淺析“無(wú)人機(jī)粉碎機(jī)”反低慢小無(wú)人機(jī)解決方案

金鈺，谷全祥，吳強(qiáng)

中國(guó)航空工業(yè)發(fā)展研究中心

隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，無(wú)人機(jī)大量應(yīng)用于偵察、打擊、航拍、植保等軍用和民用領(lǐng)域，無(wú)人機(jī)黑飛現(xiàn)象愈發(fā)嚴(yán)重，反無(wú)人技術(shù)受到各國(guó)的高度關(guān)注。本文探討美國(guó)安都瑞爾公司研制的反低慢小無(wú)人機(jī)解決方案，分析該方案的組成、功能、全殺傷鏈關(guān)鍵技術(shù)和作戰(zhàn)能力。

2019年10月，美國(guó)安都瑞爾公司（Anduril）研制的反無(wú)人機(jī)解決方案“無(wú)人機(jī)粉碎機(jī)”(Drone-Smasher)系統(tǒng)成功擊落一架四旋翼無(wú)人機(jī)。該反無(wú)人機(jī)系統(tǒng)基于無(wú)人機(jī)反制無(wú)人機(jī)的思路，能夠有效打擊目標(biāo)無(wú)人機(jī)且減少附帶損傷。

安都瑞爾公司于2017年成立，是一家專注于國(guó)防技術(shù)研究的人工智能初創(chuàng)企業(yè)。目前，安都瑞爾公司已發(fā)布“柵格”（Lattice）智能指揮操作系統(tǒng)、“哨塔”（Sentry Tower）復(fù)合型探測(cè)識(shí)別系統(tǒng)、“幽靈” 4（Ghost 4）戰(zhàn)術(shù)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)和“鐵砧”（Anvils）無(wú)人機(jī)動(dòng)能攔截裝置等產(chǎn)品。安都瑞爾公司當(dāng)前主打基地防御、關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施保護(hù)、邊境防衛(wèi)和反無(wú)人機(jī)場(chǎng)景等提供解決方案。

“無(wú)人機(jī)粉碎機(jī)”反無(wú)人機(jī)系統(tǒng)已在“米拉馬”海軍陸戰(zhàn)隊(duì)航空站部署并應(yīng)用，專用于特定的威脅系統(tǒng)。安都瑞爾公司將持續(xù)開(kāi)發(fā)和發(fā)布系統(tǒng)軟件，以確保系統(tǒng)性能持續(xù)提升。

合同概述

2021年，安都瑞爾公司獲得美國(guó)國(guó)防部國(guó)防創(chuàng)新部門（DIU）授予的一份金額為9900萬(wàn)美元的合同，合同期限為5年期，為美國(guó)陸?？盏雀鬈姺N提供基于人工智能技術(shù)的反無(wú)人機(jī)系統(tǒng)（c-UAS）支持。根據(jù)合同條款，安都瑞爾公司的人工智能操作系統(tǒng)可基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)潛在無(wú)人機(jī)威脅目標(biāo)的探測(cè)、分類、跟蹤和預(yù)警；國(guó)防創(chuàng)新部門要求安都瑞爾公司為特定任務(wù)提供針對(duì)性反制方案，而不是一刀切模型，并且非常重視人工智能操作系統(tǒng)的持續(xù)開(kāi)發(fā)和性能提升。因此，安都瑞爾公司完善了以人工智能“柵格”系統(tǒng)為核心組成的“無(wú)人機(jī)粉碎機(jī)”系統(tǒng)的性能。針對(duì)特定場(chǎng)景，“無(wú)人機(jī)粉碎機(jī)”采用模塊化系統(tǒng)完成不同的任務(wù)。通過(guò)與國(guó)防創(chuàng)新部門進(jìn)行合作，該公司反無(wú)人機(jī)系統(tǒng)從原型機(jī)開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)到應(yīng)用歷時(shí)18個(gè)月（包括測(cè)試與評(píng)估周期），這種高效的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用模式同樣適用于美軍其他裝備，具有普適性推廣與應(yīng)用價(jià)值。

2022年1月20日，安都瑞爾公司從12家競(jìng)標(biāo)廠商中脫穎而出，獲得美國(guó)特種作戰(zhàn)司令部（U.S. Special Operations Command，USSOCOM）授予的合同，合同總金額為9.676億美元。作為美國(guó)特種作戰(zhàn)司令部的合作伙伴，安都瑞爾公司將為該司令部提供不限數(shù)量的反無(wú)人機(jī)系統(tǒng)。按照合同條款，安都瑞爾公司將為特種作戰(zhàn)部隊(duì)提供反無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，推進(jìn)應(yīng)用并提升反無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的功能。2022財(cái)年，安都瑞爾公司獲得運(yùn)營(yíng)和維修資金約109萬(wàn)美元。在未來(lái)十年內(nèi)，反無(wú)人機(jī)系統(tǒng)將在美國(guó)的不同地點(diǎn)投產(chǎn)并運(yùn)用。

安都瑞爾公司簽訂的反無(wú)人機(jī)系統(tǒng)合同均要求智能指揮操作系統(tǒng)對(duì)反無(wú)人機(jī)設(shè)備提供支持。這不僅表明安都瑞爾公司反無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的智能化技術(shù)處于領(lǐng)先地位，也說(shuō)明美國(guó)軍方高度重視人工智能和反無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的智能化技術(shù)。

反無(wú)人機(jī)解決方案分析

安都瑞爾公司“無(wú)人機(jī)粉碎機(jī)”系統(tǒng)由“柵格”智能指揮操作系統(tǒng)、探測(cè)識(shí)別系統(tǒng)和無(wú)人機(jī)攔截裝置構(gòu)成。“柵格”系統(tǒng)提供頂層協(xié)調(diào)，融合并處理傳感器信息；探測(cè)識(shí)別系統(tǒng)的主體為安都瑞爾公司研發(fā)的“哨塔”系統(tǒng)，并可擴(kuò)展用于縱深防御的第三方傳感器系統(tǒng)或“幽靈” 4等攜帶傳感器的無(wú)人機(jī)；無(wú)人機(jī)攔截裝置采用“鐵砧”無(wú)人機(jī)，具有速度快、抗沖擊能力強(qiáng)、可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)“柵格”系統(tǒng)的控制，可執(zhí)行集群監(jiān)視、偵察和作戰(zhàn)任務(wù)?！盁o(wú)人機(jī)粉碎機(jī)”系統(tǒng)組成如圖1所示?！皷鸥瘛毕到y(tǒng)可提供全天時(shí)持續(xù)防御，能夠自主檢測(cè)、分類和跟蹤威脅目標(biāo)，并向終端用戶發(fā)送預(yù)警信息，提供對(duì)應(yīng)的處置方案。

圖1 “無(wú)人機(jī)粉碎機(jī)”系統(tǒng)組成示意圖。

探測(cè)識(shí)別系統(tǒng)

“哨塔”探測(cè)識(shí)別系統(tǒng)

“無(wú)人機(jī)粉碎機(jī)”系統(tǒng)中的“哨塔”系統(tǒng)（見(jiàn)圖2）是一套集成了第三方傳感器的探測(cè)識(shí)別系統(tǒng)，由光學(xué)、微波和紅外熱成像設(shè)備組成，屬于近程探測(cè)識(shí)別系統(tǒng)，主要部署在警戒區(qū)域附近的高地，主要以太陽(yáng)能、蓄電池為能源，無(wú)須外部電源?！吧谒辈捎媚K化設(shè)計(jì)，能夠在復(fù)雜環(huán)境中工作，可根據(jù)任務(wù)需求訂制傳感器和電源，部署速度快，部署時(shí)間不超過(guò)3h。

圖2 “哨塔”探測(cè)識(shí)別系統(tǒng)。

根據(jù)不同的探測(cè)識(shí)別任務(wù)，安都瑞爾公司推出了兩種類型“哨塔”探測(cè)識(shí)別系統(tǒng)，分別是“遠(yuǎn)距離哨塔”（Long Range Sentry Tower）系統(tǒng)和“標(biāo)準(zhǔn)距離哨塔”（Standard Range Sentry Tower）系統(tǒng)。另外，為適應(yīng)不同的任務(wù)場(chǎng)景，安都瑞爾公司基于“標(biāo)準(zhǔn)距離哨塔”系統(tǒng)訂制了“寒冷天氣哨塔”（Cold Weather Sentry Tower）系統(tǒng)和“海岸哨塔”（Maritime Sentry Tower）系統(tǒng)。

1.“遠(yuǎn)距離哨塔”探測(cè)識(shí)別系統(tǒng)

“遠(yuǎn)距離哨塔”系統(tǒng)如圖3所示，配備了超高功率、可在360°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)的雷達(dá)，旨在對(duì)第一類和三類無(wú)人機(jī)進(jìn)行探測(cè)、識(shí)別、分類和跟蹤。技術(shù)參數(shù)詳見(jiàn)表1。

圖3 “遠(yuǎn)距離哨塔”系統(tǒng)。

表1 “遠(yuǎn)距離哨塔”系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)。

2.“標(biāo)準(zhǔn)距離哨塔”探測(cè)識(shí)別系統(tǒng)

“標(biāo)準(zhǔn)距離哨塔”系統(tǒng)（見(jiàn)圖4）可對(duì)地面威脅目標(biāo)進(jìn)行全天時(shí)監(jiān)視，可識(shí)別的目標(biāo)主要為人和車輛。技術(shù)參數(shù)如表2所述。

圖4 “標(biāo)準(zhǔn)距離哨塔”系統(tǒng)。

表2 “標(biāo)準(zhǔn)距離哨塔”系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)。

（1）“寒冷天氣哨塔”探測(cè)識(shí)別系統(tǒng)

“寒冷天氣哨塔”系統(tǒng)如圖5所示，專用于寒冷天氣條件下的場(chǎng)景，配備了發(fā)電機(jī)和內(nèi)部鏡頭加熱器，以防止攝像機(jī)積冰。

圖5 “寒冷天氣哨塔”系統(tǒng)。

（2）“海岸哨塔”探測(cè)識(shí)別系統(tǒng)

“海岸哨塔”系統(tǒng)詳見(jiàn)圖6，用于艦船、摩托艇和其他水上目標(biāo)探測(cè)，配備了雷達(dá)系統(tǒng)。

圖6 “海岸哨塔”系統(tǒng)。

“幽靈” 4無(wú)人機(jī)

2020年9月，安都瑞爾公司展示了最新研制的自主戰(zhàn)術(shù)無(wú)人機(jī)“幽靈”4（見(jiàn)圖7）。該機(jī)機(jī)載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)具備32位處理能力，搭載“柵格”智能指揮操作系統(tǒng)，可自主決策并對(duì)目標(biāo)執(zhí)行相關(guān)任務(wù)。

圖7 “幽靈” 4無(wú)人機(jī)。

“幽靈” 4無(wú)人機(jī)是一種便攜式無(wú)人機(jī)，機(jī)身采用鎂合金及碳纖維復(fù)合材料制成，具有防水、防風(fēng)、防雨功能，可執(zhí)行多種任務(wù)，1名操控員可在不到3min的時(shí)間內(nèi)完成組裝和飛行準(zhǔn)備?；凇皷鸥瘛敝悄苤笓]操作系統(tǒng)，無(wú)人機(jī)機(jī)載計(jì)算板卡能夠完成傳感器信息處理，物體自動(dòng)探測(cè)、分類和跟蹤。該型無(wú)人機(jī)采用單旋翼設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了垂直起降功能。其模塊化設(shè)計(jì)提高了任務(wù)載荷的集成度，使任務(wù)載荷更換和現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)更加便捷?！坝撵`” 4無(wú)人機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表3。

表3 “幽靈” 4無(wú)人機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)

“幽靈” 4無(wú)人機(jī)是探測(cè)識(shí)別系統(tǒng)的重要組成部分，可與“哨塔”探測(cè)識(shí)別系統(tǒng)、“鐵砧”無(wú)人機(jī)攔截裝置和“柵格”智能指揮操作系統(tǒng)配合使用，并利用無(wú)人機(jī)的機(jī)動(dòng)性和機(jī)載傳感器，為“柵格”系統(tǒng)提供空中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

智能指揮操作系統(tǒng)

“柵格”智能指揮操作系統(tǒng)是“無(wú)人機(jī)粉碎機(jī)”系統(tǒng)的大腦。其主要任務(wù)是，接收第三方傳感器的信息和“鐵砧”無(wú)人機(jī)攔截裝置傳輸?shù)淖陨頎顟B(tài)信息?！皷鸥瘛毕到y(tǒng)將兩者的信息進(jìn)行融合，然后在指定區(qū)域?qū)囕v、人員、無(wú)人機(jī)或其他具有威脅的目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別、分類和跟蹤，必要時(shí)控制“鐵砧”無(wú)人機(jī)對(duì)目標(biāo)無(wú)人機(jī)實(shí)行攔截。

安都瑞爾公司的人工智能設(shè)備主要集成于“柵格”系統(tǒng)中?！皷鸥瘛毕到y(tǒng)具有如下功能。

1.智能化目標(biāo)識(shí)別

“柵格”系統(tǒng)接收傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)并消除噪聲，通過(guò)智能算法完成環(huán)境狀態(tài)的實(shí)時(shí)認(rèn)知，它可以在單個(gè)管理平臺(tái)中自主將來(lái)自傳感器和數(shù)據(jù)源的數(shù)千條數(shù)據(jù)解析為智能化通用操作圖?！皷鸥瘛毕到y(tǒng)使用傳感器融合、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、邊緣計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能等技術(shù)來(lái)、識(shí)別、分類和跟蹤目標(biāo)。

在警戒區(qū)域內(nèi)，“柵格”系統(tǒng)接收傳感器網(wǎng)絡(luò)即探測(cè)識(shí)別系統(tǒng)傳輸?shù)墓鈱W(xué)、紅外影像等數(shù)據(jù)，采用基于深度學(xué)習(xí)算法的圖像識(shí)別處理技術(shù)，快速對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別、分類。目前基于深度學(xué)習(xí)算法的圖像識(shí)別技術(shù)已經(jīng)取得長(zhǎng)足進(jìn)步，其識(shí)別準(zhǔn)確率和識(shí)別速度等指標(biāo)已遠(yuǎn)超基于邊緣檢測(cè)等規(guī)則的傳統(tǒng)目標(biāo)識(shí)別技術(shù)。

“柵格”系統(tǒng)專為動(dòng)態(tài)環(huán)境而設(shè)計(jì)，在動(dòng)態(tài)環(huán)境中工作，必須快速地做出決策?！皷鸥瘛毕到y(tǒng)提供決策點(diǎn)并使用深度學(xué)習(xí)模型，向操作員提供決策支持，簡(jiǎn)化了決策過(guò)程，縮短了決策時(shí)間。

2.無(wú)人機(jī)指令傳輸

“柵格”系統(tǒng)利用深度學(xué)習(xí)算法快速完成計(jì)算，可在幾秒鐘內(nèi)將決策轉(zhuǎn)化為行動(dòng)，能夠在多個(gè)領(lǐng)域、地理位置以及復(fù)雜的通信環(huán)境中，對(duì)有人和無(wú)人系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)指揮?！皷鸥瘛毕到y(tǒng)具有自主協(xié)同能力，簡(jiǎn)化了分布式操作的復(fù)雜度。

“柵格”系統(tǒng)可以控制“鐵砧”無(wú)人機(jī)按照給定的坐標(biāo)點(diǎn)巡航，并對(duì)敵我雙方目標(biāo)進(jìn)行管理，在發(fā)現(xiàn)威脅目標(biāo)后，將確認(rèn)的威脅目標(biāo)統(tǒng)一顯示在軟件界面上，形成態(tài)勢(shì)圖。根據(jù)“柵格”系統(tǒng)的功能菜單，操作員命令“鐵砧”無(wú)人機(jī)撞擊指定的無(wú)人機(jī)，管理機(jī)載傳感器或指示警戒區(qū)域。

基于“鐵砧”無(wú)人機(jī)機(jī)載傳感器和地面探測(cè)系統(tǒng)提供的多層信息，“柵格”系統(tǒng)形成完整的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)圖，已成為無(wú)人機(jī)智能對(duì)抗和反無(wú)人機(jī)作戰(zhàn)的關(guān)鍵系統(tǒng)。

無(wú)人機(jī)攔截裝置

安都瑞爾公司“鐵砧”無(wú)人機(jī)攔截裝置的技術(shù)數(shù)據(jù)如表4所述。

表4 “鐵砧”無(wú)人機(jī)攔截裝置的技術(shù)數(shù)據(jù)。

“鐵砧”的攔截方式是直接撞擊目標(biāo)無(wú)人機(jī)。該無(wú)人機(jī)攔截裝置采用四旋翼布局設(shè)計(jì)，如圖9所示。電機(jī)位于機(jī)臂下方，槳葉升力面朝上。

圖9 “鐵砧”無(wú)人機(jī)攔截裝置。

圖10顯示，“鐵砧”無(wú)人機(jī)頂部裝有光電/紅外傳感器和照明裝置，因此該裝置可在白天、夜間和低能見(jiàn)度條件下正常執(zhí)行任務(wù)，并利用安都瑞爾公司開(kāi)發(fā)的計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)來(lái)瞄準(zhǔn)并撞擊目標(biāo)無(wú)人機(jī)。

“鐵砧”無(wú)人機(jī)攔截裝置具有三層結(jié)構(gòu)，如圖10所示。電池艙位于下層，以機(jī)架固定電池，無(wú)人機(jī)的重心在下層，穩(wěn)定性強(qiáng)；無(wú)人機(jī)機(jī)架位于中間層，電機(jī)及螺旋槳安裝在機(jī)架上；無(wú)人機(jī)機(jī)載設(shè)備均安裝在上層，比如機(jī)載光電/紅外傳感器、自駕儀、通信天線、GPS天線等設(shè)備，突出的天線保證遙控和GPS等信息傳輸順暢，降低干擾。上層外圍是硬質(zhì)金屬外殼，頂部為透明保護(hù)殼，內(nèi)含照明裝置、光電/紅外傳感器和機(jī)載板卡。由于擁有這種三層結(jié)構(gòu)，“鐵砧”無(wú)人機(jī)攔截裝置在撞擊目標(biāo)時(shí)，可以有效防止無(wú)人機(jī)機(jī)載設(shè)備發(fā)生損壞。

圖10 “鐵砧”無(wú)人機(jī)頂部的特寫(xiě)照片。

“鐵砧”無(wú)人機(jī)攔截裝置主要借助最上層的硬質(zhì)金屬外殼撞擊目標(biāo)無(wú)人機(jī)，如圖12所示。撞擊目標(biāo)后，如果機(jī)體未損壞，無(wú)人機(jī)可以安全返航；如果槳葉被打斷，或者安裝了電機(jī)的機(jī)架被撞斷，無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)失穩(wěn)，無(wú)法安全降落，這時(shí)“鐵砧”可打開(kāi)自身攜帶的降落傘，緩慢降落至地面，部分任務(wù)設(shè)備得到保護(hù)，可再次使用。

圖11 “鐵砧”無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)圖。

圖12 “鐵砧”無(wú)人機(jī)攔截目標(biāo)無(wú)人機(jī)。

作戰(zhàn)能力分析

動(dòng)能攔截屬于傳統(tǒng)硬殺傷方法。憑借“無(wú)人機(jī)粉碎機(jī)”解決方案，安都瑞爾公司在反無(wú)人機(jī)領(lǐng)域占據(jù)了一席之地，受到美國(guó)軍方青睞，主要原因是該公司大力推進(jìn)人工智能技術(shù)的研究和應(yīng)用，并形成基于“柵格”系統(tǒng)的集成化反無(wú)人機(jī)系統(tǒng)解決方案。通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)，該方案的探測(cè)識(shí)別系統(tǒng)可充分?jǐn)U展，并且能為指定任務(wù)訂制傳感器。因此，目標(biāo)探測(cè)識(shí)別可選用“哨塔”探測(cè)識(shí)別系統(tǒng)、“幽靈” 4無(wú)人機(jī)及第三方傳感器，豐富的探測(cè)識(shí)別手段大大提高了“無(wú)人機(jī)粉碎機(jī)”的探測(cè)識(shí)別能力。另外，多種探測(cè)識(shí)別手段的使用在一定程度上帶來(lái)了大量傳感器數(shù)據(jù)，基于人工智能技術(shù)的“柵格”系統(tǒng)能夠在動(dòng)態(tài)環(huán)境下自主處理數(shù)據(jù)，識(shí)別、跟蹤目標(biāo)，提供應(yīng)對(duì)方案，大幅降低了人工成本。操作員采納應(yīng)對(duì)方案后，“柵格”系統(tǒng)控制“鐵砧”無(wú)人機(jī)，通過(guò)實(shí)時(shí)的識(shí)別與跟蹤信息，指導(dǎo)“鐵砧”無(wú)人機(jī)對(duì)入侵無(wú)人機(jī)進(jìn)行攔截。相比于操控員控制無(wú)人機(jī)攔截裝置，“柵格”系統(tǒng)具有控制與反應(yīng)速度更快，響應(yīng)時(shí)間更短，撞擊精度更高等優(yōu)點(diǎn)，可有效提升攔截率。但是，動(dòng)能攔截方式瞬時(shí)速度快，機(jī)動(dòng)靈活，對(duì)傳感器等硬件設(shè)備的性能以及“柵格”系統(tǒng)處理傳感器信息的速度、指揮控制時(shí)間和跟蹤制導(dǎo)精度提出了更高的要求。

總結(jié)

安都瑞爾公司研制的“無(wú)人機(jī)粉碎機(jī)”系統(tǒng)采用無(wú)人機(jī)直接撞擊方式，對(duì)低慢小無(wú)人機(jī)進(jìn)行反制，具有直接快速、低成本、低附帶損傷和可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)。但是對(duì)于近距離、自主性高的入侵無(wú)人機(jī)，反制方來(lái)不及處置，軟殺傷方式無(wú)法有效反制或干擾，必須引入硬殺傷手段進(jìn)行反制。因此，“無(wú)人機(jī)粉碎機(jī)”解決方案無(wú)疑成為短距離內(nèi)反無(wú)人機(jī)的一種有效措施。另外，“無(wú)人機(jī)粉碎機(jī)”的探測(cè)識(shí)別系統(tǒng)無(wú)法探測(cè)遠(yuǎn)距離的目標(biāo)，且攔截范圍小，攔截能力和攔截效率不高，不適合遠(yuǎn)程或高速無(wú)人機(jī)反制。因此，針對(duì)實(shí)際戰(zhàn)場(chǎng)或核心區(qū)域，反無(wú)人機(jī)不能只憑借單一手段，往往須要軟硬殺傷方法相結(jié)合，遠(yuǎn)近反制相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)多手段，分層次反制。