工程视角：影响战争进程的小型无人机

摘要：自无人机在俄罗斯乌克兰作战行动中被大规模使用以来，制定潜在的应对措施，即反无人机系统，已变得势在必行。因此，基于过去和当前的冲突——包括乌克兰战争——本文分析了技术变革对战争的影响。具体而言，本文仔细审视了在现代战场上部署的无人机类型，以及面对这些新型威胁，如何保护关键基础设施、士兵和平民。

问题陈述：电子和电工组件的进步如何有助于开发针对新兴不对称威胁的有效反制措施？

那么这意味着什么？人工智能、网络安全、电子战等技术学科的多样性，以及所需的鲁棒性，要求政府机构、国防承包商、学术机构和军事利益相关方之间紧密合作，以显著加快反无人机技术的开发和采购进程。

颠覆性技术

多年来，操作无人机的门槛已大幅降低。价格的下降和全面的辅助系统使得即使是新手也能快速学习掌握飞行操作。因此，无人机已不再仅为航模制作专家所独有。无人机市场的主要参与者确保专业人士、爱好者和技术爱好者都能接触到无人机。这种简化且不受管制的无人机使用途径正在加剧对民用领域低空空域的干扰，尽管其在军事行动中的效用也在增长。相关风险是显著的，因为无人机有可能侵入敏感区域。民用领域的典型事件可能包括闯入或飞越机场、工业设施、惩教机构、兵营、军事训练场，以及许多其他受特别保护的建筑或区域。这些事件对航空安全构成挑战，并引发了日益与当今社会相关的重大法律和伦理问题。自2022年俄罗斯入侵乌克兰以来，无人机在现代战争中日益成为焦点。美国陆军野战炮兵部队的托马斯·R·斯通中校的一句名言阐明了这种方法：“永远不要派步兵去执行可以用炮弹完成的任务。”

在此语境下，炮弹或抛射体可以隐喻为一架无人机。从历史上看，无人机在战争中的使用已有多年。美国空军自1997年以来一直在使用无人驾驶航空系统，例如通用原子航空系统公司的RQ-1“捕食者”。如今，小型无人机正被用于各种冲突，表明它们不仅能够执行侦察任务，还能以最小的代价摧毁基础设施甚至装甲军用车辆。近年来技术上未有重大进步的、价格可承受的商用现货硬件，现在正与最先进的军事技术直接竞争。

对战争的影响

无论是侦察还是基于无人机的进攻性行动，例如空投炸弹或导弹，或实施自杀式攻击，都伴随着固有的风险，包括被敌军发现、电子对抗措施，或因技术故障导致的任务失败。因此，了解无人机的能力及其如何在进攻和防御性战争中使用至关重要。无人机要么非常快速和敏捷，要么快速而更稳定，这取决于有效载荷的要求。无人机的敏捷性由其尺寸、重量和构造决定。它们分为四类——固定翼、单旋翼、多旋翼和固定翼混合型。固定翼飞行的典型航程为500公里至1000公里以上。多旋翼无人机比固定翼无人机更敏捷，其操作距离可达数公里。

表1 示例：根据螺旋桨数量和“层”数划分的不同无人机类型

表1中提到的“层”是指电机水平方向的排列，无任何高度差。例如，如果两个电机上下叠放安装，则称为两层。不同的无人机类型具有特定的优缺点。多旋翼无人机的机动性远优于固定翼飞机。另一方面，固定翼飞机效率高得多，从而具有更长的续航时间和更大的有效载荷。

无人机也可以通过自杀式攻击或在目标上空投掷爆炸物的方式用作巡飞弹。此外，无人机的进攻性使用还包括在心理上通过其存在来伤害敌人的同时收集情报，这一点也不应忽视。在民用领域，被宣布为进攻性的无人机多用于监视、窥探人员或物体，或走私货物。

图：搭载爆炸物的自制第一人称视角无人机。

几乎所有无人机的运行效率和标准功能都显著受到环境因素的影响。此外，大多数无人机至少使用一种全球导航卫星系统。以DJI Mavic无人机作为标准商用现货产品为例，其最高可耐受的飞行条件列于下表中。

图：以DJI Mavic为代表的一款通用商用现货无人机的技术规格概述。

GNSS用于确定目标的坐标位置。原则上，接收设备必须同时接收来自至少四颗不同卫星的信号，才能确定其在欧几里得空间中的三个位置分量以及时间偏移。每颗GNSS卫星都配备有精密的原子钟，卫星在发送信号时传输其本地时间以及其时在空间中的精确位置。由于数据以光速传输，接收机可以通过计算信号传播的时间来确定到每颗卫星的距离。然而，干扰等威胁技术可用于操纵无人机与卫星系统之间的链路。干扰意味着GNSS信号受到同一频段内功率高得多的信号的干扰。自2022年以来，GPSJAM网站根据飞机关于其导航系统精度的报告，可视化地展示了GPS干扰。

先进无人机技术

无论无人机类型如何，其组件大体相同。一架基本的无人机由框架、电机、螺旋桨、电池、飞行控制单元、摄像头和遥控器组成。

近年来，无人机技术日益精密，传感器和人工智能的进步使其在受干扰环境和存在无线电干扰的区域具有更强的导航精度。需要指出的是，飞行控制器旨在执行一致的功能：利用机载传感器（如惯性测量单元）通过电子调速器控制各个电机，从而维持无人机的飞行路径。研究项目以及主流趋势正朝着为飞行控制器连接额外的高性能计算机发展，以便接管计算密集型算法（例如，摄像机跟踪、防撞、即时定位与地图构建以及射频嗅探）并控制飞行控制单元。

另一种源于实际需求、可被视为技术倒退的趋势，却在战场上提供了巨大优势，即使用光纤作为控制无人机和传输视频信号的传输介质。使用光纤控制的无人机，或更具体地说是"有线"无人机的概念，可以追溯到通过导线进行目视制导导弹的原理，即所谓的手动指令瞄准线系统。

图：配备光纤的第一人称视角无人机。

例如，一架第一人称视角无人机飞行时，其瓶状线筒会借助向前运动的拉力展开，从而防止光纤缠绕在树木和树枝等障碍物上，使敏捷的飞行动作成为可能。供应商给出的光纤抗拉强度为50 N，约等于5.1公斤。有线无人机的主要优点是其在射频频谱中不可感知，从而排除了干扰的可能性。具体而言，其高速度与唯一可通过高性能地基传感器系统（例如工作在可见光和红外光谱的摄像机、雷达以及激光雷达）进行探测的特性相结合，使得这些系统格外有效且危险。

总的来说，无人机模拟器是安全学习如何驾驶无人机的好方法。它们价格便宜、易于学习，并提供逼真的飞行体验——甚至能够修改天气、时间，最重要的是，无人机的配置。使用模拟器时的一个关键考量不仅在于经济层面（即最小的硬件开支），还在于防止因坠毁导致的硬件损耗。

表：一些第一人称视角无人机模拟器的对比。

使用模拟器的先决条件是拥有一台具有足够性能的计算机和必要的控制输入设备。这可以是任何游戏主机手柄，也可以是专业的遥控器，它们将充当输入媒介。遵循"像实战一样训练"的军事原则，建议使用专业遥控器开始训练，因为它允许进行更精确、更细微的控制输入。当然，也可以根据飞行员的需求进行定制。

• 反无人机系统

防御无人机需要一个能够在数公里外探测目标的综合系统，以便启动早期防御机制，例如启动拦截型无人机或使用固定式系统。所有机制可分为软杀伤机制（如捕获、干扰、欺骗）和硬杀伤机制（如摧毁或破坏目标以削弱其飞行能力）。种类繁多的无人机类型给防御系统带来了重大挑战，需要整合多种传感器以实现与现有基础设施的无缝集成。这种集成对于在军事和警务环境中有效利用这些系统至关重要。市场上大多数可用系统主要依赖使用雷达、摄像机和射频组件的地基系统。例如，可以使用安装在平台上的机枪或具有强方向性特性的天线。另一种方法是使用无人机系统防御更小型无人机。使用飞行系统带来了许多优势，其中最重要的是获得高度的灵活性和机动性。此外，特别是在禁止硬杀伤解决方案的民用环境或场合中，这种系统便于使用网捕获目标，然后以预定方式将其运走。当未经授权的系统上附有爆炸物时，这一点尤为重要。

图：装备三挺网枪的Argus拦截无人机。

无论是民用还是军事领域，都没有单一的解决方案可以解决或覆盖来自无人机的所有威胁，因为防御系统的开发本质上无法跟上快速演变的攻击手段的步伐。

• 无人机系统在俄乌战争中的应用

伊朗飞机制造工业公司制造的"见证者-136"无人机，估计续航时间约为6至12.5小时。这种固定翼飞机已在也门部署，并在乌克兰以"天竺葵-2"的名称使用。该系统配备重达50公斤的爆炸战斗部，由于其雷达截面积小，速度仅为50米/秒至67米/秒，相比速度达3马赫或1029米/秒的典型制导导弹产生的多普勒频移更小，因此很难被"铁穹"或"大卫投石索"等现有系统探测到。

最初，商用现货无人机被用作侦察平台，但通过最小程度的改装和使用3D打印的附加装置，手榴弹等爆炸物也已从空中投送。除了商用现货无人机之外，使用自制的、所谓的DIY无人机的趋势正在上升，因为它们具有显著更高的敏捷性和速度。飞行控制单元的开源社区，加上组件提供的灵活性，导致了其采用率激增。商用现货无人机主要通过2.4 GHz或5.8 GHz频率转换控制和视频信号。然而，根据国家代码和无人机软件，某些频道或整个频段会自动停用。尽管这些数字系统的成本远高于其模拟替代方案，但它们提供了加密通信的优势。第一人称视角无人机（俗称"竞速无人机"）采用模拟视频传输与光纤相结合，以确保无干扰和防篡改的传输。因此，在乌克兰，配备光纤的自制第一人称视角无人机的使用量显著增加。

军事思维

无人机作为一种日益增长的不对称威胁，必须作为士兵基础训练的核心组成部分加以应对。虽然先进的对抗技术仍是系统特定的，因此仅为特种部队专业训练的一部分，但所有士兵的基础训练中都应融入普遍性的认知和应对规程。鉴于无人机应用范围广泛，训练课程必须同时涵盖商用现货无人机和DIY无人机。学习过程的时长取决于具体且期望的操作类型。

操作无人机有两种途径。第一种是先在模拟器中完成培训项目，之后再进行飞行课程。第二种是只参加飞行课程。从获得的经验来看，可以推断，配备辅助功能的商用现货无人机，使得即使没有先前经验，也能立即开始飞行操作。

与商用现货无人机相比，操作第一人称视角无人机通常需要稍多的训练和经验，具体取决于任务。前者由于缺乏软件支持，坠毁的风险会显著升高，因此有必要先在模拟器中进行飞行操作。对于坦克或战斗机等传统武器和车辆而言，军事装备和训练可能非常昂贵。然而，使用对硬件要求极低的模拟器来训练士兵使用无人机，可以节省大量资金和时间。模拟器的运行成本极低，这使得它非常适合用于训练。一架无人机的平均成本约为500美元，遥控器在50至200美元之间。在模拟器中进行军事训练实际上可以随时随地展开——无需大型训练场地或大量装备。

模拟器的学习曲线非常陡峭。即使没有驾驶第一人称视角无人机的经验，大多数模拟器也提供入门教程。由于模拟真实的物理效果以及可调整控制设置，用户可以快速学习如何驾驶无人机。个人经验表明，在模拟器中仅练习几个小时，就能安全地将第一人称视角无人机保持在飞行状态。然而，在城市地形中进行敏捷、特技式的飞行动作，则需要明显更长的练习时间，预估模拟器时间可能超过50小时。

模拟器的另一个显著优势是能提供身临其境的虚拟战场体验，且无任何相关风险。先进图形、多样化地图以及一系列任务（包括竞速、自由飞行、空投和自杀式攻击）的整合，增强了这种沉浸式体验。

图：第一人称视角自杀式无人机模拟器画面截图。

• 敏感性认知

无人机的尺寸从人类拳头大小到翼展数米不等，其特点是速度快且难以捕捉，这使得在没有传感器系统支持的情况下进行侦察几乎不可能。还必须强调保护关键基础设施的重要性，包括指挥所、阵地和中继站。考虑到不断演变的威胁态势——特别是无人机入侵事件的日益增多，需要对稳健防护措施的需求变得更加紧迫，这要求制定及时有效的应对策略。此类保护的重要性超越了战场本身，在和平时期也涵盖军事训练区、关键基础设施和工业设施。确保这些实体的安全对于防范潜在的干扰、间谍活动和破坏至关重要。

虽然看似不言自明，但这一观察突显了当代空域监视中一个关键且常被低估的挑战。其视觉特征弱、机动性高、通常在低空运行，这些因素结合在一起，即使在最佳视觉条件下，也严重削弱了人类的探测能力。这突显了需要超越人类感知的先进探测系统的必要性。

• 战争的变革

无人机的军事应用改变了战争的方式。俄乌战争表明，无人机带来的威胁无处不在。具体而言，部署最经济的无人机，配合巧妙地安装挂架或空投机构，就是以摧毁价值数百万美元的装甲设备。

图：第一人称视角无人机摧毁T-90坦克。

在空中部署一架体积小、高度敏捷、速度快且配备稳定高清摄像头的无人机，是战争中用于炮兵校射、跟踪敌军动向乃至目标获取的关键工具。此外，无人机还改变了向前线士兵运送弹药、食物和医疗物资的方式，显著缩短了交付时间。在当代军事行动中，一对一的攻击，有时甚至是一对少数几个目标的攻击，变得普遍。这种现象部分可归因于单个无人驾驶航空系统有限的载重能力和续航时间，该系统包括一架无人机及其配套设备，如地面控制站和通信链路。据推测，未来由无人驾驶航空系统支持的战争，其特点将是空中、地面和水下无人机协同运作。单个无人驾驶航空系统的能力已在一系列冲突中得到展示。尤其令人担忧的是，部署多架无人机组成蜂群，利用人工智能支持的分析来识别弱点和分配目标所带来的后果。一群自主运行的“搜索头”的前景构成了重大威胁。

图：舰船起飞的无人机蜂群。

反火箭炮、火炮和迫击炮系统能否对此类威胁提供充分防御，其有效性值得关注。弹丸和导弹弹道预测与无人机轨迹预测的差异在于，前者遵循弹道曲线轨迹，而后者在飞行中能够向任意方向移动，这使得预测变得困难。当结合人工智能控制时，这种能力使无人机能够在给定的飞行路径上随机移动。

结论与展望

在现代冲突中，由于无人机被用于不同的场景，交战双方——无论是进攻方还是防御方——都必须应对快速演变的战争形态。使用无人机达成进攻目的的成功几率，远高于拦截或防御单架无人机，更遑论无人机蜂群。相比于利用现有系统、开发成熟的传感器与执行器技术并结合互联网上丰富的信息，研发防御机制是一个更困难且成本更高的过程。

当代的无人机技术源自竞速无人机运动领域。这些无人机既不坚固，也并非为恶劣环境设计；它们的工程目标是极致的轻量与高速。然而，如果军方在群体智能方面投入巨资，以开发坚固耐用的军用无人驾驶航空系统，那么一个完全自主、集成到指挥控制系统中的无人驾驶航空系统蜂群的前景，就会成为现实的可能。这样的蜂群可以作为网络化战场的一部分部署在陆、海、空或太空，具备探测并摧毁战术目标的能力。

单个组件已实现有效标准化，可以组装成功能正常的无人机并进行操作，而无需大量的先验知识。然而，未来的主要挑战将是建立组件的供应链，以减少对单个制造商的依赖。此外，重点现已从优化硬件的重量、速度、续航和敏捷性，转向开发日益依赖人工智能的软件，以在最恶劣的环境中可靠地实现自动化或自主任务。在反无人机系统方面，这些进展需要在一个使用多传感器和多执行器技术的系统中实现，以防范迫在眉睫的攻击途径。

例如，汉堡联邦国防军大学电气测量技术教研室专注于开发一种基于空基的多传感器系统用于无人机防御，以此作为一个应对多种不同类型无人机和威胁的基础概念。该系统可利用私有5G移动无线电作为鲁棒的集群通信系统，轻松部署于军事和民用领域。此外，主要使用摄像机而非雷达传感器、基于人工智能的探测与分类技术，使该系统对敌对观察者的电磁侦察而言是“隐形”的。该系统还将增强在受抑制的全球导航卫星系统环境中的运作能力。

尽管如此，必须承认当前系统架构存在若干局限性。虽然仅依赖光电传感器进行探测和分类在降低电磁特征方面具有优势，但这本质上限制了其在光照不足、恶劣天气或高对比度背景等次优环境条件下的作战效能。此外，私有5G集群通信网络在电子对抗或信号降级环境下的作战韧性和安全性尚未得到全面验证。鉴于这些限制，未来的研究应优先考虑异构传感器数据的多模态融合，结合无源射频传感、热成像和声学特征，以增强其在不同环境条件下的探测鲁棒性。同时，必须在模拟电子战场景下对5G通信层进行系统性评估，以衡量其在对抗领域中的可行性。还需进一步努力开发先进的机载自主能力，用于分布式决策，并在受抑制和受欺骗的全球导航卫星系统环境下进行系统的性能评估，以确保作战完整性和任务韧性。

参考来源：tdhj