前言

本文的主要目的是增強(qiáng)了解反無人機(jī)系統(tǒng)理論體系的系統(tǒng)性、綜合性和深度，為反無人機(jī)技術(shù)和武器的發(fā)展奠定理論基礎(chǔ)，從而進(jìn)一步提高反無人機(jī)系統(tǒng)理論體系的系統(tǒng)性、綜合性和深度，以及未來應(yīng)對(duì)無人機(jī)等空中威脅的能力。在討論過程中，挖掘信息，揭示內(nèi)在規(guī)律，從而提出反無人機(jī)任務(wù)中“主動(dòng)防御技術(shù)”的概念。同時(shí)對(duì)各種技術(shù)進(jìn)行了全面總結(jié)和系統(tǒng)分類。然后，從每項(xiàng)技術(shù)的主要特點(diǎn)、理論突破、實(shí)際應(yīng)用等方面進(jìn)行了詳細(xì)深入的分析，綜合比較了各自的優(yōu)勢(shì)和局限性。同時(shí)，重點(diǎn)分析定向能量對(duì)策;對(duì)當(dāng)前全球范圍內(nèi)的高能激光武器進(jìn)行了總結(jié);縱向梳理定向能武器在反無人機(jī)任務(wù)中的實(shí)戰(zhàn)案例，以時(shí)間為線索。此外，為更好地與實(shí)際結(jié)合，根據(jù)文獻(xiàn)和實(shí)踐，對(duì)全球39個(gè)國家282家廠商的581個(gè)反無人機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了廣泛的市場調(diào)查，從四個(gè)方面進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)不同的技術(shù)對(duì)最先進(jìn)的武器系統(tǒng)進(jìn)行分類總結(jié)。最后從對(duì)抗性、成熟度和規(guī)律性三個(gè)方面提出了當(dāng)前研究面臨的幾個(gè)突出和瓶頸問題。

第一部分 介紹

無人駕駛飛行器的歷史甚至比有人駕駛飛機(jī)還要早，早在1890年代美西戰(zhàn)爭時(shí)期，在軍事任務(wù)中就可以找到無人機(jī)的原型。今天的無人機(jī)在軍事上已經(jīng)展示了它的無限潛力。一方面，不同領(lǐng)域前沿技術(shù)的融合使其成為當(dāng)今時(shí)代最強(qiáng)大的多區(qū)域作戰(zhàn)平臺(tái)。另一方面，廉價(jià)和可訪問性使其在數(shù)量上呈現(xiàn)“爆炸式”增長。這兩個(gè)因素已經(jīng)使無人機(jī)成為真正的武器和威脅。為此，以美國為代表的世界各國都在大力研發(fā)反無人機(jī)系統(tǒng)技術(shù)。一個(gè)完整的反無人機(jī)任務(wù)鏈包括探測(cè)、識(shí)別、跟蹤和攔截四個(gè)過程。攔截是整個(gè)反無人機(jī)鏈中最后也是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，直接決定任務(wù)的成敗。不同的防御技術(shù)適用于不同的戰(zhàn)術(shù)環(huán)境和任務(wù)要求。

本文提出了反無人機(jī)任務(wù)中主動(dòng)防御技術(shù)的概念，區(qū)別于被動(dòng)防御技術(shù)，從而使各種技術(shù)的分類更加系統(tǒng)化。目前，使用最廣泛的被動(dòng)防御技術(shù)是使用的“地理圍欄” 。地理圍欄技術(shù)可以通過基于定位系統(tǒng)在地理位置上標(biāo)記“禁飛區(qū)”來防止無人機(jī)的非惡意入侵。但是，簡單的修改可以禁用此功能，因此幾乎不可能防御有計(jì)劃的惡意入侵。此外，對(duì)制造商數(shù)據(jù)庫的完全依賴使得難以準(zhǔn)確應(yīng)對(duì)無人機(jī)和目標(biāo)的實(shí)時(shí)變化。因此，需要采用主動(dòng)防御技術(shù)可靠應(yīng)對(duì)無人機(jī)威脅。目前用于反無人機(jī)任務(wù)的主動(dòng)防御技術(shù)包括射頻干擾和GNSS干擾等干擾技術(shù);電子欺騙和黑客攻擊等網(wǎng)絡(luò)攻擊;定向能量，例如激光和微波以及各種物理技術(shù)，例如火器、火炮、漁網(wǎng)、水炮、粘性泡沫，甚至是鷹等生物技術(shù)攻擊;從學(xué)術(shù)的角度來看，近年來從不同的角度回顧了這些技術(shù)，還從框架、政策、管理、法規(guī)等方面分析了反無人機(jī)技術(shù)問題。但是，目前對(duì)這個(gè)問題的研究還存在一些不足甚至空白。首先，大多數(shù)文章很少兼顧分類的系統(tǒng)性和總結(jié)的完整性。因此，本文提出反無人機(jī)任務(wù)中“主動(dòng)防御技術(shù)”的概念，使分類更加系統(tǒng)化。其次，上述論文也很少將理論分析與市場研究結(jié)合起來。為此，本文進(jìn)行了廣泛的市場調(diào)研，對(duì)來自全球39個(gè)國家的282家制造商的581個(gè)反無人機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。相反，大多數(shù)討論主動(dòng)防御技術(shù)的文章都沒有很好地整合反無人機(jī)任務(wù)。因此，該交叉領(lǐng)域的研究處于相對(duì)薄弱的地位，本文可以有效彌補(bǔ)這一不足。再者，反無人機(jī)技術(shù)的快速顛覆性發(fā)展也使得它們的發(fā)展并不十分先進(jìn)。所以本文在討論過程中總結(jié)了各項(xiàng)技術(shù)的最新理論突破和實(shí)際應(yīng)用，以便讀者對(duì)問題有一個(gè)全面的了解并快速跟蹤其前沿?？傊?，本文從文獻(xiàn)和實(shí)踐兩方面挖掘信息，揭示其中的內(nèi)在規(guī)律，最終進(jìn)行了全面、系統(tǒng)、徹底、漸進(jìn)的分析研究。

本文主要關(guān)注“主動(dòng)防御技術(shù)”的概念。下面分別從電子對(duì)抗、定向能量對(duì)抗、物理對(duì)抗三個(gè)方面進(jìn)行全面闡述。在“綜合分析”部分，對(duì)各種技術(shù)進(jìn)行了綜合分析。一方面從優(yōu)缺點(diǎn)兩方面進(jìn)行比較分析;另一方面，在廣泛的市場調(diào)研基礎(chǔ)上，進(jìn)行了深入的實(shí)際應(yīng)用分析。在“挑戰(zhàn)與趨勢(shì)”部分，展望了其未來的主要挑戰(zhàn)和發(fā)展趨勢(shì)。邏輯結(jié)構(gòu)圖對(duì)各種主動(dòng)防御技術(shù)進(jìn)行了全面總結(jié)和系統(tǒng)分類，如圖所示。描述了其中報(bào)告的主要類別。

第二部分 電子對(duì)策

1.干擾
干擾是目前反無人機(jī)任務(wù)中比較成熟、應(yīng)用最廣泛的解決方案之一，其有效性已在軍事行動(dòng)中多次得到證明。它可以通過破壞基于無線電頻譜的上行鏈路和下行鏈路無線電波來禁用無人機(jī)。整體上可以分為三種類型：射頻干擾、GNSS干擾和傳感器干擾。

射頻干擾
射頻干擾是一種針對(duì)無人機(jī)指揮和控制信號(hào)的干擾技術(shù)。它的戰(zhàn)術(shù)目的是通過產(chǎn)生射頻輸出來中斷無人機(jī)及其操作員之間用于飛行控制、遙測(cè)和手動(dòng)操作的通信鏈路。射頻干擾可以通過不同的分類方法分為不同的類型。根據(jù)頻率的不同，可分為單頻模式的點(diǎn)干擾、移頻模式的掃頻干擾和多頻模式的彈幕干擾。根據(jù)動(dòng)作方式的不同，可分為持續(xù)發(fā)射信號(hào)的主動(dòng)干擾和僅在檢測(cè)到目標(biāo)無人機(jī)時(shí)發(fā)射的反應(yīng)性干擾。許多研究學(xué)者建議將這種方法用于反無人機(jī)任務(wù)。商用射頻干擾器包括固定和移動(dòng)類型。其中，移動(dòng)槍式定向射頻發(fā)射機(jī)較為常用。它可以干擾無人機(jī)使用的已知工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療(ISM)頻段，例如Dedrone的先進(jìn)射頻干擾槍，如圖2(a)所示。被擾動(dòng)的無人機(jī)通常有四種狀態(tài)：自動(dòng)返回起始位置、隨機(jī)失控飛行、受控原地著陸和失控原地墜落。然而，射頻干擾的主要缺陷是它只能應(yīng)對(duì)在ISM頻段運(yùn)行的無人機(jī)，但也會(huì)干擾其他ISM頻段的設(shè)備。此外，無人機(jī)在自主運(yùn)行模式下是無效的，因?yàn)榧词箍刂奇溌窋嚅_，受干擾的無人機(jī)仍然可以執(zhí)行預(yù)定任務(wù)。此外，射頻干擾機(jī)的作戰(zhàn)能力受到發(fā)射功率和工作范圍的極大限制。例如，市場上最好的干擾系統(tǒng)的有效作戰(zhàn)半徑約為2公里。GNSS干擾可以有效彌補(bǔ)這些缺陷。

GNSS干擾

GNSS干擾是一種針對(duì)無人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)的干擾技術(shù)，可以阻斷無人機(jī)的遙測(cè)或GNSS信號(hào)，觸發(fā)其撤離或著陸策略。目前，大部分商用無人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)采用GPS、GLONASS及其組合的導(dǎo)航方式。Robinson的研究表明，無人機(jī)在GNSS干擾下失去導(dǎo)航衛(wèi)星鏈路會(huì)失去控制、漂移，無法自動(dòng)返航。然而，干擾衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)比干擾無人機(jī)的指揮和控制信號(hào)更困難，因?yàn)楸仨毾驘o人機(jī)發(fā)送另一個(gè)更強(qiáng)大的信號(hào)，以取代其原始的GNSS信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航。GNSS干擾也有其缺點(diǎn)。例如，對(duì)于配備慣性測(cè)量單元傳感器的無人機(jī)或以手動(dòng)駕駛和視覺導(dǎo)航模式飛行的無人機(jī)可能無效。此外，一些先進(jìn)的無人機(jī)的導(dǎo)航功能可以恢復(fù)。因此，許多反無人機(jī)系統(tǒng)將RF和GNSS干擾結(jié)合起來，以彌補(bǔ)單一技術(shù)的缺點(diǎn)，例如先進(jìn)的UASX-L3 自動(dòng)無人機(jī)干擾器。UASX-L3采用新型多普勒緊湊型監(jiān)視雷達(dá)、遠(yuǎn)程視頻跟蹤和干擾組件，結(jié)合AI技術(shù)實(shí)現(xiàn)全反無人機(jī)任務(wù)鏈，如圖2(b)所示。

傳感器干擾
傳感器干擾是一種針對(duì)無人機(jī)攜帶的各種傳感器的干擾技術(shù)，包括運(yùn)動(dòng)傳感器、避障傳感器、磁力計(jì)、相機(jī)和其他基本傳感器。它最早用于干擾海上船舶航行，近年來在反無人機(jī)任務(wù)中得到了很好的應(yīng)用。例如，MEMS陀螺儀和加速度計(jì)在其共振頻率處對(duì)超聲波非常敏感。因此，將陀螺儀輸出到最大并成功迫使無人機(jī)著陸，從而證明陀螺儀傳感器可以受到干擾。許多研究學(xué)者分析了無人機(jī)傳感器的不同漏洞，并提出了相應(yīng)的傳感器干擾策略。例如，提出并驗(yàn)證了一種使用無人機(jī)集群形成防空雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)來干擾目標(biāo)傳感器的方法;又提出了一種使用無人機(jī)攜帶的干擾器干擾無人機(jī)竊聽者的方法，同時(shí)發(fā)明了一種通過發(fā)射干擾信號(hào)來抑制遠(yuǎn)程爆炸無人機(jī)的系統(tǒng);還提出了一種基于博弈論的優(yōu)化方法來增強(qiáng)對(duì)無人機(jī)的干擾能力?？偟膩碚f，干擾是目前應(yīng)用最廣泛、數(shù)量最多的反無人機(jī)技術(shù)。可以大規(guī)模部署，作用時(shí)間長。它可以攔截從軟件到硬件不同層次的無人機(jī)。其攻擊效果的友好性很少帶來附帶傷害，因此適合民用。但是，往往需要很長時(shí)間才能生效，這給它的應(yīng)用帶來了很大的限制。此外，它目前不具備定向攻擊的能力，因此不僅會(huì)影響該區(qū)域的其他設(shè)備，還會(huì)造成巨大的能源浪費(fèi)。因此，干擾技術(shù)的未來應(yīng)該向方向性、可控性和敏捷性方向發(fā)展。

2.網(wǎng)絡(luò)攻擊
網(wǎng)絡(luò)對(duì)抗是一種比干擾更復(fù)雜的主動(dòng)防御技術(shù)。它不僅可以攔截?zé)o人機(jī)，還可以實(shí)現(xiàn)防御者的意圖?？植婪肿拥确菍I(yè)人士通常無法對(duì)通信鏈路進(jìn)行加密或保護(hù)，目前大多數(shù)商用無人機(jī)的通信鏈路安全性較差。所以在很多情況下可以起到不可替代的作用。此外，它將在人工智能、深度學(xué)習(xí)和其他顛覆性技術(shù)的推動(dòng)下展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿??？偟膩碚f，目前用于反無人機(jī)任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)對(duì)抗可以分為欺騙和黑客攻擊。

欺騙
欺騙是一種比干擾更復(fù)雜的技術(shù)，因此它不僅可以破壞或禁用它，而且可以在一定程度上控制它。欺騙目標(biāo)包括GNSS系統(tǒng)、操作系統(tǒng)和傳感器系統(tǒng)，其中GNSS欺騙是最常用的，它可以通過操縱無人機(jī)的位置信號(hào)來控制無人機(jī)的飛行軌跡。因此被欺騙的無人機(jī)可以遵循防御者設(shè)定的路線。例如，研究人員成功地實(shí)時(shí)改變位置坐標(biāo)來控制無人機(jī)位置并將其引導(dǎo)到預(yù)設(shè)的著陸區(qū)域。GNSS欺騙可以有效阻止無人機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航到目標(biāo)，許多技術(shù)人員研究并證明了這些事實(shí)。此外，盡管軍用和警用GNSS信號(hào)由于其加密措施而具有很高的可靠性，但欺騙仍然一再被證明是有效的。顯然，使用民用GNSS信號(hào)的商用無人機(jī)更危險(xiǎn)，因?yàn)樗鼈兺ǔ]有任何加密保護(hù)。除了GNSS欺騙之外，傳感器欺騙也是一種常用的方法。例如，提出了一種通過用激光投影儀照射飛行的無人機(jī)表面來欺騙向下攝像機(jī)穩(wěn)定算法的方法?；蛲ㄟ^訪問其內(nèi)部傳感器系統(tǒng)模擬并實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)的欺騙?；蚴褂没诘竭_(dá)角和距離的路徑損耗信息來識(shí)別無人機(jī)和信號(hào)源，然后提出了一種基于物理層的欺騙攻擊。但總的來說，還有一些其他的傳感器，如光流傳感器和激光傳感器，學(xué)者們很少或尚未研究。在應(yīng)用方面，欺騙技術(shù)也因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于各種產(chǎn)品中，如西班牙的“ATENEA”和意大利的“NO-Deone”。

黑客攻擊
當(dāng)欺騙不是針對(duì)傳感器和GPS信號(hào)而是針對(duì)通信協(xié)議時(shí)，它可以稱為協(xié)議操縱或“黑客攻擊”。它既不是干擾等純粹的基于電磁頻譜的攻擊，也不是地理圍欄等純粹的基于信息的攻擊，而是將它們整合成一個(gè)連續(xù)統(tǒng)一的整體的網(wǎng)絡(luò)攻擊技術(shù)。與只需要知道使用頻率的干擾相比，黑客攻擊還需要知道協(xié)議來搶占操作系統(tǒng)的root權(quán)限。它主要使用插入惡意軟件或攻擊系統(tǒng)漏洞的方法從對(duì)手手中接管無人機(jī)控制。例如，“Skyjack Drone Hack”可以強(qiáng)行斷開真正的無人機(jī)擁有者的無線連接，并假裝其擁有者進(jìn)行身份驗(yàn)證。目前，許多方法可以有效劫持無人機(jī)，如泛洪攻擊、去認(rèn)證、內(nèi)存刪除和興趣點(diǎn)檢測(cè)等等。它主要通過惡意重復(fù)有效通信來針對(duì)敵方操作站的弱上行到第一人稱視角(FPV)通道發(fā)起對(duì)無人機(jī)的入侵和控制。相關(guān)技術(shù)人員已經(jīng)證明這種方法可以輕松劫持業(yè)余無人機(jī)。不過，專業(yè)無人機(jī)也難逃一劫。例如，Rodday曾經(jīng)完全控制一架專業(yè)無人機(jī)，其價(jià)值30000w。“黑洞攻擊”也很常用，一種丟棄傳入或傳出通信流量的拒絕服務(wù)技術(shù)。此外，許多學(xué)者提出了各種劫持無人機(jī)的方法。例如，提出在自動(dòng)駕駛儀上劫持MAVLink協(xié)議;提出了基于軟件無線電技術(shù)和高度估計(jì)算法漏洞的黑客方法。未來，人工智能增強(qiáng)的操作協(xié)議算法將為攻擊惡意無人機(jī)提供新的途徑。

第三部分 定向能源對(duì)策

近年來，定向能無疑成為未來反無人機(jī)技術(shù)最有發(fā)展前景的方向，定向能武器是一種新概念武器，具有許多傳統(tǒng)武器無法比擬的優(yōu)勢(shì)。因此，許多軍事強(qiáng)國對(duì)其高度重視。例如，美國空軍早在2017年就啟動(dòng)了實(shí)驗(yàn)性“定向能反無人機(jī)計(jì)劃”，并從2019年開始進(jìn)行了一系列定向能反無人機(jī)集群實(shí)驗(yàn)。定向能武器，目前只有高能激光武器(HELW)和高功率微波武器(HPMWs)用于反無人機(jī)任務(wù)。

1. 高能激光
HELW是目前定向能武器家族中最活躍、最成熟、最有前途的新概念武器。自1960年問世以來，它不僅以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)推動(dòng)了傳統(tǒng)武器的顛覆性變革，也為今天的反無人機(jī)任務(wù)帶來了有效的解決方案。激光的特性使HELW在速度和精度上都具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，從而成為應(yīng)對(duì)未來超高聲速、高動(dòng)態(tài)變軌飛行等空中威脅的最佳方式。如圖分別展示了ATHENA、CLWS、HELWS和Drone Dome的戰(zhàn)斗效果。因此，美軍將HELW視為研發(fā)反無人機(jī)技術(shù)裝備的“制高點(diǎn)”，其他國家也在爭相研發(fā)

。

圖：ATHENA、CLWS、HELWS 和 Drone Dome 的戰(zhàn)斗

美國陸軍
目前，美國在HELW的研究和制造方面具有絕對(duì)領(lǐng)先地位。從研究機(jī)構(gòu)來看，有HEL-JTO、MDA、AFRL、ARL、ONR等政府機(jī)構(gòu)] ，以及LMT、NGG、波音、雷神、通用動(dòng)力等知名國防工業(yè)承包商，以及強(qiáng)大的科研平臺(tái)如LLNL和麻省理工學(xué)院LL。這些研究機(jī)構(gòu)為美國HELW的領(lǐng)先地位奠定了堅(jiān)實(shí)的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

美國陸軍針對(duì)HELW開展了一系列研究計(jì)劃，如TEL、JHPSSL、RELI、ELTD、HELMD、亞當(dāng)和阿拉丁。在他們的推動(dòng)下，美國陸軍成為第一個(gè)將HELW投入戰(zhàn)爭的國家。例如，ZEUS 早在2003年就開始了在阿富汗的第一次任務(wù)，隨后LADS、LCD、Laser Avenger也相繼登場。美國目前用于反無人機(jī)任務(wù)的HELW主要有ATHENA、HEL-MD、亞當(dāng)、CLaWS、MEHEL和蝗蟲。雷神公司于2019年向空軍交付的HELWS專為反無人機(jī)任務(wù)而設(shè)計(jì)。圖 4(a)顯示了它與MRZR全地形車的集成。HELWS是目前最先進(jìn)的車載HEL反無人機(jī)武器之一，已經(jīng)在實(shí)戰(zhàn)中進(jìn)行了多次測(cè)試。例如，它在2018年3月的MFIX實(shí)驗(yàn)中摧毀了12架飛行的I級(jí)和II級(jí)無人機(jī)，甚至與一架阿帕奇AH-64直升機(jī)作戰(zhàn)。隨后于2019年12月在俄克拉荷馬州進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和2020年1月的白沙導(dǎo)彈靶場(WSMR)。近期最有前途的車載HELW是一種100kW級(jí)的新型武器系統(tǒng)，名為HEL TVD，如圖4(b)所示。HEL TVD目前處于“預(yù)原型”階段，計(jì)劃在2022年完成100千瓦版本的測(cè)試。最終目標(biāo)是在2024年將其功率提高到300千瓦，并實(shí)現(xiàn)四個(gè)系統(tǒng)的間接防火能力。

圖：(a) HELWS – MRZR (b) HEL TVD – FMTV

美國海軍主要開發(fā)艦載固態(tài)激光器(SSLs)，以提高其對(duì)小型艦船和無人機(jī)的抵抗力。1977年以來，海軍先后啟動(dòng)了MIRACL、LaWS、MLD、MK38-TLS、LWSD等一系列研究計(jì)劃。正在進(jìn)行的主要項(xiàng)目是SNLWS系列計(jì)劃和“NLFoS”系列計(jì)劃，圖顯示了它們的關(guān)系。

SSL-TM計(jì)劃的主要成果是功率高達(dá)150kW的“LWSD”，它于2019年安裝在USS LPD-27上，如圖6(a)所示。LWSD目前是美國乃至全球最強(qiáng)大的HELW。它在實(shí)踐中反復(fù)進(jìn)行了測(cè)試，首先是2019年在WSMR，然后是2020年2月中旬在彭德爾頓營的“鐵拳”實(shí)踐。最近一次測(cè)試是在2020年5月在太平洋進(jìn)行的，當(dāng)時(shí)LWSD MK2系統(tǒng)成功摧毀了一架高速飛行的固定翼無人機(jī)。NLFoS系列計(jì)劃的ODIN是ONR歷時(shí)兩年半開發(fā)的一款功率相對(duì)較低的30kW激光武器系統(tǒng)。ODIN是第一款在實(shí)戰(zhàn)中部署的HEL炫酷武器。它于2019年11月部署在杜威號(hào)驅(qū)逐艦(DDG-105)上，到2020年，三個(gè)系統(tǒng)將被納入美國國防預(yù)算。SNLWS旨在利用成熟的技術(shù)為艦隊(duì)提供激光打擊能力，以及接下來的兩個(gè)階段將主要用于反導(dǎo)彈目的。當(dāng)前完成的 SNLWS增量1也稱為HELIOS。它首次將C-ISR和反無人機(jī)的兩項(xiàng)關(guān)鍵能力整合到一個(gè)武器系統(tǒng)中，增長潛力高達(dá)150kW。計(jì)劃2021年實(shí)現(xiàn)與DDG-51 FLT IIA驅(qū)逐艦的艦載一體化，并進(jìn)行首次試驗(yàn)。其概念圖如圖 6(b)所示。NLFoS和HELCAP項(xiàng)目的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)將支持未來SNLWS-2和SNLWS-3等更強(qiáng)大的HELW的開發(fā)?？偟膩碚f，美國海軍目前的HELW技術(shù)還停留在100-150千瓦的水平，并且正在朝著300千瓦的目標(biāo)穩(wěn)步推進(jìn)。

圖：a) LWSD-USS LPD-27 (b) HELIOS - DDG 51

在歐洲，德國是HELW最早、技術(shù)最先進(jìn)的國家之一。它早在1970年代就啟動(dòng)了實(shí)戰(zhàn)的“HELEX”計(jì)劃。目前德國HELW的研發(fā)主要以Rheinmetall防務(wù)和MBDA Deutschland為主。萊茵金屬防御公司在2012年成功測(cè)試了50千瓦的“天空衛(wèi)士”，這是當(dāng)時(shí)最強(qiáng)大的HELW之一。目前，萊茵金屬防務(wù)已經(jīng)在德國建立了無人機(jī)防務(wù)中心。其組合的“工具箱”作戰(zhàn)模型可以更具體地應(yīng)對(duì)各種情況下的無人機(jī)威脅。MBDA Deutschland將激光視為反無人機(jī)的最佳方式，早在2009年就提出了AD-HELW項(xiàng)目。它于2011年成功開發(fā)了10kW HELD，并針對(duì)四旋翼無人機(jī)等高動(dòng)態(tài)飛行目標(biāo)進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試。最近，它開發(fā)了一種具有中程反無人機(jī)能力的100kW GBMLE，如圖7(a)所示。此外，兩家公司正在聯(lián)合開發(fā)專門用于反無人機(jī)任務(wù)的10-20kW HELW演示器，并于2021年將其集成到K130護(hù)衛(wèi)艦中。俄羅斯也是HELW研發(fā)的先驅(qū)。其Almaz-Antey公司在1980年代開發(fā)了HEL DEW，并在實(shí)驗(yàn)中成功擊落了一架大型固定翼無人機(jī)。Peresvet是俄羅斯最先進(jìn)的激光武器，也是世界軍隊(duì)中唯一的現(xiàn)役HELW，如圖7(b)所示。它于2018年底開始作戰(zhàn)任務(wù)，并于2020年6月在敘利亞西南部的一次作戰(zhàn)行動(dòng)中擊落了一架以色列無人機(jī)。許多其他歐洲國家也計(jì)劃將激光反無人機(jī)武器集成到主動(dòng)防空系統(tǒng)中。例如，英國在2017年展示了其50kW Dragonfire，于2019年完成了現(xiàn)場試驗(yàn)，并計(jì)劃在2023年將其部署到皇家海軍。此外，愛沙尼亞的Shark和丹麥的Anti-Drone是具有HEL攔截能力的綜合反無人機(jī)系統(tǒng)。

在亞洲，以色列和中國在HELW技術(shù)方面具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。以色列的HELW通常更便攜，例如2007年的Skyguard。2014年，拉法爾發(fā)射了50千瓦的鐵梁，作戰(zhàn)半徑為7公里;2018 年展示的 SkyLock 綜合防御系統(tǒng)可以在幾秒鐘內(nèi)準(zhǔn)確摧毀800 m外的無人機(jī)。2020年研制的Light Blade可以有效應(yīng)對(duì)無人機(jī)、熱氣球等低空威脅。近年來專門開發(fā)用于應(yīng)對(duì)微型和小型無人機(jī)威脅的Drone Dome是以色列最先進(jìn)的反無人機(jī)武器。在2019年12月的演示中，它在3-5秒內(nèi)以100\%的成功率擊落了7架DJI Phantom四軸無人機(jī)。武器系統(tǒng)及其作戰(zhàn)效果如圖所示。7(c)和3(d)。中國高度重視無人機(jī)和反無人機(jī)技術(shù)，近年來軍費(fèi)年均增長7\%，以支持其發(fā)展。2014年研制的10千瓦低空防護(hù)裝置，標(biāo)志著中國具備了針對(duì)無人機(jī)的激光防御能力。此后，2014年的“遮光罩”，2016年的“沉默的獵人”，2018年的“激光清除”系統(tǒng)都應(yīng)運(yùn)而生。2018年發(fā)射的LW-30是目前中國最先進(jìn)的HELW之一，如圖7(d)所示. 它具有30 kW的輸出功率，可以有效攔截飛行速度小于200公里/小時(shí)的無人機(jī)。亞洲許多其他國家也在積極開發(fā)可以應(yīng)對(duì)無人機(jī)威脅的HELW。例如，土耳其近年來相繼開發(fā)了車載“Armol”、移動(dòng)“Tumol”和20kW“YGLS”。日本于2019年正式發(fā)射并制造了陸基HELW原型機(jī)進(jìn)行研究。印度也在積極研發(fā)HELW，但目前技術(shù)水平相對(duì)落后。

HPMWs是高效定向能反無人機(jī)武器，可以在一定范圍內(nèi)準(zhǔn)確地禁用目標(biāo)無人機(jī)，而不會(huì)產(chǎn)生大量能源浪費(fèi)和損壞其他系統(tǒng)。HPM本質(zhì)上是在單一頻率上具有數(shù)千伏特的高功率窄帶電磁波。因此，在損壞程度方面，既可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的暫時(shí)中斷，也可以實(shí)現(xiàn)電子元件的物理破壞。微波的定向能力遠(yuǎn)不如激光，但這也是HPMW比HELW更能應(yīng)對(duì)無人機(jī)群攻擊的原因。例如，美國空軍和雷神公司在2020年1月14日在WSMR的演示中擊落了由數(shù)十架帶有HPM的無人機(jī)組成的無人機(jī)群。目前只有美國擁有成熟的HPMW，命名為“Phaser” 、“Tactical High Power Combat Responder (THOR)”、“Counter-Electronic High Power Microwave Extended-Range Air Base”防空(嵌合體)”。Phaser 是雷神公司在2013年研發(fā)的實(shí)用型水面殺傷武器，如圖8(a)所示。它利用聚集在非常窄的光束中的微波能量以極高的強(qiáng)度攔截目標(biāo)。其強(qiáng)大的戰(zhàn)斗力已在各種測(cè)試和演習(xí)中得到證明。例如，它在2018年的陸軍MFIX演習(xí)中擊落了33架無人機(jī)。THOR也是AFRL于2019年10月斥資1500萬美元專門開發(fā)的HPMW。THOR在外觀上與Phaser相似，具有360°覆蓋并存儲(chǔ)在容器中，如圖8(b)所示。THOR比Phaser更強(qiáng)大，一次可以擊落50多架無人機(jī)。然而，由于微波的特性和電源的限制，Phaser和THOR的有效范圍通常不超過幾百米。因此，AFRL近年來推出了CHIMERA，旨在開發(fā)遠(yuǎn)程HPM防御系統(tǒng)，以在更大范圍內(nèi)打擊多個(gè)目標(biāo)，但尚未進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。

圖8：(a) 移相器 (b) 雷神


總的來說，HPMW是定向能武器對(duì)抗無人機(jī)群威脅的最佳方式，逐漸成為激光與傳統(tǒng)動(dòng)能方式之間的第二道防線。但是，目標(biāo)區(qū)域的電場強(qiáng)度、頻率、目標(biāo)屏蔽能力等外部因素會(huì)影響其有效性。減小尺寸以增強(qiáng)機(jī)動(dòng)性，找到引起無人機(jī)故障的有效頻率未來HPMW的主要發(fā)展方向。

第四部分 物理對(duì)策

物理對(duì)抗是最傳統(tǒng)的反無人機(jī)方法，主要包括動(dòng)能、捕獲網(wǎng)、電磁脈沖、碰撞無人機(jī)、高壓水炮、粘性泡沫，甚至猛禽。一般來說，它們的主要優(yōu)勢(shì)在于維護(hù)和使用的成熟度。主要限制是人為和環(huán)境因素造成的準(zhǔn)確性不足，難以可靠地防御高動(dòng)態(tài)空中目標(biāo)，例如小型無人機(jī)。不同物理對(duì)抗的優(yōu)勢(shì)和局限性都很突出，因此適用于不同的戰(zhàn)術(shù)背景和應(yīng)用。在空間上，它們可以分為兩類：地對(duì)空技術(shù)和空對(duì)空技術(shù)。

1. 地對(duì)空技術(shù)動(dòng)能動(dòng)能是最常用的物理對(duì)策。它主要使用彈丸、火器、火炮和小型地對(duì)空導(dǎo)彈來實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)的硬殺傷。例如，北約列出了用于反無人機(jī)任務(wù)的三種動(dòng)能武器：機(jī)槍(5.56-12.7毫米)、加農(nóng)炮(20-57毫米)和低炮(76毫米)，其中最著名的這是一個(gè)名為“Phalanx”的美國近程防御武器系統(tǒng)。雷神公司在1978年生產(chǎn)了這種具有極高殺傷力的武器。它最初設(shè)計(jì)用于反火箭和導(dǎo)彈(C-RAM)任務(wù)，但現(xiàn)在已針對(duì)反無人機(jī)進(jìn)行了修改。此外，雷神公司的“毒刺導(dǎo)彈”也是備用選擇，其近炸引信使其對(duì)無人機(jī)群攻擊更有效。這種方法在實(shí)戰(zhàn)中比較常用，比如以色列用愛國者導(dǎo)彈從加沙擊落一架無人偵察機(jī)。除了常規(guī)彈丸外，一些彈藥公司甚至開發(fā)了專為反無人機(jī)設(shè)計(jì)的彈藥。例如，Smart Round在2019年開發(fā)了一種具有探測(cè)、跟蹤和高速打擊能力的40毫米反無人機(jī)導(dǎo)彈。雖然快速和徹底是它的最大優(yōu)勢(shì)，但它們也帶來了它的主要缺陷：嚴(yán)重的附帶損害。例如，在1983年和1989年的秋天，曾發(fā)生過被炮擊的無人機(jī)造成死亡的事件。此外，每次射擊的成本太高。近年來，雖然一些可編程爆炸彈藥的出現(xiàn)，理論上可以降低附帶傷害和成本，但這種大規(guī)模、高破壞性的武器顯然不適合在民用環(huán)境中使用，以及對(duì)付無人機(jī)或無人機(jī)群。即使在軍事應(yīng)用中，它也應(yīng)該是緊急情況下的最后一道防線。

圖：(a) SkyWall 100 網(wǎng)槍(b) DroneCatcher (c) 加拿大“DroneBullet” (d) 老鷹隊(duì)

電磁脈沖電磁脈沖主要是通過擾亂電路邏輯來禁用飛行無人機(jī)，傷害能力介于軟殺傷和硬殺傷之間。因此，電磁脈沖武器(EMPW)既可以暫時(shí)禁用無人機(jī)，也可以永久破壞其電子設(shè)備。與HPMW相比，電磁的能量分布在較寬的頻帶上，因此其在帶寬上的能量密度相對(duì)較低。但是，寬帶電磁波在時(shí)域中具有短脈沖，因此也能產(chǎn)生強(qiáng)大的作戰(zhàn)效果。EMPW最顯著的限制是缺乏方向性，這將損壞或摧毀戰(zhàn)斗半徑內(nèi)的所有電子產(chǎn)品。所以很可能造成比無人機(jī)攻擊本身更嚴(yán)重的后果。此外，巨大的能量浪費(fèi)也會(huì)大大縮小它的作戰(zhàn)半徑。目前定向電磁脈沖和定點(diǎn)屏蔽技術(shù)的成熟度還沒有達(dá)到實(shí)戰(zhàn)任務(wù)要求，因此很多國家已經(jīng)在很多地方禁止使用電磁脈沖。所以與其他技術(shù)相比，它的應(yīng)用范圍非常狹窄。

2. 空對(duì)空技術(shù)碰撞無人機(jī)“敢死隊(duì)”、“DroneBullet”等碰撞無人機(jī)是比較有效的方法。顧名思義，其工作原理主要是自行“擊落”目標(biāo)無人機(jī)。圖9(c)顯示了由加拿大AerialX公司開發(fā)的“DroneBullet”，它甚至可以達(dá)到350公里/小時(shí)的速度在無人機(jī)上進(jìn)行碰撞。碰撞無人機(jī)甚至可以攜帶炸藥進(jìn)行“自殺式”攻擊，從而顯著提高其作戰(zhàn)能力。但是，由于反應(yīng)時(shí)間慢，因此在使用過程中必須在附近或多個(gè)點(diǎn)部署。此外，對(duì)無人機(jī)操作員技能的高要求，使得長時(shí)間的專業(yè)培訓(xùn)必不可少。此外，由于功能的需要，它們的尺寸和質(zhì)量往往相對(duì)較大，這使得它們?cè)诿鎸?duì)更快或更靈活的無人機(jī)時(shí)無能為力。更重要的是，碰撞無人機(jī)可能與被摧毀的無人機(jī)一起帶來更嚴(yán)重的附帶損害，無人機(jī)攜帶炸藥造成的附帶損害甚至難以估計(jì)。

鷹在空中戰(zhàn)場上，人們也使用大自然自己的“空中戰(zhàn)斗機(jī)”——鷹，來攔截?zé)o人機(jī)。在澳大利亞，一只楔尾鷹曾成功擊落一架價(jià)值8萬美元的大型固定翼無人機(jī)。荷蘭和蘇格蘭警察部隊(duì)在使用這種方法方面最為成熟。為了減少對(duì)老鷹造成傷害的風(fēng)險(xiǎn)，他們對(duì)老鷹進(jìn)行了專門訓(xùn)練，并為老鷹配備了護(hù)腿板，以保護(hù)它們的爪子免受無人機(jī)轉(zhuǎn)子損壞，如圖9(d)。雖然訓(xùn)練老鷹不需要非常先進(jìn)的技術(shù)，但需要更多的人力和時(shí)間。因此難以大規(guī)模部署，也無法應(yīng)對(duì)來自大型或集群無人機(jī)的威脅。此外，由于這種生物不像武器那樣可控，它們?cè)跈C(jī)場等許多地方也很危險(xiǎn)。

捕獲網(wǎng)捕捉網(wǎng)也可以集成到無人機(jī)中實(shí)現(xiàn)空對(duì)空捕捉，這也是該技術(shù)近年來的重點(diǎn)。例如，早期發(fā)明了一種無人機(jī)載網(wǎng)系統(tǒng)。美國的空域系統(tǒng)已將網(wǎng)絡(luò)集成到大型無人機(jī)中，并通過多傳感器檢測(cè)和捕獲目標(biāo)取得了一定的自主性。在荷蘭，一個(gè)名為“DroneCatcher”的緊湊型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)已成功將網(wǎng)絡(luò)集成到小型無人機(jī)中，如圖9(b)所示。它甚至為網(wǎng)配備了降落傘，以避免無人機(jī)墜落造成的附帶損害。

總的來說，空對(duì)空技術(shù)具有附帶傷害低、作戰(zhàn)半徑大、不會(huì)被地面障礙物阻擋等優(yōu)點(diǎn)，適用于城市環(huán)境。但它們也存在攔截精度低、反應(yīng)時(shí)間長、作戰(zhàn)能力有限等嚴(yán)重缺陷，通常難以應(yīng)對(duì)大型或集群無人機(jī)。因此它們很少被用作主要技術(shù)，而是很好的輔助對(duì)策。

第五部分 綜合分析

本文綜合分析實(shí)際研究成果和大量最新文獻(xiàn)、書籍、報(bào)告、新聞、數(shù)據(jù)，最終得出全球有39個(gè)原產(chǎn)國、282家制造商、約581款反無人機(jī)產(chǎn)品截至2021年3月。

圖10展示了全球反無人機(jī)系統(tǒng)在作戰(zhàn)能力、作戰(zhàn)平臺(tái)、攔截技術(shù)、組合方式等方面的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。圖10(a)顯示，68\%的武器具有主動(dòng)防御能力，其中40\%只能防御，26\%兼具防御和探測(cè)、跟蹤、分類能力，2\%配備防御組件。從圖10(b)可以看出，大部分武器(74\%)是陸基的，集成方式主要是固定的(46\%)。以無人機(jī)為作戰(zhàn)平臺(tái)的機(jī)載武器發(fā)展相對(duì)薄弱，僅占6\%。圖 10(c)表明電子對(duì)抗是目前主要的主動(dòng)防御技術(shù)(69\%)，其中干擾是最常用的(60\%)，甚至超過所有其他技術(shù)的總和。定向能對(duì)抗目前占比較低，僅為12\%，成本高是制約其數(shù)量的主要因素。然而，它是所有主動(dòng)防御技術(shù)中最有前途和發(fā)展最快的一種。物理對(duì)策約占14\%，低于實(shí)際值，因?yàn)椴话◣缀鯚o法統(tǒng)計(jì)的項(xiàng)目和老鷹。圖10(d)顯示，當(dāng)今大多數(shù)武器(53\%)仍依賴單一技術(shù)，只有不到一半(46\%)具有多樣化的主動(dòng)防御能力。

2. 趨勢(shì)技術(shù)在電子對(duì)抗方面，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以主動(dòng)集成到UTM等現(xiàn)有無人機(jī)管控系統(tǒng)中，主動(dòng)控制其飛行軌跡，將不必要的沖突和損失降到最低。這意味著通過在協(xié)作框架內(nèi)平衡這兩個(gè)部分來構(gòu)建統(tǒng)一且系統(tǒng)的無人機(jī)防御架構(gòu)是未來研究的重點(diǎn)。此外，靈活、動(dòng)態(tài)的反無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)可以顯著改善各種技術(shù)之間的結(jié)合和交互。它還需要更好地利用人工智能輔助算法等顛覆性技術(shù)，最大限度地提高網(wǎng)絡(luò)攻擊的能力，以滿足未來復(fù)雜任務(wù)的需求。在定向能方面，HELW的主要發(fā)展趨勢(shì)是進(jìn)一步發(fā)展光纖光譜合束技術(shù)，從根本上提高功率，利用連續(xù)/脈沖激光同軸輸出實(shí)現(xiàn)從線性損傷模式向復(fù)合損傷模式的轉(zhuǎn)變。還應(yīng)提高大氣環(huán)境中的低損耗傳輸能力，以盡量減少天氣的影響。HPMW的首要發(fā)展趨勢(shì)是盡可能增加作戰(zhàn)半徑和性價(jià)比，同時(shí)減少體積和質(zhì)量以增強(qiáng)機(jī)動(dòng)性。它還需要利用傳統(tǒng)武器來提升物理對(duì)抗的成熟度。并非所有反無人機(jī)武器都需要專門設(shè)計(jì)，并且可以基于現(xiàn)有的防空系統(tǒng)快速制作原型，因?yàn)樗鼈冎g沒有本質(zhì)的技術(shù)差異。例如，美國海軍的“LaWS” HPMW的首要發(fā)展趨勢(shì)是盡可能增加作戰(zhàn)半徑和性價(jià)比，同時(shí)減少體積和質(zhì)量以增強(qiáng)機(jī)動(dòng)性。它還需要利用傳統(tǒng)武器來提升物理對(duì)抗的成熟度。

策略a) 縱向多層防御系統(tǒng)發(fā)展的動(dòng)態(tài)規(guī)律表明，某些方面的性能提升必然會(huì)削弱其他方面。每種技術(shù)在機(jī)動(dòng)性、殺傷力、靈活性和實(shí)用性方面都具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和局限性。因此，今天的無人機(jī)雖然不斷成熟，但也永遠(yuǎn)不可能立于不敗之地。例如，僅使用慣性導(dǎo)航的半自動(dòng)無人機(jī)可能不受電子對(duì)抗的影響，但容易受到物理對(duì)抗的影響。同樣，如果無人機(jī)足夠智能，可以避免物理攻擊，其復(fù)雜的傳感器和指揮系統(tǒng)將不可避免地增加其對(duì)電子對(duì)抗的敏感性。因此，基于現(xiàn)有的技術(shù)水平，在防御目標(biāo)縱向采用多層不同技術(shù)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，可以顯著提高攔截成功率。由于無人機(jī)威脅的多樣性和不同技術(shù)的功能特殊性，沒有單一的解決方案能夠完美應(yīng)對(duì)不同的任務(wù)，適應(yīng)不同的作戰(zhàn)背景。同時(shí)，在不同的戰(zhàn)術(shù)背景下，每個(gè)反無人機(jī)任務(wù)都必須有最適合的措施，因此對(duì)于防御目標(biāo)，縱向多層防御戰(zhàn)術(shù)必然成為未來應(yīng)對(duì)多樣化無人機(jī)威脅的主要發(fā)展趨勢(shì)。沒有單一的解決方案可以完美應(yīng)對(duì)不同的任務(wù)，適應(yīng)不同的戰(zhàn)斗背景。

第七部分 結(jié)論