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打造轻型机动反无人机平台,保护部队免受无人机威胁

202495日,美国现代战争研究所网站发布了一篇文章,讨论轻型、机动性强的反无人机平台应具备哪些能力以保护小型部队免受无人机袭击。

 

想象一下,你是一名步兵排长,正带领士兵以战术队形向目标前进。突然,间接火力如雨点般落在你的阵地上。你制定了应对间接火力的计划,并命令你的部队执行该计划。你的士兵训练有素,在能干的班长带领下,他们立即迅速地从受影响区域撤离。但当你移动时,你意识到间接火力正与你同行——你的士兵无法逃脱。你没有意识到的是,有一架小型无人机正在观察你的移动,让间接火力跟随你和你的士兵穿过树林。

现在想象一下同样的场景,只不过这次你有一个移动反无人机系统,可以跟踪和射击移动中的无人机。再一次,你的排与间接火力交战。再一次,你的排有一个计划并按照你的命令执行,你的轻便、机动性强的反无人机车辆可以随你移动,探测观察你排运动的无人机,并将其消灭。几秒钟内,间接火力就会停止。你的排可以安全地重组并继续执行任务。

由于反无人机车辆随排一起行驶并随时准备支援排,第二种情况可以完成任务。不幸的是,第一种情况对于当今的陆军小型部队更有可能发生。当前使用的反无人机系统是静态的或仅是半移动的,这意味着当反无人机系统运行时它们无法移动。这些系统在“固有决心行动”期间被证明足够了——正如我们在整合空域和对抗无人机威胁以支援行动时所经历的那样。但它们不适合机动部队在大规模作战行动中的任务集。对于那种环境,陆军需要一个真正机动性的反无人机平台,用于轻型机动部队。该平台必须能够探测移动中的无人机威胁并以动能或非动能方式交战,并且足够轻,以便从固定翼飞机后部进行空袭或空投。而且它必须能够应对未来无人机系统威胁的两个方面:一方面,价格越来越低廉的无人机系统将以越来越多的数量投入使用,甚至可能形成蜂群,并且必须使用电子战(EW)效应器进行攻击;另一方面,越来越复杂的无人机系统有可能完全抵抗电子战,因此最好的办法可能是通过动能拦截来消除它们。

考虑到这一点,合适的平台应该是什么样的?虽然需要采购优化系统的组件,但其中许多组件已在陆军服役,可以进行调整以满足未来反无人机的需求,同时允许未来的创新。

车辆平台

可构成轻型机动式反无人机系统基础的潜在车辆包括:

(1)M1301步兵班车辆(有效载荷3,200磅,最大总重量5,000磅);

 

(2)M1297地面机动车(有效载荷3,200磅,最大总重量7,300磅);

 

(3)MRZR Alpha 4轻型战术车辆(有效载荷2,000磅,最大总重量5,090磅);

 

(4)M3 RIPSAW遥控车辆-轻型(履带式车辆,预计有效载荷3,000磅,最大总重量16,000磅)。

 

大多数此类车辆平台刚刚开始由陆军各机动部队部署,包括第101空降师(空中突击)。根据最终车辆总重量,有些车辆可能比其他车辆更适合配备具有空中突击或低速空投能力的反无人机车辆。理想情况下,这种车辆可以陪同徒步部队尽可能靠近他们的目标区域。然后,当徒步士兵在目标区域执行任务时,它将保持足够近的距离以提供保护。

武器和效应器

1)反无人机空爆武器

配备“智能”弹药的25毫米或40毫米榴弹发射器可专门用于反无人机系统。弹丸将在飞行中爆炸,距离无人机目标一至三米。射程将由内置于瞄准镜或瞄准系统中的激光测距仪计算。扣动扳机后,三至五发弹丸将飞向无人机预计所在位置,然后在该位置及其周围爆炸。如果无人机改变方向或速度,爆炸将产生弹片云。爆炸弹片将使无人机推进或飞行控制系统失效。

2)电子战效应器

干扰无人机信号需要电子战系统。例如,带有放大器的Titan RF系统可能非常适合干扰或削弱小型无人机。车辆上的任何电子战系统都不必与动能武器共置或安装在平台上。该系统的拟议有效射程大于5公里。

 

3)更大规模的无人机威胁交战

一种以动能方式对抗大型无人机的选择是FIM-92毒刺导弹,它可用于防御任何低于15,000英尺(约4572米)且热信号足够大的无人机威胁。由于毒刺导弹的后喷区域,该武器必须安装在车辆上其他系统略上方,并且只能在相对于其他系统的一定自由度内运行。这可以减少对专用MANPAD(便携式防空系统)操作员的需求。该系统的有效射程为4公里。

 

图:FIM-92毒刺导弹

距离或时间定义的可编程爆炸空爆榴弹的单发成本和单次交战成本比向无人机威胁发射雷达制导导弹或数百枚大口径弹药要低。低成本弹药和紧凑型发射系统是解决系统疲劳和弹药供应限制的答案,目前这些问题限制了反无人机在战区中的部署。

更强大的目标捕获和交战解决方案可以采用通用遥控武器站(CROWS)之类的系统。CROWS之类的系统可以与RIPSAW之类的遥控车辆平台配合使用,成为非常合适的射击平台。具有这些功能的系统仍建议采用人在环交战控制,以防止误伤友军或中立无人机。

探测

在与无人机系统(无论是动能攻击还是非动能攻击)交战之前,反无人机系统平台必须首先能够探测到无人机系统。这可以被动或主动进行,但探测能力也取决于可靠的电源。

1)反无人机探测系统电源

应使用UPS(不间断电源)电池组和战术静音车载发电机来维持噪音控制,该电池组可提供四小时或更长时间的电力。发电机将在车辆行驶时为反无人机系统供电。目标是让发电机每满油箱提供八小时的电力来为反无人机系统供电并为UPS电池组充电。发电机所需的功率输出可能在三到十千瓦之间。UPS电池组主要在发电机关闭时使用。这种设计方案通过降低目标区域附近内燃机或发电机的噪音特征来提高单位的生存能力。

 

2)无源-有源组探测系统

无源雷达可通过测量潜在无人机运动引起的电磁频率变化来探测无人机。这种探测必须在作业区域内已经存在的各种商用电磁波中进行。基础设施区域内常见的电磁信号源和类型包括Wi-Fi、蜂窝、民用广播电视、商用卫星通信、卫星PNT(定位、导航和授时)、民航雷达和气象雷达。无源雷达的一个优点是它们不会泄露观察者的位置,因为它们不发射辐射。在商用电磁信号不持续存在的区域或电磁辐射源没有电的情况下,这种探测方式可能会减弱。

另一种传感器探测形式是利用光探测和测距,即激光雷达。它的工作原理是发射和接收从物理物体反射的非可见光激光脉冲。反射光被传感器接收并转换为该物体的数字图像。激光雷达可以与无源雷达结合使用,在短距离内创建高可信度的空中轨迹。激光雷达通常用于美国的汽车上,以探测道路上的其他汽车、行人或障碍物。当用于此目的时,激光雷达在车辆行驶时目前的探测范围约为250米。

一种融合声学和光学传感器的系统——多模态无人机3D轨迹曝光系统(MUTES)480米的距离进行了测试,并于2023年发表了测试结果。其报告结论如下:

结果表明,MUTES集成64通道麦克风阵列、摄像头和激光雷达,可为无人机提供90°×360°大范围探测和高精度3D跟踪。MUTES软件实现了由粗到精、由被动到主动的定位策略,通过精心设计的麦克风阵列捕捉声学特征并估计声源的粗略位置,利用光学模块进行进一步验证和跟踪。此外,该软件还在环境去噪模型中训练了提取无人机声学特征,克服了传统声源定位方法的缺点。三传感器融合的卡尔曼滤波算法被证明是有效的,并达到了RTK的精度。无论在硬件还是算法方面,MUTES都代表了一种创新的多模态探测和跟踪系统。

这表明无人机的组合探测和跟踪方法是有效的。未来的系统组合可以使用无源雷达、激光雷达、摄像头或声学传感器。

3)主动雷达选项

为了应对未来的威胁,能够在移动中探测1-3组无人机系统(最小系统的类别)的有源雷达是理想的选择。与M-SHORAD Stryker平台一起使用的RPS-42 MHR雷达可能适合这种车辆。这将包括固定在车辆不同位置的多个雷达,为机动连或排提供实时探测、预警和交战能力。这样还可以通过联合部队跟踪器(如Link 16)向邻近部队和更高一级部队推送航迹。理想情况下,该系统的探测距离为1520公里。

 

图:RPS-42 MHR雷达

4)主动识别增强器

强烈建议人机操作人员具备多种识别能力,以识别无人机并防止误伤。由于可能存在敌方威胁窗口和友方机动操作时间线,热成像和夜视也是必要的。以下系统已被证明可以提高防空系统的士兵杀伤力:热成像瞄准器、夜视仪、用于空爆手榴弹编程的激光测距仪以及友方无人机IFF(敌我识别)询问器。

 

图:热成像瞄准镜

网络连接

战术SIPRNet(安全互联网协议路由器网络)移动连接将允许该系统发送和接收空中轨迹,这将有助于过滤未知的空中轨迹。此外,这将有助于多个系统之间的通信,从而更容易决定战场上哪个系统具有最高的杀伤概率。

移动宽带套件或Starlink可用于连接战术SIPRNet。可配置一个Starlink系统、一个无线路由器、一个KG-175D TACLANE加密器、两个PacStar交换机和一个四端口路由器来提供此功能,所有组件均可装入一个中型背包中。该网络与前方区域防空笔记本电脑结合使用,可将轨迹从轻型机动反无人机车辆上的探测传感器上传到相邻单位和上级指挥部,同时还可将轨迹从上级下传。此功能提供两种功能:首先,它可让指挥官快速通知其排或连周围的空中威胁;其次,它可以更早地发出预警以机动空域中的威胁元素。

如果将这些能力整合到一辆重量轻到可以用直升机吊运的车辆中,那么探测距离可以达到20公里,电子战交战距离可以超过5公里,动能交战距离可以达到2公里。这样一来,机组人员就能看到接近其位置的轨迹,并有足够的时间警告相邻部队及其领导,然后在移动中用电子战和动能火力打击目标。这种轻量级解决方案还可以为以直升机为主要进入方式的偏远地区提供先进的反无人机能力。

当然,在这样的系统建成并投入使用之前,讨论仍处于概念阶段。但如果陆军将其作为优先事项,并致力于研制一种轻便、机动性强、燃料和电力消耗最少的反无人机车辆,那么它可能正是开篇提到的排长所需要的,以保护美国士兵免受不断变化的无人机威胁并完成任务。

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