如何用参数无线电定位方法解决小型无人机探测问题

简介：

本文研究了小型、超小型、微型无人机发展及其在军事冲突中的应用前景，分析了使用传统定位方法的雷达探测这些无人机的能力，提出了利用参数无线电定位方法解决小型无人机探测问题建议。

正文：

现代无人机具有无可争辩的优势，因此北约主要国家大力研发并大规模使用无人机。在军用无人机开发和制造方面，公认的领导者是美国、以色列和法国。今天，美国军队拥有近8000架无人机，而有人驾驶飞机的数量约为11000架。

俄罗斯武装力量也曾遇到过这种现象。例如，在2008年的俄格战争过程中，格鲁吉亚军队密集地使用外国制造的侦察无人机。针对这类目标的有效反制措施事实上并没有组织起来。俄罗斯当时组建的队属防空兵器集群对当时先进的小型侦察无人机几乎无能为力。

应特别注意，被称为多旋翼飞机的无平台多旋翼系统——超小型和微型无人机得到广泛使用。在俄罗斯

联邦武装部队在顿涅茨克和卢甘斯克共和国、扎波罗热和赫尔松地区的特别军事行动中，冲突双方都在积极使用超小型和微型无人机进行侦察和目标指示。此外，通过互联网商店网络就能够买到这些无人机，导致了它们得到大规模使用。就其特点和能力而言，业余无人机并不逊于一些部队使用的超小型和微型无人机。

*多旋翼飞机（multicopter，多旋翼直升机）是一种具有任意数量旋翼的飞机，其以相反的方向斜向旋转。

对列装的超小型和微型无人机进行分析表明，越来越多地使用内燃机和无整流子式电动机作及螺旋桨作为推进系统。以美国情况为例，根据专家V.别利亚耶夫的数据，在10个主要的无人机型号中（总数为437个），87%配备的是活塞发动机，4%配备燃气轮机，9%配备电动机。它们操作简单、可靠性高，并且成本低，这成为无人机制造商的决定性因素。在超小型和微型无人机中，使用各种型号的喷气式发动机是不合理的，因为其使用寿命短，燃料消耗大，重量和尺寸大，而且成本较高。

值得一提的是，旨在提高无人机续航时间的节能技术得到了积极采用。通过采用由非晶硅制成的超薄（比纸薄）高能太阳能电池，英国Qinetiq公司的Zephyr无人机能够飞行336小时22分钟8秒。该测试在亚利桑那州的沙漠中进行。Zephyr无人机的最大飞行高度为18000米。

如今，锂聚合物（Li-Pol）电池被广泛用作推进系统的电源，并且是超小型和微型无人机的必选解决方案。它们不可否认的优点是重量轻，每体积和质量单位的能量密度高，电池放电时电压降很低，没有记忆效应。此外，磷酸铁锂（LiFePo）技术的发展正在使上述参数优势大幅提高，蓄电池组的重量大幅减少，使用更加安全，工作温度范围更大（从-20°C到+40°C），这将使超小型和微型无人机的飞行时间和有效载荷质量比锂聚合物电池几乎翻番。

使用基于玻璃纤维和碳纤维以及强化环氧树脂的现代复合材料，在延长飞行时间、减轻超小型和微型无人机的重量以及增加其使用寿命方面发挥了重要作用。复合材料所承受的载荷与飞机制造中使用的传统材料（硬铝、铜、铝）相当，而其价格大大低于后者。通过真空成型方法制造超小型和微型无人机的机身和动力元件的技术，可以大大减少成品的制造时间和成本，这使其能够无限制地大规模生产。

在目前的条件中，探测和摧毁各种用途小型无人机已成为一个关键问题。下面，我们列出超小型和微型无人机那些令俄罗斯联邦空天军现役雷达最难发现它们的特性。首先是它们具有很小的有效散射面积（0.1～0.001米2），飞行速度极低（0～50米/秒），在极低的高度（从10米到100米）飞行，利用地形匹配技术进行隐蔽飞行，对飞行进行自动程序控制，可长时间处于部队战斗队形中（长达1昼夜）。

即使在无干扰的环境中，由于可以超长时间悬停，并且反射信号中没有或有极低的多普勒频率频移，地基雷达实际上不可能发现这种级别的超小型和微型无人机。在活动目标选择器（СДЦ -селектор движущих целей）滤波区域，极低的飞行高度导致无人机的信号完全丧失。它们的有效散射面积很小（0.1～0.001米2），并且采用了辐射吸收涂层，具有复杂的几何形状，这对信号的最佳处理提出了更高的要求。

在无人机各种有效散射面积之下，甚至在针对低空目标的操作模式下，使用俄罗斯空天军现役雷达对微型和超小型无人机的探测距离计算数据如下：

米波雷达——对于有效散射面积约为0.1米2的无人机来说是8-14千米，对于有效散射面积约为0.01米2的无人机来说是0.1-1.5千米。

分米波雷达——对有效散射面积约为0.1米2的无人机来说是9-16千米，对有效散射面积约为0.01米2的无人机来说是0.8-2千米。

厘米波雷达——对有效散射面积约为0.1米2的无人机来说是12-25千米，对有效散射面积约为0.01米2的无人机来说是1.4-2.8千米。

表中给出了俄罗斯空天军现役的低空雷达（雷达综合系统）探测有效散射面积为0.3米2和2米2的空中目标的能力。

低空雷达（雷达综合系统）对有效散射面积较小的空中目标的探测能力

雷达（雷达综合系统）的类型	对以下高度上的有效散射面积为0.3米2的目标探测距离，千米		对以下高度上的有效散射面积为2米2的目标探测距离，千米		地物回波抑制系数，分贝	距离分辨能力，米
	60米	1000米	100米	1000米
“卡斯塔”-2E2（当使用制式天线时）	30	-	41	95	54	300
35N6“卡斯塔”（在使用制式天线时）	24	-	32	95	53	450
ST-68uM	20	不适用	28	42	至少有48个	300

如果对有效散射面积为0.1米2的目标探测距离计算数据和工厂数据几乎相同，则对于有效散射面积为0.01米2的无人机而言，实际数据接近于零。

该表显示，没有关于有效散射面积接近0.1-0.01米2的微型和超小型无人机的探测和跟踪能力的数据。的确，最初没有为这些类型的雷达（雷达综合系统）提出探测微型和超小型无人机的任务。

在某种程度上，这个问题可以由俄罗斯陆军的便携式地面侦察站来解决，这类侦察站有：PSNR-8M（产品1L120M、1L112），FARA-VR（产品1L111M），“雏鹳”1L127，“旱獭”移动小型侦察站等。

大多数雷达的突出特点是：不间断地发射宽带信号，对接收的信号进行数字处理，使用带有电子波束扫描的相控阵天线，高抗噪能力，确保隐蔽性的快速调频，高机动性（由两名人员组成的班组即可挪动和展开雷达）。但所有这些能够探测微型和超小型无人机的雷达都在一个狭窄的扇形区域内工作，这对侦察目标的能力预先造成了一定的限制。

结论是明确的：无人机在各国武装部队各个环节的使用程度，以及它们解决的任务范围将不断增大。这一趋势将在未来几年内得以保持。有鉴于此，必须通过一项计划，针对这种级别和未来的微型和超小型无人机，设计和开发专门的雷达和火力毁伤兵器。 探测有效散射面积为0.01米2以下的目标的传统方法，不能解决所提出的任务。上面提到的俄罗斯陆军地面侦察站通常具有高度专业性，包括用于侦察敌人的炮兵阵地和保护边界。 本文作者进行了一系列实验室研究，通过鉴别无人机螺旋桨的转速谐波（反射信号的参数调制）来对各种无人机进行雷达探测，研究表明这项技术颇具前景，并为这项发明获得了专利。 《多基站隐蔽无线电定位系统中的小型空中目标特征实验研究结果》一文也阐述了顿河畔罗斯托夫市的“通信”设计局在无源定位场领域开展的研究结果。 总的来说，本文概述的问题在当今条件下具有极为现实的意义，值得军方和民用领域客户密切关注。

参考文献：

1.G.库兹涅佐夫专著《配备活塞式发动机的无人机：布局和结构》，莫斯科，“卫星+”出版社，2010年。

2.V.别利亚耶夫《空战：新威胁》，《航空航天》杂志，2004年第4期，第8—17页。

3.S.尤费罗夫《太阳能电池无人机或将严重挤压卫星空间》，链接：http://topwar.ru/32805-bespilotnik-na-solnechnyh-batareyah-mozhet-serezno-potesnit-sputniki.html（访问日期2022年10月16日）。

4.A.福明、G.沙伊杜罗夫《根据螺旋桨转速探测小型无人机的雷达参数能量估算》/第二届“通信和无线电导航系统”全俄科技大会论文集，年，第 186—189页。

5. 俄罗斯联邦2017年6月21日第2622908号专利《飞行器的雷达探测方法》。

6.G.别利亚耶夫、F.马基耶夫、U.切尔尼亚季耶夫、V.舍夫琴科《多基站隐蔽无线电定位系统中的小型空中目标特征实验研究结果》 // 《无线电技术》2016年第 1期第78—86页。

文章出处：俄国防部《军事思想》2023年第1期

作者：A.V.科戈京上校

G.Y.伊谢杜罗夫，技术科学博士

编辑：黄飞