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应对无人机的挑战
材料来源:《微波杂志》2018年1/2月刊           录入时间:2018/1/30 11:38:32

应对无人机的挑战

Countering the UAS Challenge

Asif Anwar, Strategy Analytics, Boston, MA

无人机系统(UAS)为军事指挥官提供实时信息,即有助于任务的完成,还能保护相关人员的生命。而商用UAS的扩张会有意无意地带来破坏性的应用,还会被用于非对称战争中。打击这些潜在的威胁将需要一种全新的电磁频谱操作方式。我们可以从解决一些关键问题开始,从防御和商业应用中需要解决的一些更广泛的问题来看,这些问题将决定无人机的使用和对抗。在当前和下一代网络中,管理频谱的能力需要了解带宽优化、延迟和潜在的经济性,并采用更复杂的调制作为基础,如相控阵和其它被设计用于增加频谱效率的方法。这将使UAS得以应用的同时,提供监控和对抗无人机的策略。

反UAS系统的射频有效载荷、地面系统以及干扰和监测能力需要从天线到基带进行优化,这就需要了解哪些技术能跨越射频前端到数字后端。对环境的监测将不只需要固定或便携式系统,还包括手持设备,因为有些情况下受尺寸、重量和功率(SWaP)的限制,还要延长电池寿命。这反过来又需要了解基带和应用、显示器、内存和其它组件的最新进展。最终,这将推动RF前端的半导体技术向更高频率和宽带性能发展,其技术包括单片集成电路或模块化集成。同时系统对数字处理的要求也会增加,但并不期望功耗也同时增加,也就是在理想情况下,功耗要降低。

反UAS平台的潜在市场需要了解系统需求目前处于增长曲线的何处,以及如何更好地面对即将到来的机会。由于军事系统供应商试图将他们在国防部门的经验转移到解决民用部门的反UAS的机会中,他们将需要贯彻四个主要的战略(图1):

1 解决民用部门反UAS问题的战略。

规模化——通过整合战略,包括合作,为反UAS提供完整的解决方案。

集成与综合——汇集提供综合解决方案的技术和子系统,以满足终端市场需求,这也可能涉及供应链的提升。公司将需要提供增值功能,例如提供频谱管理以及必要的软件和图形用户界面,以优化最终用户体验。

借鉴——通过使用新兴技术,或引进其他部门的经验探索如何将军事反UAS的经验引入到民用部门。

军事UAS平台

UAS平台的使用使得战场上的差异成为了军事战略核心,为了对峙、兵力投放和兵力倍增发展起来的技术也证实了这一点。如伊拉克和阿富汗这样的不对称战区带动了对情报的需求,为UAS平台的使用提供了初步的可能。显而易见的是,技术仍然是传统和非对称冲突的差异化因素,同时将各元素组成复杂场景的现象也在不断增长,这一增长趋势也是造成差异化的原因。UAS平台了解这些环境,并能在这些环境中运作,同时还能高度重视低成本高效益的解决方案的提出,这些优势为UAS平台打开了应用的大门。根据尺寸、重量和应用范围的不同,可以定义不同种类的UAS平台(即微型、小型、战术性、MALE、HALE),以初步提供额外的监控能力。

随着UAS使用的激增,这些平台的任务范围也不断扩大,包含了越来越多的功能,并且已经融入常规载人飞机中,使其能满足机载地面监控、机载监视和侦查等特殊任务需求。还有许多更加丰富的UAS的应用实例,包括Predator、Reaper、Hermes、和ScanEagle平台。尽管UAS平台的应用有着不断增长的趋势,它也只会被用来完善功能而不是替代载人平台在情报、监视和侦查(ISR)领域的位置,在这些平台中没有对于有效载荷尺寸的约束,并且可以利用人类的专业知识将所收集的数据转化成可用的情报。

这些平台在其它领域的应用范围也开始不断扩大,例如海上巡逻,这些扩大了的功能范围包括扩大有效载荷,纳入增强电光(EO)和红外(IR)的雷达功能。UAS平台也是一个完整的以网络为中心的通信环境的组成部分,它提供了超越视线(BLOS)通信的分层通信能力,为前线部队提供战术支持,以及对战略指挥的“回顾”。UAS平台向电子战(EW)领域的扩展也正在探索中。一个早期的具有代表性的例子是美国陆军灰鹰项目NERO,该项目使用雷神电子攻击有效载荷,作为美国陆军网络化电子战遥控系统(NERO)的一部分,提供BLOS干扰以支持地面部队作战。另一个例子是MQ-9 Reaper平台,美国海军陆战队(USMC)用该平台和Northrop Grumman公司合作,可以对有效载荷进行电子攻击,随后的工作将探索将该平台整合到USMC C2网络的能力,以及控制飞机的EW有效负载的能力。除了扩展现有平台的任务范围之外,我们还可以看到为满足特定功能而设计的新平台的发展,如实战(UCAV)和空中加油。

民用——好的和坏的用途

UAS平台在民用空域的使用正在取得进展,监管当局实施的政策使其可以用于各种非军事用途中,无人机的许多用途都是合法的,包括配送、紧急服务、新闻、交通/停车管理和资产检查。然而,这些相同的用途也可以变成是非法的或有害的(图2)。例如,普通的配送服务变为将药物和其他非法货物跨境运送至监狱。无人机也可以在关键基础设施上进行工业间谍活动,或影响这些基础设施的运营状态。携带有效载荷的能力也为恐怖分子提供了一种新的途径,这将会带来致命影响。还有包括扰乱空中交通在内的其它例子,例如侥幸脱险,以及无人机会获得几乎高调的关注。因此,即使无人机在民用空域的使用无疑是有益的,但在不牺牲安全的情况下,仍然需要有效的能使无人机停飞的方法。

 

2 商业无人机或好或坏的用途。

UAS的挑战

典型的商业UAS平台至少拥有两个无线电链路:用于无人机遥控的上行链路,和提供遥测数据和/或接收视频的下行链路。用于无人机操作的典型频率在ISM(2.4或5.8GHz)、UHF(433MHz)或HF(27、35或72MHz)频段。目前,ISM频率是用于上行链路和下行链路的主要频率。2.4GHz频带主要用于上行链路,利用跳频扩频(FHSS)、直接序列扩频、Wi-Fi或蓝牙技术完成此功能。2.4GHz和5.8GHz频段均可用于下行链路,视频下行链路通常以MPEG格式流式传输。ISM上行链路的典型有效辐射功率约为100mW,而UHF上行链路的有效辐射功率则只有10mW。

一个反UAS系统需要有效地完成四个任务:监测频谱、查找信号、发现威胁、消除威胁。

监测频谱是反UAS的第一步。监测频谱的一个关键挑战是识别Wi-Fi、蓝牙、物联网(IoT)、微波炉和其它包含在商业环境中的混杂频谱信号。宽带接收机是有效监测频谱的关键组成部分,其带宽至少应为20MHz。接收机需要配备能够完成多种功能的软件:搜索并设置噪声在现有环境中所占比例,然后检测超出此阈值的信号。该监测设备所需提供的其它功能包括:监测FHSS信号、自动检测和分类感兴趣的信号、可靠地分离信号、不提供虚假报警和记录活动,以符合法律程序。

一旦识别到信号,下一步就是准确地找出感兴趣的信号。这时会用到的两个主要技术为方向定位(DF)和到达时间差(TDOA)。两者具有各自的优点和缺点,最终的选择取决于顾客的喜好和对成本的要求。基于DF的系统具有更快的处理速度,因为它们使用单个接收机。但是,这种接收机非常复杂;由于接收机通常被放置在特定的位置,因此这种复杂性会增加该技术的成本并限制其移动性。基于TDOA的方法则使用多个接收器,可能会提供更高的准确度。但是,准确度还取决于接收机在感兴趣区域内的有效位置。TDOA接收机在处理窄带信号时还存在一些潜在的问题,同时其处理速度明显较慢,因为来自接收机的信息必须进行整合,以便在中央位置进行处理。

除RF频谱之外,反UAS系统需要使用雷达、EO-IR、声学和其它传感器的组合来监测、追踪、定位、验证和识别可能侵入敏感区域的无人机。

最后一步是消除威胁。从RF的角度来看,加入信号干扰可以用来破坏操作者和无人机之间的遥控链路。这可以迫使无人机降落或返回到操作者手中。当一架无人机根据全球导航卫星系统(GNSS)信号定义的航点遵循预定航线飞行时,射频干扰可用于中断信号,使无人机停飞或使其恢复为默认程序,以便回到操作员手中。另一个选择是使用高功率电磁(HPEM)脉冲使所有的电子系统失效,这将迫使无人机进入不受控制的下降状态。这种方法带来了无人机坠毁的责任问题,如果无人机携带爆炸性有效载荷,这个问题将会变得更加复杂。还有一些其它的方法使无人机失效,包括使用激光、传统枪支、网和猛兽。

UAS的解决方案

市场上正在提供越来越多的反UAS的解决方案。下面的例子虽然不尽全面,但代表了不同的商业战略方法:发挥内部能力、结合多家公司能力进行合作。

Hensoldt Xpeller公司的反UAS解决方案(图3)是前者的一个例子,即将来自Hensoldt组织的不同分支机构和子公司的雷达、摄像机和干扰元件结合起来。雷达是基于该公司的Spexer 500,是一种输出功率为4W的X波段的有源电子扫描阵列(AESA)FMCW雷达。

3 Hensoldt Xpeller公司反UAS的解决方案。

它的探测距离可达4公里,可以处理0.2平方米雷达散射截面(RCS)的目标。该雷达与NightOwl Zm-ER的热敏和彩色摄像机相连。GEW Technologies的射频干扰器覆盖从20MHz到6GHz的范围,并能提供定向和全向天线配置,输出功率可以覆盖10到400W。Hensoldt公司还与其它公司合作,寻求内部能力无法满足的技术。因此,Xpeller解决方案可配置为包含Squarehead Technology AS的Discovair声学传感器和myDefence的近距离射频探测器。Hensoldt公司可能已经意识到让原本为军事用途设计的系统强行介入并不是最佳的选择,例如收购总部位于英国的Kelvin Hughes。Hensoldt公司将成本敏感性市场作为收购背后的动机之一。Kelvin Hughes提供基于氮化镓的X波段脉冲多普勒SharpEye雷达以及指令和控制软件的功能,可以将多个雷达和摄像头传感器集成到一个综合显示器中。

另一个为军事领域提出的解决方案是Rafael Drone Dome系统,该系统使公司现有的Dome系列的解决方案适用于反无人机的陆基防空。这种情况下,Rafael本质上是系统集成,它结合了来自行业合作伙伴的一系列系统。RADA提供了一种S波段RPS-42氮化镓基AESA雷达,探测范围可达10公里,输出功率为60W,可以检测超微型到微型级的无人机。其与Controp MEOS-U非制冷热成像相机配合使用,可选择增加日/夜功能和激光测距仪。频谱监测和干扰分别由Netsense和C-Guard系统提供,两者均由Netline提供。Drone Dome系统用Iron Beam系统改装的激光器增加了第四种对抗能力,这个Rafael已经为陆基防空做了演示。

作为通过合作战略制定系统的一个例子,英国的反UAV防卫系统(AUDS)已经成功地向美国军方做了展示(图4)。雷达探测是通过Blighter的A400雷达系统提供的,该雷达系统是Ku波段FMCW的氮化镓基雷达,可提供4W的输出功率、10公里的探测范围,且可以探测小至0.01平方米雷达散射截面的目标。该雷达配合Chess Dynamics Hawkeye DS & Eo视频追踪系统使用,包括Piranha 46 HR相机、热成像相机和一个EO视频摄像机。企业控制系统公司提供定向射频抑制器,该射频抑制器具有RF干扰器和四频段天线系统,以提供干扰和抑制功能。

4 UAS防御系统。

Guardion模块化无人机系统是基于合作关系的另一个例子,该系统由Rohde & Schwarz领导,具有前面所述的全部四个要素。传感器包括Rohde & Schwarz Ardronis系统,该系统使用DF对周围环境进行射频分析。其与包含一个360度雷达、声学阵列以及PTZ和IR相机的传感器配合使用。干扰器包括干扰Wi-Fi、远程控制链路干扰、GNSS航点干扰和基于Diehl的HPEM功能。这个干扰器和ESG提供的一个命令和控制系统配合使用,该系统连接所有系统,并将传感器数据融合到地图显示中。该系统还允许工作人员使用平板设备对环境进行监测。2015年G7峰会和2016年美国总统汉诺威之行中就使用了这个系统。

UAS的市场

反UAS系统市场仍然处于初级阶段,早期市场的需求将继续主要由军方推动。机场目前面临着最大的难处,因为无人机可能与飞机碰撞造成威胁,同时无人机还可能对商业机场周围的其它业务造成威胁,如无人机曾经对登机造成干扰。非法商品的贩运是反UAS市场另一个潜在的早期推动因素,要阻止无人机运送将毒品和其它走私物品越境或进入监狱等设施。其它需要解决的问题包括管制民用空域无人机的规定,也正在取得进展。Strategy Analytics预测到2026年,仅仅机场反无人机雷达的市场就将增长到5000万美元(图5)。

 

5 机场反无人机雷达系统的市场预计。

结论

UAS为军事指挥官提供实时信息的成功,有助于任务的完成,并能保护相关人员生命。尽管面临预算压力,任务范围的扩大将有助于推动对UAS平台的持续需求。商业UAS的扩展可能会有意无意地导致破坏性的使用,同时还会将它们引入非对称战争中。要应对这些潜在的威胁,需要将雷达和电子战技术配合使用,同时结合其它技术,在电磁波频谱上开辟新的领域。反无人机系统市场仍处于事前阶段,威胁还只是被视为一种假设。但是能有效应对无人机威胁的专门系统是必需的,市场应避免企图将军事体系强行压入商业领域的做法。


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