Electronic Information Warfare Technology
高频整流器
2021,36(3)
㊀㊀中图分类号:V279;TN97㊀㊀㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀㊀㊀文章编号:1674-2230(2021)03-0072-05
收稿日期:2020-07-24；修回日期:2020-08-25
作者简介：王智显(1981 )，男，硕士，高级工程师；张雁平(1962 )，男，研究员；詹雨飞(1999 )，女，电子科技大学学生，主要研究方向
为通信工程㊂
面向低慢小无人机的SKDC -LDS 技术
王智显1，张雁平1，詹雨飞2
(1.西南电子设备研究所，成都610036;2.电子科技大学，成都610054)
摘要：反无人机技术的发展很大程度上与无人机技术扩散带来的威胁有关，特别是在平时和战时环境中的低慢小廉价无人机㊂面对日益迫切的低慢小无人机威胁需求，全面分析威胁问题产生的根源和反制难点，系统总结国内外低慢小无人机探测和反制系统的产品和技术发展现状，提出架构统一㊁功能扩展㊁分层防御的SKDC -LDS (Soft -Kill Distributed Coordination Layer Defence System )系统解决方案，并分析定区侦察㊁定区干扰等急需突破的关键技术㊂关键词：低慢小无人机;SKDC -LDS ；定区侦察；定区干扰
DOI :10.3969/j.issn.1674-2230.2021.03.015
The Soft -Kill Distributed Coordination Layer Defense System Technology for the Low -Slow -Small Drone
WANG Zhixian 1,ZHANG Yanping 1,ZHAN Yufei 2
热升华转印纸(1.Southwest China Research Institute of Electronic Equipment,Chengdu 610036,China;
2.University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 610054,China)
Abstract :The rise of C -UAS technology is largely tied to the novel threats posed by the expan-ding use of drones -particularly Low -Slow -Small (LLS)inexpensive systems -in civilian and
wartime environments.With the growing demand for LLS drone threats,the causes of the threat
and difficulties of countermeasures are comprehensively analyzed and current status of product
and technology development of LLS drone detection and countermeasures system is systematically summarized.The system solution of Soft -Kill Distributed Coordination Layer Defense(SKDC -LDC)is put forward.The key technologies needed to be broken through urgently are analyzed,such as area -specific reconnaissance and area -specific jamming.
Key words :low slow small drone;SKDC -LDS(Soft -Kill Distributed Coordination Layer De-fence System);area -specific reconnaissance;area -specific jamming
1㊀引言
随着全球无人机市场的蓬勃发展，微小型无人机由于具有价格低廉㊁可获取性强㊁改装难度小㊁平台与载荷发展成熟㊁使用方便等特点，在侦察㊁监视㊁摄影等领域广泛应用㊂同时，不法分子利用微小型无人机对重要设施㊁敏感区域进行蓄
意窥探㊁袭击，对重点人员㊁重要活动实施，对民航安全造成很大威胁等㊂伴随着无人机产品与技术的快速发展，无人机威胁呈现出渐进式㊁逐步升级的发展态势㊂
典型无人机威胁事件包括:2015年1月，一架小型无人机失控坠入白宫，引发白宫安全恐慌;
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面向低慢小无人机的SKDC-LDS技术
2015年2月24日晚，至少5架小型无人机飞越美国驻法大使馆㊁埃菲尔铁塔㊁协和广场等地; 2015年4月，一架小型无人机坠落至日本首相官邸屋顶㊂
2018年8月5日，委内瑞拉总统马杜罗在首都加拉加斯进行国民卫队成立81周年活动时，遭到小型无人机暗杀[5]㊂暗杀行动共动用了3架携带的无人机,3架均成功引爆㊂爆炸造成至少7名国民警卫队士兵受伤，所幸马杜罗未受伤㊂这是世界首次使用小型无人机针对一国元首进行暗杀活动㊂
2019年9月，沙特阿美石油公司的设施遭到18架无人机和若干枚袭击并引发大火，导致两处石油设施关闭，沙特的日石油产量减少了约50%㊂
在民航安全方面，据美国巴德学院公布的一组统计数据，自2013年12月至2015年9月期间，无人机和遥控飞机与民航共发生了327起危险接近事件，其中28次导致航班为了避免与无人机相撞而改变航线㊂2016年5月，成都双流机场连日发现小型无人机在机场附近空域 黑飞 [4]，造成55个航班无法正常起降㊂
上述威胁事件的共同特点是均为低慢小无人机导致的㊂这些威胁事件一般分为两大类：一类是无意闯入 禁飞区 的，如影响民航安全的无人机；另一类则是蓄意窥探㊁预谋监视㊁有意攻击的，这一类的威胁尤其防不胜防㊂微小型无人机的目标特性如表1所示，低小慢无人机是指表1中的第Ⅲ类微小型无人机，具有飞行高度低㊁目标尺寸小㊁飞行速度大特点㊂ 为什么微小型无人机会对机场㊁油库㊁城市基础设施等造成如此严重的影响?主要原因在于，从军用角度来看，传统防空系统的主要作战对象是大型快速运动的目标，很多传统的防空系统无法对微小型无人机进行快速有效地发现㊁跟踪和反制；从民用角度来看，一方面，全球范围内有数以百万未登记注册的微小型无人机使用者，每架微小型无人机又不需要装载应答机，因此现有的空中交通管制系统无法对 禁空 区域出现的微小型无人机进行探测㊁识别和跟踪；另一方面，也没有专门的微小型无人机有效探测与快速反制技术和产品㊂
表1㊀无人机目标特性[3]
目标特性
无人机种类
大型Ⅰ
中型(集)
Ⅱ微小型
(蜂)Ⅲ尺寸/m>103-10<3
总重/kg>60025-600<25
载重0.2-2t10-200kg<10kg 速度/Ma0.6-0.80.3-0.8<0.3
高度/km6-301-9<6
航程/km>1000100-1000<100
航时/h6-403-120.5-2
材质
金属㊁复合
材料
金属㊁复合
材料
碳纤维㊁
复合材料动力
涡扇㊁涡喷㊁
活塞螺旋桨
基质稳搬运机器人小型涡喷㊁
活塞螺旋桨
机械发条
电动螺旋桨RCS/m2非隐身,
隐身设计
0.01
雷达红外
抑制设计
0.01-0.1
目标尺寸小
0.001-0.01红外辐射百瓦级10-20W/sr0.04-0.5W/sr 针对上述问题，不少国家和地区相继颁布了无人机管理办法，能够在一定程度上减少 黑飞 无人机事件的发生㊂但是，出台的政策和制度只能对于一般的微小型无人机玩家或者无意中闯入 禁空 区域的无人机操控者有约束，对于像袭击沙特油田基础设施的袭击者或者蓄意利用微小型无人机进行战略要地㊁城市机场㊁油田大坝㊁岛礁港口等基础设施的等目前并没有很好的应对手段，因此很有必要研究面向低慢小无人机的快速高效探测与反制技术㊂
2 难点分析
㊀㊀面对低慢小无人机威胁，各国军用和民用研究机构和用户一直难以到高效快速低成本应对的办法㊂
对军用来讲，陆军面临的威胁最有代表性㊂美国陆军2017年发布了‘美国陆军技术出版物(ATP)3-01.81：反无人机系统技术手册“[1]，该手册旨在协助训练和教育各陆军机动部队运用反无人机战术㊁技术和流程(TTP)，一定程度上解决了在传统的防空系统中如何被动安全地处理微小型无人机的攻击，但是仍然没有主动有效地解决
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面向低慢小无人机的SKDC-LDS技术
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微小型无人机的防御问题㊂
对民用航空来讲，小型无人机体型小巧且噪音极低，接近地面并且缓慢地移动或者盘旋，所以很难被发现或跟踪㊂即使被发现，如何击败小型无人机也存在一些问题㊂例如，没有击中目标的动能武器或撞击地面的碎片有造成附带毁伤的危险㊂此外还有成本问题，尤其是当对手使用大量相对廉价的无人机时㊂
目前，绝大部分对低慢小无人机探测与反制技术都是从其他技术领域借用过来的，这就存在这些技术在反无领域的技术适应性㊁环境适应性㊁安全性㊁低附带损伤性和高性价比等问题㊂对于野外场景，主要存在以下难点:
1)远距发现跟踪难
链路信号功率小，分布带宽大，频谱监测的远距离发现难；飞行速度慢甚至会悬停，基于多普勒检测的雷达发现难㊁稳定航迹跟踪难；光电探测的作用距离近，视场小，多目标能力弱㊂同时，由于低空飞行甚至贴地飞行，受视距限制，发现目标的时候距离已经非常近了；且由于视距遮挡原因很难侦收上行链路㊂
2)无人机目标识别难
电磁散射方面,RCS小，多普勒微动特征弱，基于雷达回波识别难；基于时频等多维统计参数识别又难以满足宽频带实时性要求㊂
3)高效反制难
电子干扰方面，侦收的是下行信号，但上下行链路可能位于不同的频段㊁采用不同的波形，因此基于上行信号的高效干扰难实现;HPM硬毁伤方面,HPM尚未投入实战，效能未完全见底，且稳定有效毁伤的作用距离较近；激光武器方面，虽然相对成熟，但有效攻击时间较长，同时多目标能力差；等动能武器采用 大炮打蚊子 的方式实际效果较差，且附带损伤大；网捕技术还很不成熟㊂
对于城市环境，除了野外场景的难点外，由于城市遮挡㊁人员密集㊁多径效应㊁电磁环境复杂等特点，还会叠加以下难点:
1)连续稳定跟踪难
如前所述，在克服相关野外场景的技术难点后，可以实现在一定开阔区域内对低慢小无人机的连续稳定跟踪，但是由于城市遮挡问题，通常情况下无人机对象的运动区域是不连续的开阔区域，因此造成无人机的连续稳定跟踪难上加难㊂同时，由于城市对电磁辐射的控制，雷达探测手段也会受到很大的限制㊂
2)城市复杂电磁环境下的无人机目标识别难
由于城市环境有众多的民用ISM设备，再加上城市众多建筑物导致的多径效应，导致如何从复杂电磁
环境和众多的民用电子信号中识别出无人机信号并进行高效反制是一个很大的难点㊂同时，城市环境中的人员㊁车辆㊁飞鸟㊁风筝等运动目标也给无人机目标的准确识别带来很大难题㊂3)低附带损伤控制难
由于城市环境人员密集㊁建筑物众多，无人机反制必须严格控制附带损伤㊂电子干扰必须考虑不能影响周围的ISM频段设备，不能影响民用导航设备的使用等;HPM设备由于可能会对民用电子设备造成毁伤，因此需慎重使用；激光武器由于通过烧毁无人机器件/材料的方式在无人机降落后可能会造成火灾等也需慎重使用；动能武器均不适合在城市环境使用㊂
3 国内外研究现状
㊀㊀针对日益迫切的反无人机威胁需求与上述难点，国内外开展了相关技术研究㊁产品研制和实战使用㊂据美国Bard学院无人机研究中心的2019年‘反无人机系统“报告对新闻㊁营销材料及其他公开信息建立的反无人机数据库的不完全统计[2]，全球目前共有约537个反无产品㊁涉及277个制造商和38个国家；其中，无人机探测系统175个，无人机拒止系统214个，探测和拒止兼备的系统有138个㊂尽管已经有这么多的反无人机产品，但是反无人机系统的技术挑战尚未完全克服㊂
通过对国内外的反无人机探测㊁定位与反制技术进行全面的分析，可以得出如表2和表3所示的各种技术优缺点对比㊂从表2和表3可以看出，无人机探测与定位技术总体上比反制技术更为成熟；任何一种太阳能沼气
探测㊁定位㊁反制技术都有它的应用局限性，单靠一种技术手段很难实现对低慢小无人机的快速发现㊁稳定跟踪和高效处置；相对而言，无源定位㊁频谱监测与链路干扰㊁导航干扰
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面向低慢小无人机的SKDC-LDS技术
等电子战手段具有发现早㊁处置快㊁全程使用㊁低附带损伤相对较小等特点㊂
表2㊀无人机探测与定位技术对比
序号名称
优缺点对比
成本
典型
精度
对飞手
定位
技术成
熟度
多目标
能力
全天候
电磁
辐射
发现
时间
应用
边界
1雷达高数十米否成熟较强是有数秒城市环境钢套箱
辐射受限
2外辐射源
探测较高数百米否较成熟较强是否数秒
要有环境
照射信号
3无源定位低0.1%R能成熟强是否实时
4频谱监测低3ʎ能成熟强是否实时靶机必须
辐射信号5光电探测较低数米否成熟弱白天晴天否数秒必须白天无
雾无云无雨
红外探测较低-否较成熟弱夜晚晴天否数秒热信号特征明显
声探测低5ʎ否较成熟弱非雨天否数秒声音信号特征明显
表3㊀无人机反制技术对比
序号名称
优缺点对比
成本精度附带损伤
技术成
熟度
对集
目标
全天候反制时间应用边界
1高炮高低大高差是分钟
2防空导弹高高大高差是分钟主要反制高
速大目标
3链路干扰低高小高好是实时4导航干扰低高小高好是实时5链路接管低高最小很低差是较长必须有链路信号收发
6网捕低较高小高差是不确定目标低速㊁
几乎不机动
7高功率
微波高高较小较高好是实时
载机上要有
电子系统
8高能激光高高较小较高差否数十秒与机身材料
和机动有关
9无人机
撞击低低较小较低差是不确定
撞击无人机
的飞行速度
和机动性要
优于靶机
㊀㊀虽然各种无人机探测与反制产品不断涌现，但实战条件下的真正效能存在不托底的问题，国内以国防科技创新特区主办的 无形截击 比赛最具代表性，该比赛重点对贴近实战条件下的反无人机产品和技术进行了系统性综合测试，期望有效考察反无人机系统的实际技术性能和作战能力㊂比赛结果表明，
没有万能的无人机探测㊁定位与反制技术，也没有攻不破的防御圈㊂
综合上述分析，目前来看，尽管国内外反无产品种类繁多，但是并未从根本上解决低慢小无人机的威胁问题，没有万能的低慢小无人机探测技术，也没有万能的低慢小无人机反制技术㊂为了提供更稳健的探测㊁跟踪和识别能力，很多系统需集成各种不同种类的传感器；为了提高拦截成功
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率，很多反无系统需组合使用各种拦截手段㊂4㊀系统解决方案与关键技术
4.1㊀总体方案
针对日益迫切的低慢小无人机威胁需求，综合考虑野外场景和城市环境应用，应该构建架构统一㊁功能可扩展㊁城市野外通用㊁性能可持续提升的系统解决方案㊂结合前述难点分析和国内外研究情况，从完整杀伤链的角度考虑，本文提出SKDC -LDS(Soft -Kill Distributed Coordination Lay-er Defence System)系统解决方案，即以电子战软
杀伤链为核心的分布式协同分层防御系统
㊂
图1㊀远中近结合的SKDC -LDS 防御示意图
远中近结合的SKDC -LDS 防御示意图如图1所示,SKDC -LDS 防御各技术手段能力范围图如图2所示㊂图2
中
表示对低慢小无人机的各
种低成本反制技术的作用距离范围
，表示对低
慢小无人机的各种低成本探测技术的作用距离范
围,
表示成本允许显著上升情况传统防空系统中各种探测反制技术的作用距离范围㊂基于频谱监测㊁无源定位㊁非协同探测㊁链路干扰㊁导航干扰等电子战技术的发现早㊁处置快㊁全程使用㊁低附带损伤相对较小等特点，建立以电子战软杀伤链为核心的远中近三层分层防御系统，各层的功能描述如下:
远区和中区通过电子战的频谱监测㊁非协同探测与无源定位技术早发现㊁早识别目标并引导雷达精跟踪，同步采用定向波束电子干扰手段对目标进行电子攻击，部分目标可能由于干扰而坠落，其他目标
由于干扰可能会悬停或显著减速，此时再根据这些目标的威胁等级以及与传统防空系统的连接情况，视情采用传统防空武器对目标进行攻击；近区仍然持续通过电子战的频谱监测㊁非协同探测与无源定位技术对于 漏网 的目标进
行稳定跟踪，持续通过电子干扰手段夺取无人机的控制权，并采用全向波束干扰构建全空域电子防御 金钟罩 ，迫使无人机无法采用无线电进行控制或导航㊁将无人机的运动速度进一步降低，同时根据应用场景和反制技术成熟度的不同采用高功率微波武器㊁激光武器等有较大附带损伤的手段㊁网捕等附带损伤很小的手段㊁链路接管等几乎无附带损伤的手段
㊂
图2㊀SKDC -LDS 防御各技术手段能力范围图
同时,SKDC -LDS 防御的系统架构是开放与可扩展的，一方面可以方便地接入各种探测和反
制技术手段，并支持数据存储和人工智能各种技术的学习训练；另一方面，也留有与传统防空系统的接口，可快速方便地与其连接㊂根据目标所处的不同防御层级和目标威胁等级㊁目标数量,SK-DC -LDS 防御的工作流程进行动态自主地采用最
佳处理流程㊂结合无人值守系统的发展要求,SKDC -LDS 能够智能融合多种感知手段㊁自主选择各种
反制手段，具备 目标发现->定位->跟踪->识别->引导->实时频谱监测->干扰->打击->效能评估 全链条作战任务㊂根据野外防空㊁城市复杂环境等不同的应用场景,SKDC -LDS 可以自动地裁剪各种探测和反制手段，并针对不同的场景自动地选取最佳处理流程㊂
4.2㊀需突破的关键技术
基于上述总体方案，结合已有其他领域的成熟技术，要实现对低慢小无人机的高效反制，需重点突破以下 增量 关键技术:
(1)定区侦察定位
针对复杂电磁环境，研究对电子信号的分布式定区侦察技术，达到对很小区域内的信号的逐一扫描与精确侦察，更进一步实现对无人机和飞手的频谱监测㊁无源侦察定位㊂
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