机集群分类示意图如图1所示。

图1 三类无人机集群分类示意图

2.2 无人机集群反制类型

尽管I类无人机集群可实现成百上千架无人机集群的编队飞行，但总体抗干扰能力较弱，若实施导航/通信链路干扰，便可有效反制，处置门槛较低。2018年5月1日，1374架无人机计划在西安城墙国际文化节上进行升空表演，但由于受到不明定位干扰，无人机因数据出现异常而纷纷坠落，导致表演画面乱码、残缺，该事件体现了此类无人机集群的脆弱。

II类无人机集群伴随无人机集群关键技术的研发突破，可实现协同态势感知、智能自主组网及协同飞行控制，抗干扰/毁伤能力较强，但仍依赖指控链路、群间通信和导航定位等技术，传统软杀伤/硬摧毁手段仍具备一定的反制能力，可通过加强反制技术研究，提升体系有效反制能力。

III类无人机集群具备强自治能力，以瘫痪体系的软杀伤手段难以收到较好效果[4]，硬毁伤措施也难以有效杀伤。现有反制技术存在瓶颈，需积极探索新型无人机集群反制技术。

综上，I类无人机集群较为脆弱；II类无人机集群已初露苗头，是现在和未来几年无人机集群威胁的主要类型；III类集群技术门槛极高，短期内较难实现。故而，本文根据无人机集群现实威胁需求、研发进展速度与未来应用情况，将II类无人机集群列为主要反制对象。

三、无人机集群的技战术弱点分析

无人机集群具有隐蔽性高、抗毁性强、效费比高等巨大优势，但其整体作战能力与技战术性能仍存在不少弱点，这是无人机集群的“软肋”，也是反无人机集群作战的关键切入点。

3.1 无人机集群的技术弱点

3.1.1 平台能力低下

受无人机集群低成本、轻量化和小型化的限制，无人机平台的机动性、续航能力和承载能力较差，从物理域上限制了单架无人机的极限性能。

3.1.2 载荷性能不高

受无人机集群的成本限制，单架无人机的体积、重量及功耗十分有限，携带的各类载荷性能必须进行折衷设计，致使传感器性能、机载通信、计算和存储能力低下。

由于传感器性能较弱，低成本陀螺仪、测风仪等传感器可能出现较大定位误差，低分辨率光电/雷达传感器则可能造成探测距离/精度不足。此外，受限于低成本通信设备的影响，群间通信呈现出窄带宽、大时延、高丢包率、近传输距离等特点，极大限制了通信传输速率与传输距离，致使机间信息传递缓慢。由于计算与存储能力弱，难以满足复杂算法（如深度学习）所要求的高计算速度和大存储空间。

3.1.3 体系支撑脆弱

分布式架构鲁棒性差的问题突出。无人机集群采用分布式架构设计，可实现去中心化，扩充性较好，利于提高战场生存性。但无人机集群节点数量众多、载荷类型丰富、机体构型多样，机间通信易饱和，尤其是遭遇突发情况时，极易出现局部通信拥堵。分布式架构采取的分布式感知和邻域协作方式[5]使得单架无人机获取的机间信息往往会因来源路径不同而出现不一致的情况，绝对/相对位置误差较大，难以判断信息的可靠性，从而严重影响无人机集群的决策行为。

自组网拓扑结构设计存在约束。无人机集群内部节点高速移动、聚散频繁、任务多样，这要求集群自组网能够实现高速高动态拓扑变化，以满足无人机集群任务需求。但受群间通信能力弱的影响，通信单跳距离较近、丢包率难以控制、通信带宽极为受限，难以做到大容量的机间信息分发和任意拓扑结构传输[5]，约束了集群在强对抗复杂环境中的应用。

3.1.4 集群智能受限

首先，集群系统决策时间较慢。无人机集群执行任务通常具有复杂性、多样性和不确定性，需充分考虑传感器信息的不确定性、群间通信的迟滞性、任务耦合的复杂性、集群内部机间防撞和集群外部障碍避撞等诸多约束条件限制。面对瞬息变化的战场环境，集群决策空间维数激增并高度耦合，需充分权衡算法最优性与时间容忍度之间的关系，致使系统决策时间较慢，难以实现战场态势快速交互、作战任务即时协同、突发情况有效避撞等行动。

其次，集群自主协同规划复杂。无人机集群常常是多架无人机执行多个任务，平台之间耦合、不同载荷之间耦合、任务之间耦合均呈现出典型的非线性、强耦合、高时变等特点。集群规模、载荷差异、任务耦合造成任务规划模型“维度爆炸”，同强实时性、弱计算存储能力的矛盾使得无人机集群自主协同规划问题求解极为复杂。

最后，大规模集群协同难实现。集群内部协同难度、系统稳定收敛时间、机间传递测量误差、通信时延与集群数量呈指数级上升，从而限制了无人机集群的数量规模。同时，大规模集群安全率也是“老大难”问题，即使单架无人机安全率达到99%，但成百上千架无人机集群飞行，安全率仅约为36.6%（0.99100）~0.043%（0.991000）。一旦集群内部某一架无人机出现故障，容易引起连锁反应，甚至会出现集群内部的无人机因来不及避撞而导致局部飞行紊乱、互撞甚至坠毁。

3.2 无人机集群的战术劣势

本文针对无人机集群的诸多技术弱点，结合无人机集群的作战特点、作战样式与作战意图，分析出无人机集群的战术劣势如下。

第一，机动性能差。无人机集群作战大多采用固定翼无人机，而固定翼无人机速度与高度、角速度与姿态严重耦合，单架无人机的位置、速度、（角）加速度变化受限于集群响应速度，难以实现大转弯率和高加减速能力，速度机动性、高度机动性及方向机动性均较差。加之无人机集群往往需装载各类载荷，伴随着质量增大，机动性能也会随之下降[6]。

第二，自身防护弱。为降低平台重量、减少成本投入，无人机外壳大多是碳纤维复合材料、PC（PA）塑料，甚至是泡沫，外壳密封性不佳，加之内部电路元件防水、防尘和电磁防护能力较弱，若遭受相关干扰，电路元件易出现大范围故障，可能迅速丧失战斗力。

第三，作战航程短。无人机集群的航程有限，作战半径不足，需要基于陆基、空基、岸基和海基等平台的投放。由于集群投放平台易被敌探测系统发现，大大增加了被早期反制的风险[7]。

第四，通信依赖强。由于成本的约束，个体无人机功能较为单一，难以完成复杂任务，需进行信息/资源共享，实现协同定位、数据处理、态势感知与认知等功能，使得个体无人机对体系依赖较强。尤其是部分自主性不强的无人机严重依赖卫星、地面站、中继通信及集群内部的辅助，一旦关键节点缺失，将瞬间丧失战斗功能[8]。若群间通信受到干扰或阻断，各作战单元将无法进行态势交互和群间协同，从而陷入“瘫痪”状态。

第五，毁伤能力弱。小型无人机携带载荷、弹药十分有限，单一无人机攻击难以造成较大程度的毁伤。尤其是针对坦克、装甲车、航空母舰等特殊加固的目标，作战效能大幅度降低。无人机集群必须依赖高效协同，采取饱和攻击的方式，方可产生较大规模的损伤。

四、无人机集群反制技术的可行性分析

本文整合现有无人机集群反制手段，根据无人机集群的战术特点及弱点，剔除反制效能低下的技术，针对性分析出有效的反无人机集群技术体系，如图2所示。

图2 有效的反无人机集群技术体系

4.1 探测识别类

现有探测技术诸如声学、激光、金属探测等因有效探测距离太近而不适用于无人机集群探测。本文结合现有探测技术特点与应用前景[9]，分析出有效的反无人机集群探测识别类技术如表2所示。

表2 有效的反无人机集群探测识别类技术

4.2 平台摧毁类

摧毁无人机集群的飞行平台，可迅速消除无人机集群的威胁，有“立竿见影”之效。

4.2.1 传统防空手段

传统火炮、高射机枪炮等密集型火力武器具备高射击速度，可通过构建密集火力网快速拦截无人机集群；防空反导武器等精确制导武器具备较高的射击精度，可精准打击无人机集群。传统防空手段可作为“兜底”防护措施，但其附带损伤极大，主要在野战环境下使用，尚不具备在城市环境下的使用条件，加之其效费比极高，非紧急情形下，不考虑使用。

4.2.2 新型弹药技术

（1）网弹技术。采用发射网弹或大型无人机挂载网枪捕获无人机集群，具有性价比高、可重复使用的特点[7]。据文献[10]介绍，10架小规模无人机集群能对抗只有5张网的网炮，故而反制作战需配备足够的网弹（炮）[10]。

（2）微型导弹。采用可见光成像制导方式，动态追踪近距小型无人机，具有成本低、体积小、可靠性高的突出特点[11-12]。

（3）集束弹药。以毁伤面目标为主的常规弹药，具有火力密集、覆盖面积广、毁伤效能大等特点，适合拦截空中集群目标[12-13]。

微型导弹和集束弹药尚处于研发阶段，但应用场景很广泛，是未来打击无人机集群的理想武器，需重点关注。

4.3 载荷毁伤类

4.3.1 电子器件毁伤

（1）高功率微波武器。利用高功率微波波束击穿或烧毁无人机电子器件，具有受环境影响小、攻击速度快、杀伤范围广、无附带损伤、难以防护和效费比高等特点。同时，与高能激光武器相比，高功率微波武器作用距离更远，波束更宽，受气候影响更小，攻击时只需确定概略方向即可实施攻击，是未来对抗无人机集群的重点研究方向。

（2）高压水枪。具有无附带损失、廉价高效、无污染、操作简单的优势。利用高压水枪或水炮进行高压攻击，不仅能够破坏和驱散无人机集群，也增大了器件损坏（短路）概率。由于海水资源极其丰富，高压水枪或水炮很适用于海上反无人机集群作战。

4.3.2 辐射毁伤

（1）激光致盲。低能激光武器能量虽不足以毁伤无人机，但利用激光束照射无人机光电传感器，可使其受到干扰、失效、过曝，从而影响其探测功能。战术激光器属于能量集中杀伤且作用距离有限，攻击时需精确对准目标；受气象环境影响较大，需注重使用条件。

（2）电磁脉冲炸弹。可将电磁能量分布到宽频带内[14]，采用与电子干扰系统相同的工作方式，产生足以暂时扰乱或致盲无人机集群机载数据通信链路的微波功率，可毁伤其通信、探测和导航系统。但是该手段将对周围区域造成巨大损害，需根据无人机集群的规模大小控制脉冲能量、发射方向和使用区域。

4.4 航程消耗类

4.4.1 摧毁蜂巢——“释放”阶段消耗

利用传统防空系统早期发现并摧毁投送平台，实现“御敌于防区之外，歼敌于未发之中”，将作战航程“归零”；也可通过无线电测向交叉定位，确定无人机集群地面控制站位置，派遣特种部队深入敌后，摧毁地面控制站，将无人机集群变为一群“无头蝇”，待飞行航程耗尽后，撞向地面。

4.4.2 伪装遮障——“观察”阶段消耗

（1）遮蔽干扰。在重点区域和重要目标周围施放宽波段（可见光、中远红外、毫米波等）烟幕进行遮蔽干扰。遮蔽烟幕透过率低于15% 时，无人机被动红外成像系统将无法显示完整的图像。

（2）伪装隐蔽。对重点目标采取降温、绝热、喷洒消光材料或覆盖伪装物等措施，进行反可见光/雷达侦察伪装，降低目标与背景之间的对比度，增加无人机识别目标难度。值得注意的是，利用伪装遮障类措施，延长无人机集群识别目标时间，可在“观察”阶段消耗其航程。

4.4.3 诱饵欺骗——“判断”阶段消耗

在重要目标周围可布设大量外形、尺寸、体积和频谱等光学特征及电磁特征相似的光电/雷达诱饵，增加无人机辨别真假目标的难度，从而在“判断”阶段消耗其航程。

4.5 链路干扰类

4.5.1 指控链路干扰与欺骗

（1）压制式干扰。这是指控链路干扰的主要方式，技术相对成熟，成本较低，系统操作简单，干扰效果显著。自组网的集群架构具备一定的网络自愈性（网络中节点通信受阻时，可与其他无人机进行中继通信[15]）。干扰装备需满足宽频率、大功率、全方向的干扰条件，干扰难度较大，对周围用频设备影响较大，存在附带损伤，需谨慎使用。常规通信频点固定，易于干扰，但无人机集群逐步向扩跳频通信方式发展，干扰难度迅速增大，未来扩跳频通信干扰方式（跟踪式、阻塞式、相关式等）将成为主流发展方向。

（2）电子围栏。这是为了防止无人机集群进入某一特定区域所采取的办法，技术难度不高，成本较低，并具备无人值守、灵活性高等优点，可作为重要末端防护手段。其优势在于可在已掌握防护目标周围用频情况的基础上，设置好保护频率，减少因干扰带来的附带损伤。该技术可作为末端防护的重要手段，可实施性较强。

（3）控制信号干扰，这类方法可分为两种。一是通信链路劫持，通过长期的侦听，分析破译出非合作目标无人机通信数据链的工作频段频率、协议和加密等关键参数，通过向无人机发送虚假控制指令，实行欺骗控制。这种技术次生危害较少，但需准确掌握无人机测控链路协议和数据信息[16]，依赖前期情报的积累，直接破译通信协议、无线链路波形和加密等困难较大。二是转发跟踪式干扰，即一旦侦测敌方指控链路信号，迅速进行同频或延时转发，类似于“鹦鹉学舌”；也可通过随机改变信号编码，如改变其中一位二进制编码，打乱其战场行动。该手段无需对指控信号进行破译，可实施性强，具备较好的应用前景。

（4）金属粉末。通过火炮发射系统将装填大量金属的炸弹发射在无人机集群来袭空域，金属粉末散开后，导电的金属能对电磁波产生反射与吸收，从而实现对无人机集群通信网络进行屏蔽和干扰，易造成无人机集群对信号的误判，扰乱无人机集群，使无人机集群内部相互碰撞，从而自动瓦解。该技术具有可观的应用前景，极具发展潜力。

4.5.2 导航链路干扰与欺骗

与单架无人机不同，无人机集群凭借其功能分布化，可采用GPS、BDS、Galileo以及GLONASS等两种或多种组合导航的方式。但由于具备导航功能的无人机较为分散，集群内部可进行协同定位，进一步加大了干扰难度。为确保欺骗效果，必须不间断、宽角度、全覆盖、多频点对无人机集群实施导航干扰与欺骗，直至无人机集群落地被控制。

在以下几种情形下，导航链路干扰与欺骗效果不佳：①采用GPS军码导航，导航欺骗无效；②无人机集群内部有高精度惯性导航系统（INS）或者激光陀螺等导航设备，一旦受到导航干扰或导航欺骗误差超过INS的阈值，会转为纯惯性导航模式，令导航链路干扰与欺骗手段失效。

4.6 综合防护类

总体来看，反无人机集群难度较大，尚无能够实现100% 拦截的反制体系。对于重要的核心目标，反制原则应以防护为主。

目前，日常要地防护大多集中于二维的平面防护，缺乏应对空中威胁的防护措施，应加强关键薄弱点的立体防护，提升整体抗毁能力。鉴于需防护目标众多，成本有限，需突出重点，加强关键薄弱点的末端防护，并积极开展低成本防护技术研究。

4.7 主动反制类

在传统被动防御思维模式下，反无人机集群作战存在态势感知滞后、防御范围有限、反制装备运动局限等问题，而基于无人机平台的反无人机集群技术具有主动防御、空地协同、部署灵活、机动性强以及精确高效的优势。无人机平台（格斗式无人机、无人机集群）主动前出，综合使用多类手段对敌无人机集群实施“侦-扰-拦-破-毁-捕-评”等反制任务，先敌攻击，不仅能够迅速降低无人机集群战斗力、破坏力，也可打乱其进攻节奏，迟滞其进攻行动，为被动防御手段争取准备时间。该类手段作为主动防御的典型方式，反制作战效能高，还可通过转移交战场地减少对重要区域的附带损伤，可实施性强，宜优先采用。