小型商用无人机的安全性分析

安东尼·廷格尔 大卫·泰里

小型无人机系统技术逐渐成为一种极具颠覆性的商业技术，对人类社会生活构成了一种特别的“威胁”。与任何新技术一样，其军事用途能力尚未充分验证，但最近发生地几起事件则暴露了其潜在的危险性。

2013年9月，在德国总理安格拉·默克尔在发表竞选演说时，一架小型的无人机就在默克尔的附近徘徊。2015年1月，在白宫草坪上，一架小型无人机在本应受限制的区域随意降落且一段时间内并未被检测到。2016年8月，至少有5架小型无人机扰乱了洛杉矶附近的野火行动，使直升机因担心空中相撞被迫停飞。同时，美国联邦航空局每月收到超过100份关于小型无人机的投诉报告，与执法部门的纠纷案件数量也在增加。这些例子强调，这种新兴技术存在的不可预测的危险性甚至是致命性。

小型無人机是快速发展的商业技术的一个缩影。小型无人机的产量很高，但同时因为它具有破坏性，也在一定程度上挑战了国家联合防空的规定和原则，并重新定义了商业技术在军事中的用途。

特点和功能

商业技术的快速发展是小型无人机系统快速发展的直接原因。通信设备、密码学和轻质材料的改进使得目前的小型多旋翼无人机的外形有了一定的参考模型。这些无人机通常是指四旋翼无人机和小型固定翼无人机。美国国防部定义了第]级无人机，即重量不足201b的无人机，因为超过l级以上无人机的拦截速度很快，接近传统的防御空中作战速度。随着技术的进步，小型无人机的速度会更快，同时小型无人机的指令和控制距离、光电传感器分辨率、全球定位系统制导精度和战场自主性也会增加。随着材料科学的进步，尤其是考虑到自适应3D打印技术和碳纳米管材料，小型无人机将变得更小、更快、更轻，并且将会有更强的续航能力，也会承受更重的负载。小型无人机的基本物理结构使用先进材料，使得雷达难以识别。

虽然碳纤维和塑料材质（大部分的小型无人机都是由其组成的）减弱了雷达对信号的识别，但尺寸是对小型无人机雷达识别和跟踪的最大缺点。现代雷达技术有能力识别更小的物体。此外，小型无人机通常与其他空中物体一样难以区分，特别是鸟类。声相阵列和光电摄像机有希望能够解决这个问题，这些跟踪和识别技术的结合是抵御日益增长的小型无人机威胁的必要手段。

我们不能低估当前小型无人机的复杂性和重要性。由于小型无人机继续用于包括包裹递送和摄影在内的各种商业和私人目的，小型无人机操作人员的意图也难以分辨。与传统飞机不同的是，传统飞机需要跑道，可以提供更长的跟踪时间，但小型无人机能够迅速地在空中飞行并接近目标。

正确识别无人机是交战时非常重要的条件，特别是考虑在领土上部署反小型无人机措施时，包括执法封锁和平民伤亡的可能性。为了有效地对抗小型无人机，不仅要改进对抗技术，同时要发展有效检测、跟踪和积极识别威胁的能力。未来，材料学和计算科学的发展将使小型无人机作为进攻性武器的效能提高。随着战场自动化进程的推进，军队正朝着使用大量小型无人机的方向前进，这被称为“小型无人机群”。群体战术的使用增加了小型无人机的破坏力，使对手很难进行防御。在这方面，军队可能不得不重新考虑战场上的防御系统。

目前，小型无人机群的实际应用受到技术的限制，但所支持的技术快速进步使其应用有望实现。小型无人机的爬升能力、速度和灵活性直接取决于承载的重量，减少通信设备、传感器、机载处理器和动态负载的重量将增加性能范围和可操作性。同样，小型轻质动力和碳纳米管材料以及3D打印等相应制造工艺的进步，将使小型无人机更小、更快且具有更长的续航时间和更大的航程。

虽然小型无人机具有可操作性和集群特征，但智能算法是集群攻击的必要组成部分。同时，只有自主技术才能指挥和控制大量的小物体，目前部署或开发的许多小型无人机具备不同程度的自主性。因此，攻击小型无人机群是可行的，能够自动感知和防御弱点，从而相应地调整群战术。小型无人机群的策略和技术源自20世纪70年代早期出现的再入飞行器技术（ MIRV）。MIRV的概念包括使用在一枚弹道导弹上配装多个核弹头，大大增加了攻击的成功概率。但是，小型无人机在可操作性和着陆能力方面与MIRV不同，超出了简单的数值优势。进攻性小型无人机可以战术性地从MIRV对象中选择诱饵。随着MIRV诱饵的出现，配装同等数量相同物理特性的弹头，MIRV技术的经济性使得非对称优势得以实现。同时，使用诱饵可以降低攻击性大批量小型无人机的总成本。

目前，美国军方有多种方法可以有效地摧毁小型无人机。从2002年开始，“黑色飞镖”军事演习就把聚焦于对抗小型无人机所造成的威胁。演习采用了动力学和非动力学方法，测试了从0.5mm口径机枪到“海尔法”（Hellfire）导弹抵御这种威胁能力，其核心问题是要解决不对称和效率的问题。如何以一种实用且高效益的方式来抵御这些大量的价值高达1500美元的无人机是需要解决的问题。现有的反小型无人机的方法有传统的动力学方法和定向能的方法，每种方法都有对小型无人机防御的适用性。传统的空中防御的动力方式，只有在单个小型无人机入侵时可以做到低成本的抵御，但作战中是有多个小型且快速移动的目标，因此传统的防御手段在战术上是不够的。

目前的动力防御系统在对抗小型无人机群时缺乏覆盖性，覆盖范围小且精确度不足。这些武器系统不太可能在固定的位置上发挥特定的效果。虽然降低这些防御性武器的口径可能会增加射击速度，但相应射程要比期望降低很多。不考虑目前正在开发的轨道炮等武器，小型无人机最可行的直接动力防御方法是小口径精确制导弹药，精确制导弹药的微型化使得防御系统具备了在对峙距离内拦截大量小型无人机的能力。根据美国国防部官员的说法，“我们要求子弹是0.5mm的口径已经接近目标，但同时要保证把武器与传感器系统合二为一，要求速度快同时能精确地追踪人类的生物特征信号。在缺乏可行的“强力”区域防御方法的情况下，这些相对便宜的微型制导弹药在一定程度上可以防御大量的小型无人机。另一种抵御小型无人机的方法是使用其他小型无人机作为防御方进行攻击。前段时间在东京上空出现了一场“无人机战争”，日本黑帮使用小型无人机在东京全市范围内运送毒品，当警方抓捕这些无人机时，日本黑帮再次以攻击警察的无人机来进行报复。

因为小型无人机的灵活性使得对战双方都具有削弱或摧毁敌人的小型无人机的能力，像这样的便携式防御系统也可能对小型无人机不利。因此，将生物作为一种干预手段可能是更自然的解决方案。目前，已有研究表明，可以用鸟类来抵御小型无人机的攻击。美国空军学院最近进行了“猎鹰”（ Falcon）为期一年的研究。测试结果显示，猎鹰能够检测、识别、跟踪并参与特定的小型无人机攻击行动。与鹰等翱翔的鸟类相比，猎鹰在飞行时必须积极地扇动翅膀，将时间限制在20min左右。此外，每只猎鹰的训练时间约为4～5个月。虽然这项研究并没有涉及使用猎鷹来拦截不同类型的小型无人机，但项目研究负责人、美国陆军中校唐纳德·赖梅尔认为，训练猎鹰来对付不同类型的小型无人机是可能的。

美国陆军研发的定向能系统在尺寸和重量方面处于领先地位，而美国空军研发的系统性能不足。美国空军试图研发由飞机携带的定向能系统。目前，美国空军科学顾问委员会正在评估改进的AC-130H飞机对这些任务的要求，其中26个项目预计将于2020年完成。这个项目让人联想到现在已经失败的机载激光系统，美国空军只有将机载激光系统轻型化、小型化，才能安装在飞机上。最有效的定向能技术是利用高能微波武器来攻击小型无人机集群。类似于电磁脉冲EMP，这些微波武器能够使小型无人机的电子元件失效。虽然在城市环境或战场上使用EMP装置会对环境造成危害，但研发中微波武器将是对付大量小型无人机攻击的最有效手段之一。

商业适应性研发

自本世纪初以来，美国国防部已取得共识，有必要将商业技术集成到军事系统采购中。但是，目前，商业技术发展迅速，已经超过了传统的政府研发和采购计划。美国国防部已经适应了国防采购的商业影响，但是并没有意识到技术对国家安全的影响正在扩大。小型民用无人机等商业技术的崛起，不仅具有更大的商业机会，而且带来了更大的技术威胁。

与恶意软件对网络操作系统的影响相类似，商业技术的军事应用也会对国家安全产生较大影响。目前，美国国防部面对的挑战是，在现有国防采购流程下，如何应对这种新型快速发展的商业威胁。现有的国防采购范式依赖于通过商用货架系统和组件来满足需求。由于新兴的商用货架能力超过了政府研发机构的能力，美国必须制定政策以保证其与对手的技术优势，促进了美国国防部与商业公司的合作，使得美国国防部也能跟上新的商业技术的步伐。

与1957年发射Sputnik后美国国防部预研局的发展类似，首先，使用电子名片策略将有助于美国提前了解重要的商业技术。其次，对于商业公司和美国国防部来说，发现他们技术的额外用途可能会带来好处。技术的双重用途很少能立即显现出来，通过与大公司紧密合作，美国国防部能够发现新的军事和商业技术应用。再次，美国国防部可以恢复可能有用的技术，有些技术之前很可能被商业公司视为没有商业可行性，但美国国防部如果对这些技术感兴趣，就为这些技术提供一个“第二生命”的机会，从而可能再次实现商业化。最后，电子名片的构建降低了政府的研发风险。政府不再直接审查新技术，因为该行业在创新的成熟度首当其冲，还可以降低风险。例如，英特尔公司2013年的研发预算约为106亿美元。利用这些商业公司与政府研发部门进行合作，可以达到降低研发风险。

结束语

目前，最先进的商用小型无人机有很大的威胁性，并且正处于技术进步的最前沿，危险指数很高。特别是在群体战术中，小型无人机的不对称特性使得对方难以抵御。同时，小型无人机相对便宜且容易购买，导致它无处不在。据估计，仅在美国就有超过100万架的小型无人机。而相反，同期的防御系统则非常昂贵。通过大规模军事采购来对抗这种商业威胁，在经济上不仅很难承受，而且非常低效。此外，新技术的微小进步很可能会使得小型无人机在能力上产生质的飞跃，这进一步加剧了应对小型无人机检测和识别等防御性问题的难度。

为了应对这种威胁，美国必须研究商业小型无人机的攻击和防御理论，提高应对小型无人机的攻防能力。此外，应对小型商用无人机的威胁本质上是一种联合作战，需要在各军种之间实施技术协同，才能促进反小型无人机技术的发展和实施。现在，建议成立一个专门针对小型无人机的类似于联合临时威胁防御组织的联合组织。

此外，整合商用货架需求解决方案，不仅促进民营企业积极研发新产品，而且政府部门可以利用商用货架产品进行二次研发以满足新的军事需求。但是，这种研发模式只是简单满足政府需求，已经很陈旧。为了应对商用小型无人机的威胁，美国国防部必须与商业公司密切合作才能实现这一目标。

来自小型无人机的潜在威胁会促使军方对商业技术的使用产生新的思考和推动力。但是，也正是这种先进技术的商业应用才是对国家安全最大的挑战。