吴强等 ¦ “低慢小”无人机威胁分析

IoT 3周前 admin
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【摘要】从“低慢小”无人机控制技术和攻击战术角度,对“低慢小”无人机威胁进行了剖析,可为反“低慢小”无人机装备技术研究和能力建设提供输入和参考。

【关键词】反“低慢小”无人机,威胁,效能测试,控制技术,攻击战术

一、总述
反无人机是基于威胁的科学研究领域。开展反无人机研究,应当首先掌握各类“低慢小”无人机的控制技术和攻击战术,才能在研究中获得明确的输入。
目前,反无人机技术研究和产品开发所用靶机,基本为持续无线电遥控链路(400/500/800/900MHz、1.4/2.4GHz)+图像回传(5.8GHz)+卫星导航(GPS或北斗)/惯导导航控制手段(部分采用末端图像控制,如“弹簧刀-300/600”巡飞弹)。我们通过技术分析,认为还存在定向遥控(毫米波/激光遥控)、辐射源引导攻击(以干扰源为导航点实施攻击)、定磁航向引导攻击、热源引导攻击、图像引导攻击、移动通讯遥控等约近19种以上的无人机控制手段,并构成相应的无人机威胁,如下图所示,其中A1、A2、A3、A4在反无人机效能测试中得到应用
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图1 采用各种控制技术的无人机

以下,我们根据无人机控制技术和攻击战术,描述各种低慢小无人机威胁(不包括传统的A1-跳频/扩频持续链路和A2-GPS+惯导静默导航两类控制方式)。
二、按照控制技术分类的低慢小无人机威胁
2.1 A3-大功率遥控
无人机采用远距离起飞,操纵手隐蔽在距离目标边界1-2公里处,使用无线电功率放大装置(如2W,12dBi),对无人机实施中继控制,降低反无人机干通比,从而提高了抗干扰能力。同时,通过操纵手视觉判断攻击效果。
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图2 使用大功率无线电发射装置控制无人机实施攻击

在实际使用中,在距离目标区域1-2公里内房间内,大功率放大装置指向目标区域,房窗覆盖窗帘等遮蔽物,保证外部不能通过视觉发现大功率放大装置。无人机从远处起飞,以定向航线飞越操纵手上空后,被大功率遥控装置接力控制。在实际测试中,这种方式能够有效突破普通手持/较低功率反无人机干扰装置的压制。
2.2 A4-定磁航向
利用地磁指北元件(如图),依靠地磁方向作为无人机航向基准,瞄准目标区域,保持与地磁北方向夹角(也称锁定与地磁航向夹角),实施定向攻击飞行,撞击突出于地面的建筑。也可在锁定与地磁航向夹角的基础上,增设机载空速管测量速度/增设机载计时器测量时间,对目标实施定向定距攻击。
吴强等 ¦ “低慢小”无人机威胁分析图3 采用定磁航向控制飞行方向的无人机
地磁指北装置往往存在3-5°角度误差,以之为基础的定磁航向攻击适合于对较大面积目标的突防,在飞行中不受无线电链路阻塞/转发干扰和各类卫星导航干扰。在使用中,往往配合大功率遥控装置,控制飞机瞄准目标区域实施直线飞行后,切换到定磁航向飞行状态,直至飞抵达目标区域。
2.3 A5-毫米波/激光定向遥控
使用激光或者毫米波(如60GHz)对无人机实施定向遥控。原理是:一、利用毫米波/激光的定向性能,在无人机挂载定向接收天线(装置),规避前方(反制方)发射的同频干扰。二、采用毫米波(如60GHz),远离常用侦测和干扰频率范围(20MHz-6GHz),导致反制方不能有效侦测和干扰无人机遥控链路。
图例为60GHz毫米波通讯装置,有效通讯距离1.5公里,波束宽度±22.5°,具有自动扫描对准功能,带宽为400MHz,能够实时传递控制信号和图像信号。
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图4 毫米波遥控无人机示意图

在实际使用中,要求净空、无遮挡(含建筑、雨雪沙尘)等良好气象条件。在飞行中,必须保证无人机载端接收天线始终保持对地面发射端的指向,可采用自稳云台或机体指向方式。毫米波/激光定向遥控无人机往往与低频无线电遥控链路(如400/500/800/900MHz)搭配使用。
2.4 A6-辐射源引导攻击
在反无人机过程中,无线电干扰源往往位于防御目标范围内/附近区域,辐射源引导攻击将利用这个特征作为攻击参照。依靠无人机机载无线电测向装置,对无线电干扰源(辐射源)实施测向,引导无人机朝向无线电干扰源所在区域飞行。
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图5 以无线电干扰源为导航点的辐射源引导攻击方法

在使用过程中,往往采用测向同频大功率遥控器配合使用,即无线电链路遥控模式-辐射源测向引导飞行模式。如,使用900MHz大功率遥控器,控制无人机朝向目标区域飞行。防御方通过无线电侦测装置获知控制链路频率后,使用同频大功率干扰器实施无线电链路阻断干扰。当无人机飞抵距离防御区域某个距离后,遥控链路将被阻断,无法有效控制无人机。此时,无人机自动转换为辐射源测向引导飞行模式,测量900MHz无线电干扰源的相对方向,通过机载计算机控制无人机朝向无线电干扰源飞行,直至飞抵无线电干扰源所在区域。在此过程中,一旦防御方关闭无线电干扰源,无人机将自动调整到无线电链路遥控模式,重新建立对无人机控制。辐射源引导攻击适合于对固定式反无人机方式的突防。
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图6 辐射源引导攻击往往与大功率遥控协同配合使用

2.5 A7-增强显示-目视观察/短波电台控制
利用常用无线电侦测频率范围之外(低于20MHz)的短波电台-发报机对无人机实施开关/点控式控制,配合简易目视跟踪装置,对目标实施攻击。这种方法利用了反无人机有效侦测频率范围之外、民用电台密集、覆盖干扰将造成附带损伤的背景。
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图7 采用无人机增强显示-目视观察攻击/短波电台控制的攻击方法

具体构成:以短波电台-发报机作为遥控发射端,发射“左”、“右”、“投弹”等编码开关信号。机载端接收到信号后,通过机载计算机识别并驱动舵机完成“偏左X°”、“偏右X°”、“投弹”等动作。为保证有效观测无人机状态,往往采用无人机尾部加装高亮度灯泡,增强对背景的对比度。无人机往往具有自稳锁定方向能力和定高能力。简易目视装置,可采用高倍望远镜,配合简易十字瞄准器,并以十字瞄准器中心对准目标方向,当无人机偏离十字瞄准器中心时,即可通过短波电台-发报机发出方向调整指令,直至无人机回归到十字中心线上。
有条件时,可以采用雷达实时探测无人机的位置(当前已经达到10公里内的三维定位精度不超过4-6米)。在无人机机体下方/后部安装龙伯球,增加后向散射面积,便于雷达判断目标位置(远离己方)。其中。龙伯球可以采用约定频率旋转/方向指向后方,便于雷达识别该无人机。不同的无人机采用不同的旋转模式/指向模式,这种方法适合多架无人机同时升空、留空的判定。
同时,可以利用雷达波(如毫米波)向无人机发送上行控制信号与短波控制和低频控制复合使用,与探测到的无人机位置构成攻击闭环。
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图8 利用雷达探测无人机位置,并可同时发送控制信号

2.6 A8-图像引导/光学跟随
利用图像识别技术,实现对地面动目标跟随,进而到达目标区域。在突防过程中,不受无线电链路阻塞/转发干扰和各类卫星导航干扰。
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图9 采用图像识别技术跟踪地面车辆的攻击方法

具体的,在汽车车顶敷设特定图案蒙布(利用地面保卫人员和反无人机光学设备无法看到或容易忽视的缺点),汽车沿城市道路驶向目标区域,无人机保持在汽车上空一定距离,通过机载摄像装置和图像识别技术,识别车顶蒙布图案并跟随汽车行进,直至到达目标区域边缘。当汽车车顶蒙布被去除后、图案消失(等效于“发出攻击指令”),无人机按照预设程序,自动向目标区域飞行(按照定磁航向+空速测量+计时器的极坐标控制方式)。
2.7 A9-热源识别引导攻击
热源识别引导属于光学引导方式,通过机载光学装置,无人机识别地面明显热源、测向并以之为导航点/目标点实施攻击。这种方式往往针对炼油厂、化工厂(如大型化工科技园)等具有明显热源特征的高价值目标实施撞击或携带炸药攻击。
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图10 以化工厂、炼油厂的热源为导航点的攻击方法

无人机携带的机载光学装置具有对地面热源的搜索、测角作用,并通过机载计算机判断多个热源分布位置-与预先侦察情况比对-通过程序选择目标。
2.8 A10-电视/广播塔源交叉定位
通常,城市拥有1-2座以上的广播站和电视塔等辐射源,如图所示,可利用机载无线电测向装置,将城市广播站、电视塔作为导航点,通过对城市广播站、电视塔等辐射源实施测向,通过反向交叉定位确定无人机位置,进而引导无人机自动飞向指定坐标(目标)。
表1 城市广播站、电视塔可作为无线电测向交叉定位导航点
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在本质上,这种控制方法是基于对已知坐标无线电辐射源(城市广播站、电视塔)的测向交叉定位,实现对本体无人机的二维坐标定位,定位精度受限于测角精度和本体无人机到无线电辐射源的距离。
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图11 以城市广播站、电视塔作为无线电测向交叉定位导航点的攻击

2.9 A11-手机/海事电话遥控
利用移动通讯网,对无人机实施远距离遥控。有效传输控制信号,实时回传图像。利用防守方“投鼠忌器——不能轻易干扰民用无线通讯”的状态实施攻击。实际使用中,可配合其他控制方式使用,如本地迫近大功率遥控等。
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图12 2013年制作的采用联通3G网络控制的固定翼无人机

2.10 A12-抛物飞行/末端控制
抛物飞行/末端控制模拟迫击炮攻击,采用大推力电动螺旋桨/涵道推力发射弹体升空,按照抛物线规律飞行并击中目标。发射时无明显噪音,适合近距离隐蔽攻击。
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 图13 采用抛物线-弹道式飞行的攻击方法(右图为“变型4”概念图)

基本型为依靠简单固定舵面实现无控弹道飞行,起飞前通过调整动力时间设置飞行弹道参数,打击精度取决于发射角、动力大小和持续时间,容易受风力影响。
在基本型上可增设图像回传、可调舵面、无线电链路,产生多种变型,实现不同的攻击效果。例如:
(1)变型1:机载计算机根据加速度计控制活动舵面,保持预定轨道飞行。
(2)变型2:在变型1的基础上增设末端GPS导航装置,获得精确命中效果。
(3)变型3:发射飞行至后半程即通过飞行轨迹最高点、向目标区俯冲时,打开无线电图传(避免过早被无源组网探测),操纵员目视判断落点偏差,调整发射参数。
(4)变型4:在变型3的基础上,增设操纵手控制链路功能,在向目标俯冲阶段,操纵手通过无线电链路信号控制舵面,对准目标飞行,这种方式类似于电视制导炸弹。
2.11 A13-抵近遥控-大功率遥控、毫米波、激光
抵近大功率遥控(迫近遥控):操纵手隐匿于人群,采用隐匿的单通道/多通道大功率遥控装置(常采用简易开关通道),观察并遥控投弹,或微调无人机航迹。
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图14 抵近遥控式末端攻击方法 左:单通道遥控器,右:毫米波精确遥控

一般地,往往伴随扫描式飞行:无人机利用各种手段抵达目标区上空,依靠磁航向/极坐标/城区信号源测向定位等方式在目标区上空做扫描式飞行。末端操纵手隐匿在目标区附近,如人群中观察无人机相对目标点位置,当无人机到达目标点上空时,末端操纵手发出特定频率无线电信号,遥控无人机微调航迹、俯冲或投弹等行为。
除了大功率遥控手段,还可以采用大波束毫米波双工遥控传输(1500米、±22.5°波束角)和单工激光遥控,实现对无人机对目标末端打击的抵近遥控。其中,毫米波接收天线将水平放置在无人机机体下方,地面天线平置在车顶下方,具有较好的隐蔽性,形成地面-无人机的±22.5°有效通讯,实现地面遥控人员在距离目标区500-700米距离内对无人机实时有效实时控制。毫米波通讯支持高分辨率图像实时传播,使控制人员能够对地面目标实施精确瞄准。
2.12 A14-地磁 极坐标控制
极坐标控制是定向飞行方式的拓展,利用无人机安装的磁航向测量装置(磁指北针)、空速管、计时器、高度计,构成以起飞点/出发点为原点的极坐标导航控制系统。这种方式的定位精度随着飞行距离增大而降低(磁航向测量装置往往具有最大3-5°偏差),适合对近距离目标区域实施攻击,或者远距离条件下对大型活动,如游行、阅兵等实施骚扰飞行。
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图15 以磁航向导航为基础的极坐标导航控制方法

例如,针对城市大型阅兵活动,采用多架大上反角固定翼无人机(具有良好的方向稳定性特性)在城市边缘(距离阅兵活动现场10-20公里)起飞,沿预定方向(飞行方向设定成与磁指北的固定夹角)飞行,根据空速管和计时器计算飞行距离,推算平面坐标,直至到达指定位置(阅兵广场)后,无人机按照程序控制进行撒传单、投掷爆炸物、在受阅机群飞行高度上盘旋等等。在飞行过程中,不受无线电链路干扰和卫星导航干扰。适合于多机多方向使用,弥补单机导航误差导致的导航偏差。
2.13 A15-机群 多架多种控制方式并行
起飞多架/组无人机,各个架/组具有不同的控制技术/控制方式,如分别采用多频段(27/35/40/72MHz航模频段、400/500/800/900MHz以及2.4GHz等常用频段)、辐射源引导攻击、移动通讯/手机遥控、磁航向及极坐标导航自动攻击、毫米波遥控、短波遥控等方式,在较短时间段内同时到达目标区,导致反无人机系统无法同时有效反制,进而被突防。
2.14 A16-机载雷达地形跟随/地物回避模式
无人机携带微型毫米波测地雷达,对地表各类物体保持一定间距,从而获得超低空突防效果。一般地,将搭配定磁航向飞行装置,对准目标区后释放无人机,无人机沿预定方向实施超低空隐匿飞行。这种方式适合于城区外、地表起伏不大的区域,如对海面、海岸目标和野外军营/机场等目标的攻击。
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图16 使用微型机载测地雷达实施超低空突防

无人机依靠机载毫米波雷达或光学探测装置,探测前方障碍后做水平机动飞行,规避障碍后恢复到原飞行方向。这种方式适合于具有较大较高建筑特地表征的城区背景,往往配合定向飞行等控制方式。
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图17 无人机依靠机载毫米波/光学等探测装置实施水平规避

2.15 A17-有线控制
利用双绞线或光纤等货架传输线产品传送控制信号(光纤能够同时下传高清晰视频信号),控制无人机飞行,适合1-3公里内短距离攻击。在实施过程中,不受各种无线电链路干扰,同时具有静默攻击能力,但攻击距离、载荷、无人机构型和攻击战术受限于传输线的长度、重量(图示固定翼所用光纤为1公斤/千米,多旋翼所用双绞线为13公斤/千米)等因素。
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图18 依靠光纤和双绞线实施有线遥控的无人机

有线控制方式可以适用于固定翼无人机(类似于线控反坦克导弹)和多旋翼无人机。在控制上,往往采用独立有线遥控或有线遥控-无线电遥控互为备份的控制方式。
2.16 A18-地面频闪引导标
这种方式属于图像识别。在攻击前,预先通过空投或人员在起飞点到目标之间区域(简称飞行区)设置引导标:引导标记录当前GPS坐标位置(地理坐标),并转化成包含地理坐标信息的对空激光频闪信号,同时关闭GPS探测装置,以免受到防御方的GPS阻塞/诱骗影响。无人机携带图像识别装置,在飞行区上空识别频闪引导标及其地理坐标,进而通过机载计算机反推己方坐标,最终引导无人机到指定位置。采用这种方式的无人机必须具有一定飞行高度,保证识别足够数量(不少于2-3个)的引导标信息。
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图19 依靠地面频闪引导标实施导航的恐袭无人机

2.17 A19-后向光幕控制
无人机后部携带光学装置,观测后方释放的对空光幕,识别为绿色时,向左转弯或策划,识别为红色光幕时,向右转弯或策划。这种方式适合作为1-2公里近距离攻击的辅助遥控手段。
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图20 后向光幕控制,适合作为辅助遥控手段

2.18 A20-组合
无人机恐袭,往往采用多种技术手段和战术手段相结合,形成组合式控制手段,保证无人机抵御各类干扰。如,针对目标区域近距离密集人防+技防的防御态势,可采用远距离起飞、中途多复合手段巡航、尽可能采用静默方式等逼近目标区域,末端采用自动图像识别、GPS精确定位、有人大功率遥控等方式。
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图21 “低慢小”无人机的各种控制技术的攻击战术组合

此外,在各个距离上,都可以形成上述各种控制技术的组合,并结合具体攻击位置地理条件、天气条件,形成各种技术组合和战术组合。如:
(1)组合1:有线遥控进入目标区域潜伏,确认目标出现后使用GPS定位的抛物线攻击无人机实施打击。
(2)组合2:随车顶图案进入目标区边界的无人机,进入目标区后,由潜伏人员使用大功率遥控器控制实施对目标打击。
(3)组合3:潜伏人员在目标区附近故意开启大功率遥控器,诱发反无人机系统启动无线电链路压制,使用定磁航向引导的远方来袭无人机,通过对反无人机强干扰源的测向,瞄准目标区飞行,进而被潜伏人员使用另一套频率遥控装置接管。
2.19 其他
“低慢小”无人机可以采用如图的鸟类外形和飞行行为特征(如鹰类的直线+切线圆形飞行轨迹),将有效迷惑地面人员的目视观测和识别。同时,采用对城区无线电信号测向等导航方式,做到静默导航,给反无人机探测带来困难和挑战。
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图22 鸟类外形的固定翼无人机

2.20 各类“低慢小”无人机控制技术的战术使用特点
各类“低慢小”无人机控制技术具有不同的战术使用特点,总的来说,将秉承:突然性、隐蔽性、有效性、智能性和抗干扰性的原则,选择适合技术特点的攻击战术。
表2 各类“低慢小”无人机控制技术的战术使用特点和防御难度
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在分析“低慢小”无人机威胁时,距离将是重要的分类因素,不同距离适合不同控制技术发挥最大的攻击效能和与之对应的防御困难。
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图23 距离核心要地各种距离范围内的“低慢小”无人机威胁分布

三、结束语
反无人机是基于威胁和实际防护需求的科学领域。“低慢小”无人机威胁,是反无人机技术和产品研发领域应当首先开展的研究内容,研究成果将作为反无人机技术和产品研发的唯一输入,其科学性和合理性将决定了反无人机技术方向正确性和产品的反无人机效能是否满足要求。反无人机技术发展、产品研发和体系建设必需首先重视威胁和以之为输入的针对性具体防护需求,才能在未来实战条件下实现对各类“低慢小”无人机威胁的有效反制,保卫超低空空域安全。
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吴强先生此前已为《空天防务观察》提供2篇专栏文章,如下所列:
第1篇:寓军于商,破除空中物流管理障碍的思考,2017年9月20日;
第2篇:谈谈对近来无人机管理法规工作的感想,2018年2月28日。
有兴趣的读者,可点击文章上列文章题名链接),阅读原文。
(中国航空工业发展研究中心 吴强 谷全陈宣友 金钰
吴强等 ¦ “低慢小”无人机威胁分析
主编:张洋
制作:顾鹏程
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吴强等 ¦ “低慢小”无人机威胁分析
本篇供稿:科技战略与系统工程研究所

原文始发于微信公众号(空天防务观察):吴强等 ¦ “低慢小”无人机威胁分析

版权声明:admin 发表于 2024年5月1日 上午7:02。
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