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无人机智能电磁攻防技术

日期:2021-12-23 浏览次数:

海、陆、空、天、电磁多域一体化作战下,无人机在枯燥任务领域、恶劣环境任务领域和危险任务领域发挥巨 大作用。未来战争是智能化、信息化战争,随着隐身技术、新材料技术、微电子技术等高新技术在武器装备上的 广泛应用,无人机取得了突破性进展,屡立战功,特别是人工智能的发展给无人机带来新变革。但与此同时,无人 机各项任务的完成也越来越依赖于复杂电磁环境下系统的抗电磁干扰乃至电磁打击能力,无人机在恶劣电磁环境 下的生存能力、适应能力,乃至电磁制衡能力一定程度上引领信息化装备电磁攻防的发展趋势。

1 无人机电磁反制技术

恶意无人机和有意无人机攻击对军事及民用目标的威胁日益增大,无人机电磁反制(无人机反制)技术成为新热点,基于电 磁效应攻击并反制成为“必杀技”。而随着无人机本身信息化、自主化程度显著提高,抗干扰能力大为增强,依靠 固定频点、功率压制的简单手段难以制服无人机的恶意行为。为此,基于多种信息化手段,动态多源电磁环境对 无人机的作用规律与机理亟需被认知。

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现有对无人机干扰的软杀伤技术即电子干扰技术,包括通信干扰技术、雷达干扰技术、光电干扰技术、导航干 扰技术等。大型项目使用最多的无人机反制系统是雷达光电反制系统,它以雷达及光电协同探测为主要手段,雷 达远距离发现目标,光电跟踪系统完成视距内无人机的搜索、检测与识别,干扰反制系统根据控制中心指令或预 定模式对识别出的无人机进行驱离或迫降。小型项目主要采用无人机反制枪,在无人机通信或导航频率上发射比 正常工作功率更大的无线电信号,对通信或导航系统起到干扰和阻断作用,迫使其降落或返航。基于上述原理的 无人机反制系统研究日趋成熟,功能越来越强大,例如以色列拉斐尔先进防御系统公司研制的无人机穹(Drone)除 了能阻塞无人机与地面遥控装置之间的通信信号,还可以对全球导航卫星系统信号进行干扰;英国研发的 AUDS 反无人机系统能在 6 英里范围内检测无人机,通过阻塞、干扰、诱骗来控制目标无人机;中国北斗开放实验 室发布的诱骗式民用反无人机系统 ADS2000,通过全面干扰、压制、欺骗等方式,实现对目标无人机的有效捕获。


无人机摧毁的硬杀伤技术以定向能武器技术优势明显,主要包括高能激光武器技术、高功率电磁脉冲武器技 术。激光武器具有精度高、成本低、瞄准即摧毁等优点,无人机在激光武器面前躲避攻击的能力较低。例如美国 陆军在无人机硬杀伤挑战赛中验证了“机动型远征高能激光武器 (MEHEL 2.0)”的反无人机能力,可以 5 kW 高能 激光束成功打击目标。美国陆军利用雷声公司“相位器”高功率微波武器对抗无人机(无人机防御),可在搜索雷达的引导下跟 踪无人机,通过蝶形天线发射高功率微波,损毁无人机内部的电子器件。俄罗斯联合仪器制造公司研制的微波武 器系统,通过发射超高频微波,使无人机的通信系统失效,导致无人机失去控制,可应对 0.8 km 范围内的无人机 群。我国在此方向上以国防科技大学的技术优势最为明显。


随着软杀伤和硬摧毁这两类无人机反制技术的日趋成熟,未来将打破技术屏障,实现动态多源融合的电磁反 制,基于多种电磁效应复杂非线性作用与响应机理,实现宽带与窄带、信息与能量、干扰与损伤的多维度打击。如 下述实验室对无人机通信、导航、探测和控制这 4 项关键性能的电磁环境效应研究成果,以此综述基于电磁环境 效应可对无人机系统采取的反制措施。

1.1 电磁反制无人机通信链路

目前无人机执行任务仍主要依靠地面控制站进行决策,采取的是上传遥控指令,下传遥感遥测信息的模式,进 而无人机通信链路即数据链的电磁安全性是无人机系统的重中之重。例如,美伊局势紧张,美国多次派遣无人机 对伊朗实施抵近侦查,但伊朗毫不示弱,从 2011 年开始相继宣称俘获和击落多架美军无人机,包括 RQ-170“哨兵” 无人机、“扫描鹰”无人机、MQ-9“死神”无人机和 RQ-4“全球鹰”无人机[1]。这些无人机中部分机体完整无明显损 伤痕迹,相关人员对此分析研判,认为数据链受到电磁干扰是美军无人机被捕获的重要原因。


对无人机数据链系统,实验室条件下分别开展强场连续波及强电磁脉冲试验。发现在强场连续波下,无人机 数据链表现出丰富的效应等级,包括性能下降、干扰、扰乱和降级。每个效应等级的阈值均是以中心频率为最低 点的“U”型曲线[1-2]。性能下降是在观测数据链的误码率时,可明显发现误码率显著上升,数据链仍能保持正常工 作。干扰是数据链偶发失锁,即偶然发生链路中断,但依靠链路自身的处理机理仍能再次连通,保持正常工作。扰乱是数据链中断失锁,无法连通,但依靠地面端的控制软件可软重启,恢复重新连通的状态。降级则是数据链 失锁,无法软件重启连通,只能依靠人为重新加电才能恢复工作,但并未发生硬损伤的效应现象。同时,以 4 种无 人机数据链为受试对象,强场连续波 200 V/m 下均未发生物理损 伤,但效应的丰富层次和效应阈值与数据链本身有关。在宽谱高 功率微波下,数据链的效应现象与峰值场强、重复频率密切相关, 也展现出干扰、扰乱和降级的效应现象,单峰值 80 kV/m 下未出现 硬损伤。在窄谱高功率微波下,数据链的效应现象与中心频率密 切相关,当干扰频率处于工作频带以外时,表现出干扰、扰乱和降 级的效应现象;当干扰频率与工作频率非常接近,数据链的效应现 象与脉冲功率密度、脉宽、重复频率、持续时间均密切相关,当重 复频率足够高、脉宽足够宽,即使较低的脉冲功率密度也可造成数 据链射频前端损伤。图 1 为高功率微波下数据链射频前端低噪声 放大器出现硬件损伤,导致无人机数据链无法工作。