跨界 · 融合 · 服務(wù) · 創(chuàng)新
摘 要: 無(wú)人機(jī)在枯燥任務(wù)領(lǐng)域、惡劣環(huán)境任務(wù)領(lǐng)域和危險(xiǎn)任務(wù)領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用，由于其具有低成本、 零傷亡、高費(fèi)效比等特性，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中屢立戰(zhàn)功。未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)是智能化、信息化戰(zhàn)爭(zhēng)，人工智能在給無(wú)人機(jī)帶 來(lái)巨大變革的同時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、安全性也越來(lái)越依賴于復(fù)雜電磁環(huán)境下信息的穩(wěn)定傳輸與掌控。無(wú)人 機(jī)在惡劣電磁環(huán)境下的生存能力、適應(yīng)能力，乃至電磁制衡能力一定程度上引領(lǐng)信息化裝備電磁攻防的發(fā)展趨 勢(shì)。綜述了無(wú)人機(jī)的電磁環(huán)境效應(yīng)與電磁防護(hù)技術(shù)，闡述信息層面與能量層面的無(wú)人機(jī)電磁反制與電磁防護(hù) 方法，以期從智能化角度實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)電磁攻防。
關(guān) 鍵 詞 : 無(wú)人機(jī); 電磁反制; 電磁防護(hù); 智能化
海、陸、空、天、電磁多域一體化作戰(zhàn)下，無(wú)人機(jī)在枯燥任務(wù)領(lǐng)域、惡劣環(huán)境任務(wù)領(lǐng)域和危險(xiǎn)任務(wù)領(lǐng)域發(fā)揮巨 大作用。未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)是智能化、信息化戰(zhàn)爭(zhēng)，隨著隱身技術(shù)、新材料技術(shù)、微電子技術(shù)等高新技術(shù)在武器裝備上的 廣泛應(yīng)用，無(wú)人機(jī)取得了突破性進(jìn)展，屢立戰(zhàn)功，特別是人工智能的發(fā)展給無(wú)人機(jī)帶來(lái)新變革。但與此同時(shí)，無(wú)人 機(jī)各項(xiàng)任務(wù)的完成也越來(lái)越依賴于復(fù)雜電磁環(huán)境下系統(tǒng)的抗電磁干擾乃至電磁打擊能力，無(wú)人機(jī)在惡劣電磁環(huán)境 下的生存能力、適應(yīng)能力，乃至電磁制衡能力一定程度上引領(lǐng)信息化裝備電磁攻防的發(fā)展趨勢(shì)。
1 無(wú)人機(jī)電磁反制技術(shù)
惡意無(wú)人機(jī)和有意無(wú)人機(jī)攻擊對(duì)軍事及民用目標(biāo)的威脅日益增大，無(wú)人機(jī)電磁反制技術(shù)成為新熱點(diǎn)，基于電 磁效應(yīng)攻擊并反制成為“必殺技”。而隨著無(wú)人機(jī)本身信息化、自主化程度顯著提高，抗干擾能力大為增強(qiáng)，依靠 固定頻點(diǎn)、功率壓制的簡(jiǎn)單手段難以制服無(wú)人機(jī)的惡意行為。為此，基于多種信息化手段，動(dòng)態(tài)多源電磁環(huán)境對(duì) 無(wú)人機(jī)的作用規(guī)律與機(jī)理亟需被認(rèn)知。
現(xiàn)有對(duì)無(wú)人機(jī)干擾的軟殺傷技術(shù)即電子干擾技術(shù)，包括通信干擾技術(shù)、雷達(dá)干擾技術(shù)、光電干擾技術(shù)、導(dǎo)航干 擾技術(shù)等。大型項(xiàng)目使用最多的無(wú)人機(jī)反制系統(tǒng)是雷達(dá)光電反制系統(tǒng)，它以雷達(dá)及光電協(xié)同探測(cè)為主要手段，雷 達(dá)遠(yuǎn)距離發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，光電跟蹤系統(tǒng)完成視距內(nèi)無(wú)人機(jī)的搜索、檢測(cè)與識(shí)別，干擾反制系統(tǒng)根據(jù)控制中心指令或預(yù) 定模式對(duì)識(shí)別出的無(wú)人機(jī)進(jìn)行驅(qū)離或迫降。小型項(xiàng)目主要采用無(wú)人機(jī)反制槍，在無(wú)人機(jī)通信或?qū)Ш筋l率上發(fā)射比 正常工作功率更大的無(wú)線電信號(hào)，對(duì)通信或?qū)Ш较到y(tǒng)起到干擾和阻斷作用，迫使其降落或返航。基于上述原理的 無(wú)人機(jī)反制系統(tǒng)研究日趨成熟，功能越來(lái)越強(qiáng)大，例如以色列拉斐爾先進(jìn)防御系統(tǒng)公司研制的無(wú)人機(jī)穹(Drone)除 了能阻塞無(wú)人機(jī)與地面遙控裝置之間的通信信號(hào)，還可以對(duì)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)信號(hào)進(jìn)行干擾;英國(guó)研發(fā)的 AUDS 反無(wú)人機(jī)系統(tǒng)能在 6 英里范圍內(nèi)檢測(cè)無(wú)人機(jī)，通過(guò)阻塞、干擾、誘騙來(lái)控制目標(biāo)無(wú)人機(jī);中國(guó)北斗開(kāi)放實(shí)驗(yàn) 室發(fā)布的誘騙式民用反無(wú)人機(jī)系統(tǒng) ADS2000，通過(guò)全面干擾、壓制、欺騙等方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)無(wú)人機(jī)的有效捕獲。
無(wú)人機(jī)摧毀的硬殺傷技術(shù)以定向能武器技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，主要包括高能激光武器技術(shù)、高功率電磁脈沖武器技 術(shù)。激光武器具有精度高、成本低、瞄準(zhǔn)即摧毀等優(yōu)點(diǎn)，無(wú)人機(jī)在激光武器面前躲避攻擊的能力較低。例如美國(guó) 陸軍在無(wú)人機(jī)硬殺傷挑戰(zhàn)賽中驗(yàn)證了“機(jī)動(dòng)型遠(yuǎn)征高能激光武器 (MEHEL 2.0)”的反無(wú)人機(jī)能力，可以 5 kW 高能 激光束成功打擊目標(biāo)。美國(guó)陸軍利用雷聲公司“相位器”高功率微波武器對(duì)抗無(wú)人機(jī)，可在搜索雷達(dá)的引導(dǎo)下跟 蹤無(wú)人機(jī)，通過(guò)蝶形天線發(fā)射高功率微波，損毀無(wú)人機(jī)內(nèi)部的電子器件。俄羅斯聯(lián)合儀器制造公司研制的微波武 器系統(tǒng)，通過(guò)發(fā)射超高頻微波，使無(wú)人機(jī)的通信系統(tǒng)失效，導(dǎo)致無(wú)人機(jī)失去控制，可應(yīng)對(duì) 0.8 km 范圍內(nèi)的無(wú)人機(jī) 群。我國(guó)在此方向上以國(guó)防科技大學(xué)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)最為明顯。
隨著軟殺傷和硬摧毀這兩類無(wú)人機(jī)反制技術(shù)的日趨成熟，未來(lái)將打破技術(shù)屏障，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)多源融合的電磁反 制，基于多種電磁效應(yīng)復(fù)雜非線性作用與響應(yīng)機(jī)理，實(shí)現(xiàn)寬帶與窄帶、信息與能量、干擾與損傷的多維度打擊。如 下述實(shí)驗(yàn)室對(duì)無(wú)人機(jī)通信、導(dǎo)航、探測(cè)和控制這 4 項(xiàng)關(guān)鍵性能的電磁環(huán)境效應(yīng)研究成果，以此綜述基于電磁環(huán)境 效應(yīng)可對(duì)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)采取的反制措施。
1.1 電磁反制無(wú)人機(jī)通信鏈路
目前無(wú)人機(jī)執(zhí)行任務(wù)仍主要依靠地面控制站進(jìn)行決策，采取的是上傳遙控指令，下傳遙感遙測(cè)信息的模式，進(jìn) 而無(wú)人機(jī)通信鏈路即數(shù)據(jù)鏈的電磁安全性是無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的重中之重。例如，美伊局勢(shì)緊張，美國(guó)多次派遣無(wú)人機(jī) 對(duì)伊朗實(shí)施抵近偵查，但伊朗毫不示弱，從 2011 年開(kāi)始相繼宣稱俘獲和擊落多架美軍無(wú)人機(jī)，包括 RQ-170“哨兵” 無(wú)人機(jī)、“掃描鷹”無(wú)人機(jī)、MQ-9“死神”無(wú)人機(jī)和 RQ-4“全球鷹”無(wú)人機(jī)[1]。這些無(wú)人機(jī)中部分機(jī)體完整無(wú)明顯損 傷痕跡，相關(guān)人員對(duì)此分析研判，認(rèn)為數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)艿诫姶鸥蓴_是美軍無(wú)人機(jī)被捕獲的重要原因。
對(duì)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)室條件下分別開(kāi)展強(qiáng)場(chǎng)連續(xù)波及強(qiáng)電磁脈沖試驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)在強(qiáng)場(chǎng)連續(xù)波下，無(wú)人機(jī) 數(shù)據(jù)鏈表現(xiàn)出豐富的效應(yīng)等級(jí)，包括性能下降、干擾、擾亂和降級(jí)。每個(gè)效應(yīng)等級(jí)的閾值均是以中心頻率為最低 點(diǎn)的“U”型曲線[1-2]。性能下降是在觀測(cè)數(shù)據(jù)鏈的誤碼率時(shí)，可明顯發(fā)現(xiàn)誤碼率顯著上升，數(shù)據(jù)鏈仍能保持正常工 作。干擾是數(shù)據(jù)鏈偶發(fā)失鎖，即偶然發(fā)生鏈路中斷，但依靠鏈路自身的處理機(jī)理仍能再次連通，保持正常工作。擾亂是數(shù)據(jù)鏈中斷失鎖，無(wú)法連通，但依靠地面端的控制軟件可軟重啟，恢復(fù)重新連通的狀態(tài)。降級(jí)則是數(shù)據(jù)鏈 失鎖，無(wú)法軟件重啟連通，只能依靠人為重新加電才能恢復(fù)工作，但并未發(fā)生硬損傷的效應(yīng)現(xiàn)象。同時(shí)，以 4 種無(wú) 人機(jī)數(shù)據(jù)鏈為受試對(duì)象，強(qiáng)場(chǎng)連續(xù)波 200 V/m 下均未發(fā)生物理?yè)p 傷，但效應(yīng)的豐富層次和效應(yīng)閾值與數(shù)據(jù)鏈本身有關(guān)。在寬譜高 功率微波下，數(shù)據(jù)鏈的效應(yīng)現(xiàn)象與峰值場(chǎng)強(qiáng)、重復(fù)頻率密切相關(guān)， 也展現(xiàn)出干擾、擾亂和降級(jí)的效應(yīng)現(xiàn)象，單峰值 80 kV/m 下未出現(xiàn) 硬損傷。在窄譜高功率微波下，數(shù)據(jù)鏈的效應(yīng)現(xiàn)象與中心頻率密 切相關(guān)，當(dāng)干擾頻率處于工作頻帶以外時(shí)，表現(xiàn)出干擾、擾亂和降 級(jí)的效應(yīng)現(xiàn)象;當(dāng)干擾頻率與工作頻率非常接近，數(shù)據(jù)鏈的效應(yīng)現(xiàn) 象與脈沖功率密度、脈寬、重復(fù)頻率、持續(xù)時(shí)間均密切相關(guān)，當(dāng)重 復(fù)頻率足夠高、脈寬足夠?qū)挘词馆^低的脈沖功率密度也可造成數(shù) 據(jù)鏈射頻前端損傷。圖 1 為高功率微波下數(shù)據(jù)鏈射頻前端低噪聲 放大器出現(xiàn)硬件損傷，導(dǎo)致無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈無(wú)法工作。
Fig. 1 UAV data link RF front-end damage
圖 1 無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈射頻前端損傷
1.2 電磁反制無(wú)人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)
無(wú)人機(jī)依靠衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)更新自己的位置，以便地面人員能夠及時(shí)掌握無(wú)人機(jī)的飛行信息，缺乏精 確的定位會(huì)使任務(wù)成功率大打折扣。相比于數(shù)據(jù)鏈，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)電磁干擾更加敏感，且導(dǎo)航信號(hào)頻段公開(kāi)，更 容易進(jìn)行有針對(duì)性的攻擊[3-4]。在現(xiàn)有的無(wú)人機(jī)飛行策略中，數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)軘_后仍可主動(dòng)地進(jìn)行返航操作，但當(dāng)衛(wèi)星導(dǎo) 航系統(tǒng)受擾后，無(wú)人機(jī)一般會(huì)采取原地降落的方式，這可使反制成功，獲取敵機(jī)。當(dāng)然現(xiàn)有輔助導(dǎo)航定位的方式很 多，例如高精度的慣導(dǎo)、地圖識(shí)別匹配等，但大部分中小型無(wú)人機(jī)受其最大起飛重量的限制、成本問(wèn)題和定位精度 的影響，仍以衛(wèi)星導(dǎo)航定位作為其主要的導(dǎo)航方式。例如，2011 年伊朗通過(guò)干擾衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，成功捕獲了美國(guó) 的 RQ-170“哨兵”無(wú)人機(jī);2019 年美國(guó)通過(guò)切斷波斯灣內(nèi)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的方式，使得伊朗無(wú)人機(jī)無(wú)法及時(shí)出動(dòng); 2020 年俄羅斯在中東地區(qū)通過(guò)干擾衛(wèi)星導(dǎo)航的方式，有效地壓制了敘利亞叛軍無(wú)人機(jī)的攻擊，并影響了美軍的導(dǎo) 彈發(fā)射以及 F-22 和 F-35 戰(zhàn)機(jī)飛行[3]。
針對(duì)無(wú)人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)室條件下分別開(kāi)展強(qiáng)場(chǎng)連續(xù)波和強(qiáng)電磁脈沖試驗(yàn)。在強(qiáng)場(chǎng)連續(xù)波下，無(wú)人機(jī)導(dǎo)航 系統(tǒng)表現(xiàn)出干擾、擾亂、降級(jí)的效應(yīng)現(xiàn)象，同時(shí)造成電磁環(huán)境效應(yīng)現(xiàn)象的干擾頻率帶寬遠(yuǎn)超過(guò)導(dǎo)航接收機(jī)的工作 帶寬，即使干擾頻率遠(yuǎn)離工作頻帶，甚至幾倍頻的情況下，一定的功率信號(hào)特別是寬帶干擾信號(hào)，仍可造成導(dǎo)航接 收機(jī)的阻塞。導(dǎo)航接收機(jī)出現(xiàn)干擾現(xiàn)象表現(xiàn)為各接收通道的載噪比下降，但該通道仍能正常接收定位信息，系統(tǒng) 可正常定位。擾亂現(xiàn)象表現(xiàn)為導(dǎo)航接收機(jī)開(kāi)始出現(xiàn)丟星現(xiàn)象，但此時(shí)接收機(jī)內(nèi)部跟蹤的有效衛(wèi)星數(shù)目仍滿足導(dǎo)航 接收機(jī)的定位要求，可正常定位。降級(jí)表現(xiàn)為導(dǎo)航接收機(jī)丟星數(shù)目較多，接收機(jī)定位失敗。圖 2 為某型導(dǎo)航接收 機(jī)在帶內(nèi)三源點(diǎn)頻電磁干擾下的效應(yīng)模型曲面[3]。寬譜高功率微波下，無(wú)人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)表現(xiàn)出豐富的前后門效 應(yīng)，這源于導(dǎo)航信號(hào)的敏感性，無(wú)論是電源、數(shù)據(jù)、控制端口及傳輸電纜的哪個(gè)部分，任意節(jié)點(diǎn)的尖峰脈沖、數(shù)據(jù) 翻轉(zhuǎn)等均可能造成導(dǎo)航接收機(jī)無(wú)法正常工作。窄譜高功率微波下，當(dāng)對(duì)導(dǎo)航接收機(jī)后門采用了穩(wěn)固的防護(hù)措施 后，導(dǎo)航接收機(jī)的效應(yīng)現(xiàn)象表現(xiàn)為與連續(xù)波一致的干擾、擾亂、降級(jí)，當(dāng)干擾頻率接近工作頻點(diǎn)時(shí)可造成接收機(jī)射 頻前端硬件損傷。
Fig. 2 Effects model surface of navigation receiver under in-band three-source electromagnetic interference
圖 2 某型導(dǎo)航接收機(jī)帶內(nèi)三源電磁干擾下效應(yīng)模型曲面
1.3 電磁反制無(wú)人機(jī)探測(cè)系統(tǒng)
探測(cè)系統(tǒng)是無(wú)人機(jī)重要的任務(wù)載荷，早期受載荷能力和成本限制，無(wú)人機(jī)掛載的探測(cè)系統(tǒng)相對(duì)單一，執(zhí)行的任 務(wù)主要是低空近距離偵察、監(jiān)視，提供圖像情報(bào)等。如科索沃戰(zhàn)爭(zhēng)中 CL-289 無(wú)人機(jī)、早期的紅隼無(wú)人機(jī)等，其探 測(cè)功能為單獨(dú)的紅外行掃描器和可見(jiàn)光攝像機(jī)[5]。隨著紅外、激光、多光譜探測(cè)技術(shù)發(fā)展，無(wú)人機(jī)探測(cè)光電系統(tǒng)集 多傳感器于一體，向全天候、高分辨率、遠(yuǎn)距離、綜合化、小型化發(fā)展。
由于無(wú)人機(jī)光電載荷是任務(wù)系統(tǒng)，搭載于無(wú)人機(jī)上的電磁環(huán)境效應(yīng)研究相對(duì)不完善，電磁防護(hù)能力較弱，容易 干擾。實(shí)驗(yàn)室條件下探測(cè)系統(tǒng)吊艙光電部分、帶有控制系統(tǒng)的吊艙整體、激光測(cè)距雷達(dá)等表現(xiàn)出明顯的性能下 降、干擾、擾亂、損傷效應(yīng)。性能下降為探測(cè)圖像出現(xiàn)噪點(diǎn)，激光測(cè)距雷達(dá)部分測(cè)試數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大誤差等，但不影 響對(duì)探測(cè)目標(biāo)或點(diǎn)云的判斷。干擾表現(xiàn)為圖像出現(xiàn)明顯的噪點(diǎn)、橫紋，或激光測(cè)距雷達(dá)探測(cè)距離超出系統(tǒng)允許誤 差，但借助于圖像處理、數(shù)據(jù)糾錯(cuò)等相關(guān)技術(shù)手段，仍可大致判斷探測(cè)目標(biāo)。擾亂為光電吊艙全部花屏、黑屏或圖 像卡死，無(wú)法完成圖傳功能，或激光測(cè)距雷達(dá)探測(cè)距離誤差較大，無(wú)法成為定位、定高等的距離依據(jù)。損傷為探測(cè) 系統(tǒng)出現(xiàn)硬件損傷，實(shí)驗(yàn)室條件下發(fā)生了光電吊艙電源部分損傷、激光測(cè)距雷達(dá) FPGA 電路損毀等現(xiàn)象。圖 3 為 某型探測(cè)系統(tǒng)光電吊艙在強(qiáng)場(chǎng)連續(xù)波作用下，典型干擾頻點(diǎn)上，隨著輻射場(chǎng)強(qiáng)度的增加，從噪點(diǎn)、橫紋、花屏、圖 像卡死變化的全過(guò)程。該型光電吊艙在強(qiáng)電磁脈沖下表現(xiàn)出極大不耐受。
Fig. 3 UAV optical pod is disturbed
圖 3 無(wú)人機(jī)光電吊艙受擾
1.4 電磁反制無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)
飛行控制系統(tǒng)是整個(gè)無(wú)人機(jī)的大腦，擔(dān)任統(tǒng)領(lǐng)工作，其電磁安全性在強(qiáng)場(chǎng)連續(xù)波和強(qiáng)電磁脈沖下均比較高。
而對(duì)于中小型無(wú)人機(jī)，由于飛控系統(tǒng)集成了較多的傳感測(cè)量設(shè)備，雖然其內(nèi)部程序不易打亂，但測(cè)量參量易受到極 大影響，不同型號(hào)的無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)表現(xiàn)出來(lái)的效應(yīng)現(xiàn)象非常分散。在強(qiáng)場(chǎng)連續(xù)波下，敏感頻率主要為控制系統(tǒng) 處理器頻率、氣壓計(jì)敏感頻率，或者任意可能引起場(chǎng)線耦合的頻率。圖 4 為某小型固定翼無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)內(nèi)部集 成的氣壓計(jì)數(shù)據(jù)受擾出現(xiàn)錯(cuò)誤，能導(dǎo)致經(jīng)過(guò)融合解算的無(wú)人機(jī)飛行高度出現(xiàn)較大誤差，進(jìn)而出現(xiàn)無(wú)人機(jī)飛行的驟 升或驟降。寬譜高功率微波下(見(jiàn)圖 5)，該小型固定翼無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)在輻射場(chǎng)強(qiáng)度單峰值達(dá)到約 80 kV/m 時(shí)，內(nèi) 部慣性測(cè)量裝置受擾，俯仰角、滾轉(zhuǎn)角以及偏航角均出現(xiàn)大于 50°的劇烈波動(dòng)，對(duì)無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)造成極大影響， 甚至可能引發(fā)墜機(jī)。綜上所述，利用電磁效應(yīng)反制無(wú)人機(jī)系統(tǒng)是最為行之有效的手段，各種電磁環(huán)境對(duì)無(wú)人機(jī)通信、導(dǎo)航、探測(cè)以及控制系統(tǒng)的作用機(jī)理為未來(lái)融合多種干擾和毀傷手段反制惡意無(wú)人機(jī)提供了理論支撐[6-10]。
2 無(wú)人機(jī)電磁防護(hù)技術(shù)
根據(jù)國(guó)外公開(kāi)資料，無(wú)論是從電磁干擾源、電磁脈沖武器的發(fā)展，還是利用無(wú)人機(jī)投放電磁脈沖彈來(lái)看，他國(guó) 已在無(wú)人機(jī)的研制過(guò)程中廣泛開(kāi)展電磁環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證，但采用的電磁防護(hù)技術(shù)鮮有報(bào)道。在實(shí)際針對(duì)無(wú)人機(jī)射 頻前端進(jìn)行強(qiáng)電磁脈沖試驗(yàn)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，他國(guó)無(wú)人機(jī)的射頻前端開(kāi)展了抗干擾和抗燒毀雙重設(shè)計(jì)，不單采取了 對(duì)信息層面的抗干擾防護(hù)設(shè)計(jì)，也開(kāi)展了針對(duì)強(qiáng)電磁脈沖的能量型防護(hù)設(shè)計(jì)，這說(shuō)明無(wú)論從效應(yīng)機(jī)理還是試驗(yàn)方 法、作戰(zhàn)性能評(píng)估等方面均已達(dá)到了較為成熟的應(yīng)用程度。我國(guó)無(wú)人機(jī)射頻前端抗干擾和抗燒毀設(shè)計(jì)注重信號(hào) 層面濾波，濾波參數(shù)如插入損耗、濾波陡度進(jìn)一步精細(xì)化設(shè)計(jì)將顯著提升抗干擾能力。存在部分射頻前端尚未開(kāi) 展抗燒毀設(shè)計(jì)，針對(duì)有意電子攻擊、強(qiáng)電磁脈沖攻擊的防護(hù)能力不足，復(fù)雜電磁環(huán)境下無(wú)人機(jī)整體電磁防護(hù)性能 有較大提升空間。
無(wú)人機(jī)電子化、智能化程度越高，對(duì)系統(tǒng)抗干擾、抗毀傷的要求也越高。當(dāng)然，抗電磁干擾、電磁防護(hù)加固手 段多種多樣，目前無(wú)人機(jī)在生產(chǎn)定型時(shí)，電磁兼容性、電磁環(huán)境效應(yīng)考核得到貫徹，智能化防護(hù)思想納入設(shè)計(jì)階段 取得初步突破。為應(yīng)對(duì)越來(lái)越準(zhǔn)確化、精細(xì)化的干擾體制，出現(xiàn)了智能化天線、多陣元天線、靈巧抗干擾、基于頻 譜感知與認(rèn)知的抗干擾、自適應(yīng)決策控制的無(wú)人機(jī)自主平臺(tái)等，這方面中電五十四所、中電十所等均做出了突出 貢獻(xiàn)。以往出于對(duì)電子器件保護(hù)、防靜電保護(hù)的設(shè)計(jì)思想，轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)對(duì)高功率微波等電磁脈沖武器而進(jìn)行綜合一 體化智能防護(hù)的設(shè)計(jì)思想。對(duì)射頻前端進(jìn)行強(qiáng)場(chǎng)連續(xù)波與強(qiáng)電磁脈沖常規(guī)抗燒毀設(shè)計(jì)成為主流，耐受脈沖峰值功 率 4 kW 以上的防護(hù)器件得以應(yīng)用，動(dòng)態(tài)可重構(gòu)防護(hù)陣列，綜合射頻前端超寬頻強(qiáng)場(chǎng)一體化防護(hù)，智能防護(hù)材料等 進(jìn)一步提升無(wú)人機(jī)惡劣電磁環(huán)境生存與適應(yīng)能力。在此領(lǐng)域，陸軍工程大學(xué)電磁環(huán)境效應(yīng)實(shí)驗(yàn)室具有相當(dāng)?shù)难芯?經(jīng)驗(yàn)，不單研制出了綜合射頻前端超寬頻一體化防護(hù)模塊樣件，還發(fā)展了智能防護(hù)材料、電磁防護(hù)仿生等新興交 叉學(xué)科。國(guó)防科技大學(xué)在電磁防護(hù)領(lǐng)域也具有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在強(qiáng)場(chǎng)防護(hù)方面做出了貢獻(xiàn)。
2.1 無(wú)人機(jī)傳輸端口的能量型電磁防護(hù)
要保證無(wú)人機(jī)系統(tǒng)正常飛行，首要是應(yīng)保證其硬件系統(tǒng) 不損傷，為此能量型防護(hù)是無(wú)人機(jī)系統(tǒng)電磁防護(hù)設(shè)計(jì)的必須 步驟。美國(guó)要求國(guó)家重大基礎(chǔ)設(shè)施均應(yīng)能承受強(qiáng)電磁脈沖 攻擊，必須加裝應(yīng)對(duì)強(qiáng)電磁脈沖輻射的防護(hù)模塊，目前已完 成了電子器件和集成電路的電磁脈沖加固測(cè)試，研制了面向 線纜和射頻端口的強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)模組，相關(guān)產(chǎn)品已面向設(shè) 備和系統(tǒng)全面鋪開(kāi)。圖 6 為美軍早期加裝的部分強(qiáng)電磁脈 沖防護(hù)加固模組[11-15]。
近幾年，針對(duì)射頻前端的電磁防護(hù)技術(shù)不斷突破，例如MACOM，Skyworks，Qorvo 等公司提供全系列的射頻和微波限幅產(chǎn)品，分類滿足射頻前端的防護(hù)需求。其中 MACOM 公司的 MADL-011014 高功率限幅器，能夠承受 100 W 連續(xù)波輸入功率，320 W 脈沖輸入功率，響應(yīng)速度小于 1 ns，1~2 GHz 頻率范圍內(nèi)插入損耗小于 0.6 dB，這一防護(hù)芯 片廣泛應(yīng)用于 L 波段射頻前端防護(hù)。此外，還有一系列可應(yīng)用于電源線、數(shù)據(jù)端口、控制端口等的防護(hù)模塊。國(guó) 內(nèi)外典型防護(hù)產(chǎn)品性能如表 1 所示[11,15]。
對(duì)能量型防護(hù)，電磁屏蔽、終端保護(hù)裝置和濾波、接地處理、合理選擇工作頻率、合理配置線路和電纜等設(shè)計(jì) 方法開(kāi)始貫穿防護(hù)設(shè)計(jì)始終。同時(shí)，越來(lái)越多的射頻前端收發(fā)通道共用，多任務(wù)多角色切換并具有超寬頻帶，這對(duì) 超寬頻射頻前端強(qiáng)場(chǎng)一體化防護(hù)提出了新挑戰(zhàn)。目前為解決射頻前端功能復(fù)用對(duì)強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)等級(jí)要求不同 的問(wèn)題，多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)提出了動(dòng)態(tài)防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，解決防護(hù)結(jié)構(gòu)可重構(gòu)、動(dòng)態(tài)化設(shè)計(jì)難題。實(shí)驗(yàn)室的研制水 平達(dá)到了分 3 個(gè)頻段覆蓋綜合射頻前端 1.5 MHz~18 GHz 工作范圍，高功率微波、核電磁脈沖、雷電電磁脈沖的 一體化防護(hù)能力。
Fig. 6 Part of the strong electromagnetic pulse protection and reinforcement module installed by the US Army
圖 6 美軍加裝的部分強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)加固模組
2.2 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)智能化抗干擾設(shè)計(jì)
在無(wú)人機(jī)系統(tǒng)信息型防護(hù)層面上，傳統(tǒng)抗干擾方法是無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的防護(hù)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，但這些方法均處于被動(dòng)模 式，缺乏電磁威脅感知能力，不能主動(dòng)地識(shí)別外界電磁干擾，有效地進(jìn)行電磁威脅預(yù)警，提供人工判決或自適應(yīng)輔 助決策[1]。為此，無(wú)人機(jī)自主智能所涉及的環(huán)境感知、數(shù)據(jù)融合、自主決策等關(guān)鍵技術(shù)正成為研究熱點(diǎn)。從電磁環(huán) 境效應(yīng)的角度，無(wú)人機(jī)能夠自主感知周圍的電磁環(huán)境威脅是開(kāi)展智能決策的前提和依據(jù)。通過(guò)在無(wú)人機(jī)機(jī)載端攜 帶類似于“頻譜儀”“多通道接收機(jī)”的模式，再輔助“智能天線”加以配合，即可識(shí)別外界電磁干擾的頻率、來(lái)向、 強(qiáng)度、樣式等，進(jìn)而評(píng)估電磁威脅等級(jí)。
電磁威脅預(yù)判等級(jí)可基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)、人工輔助判決等，如對(duì)某型無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈工作信號(hào)的電磁威 脅預(yù)判等級(jí)如圖 7 所示，當(dāng)電磁干擾信號(hào)強(qiáng)度超過(guò)安全閾值后，數(shù)據(jù)鏈開(kāi)始出現(xiàn)誤碼;若干擾信號(hào)強(qiáng)度超過(guò)預(yù)警閾 值，數(shù)據(jù)鏈誤碼率顯著提高;若干擾信號(hào)強(qiáng)度超過(guò)危險(xiǎn)閾值，數(shù)據(jù)鏈進(jìn)入臨界失鎖狀態(tài);若干擾信號(hào)強(qiáng)度超過(guò)紅線 即失鎖閾值，數(shù)據(jù)鏈路變?yōu)橥耆фi狀態(tài)[1,16]。在基于電磁環(huán)境效應(yīng)確定了電磁威脅閾值之后，即可采取一系列的 控制措施來(lái)規(guī)避干擾，如調(diào)整智能天線方向，提高工作信號(hào)功率，躲避干擾方向等，這與無(wú)人機(jī)的應(yīng)用方式密切相關(guān)。
2.3 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)抗擾抗毀新技術(shù)
除了必須對(duì)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行抗燒毀設(shè)計(jì)的硬件加固措施，采用除傳統(tǒng)抗干擾方法外的無(wú)人機(jī)電磁環(huán)境自主感 知與智能決策技術(shù)，還有許多新技術(shù)有望應(yīng)用于無(wú)人機(jī)系統(tǒng)電磁防護(hù)設(shè)計(jì)之中。在電磁防護(hù)材料方面，針對(duì)強(qiáng)場(chǎng)下無(wú)人機(jī)機(jī)體或設(shè)備的電磁防護(hù)急需發(fā)展智能電磁防護(hù)材料。例如，突破材 料絕緣/金屬相變的微觀機(jī)理、制備方法及性能可調(diào)控技術(shù)，研制臨界場(chǎng)強(qiáng)可調(diào)、脈沖響應(yīng)速度快、非線性系數(shù)高 的導(dǎo)電粒子填充型、金屬氧化物薄膜型自適應(yīng)智能電磁防護(hù)新材料，可為無(wú)人機(jī)強(qiáng)場(chǎng)防護(hù)提供技術(shù)支撐[17-18]。此 外，超材料技術(shù)也在部分設(shè)備中得以應(yīng)用[19]。
同時(shí)，在由無(wú)人機(jī)裝備智能向人體智能邁進(jìn)的過(guò)程中，突破從生物到電子的領(lǐng)域轉(zhuǎn)換科學(xué)問(wèn)題，通過(guò)研究仿生 防護(hù)材料、仿生器件及仿生智能計(jì)算系統(tǒng)，將生物原理引入電磁防護(hù)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，為提高電子裝備在復(fù)雜電磁環(huán)境 下的抗干擾與抗損傷特性，提供了一種全新的理論與技術(shù)支撐[20]。目前陸軍工程大學(xué)電磁環(huán)境效應(yīng)實(shí)驗(yàn)室基于神 經(jīng)信息編碼原理開(kāi)展了電磁防護(hù)仿生研究，將生物機(jī)制引入電磁防護(hù)領(lǐng)域，突破了神經(jīng)信息編碼的抗擾機(jī)制與神 經(jīng)電路的設(shè)計(jì)技術(shù)，建立了生物神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型，提出了具有抗擾機(jī)制的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)仿生電路的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)實(shí) 現(xiàn)了具有生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)抗擾機(jī)制的原型系統(tǒng)[20-21]。
3 展 望
無(wú)人機(jī)的技術(shù)發(fā)展與作戰(zhàn)使用必將帶來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的革命性變化，該領(lǐng)域?qū)⒗^續(xù)構(gòu)建自主可控、深度智能的基礎(chǔ) 前沿技術(shù)體系，支撐無(wú)人機(jī)各項(xiàng)性能顛覆式提升。對(duì)未來(lái)技術(shù)有以下展望:一是無(wú)人機(jī)的自主智能化水平顯著 提升，從適應(yīng)性自主到系統(tǒng)性自主，再到學(xué)習(xí)型自主，具備適應(yīng)性、自修復(fù)、智能性、協(xié)同性、自學(xué)習(xí)等高級(jí)自主 系統(tǒng)的特點(diǎn)。二是動(dòng)態(tài)多源電磁環(huán)境對(duì)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的影響規(guī)律與作用機(jī)理將被進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，突破軟殺傷與硬摧 毀這兩類技術(shù)之間的屏障，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)多源融合的電磁反制，基于多種電磁效應(yīng)復(fù)雜非線性作用與響應(yīng)機(jī)理，實(shí)現(xiàn) 多維度打擊。
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