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        “低慢小”無(wú)人飛行器反制技術(shù)綜述

        2019-01-29 07:09:54公安部第一研究所孫非何昌見曲一
        關(guān)鍵詞:飛行器手段雷達(dá)

        ■ 文/ 公安部第一研究所 孫非 何昌見 曲一

        中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所 朱宇東 黃偉

        關(guān)鍵字:無(wú)人飛行器 目標(biāo)探測(cè) 攔截打擊

        1 引言

        近些年,以民用無(wú)人機(jī)、孔明燈、氣球、風(fēng)箏等為代表的具有“低慢小”特征的飛行器的不受控生產(chǎn)、使用和擴(kuò)散,使得這類“低慢小”目標(biāo)市場(chǎng)面臨失控風(fēng)險(xiǎn),并已成為國(guó)家、民生安全,特別是民航機(jī)場(chǎng)等重要交通樞紐公共安全的潛在非傳統(tǒng)空中威脅,嚴(yán)重影響著人們正常的出行安全。

        據(jù)航空事故分析權(quán)威網(wǎng)站Avherald.com統(tǒng)計(jì),從2014年開始,一共發(fā)生數(shù)十起無(wú)人機(jī)與大型客機(jī)接近的危險(xiǎn)事件。其中,2014年1起,2015年9起,2016年13起,發(fā)生率逐年攀升。例如,2016年5月28日,成都雙流機(jī)場(chǎng)東跑道航班起降空域因發(fā)生無(wú)人機(jī)阻礙航班正常起降事件,導(dǎo)致機(jī)場(chǎng)東跑道停航關(guān)閉1小時(shí)20分鐘,直接造成55起航班不能正常起降,大量旅客滯留機(jī)場(chǎng)。

        2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況

        為了應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題,國(guó)內(nèi)多家單位和技術(shù)機(jī)構(gòu)基于已有的技術(shù)條件,研制了多種針對(duì)以無(wú)人機(jī)為典型代表的“低慢小”目標(biāo)的目標(biāo)探測(cè)和目標(biāo)攔截打擊等技術(shù)。中科院上海天文臺(tái)基于低空全景圖像的“低慢小”目標(biāo)的檢測(cè)算法,研制出了用于空中“低慢小”目標(biāo)的光電搜索系統(tǒng),并取得了較好的效果。張少峰通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),雷達(dá)綜合使用高分辨率技術(shù)、精細(xì)化處理和頻率捷變等技術(shù),可實(shí)現(xiàn)對(duì)“低慢小”目標(biāo)的探測(cè)。郭豹等人基于激光光束空間合成體制對(duì)以大疆精靈3為代表的“低慢小”目標(biāo)進(jìn)行了激光打擊試驗(yàn),并取得了很好的效果。

        國(guó)外在“低慢小”目標(biāo)探測(cè)和目標(biāo)攔截方面取得了很大的成果。由瑞典薩博公司研制的長(zhǎng)頸鹿AMB雷達(dá)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)“低慢小”目標(biāo)的探測(cè)和跟蹤。美國(guó)諾格公司研制的“毒液”無(wú)人機(jī)定位系統(tǒng),能夠在晝夜條件及模糊可視環(huán)境下對(duì)“低慢小”目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別、鎖定和跟蹤?;?0kW光纖激光器,美國(guó)一家公司研制一款名為ADAM的可移動(dòng)要地防御系統(tǒng),此系統(tǒng)主要應(yīng)對(duì)包括小型無(wú)人機(jī)、艦艇、火箭彈等目標(biāo)的近距威脅,它對(duì)目標(biāo)的探測(cè)能力大于5km、摧毀能力大于2km。

        目前,對(duì)于“低慢小”目標(biāo),探測(cè)手段主要有:雷達(dá)探測(cè)、光學(xué)探測(cè)、聲學(xué)探測(cè)和無(wú)線電頻譜監(jiān)測(cè)等;攔截打擊手段主要有:火力攔截、直升機(jī)空中攔截迫降、拋網(wǎng)捕捉、電子干擾、微波毀傷、強(qiáng)激光毀傷等,將在下文分別進(jìn)行介紹。

        3 目標(biāo)探測(cè)技術(shù)

        3.1 雷達(dá)探測(cè)

        典型的雷達(dá)探測(cè)裝置如圖1所示。

        目前,雷達(dá)探測(cè)是基于多普勒效應(yīng),根據(jù)反射回波能夠?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行精確測(cè)距;結(jié)合雷達(dá)本身的方位、俯仰角和GPS信息,能夠獲取目標(biāo)的三坐標(biāo)值。雷達(dá)在白天或晚上均能夠探測(cè)目標(biāo),不受風(fēng)、云、雨、霧等惡劣天氣的影響,具備全天候探測(cè)的能力。然而,雷達(dá)只會(huì)對(duì)超出速度探測(cè)閾值的移動(dòng)目標(biāo)做出反應(yīng),而對(duì)速度低于探測(cè)閾值的慢目標(biāo),雷達(dá)往往會(huì)做出“無(wú)視”的反應(yīng),達(dá)不到探測(cè)的目的?,F(xiàn)代“低慢小”目標(biāo)一般都是由復(fù)合材料、塑料泡沫等構(gòu)成,這些材料具有透波特性,使目標(biāo)具有低可探測(cè)性;而且“低慢小”目標(biāo)的電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、電池、導(dǎo)線等金屬材料體積較小,大大降低了目標(biāo)自身的雷達(dá)反射截面,降低了被雷達(dá)探測(cè)的距離和發(fā)現(xiàn)概率,也縮短了后續(xù)處置的反應(yīng)時(shí)間。此外,通?!暗吐 蹦繕?biāo)飛行高度較低,地雜波的影響也將給地面雷達(dá)的搜索探測(cè)增添了一些難度。

        圖1 典型雷達(dá)裝置

        3.2 光電探測(cè)

        光電探測(cè)通過(guò)接受“低慢小”目標(biāo)反射或輻射出的可見光和紅外波,進(jìn)而達(dá)到探測(cè)目標(biāo)的目的,如圖2所示。相比于其它探測(cè)方式,它能夠直觀反映目標(biāo)的輪廓特征,能夠辨別目標(biāo)的形態(tài)和種類。然而,作為“低慢小”目標(biāo),體積小,其可見光和紅外輻射特征較低,使得通過(guò)可見光、紅外探測(cè)的發(fā)現(xiàn)距離大大縮短,同樣激光雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)反射回波更弱,這些都使光電探測(cè)更加困難。此外,光電探測(cè)受天氣的影響較大,其中光線、能見度、云層、雨、霧等均會(huì)影響光電探測(cè)的探測(cè)距離和對(duì)目標(biāo)的探測(cè)概率。

        圖2 典型雷達(dá)裝置

        3.3 聲學(xué)探測(cè)

        聲學(xué)探測(cè)主要通過(guò)檢測(cè)目標(biāo)內(nèi)機(jī)械部件運(yùn)動(dòng)所帶來(lái)的聲波信號(hào),進(jìn)而達(dá)到探測(cè)目標(biāo)的目的。“低慢小”飛行器目標(biāo)的噪聲主要是發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲和飛行過(guò)程中產(chǎn)生的空氣擾動(dòng)噪聲,然而目前“低慢小”目標(biāo)的飛行速度較慢,飛行動(dòng)力很大比例上依靠電動(dòng)力,這些均使得目標(biāo)噪聲水平很低,給聲學(xué)探測(cè)帶來(lái)很大的困難。再者,通過(guò)專門設(shè)計(jì),在周邊環(huán)境噪聲的干擾下,可以使其噪聲達(dá)到難以探測(cè)的地步。

        3.4 無(wú)線電頻譜監(jiān)測(cè)

        “低慢小”目標(biāo)與地面站(或地面遙控器)之間的測(cè)控信號(hào)可通過(guò)無(wú)線電頻譜監(jiān)測(cè)手段探測(cè),無(wú)線電頻譜監(jiān)測(cè)正是基于這種原理。利用這種探測(cè)手段能夠獲取遙控?zé)o人飛行器的遙控頻率和方位信息進(jìn)行目標(biāo)的三坐標(biāo)定向定位,進(jìn)而定位飛手位置。若已知目標(biāo)信號(hào)型號(hào)和初始信號(hào)發(fā)射強(qiáng)度,能夠計(jì)算出目標(biāo)的距離信息;亦可以無(wú)人機(jī)為載體,搭建空中監(jiān)測(cè)平臺(tái),對(duì)目標(biāo)實(shí)施空中監(jiān)測(cè)。然而,無(wú)線電頻譜監(jiān)測(cè)不能對(duì)非遙控?zé)o人飛行器(如:熱氣球、孔明燈、滑翔機(jī)等)進(jìn)行探測(cè),探測(cè)目標(biāo)種類的能力需要建立數(shù)據(jù)庫(kù)。

        綜上,幾種探測(cè)手段的特點(diǎn)總結(jié)如表1:

        表1 探測(cè)手段匯總

        綜上,任何一種針對(duì)“低慢小”目標(biāo)的探測(cè)手段均具有一定的局限性,具體應(yīng)用時(shí)需要根據(jù)目標(biāo)地的環(huán)境條件(氣候條件、地勢(shì)起伏、周圍建筑物等)采用合適的探測(cè)手段。通常,為達(dá)到更好的探測(cè)效果,采用兩種或更多種探測(cè)手段相結(jié)合,進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

        4 目標(biāo)攔截技術(shù)

        4.1 火力攔截

        火力攔截是指采用常規(guī)低空防御武器裝備進(jìn)行攔截、摧毀,如輕型防空導(dǎo)彈、高炮、機(jī)槍或狙擊槍等。然而,運(yùn)用導(dǎo)彈、高炮等武器系統(tǒng)對(duì)付這類小目標(biāo)成本過(guò)高,且效率低下。再者,此方法不適于在城市背景應(yīng)用,因?yàn)樗褂盟鶐?lái)巨大的聲光現(xiàn)象極易引發(fā)恐慌,同時(shí)會(huì)帶來(lái)傷及人員及城市建筑的危險(xiǎn)。

        4.2 直升機(jī)空中攔截迫降

        直升機(jī)空中攔截“低慢小”無(wú)人機(jī)攔截具有攔截概率低、應(yīng)對(duì)多目標(biāo)能力差的特點(diǎn)。例如在應(yīng)對(duì)飛行速度相對(duì)較快的固定翼無(wú)人機(jī)時(shí),直升機(jī)很難穩(wěn)定跟蹤和鎖定,很大程度上降低了攔截成功的概率。此外,在應(yīng)對(duì)攜帶危險(xiǎn)品或戰(zhàn)斗部的恐襲型無(wú)人機(jī)時(shí),易對(duì)機(jī)組人員和裝備造成危險(xiǎn)。

        4.3 拋網(wǎng)捕捉

        拋網(wǎng)捕捉是采用從直升機(jī)、大型無(wú)人機(jī)或地面發(fā)射捕捉網(wǎng)的方法對(duì)無(wú)人機(jī)等目標(biāo)實(shí)施捕捉,以達(dá)到對(duì)無(wú)人機(jī)等“低慢小”目標(biāo)進(jìn)行攔截的目的,對(duì)目標(biāo)損傷較小。然而,拋網(wǎng)捕捉也存在明顯的缺點(diǎn):作用距離近,應(yīng)對(duì)多目標(biāo)和快速運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)能力弱。

        4.4 電子干擾

        電子干擾是針對(duì)無(wú)人機(jī)導(dǎo)航信息或通訊鏈路進(jìn)行擾亂、欺騙,使其不能正確定位或接收指令,從而不能完成預(yù)定的任務(wù)和使命。電子干擾可以通過(guò)大角度大面積進(jìn)行實(shí)施,能夠同時(shí)應(yīng)對(duì)多批、多類型目標(biāo),作用距離較遠(yuǎn)。但是由于干擾屬于軟對(duì)抗,其干擾有效性無(wú)法直觀判斷,在無(wú)人機(jī)降落前需持續(xù)實(shí)施干擾,特定干擾頻率范圍內(nèi)影響較大,對(duì)無(wú)需導(dǎo)航的目標(biāo)作用小。圖3是國(guó)內(nèi)一種典型的電子干擾設(shè)備。

        圖3 電子干擾器

        4.5 微波毀傷

        微波毀傷是利用高功率微波武器對(duì)無(wú)人飛行器電子元件進(jìn)行摧毀的一種打擊手段,它利用高增益天線定向發(fā)射高功率微波,并使得能量聚集在極窄的波束內(nèi),形成具有方向性的高能量、高集中度的微波束。它對(duì)無(wú)人機(jī)等“低慢小”目標(biāo)的毀傷可表現(xiàn)為:造成無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)、部件或回路間擊穿;無(wú)人機(jī)器件燒毀或不能正常工作;敏感元件損壞等。微波毀傷能夠?qū)崿F(xiàn)全天候作戰(zhàn),光速作用目標(biāo),作用距離遠(yuǎn);無(wú)需精確跟瞄,處置“蜂群”目標(biāo)能力強(qiáng)。然而,它不適于城市中運(yùn)用,可能對(duì)電力設(shè)施、交通設(shè)施造成誤傷;靈活性較差,對(duì)多方向多目標(biāo)處置能力較弱。

        4.6 強(qiáng)激光毀傷

        圖4顯示了國(guó)內(nèi)一款典型的激光打擊系統(tǒng)。

        強(qiáng)激光毀傷技術(shù)是采用高能高定向激光束,對(duì)無(wú)人機(jī)機(jī)體或其關(guān)鍵部位進(jìn)行毀傷,使其墜毀或喪失飛行、作戰(zhàn)能力。強(qiáng)激光毀傷攔截概率及使用效費(fèi)比較高,持續(xù)作戰(zhàn)能力強(qiáng),遠(yuǎn)距離可對(duì)其光電探測(cè)器進(jìn)行干擾、毀傷,近距離對(duì)其實(shí)施摧毀。缺點(diǎn)是受大氣影響較大。

        綜上,對(duì)無(wú)人飛行器實(shí)施攔截打擊的手段特點(diǎn)統(tǒng)計(jì)如表2。同樣發(fā)現(xiàn),對(duì)于“低慢小”目標(biāo)的攔截打擊手段各有優(yōu)缺點(diǎn);對(duì)于給定的防御要地,通常需要兩種或多種手段結(jié)合,以獲取較好的攔截打擊效果。對(duì)于城市近地防御,可采取“電子干擾+強(qiáng)激光打擊”的兩種手段組合,或“電子干擾+強(qiáng)激光打擊+拋網(wǎng)捕捉”三種手段組合;對(duì)于郊區(qū)或野外環(huán)境下的要地防御,需根據(jù)實(shí)際需求并結(jié)合各種攔截打擊手段的特點(diǎn)綜合考慮。

        圖4 激光打擊系統(tǒng)

        表2 攔截打擊手段匯總

        5 結(jié)語(yǔ)

        采用單一技術(shù)手段對(duì)“低慢小”特征飛行器進(jìn)行探測(cè)、攔截和打擊,將在不同程度上受到自身或目標(biāo)狀態(tài)、距離、天氣等因素的限制。實(shí)際應(yīng)用時(shí),也需綜合考慮背景因素、目標(biāo)特效、設(shè)備成本、防范效果等,采取一種或多種手段結(jié)合進(jìn)行“低慢小”無(wú)人飛行器的防范和處置。

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