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微型無人駕駛飛行器（UAV），俗稱小型無人機，近年來取得了長足的進步，并被廣泛應用于各個領域。然而，它們可能被濫用于非法活動以及對安全和隱私造成的風險引起了人們的關注。為了解決這些問題，本文提出了一種能夠管理和控制反無人機系統的指揮、控制、通信和計算機（C4）軟件。該軟件解決方案包括一個易于使用的儀表板，用于處理和顯示來自監控傳感器的視頻數據。它集成了人工智能功能，包括目標檢測、目標跟蹤和小型無人機分類。在推理階段，無人機檢測和分類功能的網絡模型準確率超過 96%。在禁飛區部署了該解決方案，評估了它的有效性，它在禁飛區成功地識別和跟蹤了近乎實時的無人機。建議的控制系統提供了統一的信息，可以從檢測每個威脅開始管理整個反無人機過程。

圖 1. 擬議的分層儀表盤架構設計：(a) 管理組件層，(b) 分析組件層。

本文提出了一種人工智能驅動的數據分析與管理軟件（DAMS），可支持部署空防系統，以確保禁飛區、限制區或關鍵民用基礎設施免受無人機威脅。DAMS 結合了來自各種傳感器的數據，并控制硬件模塊和用戶權限。它利用 YOLOv5 模型的改進版，提供反無人機系統所需的功能。

擬議的解決方案集成了以下要素，以促進打擊惡意無人機過程中的指揮和控制操作。(1) 指揮部分指的是管理權限。它涉及行動的計劃、協調和執行，以及訪問權的分配。(2) 控制部分的重點是監控和調整正在進行的行動，以確保其符合指揮部設定的預期目標和計劃。(3) 通信部分處理不同實體之間的信息傳輸和交換。這包括數據傳輸和其他實時傳遞重要信息的手段。(4) 計算機部分涉及利用技術和計算機系統支持指揮、控制和通信功能。計算機用于數據處理、信息存儲、決策支持和其他與行動管理有關的任務。C4 系統旨在共同提高對態勢的認識、簡化決策過程、實現有效溝通并提高整體作戰效率。它在 C-UAV 行動中發揮著至關重要的作用，提供了實施指揮和控制所需的工具和基礎設施。該系統旨在支持反無人機系統探測、識別、跟蹤和消除無人機威脅。

如圖 1 所示，本文介紹了視頻數據分析儀表板的分層軟件架構，它分為兩層，以支持反無人機監控系統的運行。一方面，分析師層負責分析和處理數據。數據在這里進行轉換、清理和處理，然后發送到管理和可視化層，呈現給用戶。分析層還負責整合來自各種傳感器的數據。此外，他還提供數據和分析模型，為天空監測系統的決策過程提供支持。管理和可視化層則負責顯示數據和管理系統功能。這一層通常包括用戶界面，以及控制訪問系統數據和功能的組件和邏輯。它還包括管理應用程序的數據、安全性和授權的層。可視化層是系統的一部分，通過桌面應用程序為用戶提供界面，使用戶能夠與系統交互并查看數據。該層還可包括報告、屏幕和其他用于可視化和分析數據的工具。

2019-22 年是無人機系統在戰斗空間中使用的轉折點，無人機系統本身已經轉變為混合形式。無人機的發展軌跡與有人駕駛飛機相同，只是速度更快、精度更高。無人機實際上已將有人駕駛飛機從偵察和監視任務中擠出，并正在增加其在打擊任務中的比例。無人機要有效執行防空任務仍需時日。在可預見的未來，最佳的解決方案是將有人和無人系統結合起來，直到技術能夠支持更好地理解態勢感知以及指揮和控制方面的問題。

2019-22 年是無人機系統在戰斗空間中使用的轉折點。2019 年 9 月 14 日，無人機被用來攻擊沙特阿拉伯阿美石油公司（Saudi Aramco）位于阿布凱克（Abqaiq）和胡萊斯（Khurais）的國有石油加工設施，打擊了占世界石油產量 5%的石油生產。幾個月后的 2020 年 1 月 3 日，伊朗將軍卡西姆-蘇萊曼尼（Qasem Solemani）在巴格達國際機場外被美國無人機（UAV）發射的武器暗殺。這兩個最近在西亞有效使用無人作戰系統的例子表明了任務的有效程度及其具有全球影響的戰略意義。2020 年下半年，在阿塞拜疆與亞美尼亞之間的納戈爾諾-卡拉巴赫戰爭中，大量使用了無人駕駛系統來壓制一支強大的陸軍部隊。駐伊美軍多次遭到無人機襲擊，俄羅斯與烏克蘭的戰爭中也廣泛使用了無人機，這些都證明無人機已成為關鍵的作戰要素，盡管在過去四十年中，無人機一直在沖突地區零星使用。

下一代航空力量將圍繞無人駕駛系統展開，這些系統可以根據來自多個傳感器的輸入，考慮可能出現的情況，并思考最佳解決方案。戰斗將在計算領域進行，由信息提供所需的彈藥，引導機載武器攻擊所需的目標，并躲避攻擊目標的武器。與有人駕駛飛機一樣，該平臺必須具有多重冗余，并與其他平臺同步運行。

現代大規模作戰行動（LSCO）的特點是越來越頻繁和多樣化地使用集成到指揮、控制、計算機、通信、情報、監視和偵察（C4IRS）系統中的無人駕駛飛行器（UAV）。這些飛行器是現代 LSCO 中最重要的武器類型之一。任何人只要掌握了可以處理來自戰場的最新信息并將這些信息安全地傳遞到指揮中心的技術，就擁有了巨大的優勢，就有機會對那些以阻止進一步作戰工作為目標的單元造成巨大的破壞。重要的是，無人機必須通過選址行動、偵察和撤退路線進行一定程度的自我保護。本文介紹了在整編部隊指揮所中使用無人機執行各種任務的可能性，以及在以往現代武裝沖突中使用無人機的案例研究。

科學技術的迅猛發展，特別是第四次工業革命取得的重大成就，給社會生活領域帶來了許多變化。在國防和安全領域尤其可以凸顯出來，作戰活動有了顯著改善，科技成果的應用大大提高了單元的效率。現代作戰行動需要使用最先進的作戰資產來高效執行指定任務。無人駕駛飛行器的使用是現代作戰行動不可或缺的一部分。由于其用途廣泛，結構和作戰特點各不相同，為裝備這類作戰裝備的單元提供了廣泛的可能性。通過使用集成到 C5ISR 系統中的無人駕駛飛行器，可以實時了解戰場情況并提供網絡保護，這為決策者在作戰行動中及時有效地指揮部隊提供了可能。C5ISR 是指揮、控制、計算機、通信、網絡、情報、監視和偵察的縮寫，是 C4ISR 的升級系統，不包含網絡元素（圖 1）。在現代作戰行動中，使用了各種類型的無人機，從商用無人機到向指揮中心傳輸數據的武裝作戰無人機。無人飛行器在現代作戰行動中的使用越來越多，特別是用于偵察、監視和瞄準地面目標。無人駕駛飛行器要想在戰斗中發揮有效作用并滿足現代戰爭的要求，必須具備某些特征。

有大量論文涉及無人駕駛飛行器問題，而分析與無人駕駛飛行器集成的 C5ISR 系統應用情況的論文卻寥寥無幾。一些論文分析了無人飛行器在作戰行動中的應用。Mili? 等人分析了在城市環境作戰中使用無人機的可能性。Radovanovi? 等人描繪了在陸地安全區的保護和監測中使用民用無人機的可能性。Adamski 分析了現代武裝沖突中使用的作戰無人機的有效性。約維奇展示了無人機在反恐行動中的實戰應用。Petrovski 和 Radovanovi? 分析了針對陸軍需求與 C4IRS 系統合作使用心軸的情況。Ili? 和 Toma?evi? 分析了納戈爾諾-卡拉巴赫沖突對作戰無人機認知的影響。Bares 對集體安全系統中的 C4IRS 系統進行了互操作性建模。Radovanovic 等人分析了在迫擊炮單元實施無人機的可能性，以便通過與 C4IRS 系統合作應用火力管理系統來提高火力支援單元的效率。Petrovski 等人分析了地理信息系統與 C4IRS 系統合作在地理方面的應用，以滿足軍事需求。Cai 等人展示了小型無人機的未來發展趨勢。Horizon Global Partners 開發了支持 C2、C3、C4、C5、C6 - ISR 系統的平臺。Halkis 和 Adha 分析了面對網絡威脅的國防 C5ISR 數據鏈模型。Michaelis 分析了支持戰場上基于物聯網的 C5ISR 應用的解釋系統。Radovanovi? 等人通過應用模糊 AHP - VIKOR 多標準決策模型，分析了如何根據陸軍和警察戰術單元的需要選擇無人駕駛飛行器。Mahajan 分析了無人機在建筑中的應用。Mitka 和 Mouroutsos 根據用途對無人機進行了分類。Choi 等人在他們的作品中提出了一種由不同尺寸的發射線圈組成的多發射器系統，用于為無人機充電。Gupta 等人提出了無人駕駛飛行器的分類，并分析了無人駕駛飛行器及其組件的模型。?nidar?i? 等人展示了幾種類型的無人機和反無人機資產，以便在塞爾維亞武裝部隊單元中實施。Petrovski 和 Toshevski 展示了地理信息系統在地理偵察和 C4IS 中的軍事應用。?ársky 等人使用德爾菲法分析了捷克陸軍中多旋翼飛機的使用情況。談到作戰行動，Pytel 和 Cie?la 分析了在作戰行動中使用國土防御部隊的情況。Wrzosek 分析了現代指揮和未來軍事行動的挑戰。霍林和托馬西克根據烏克蘭沖突的經驗，分析了混合戰爭中的國土防御部隊。Selmy 分析了無人機在搜索和救援行動中的應用。Watts 等人分析了無人機在遙感和科學中的應用。Nohel 等人為捷克武裝部隊選擇了一種戰術無人駕駛飛行器。Mitrovi? 和 Bojani? 分析了俄羅斯聯邦武裝部隊營級戰術小組在現代沖突中的變化。Terzi? 等人確定了戰場的情報準備工作以及在城市環境作戰中使用部隊的模式。Ili? 等人以烏克蘭境內現代武裝沖突中的俄羅斯聯邦營戰術小組為例，分析了部隊建模。Radanovi? 等人分析了塞爾維亞陸軍行動的財務安全概念。Hlavizna 等人分析了開展電子戰以支持聯合行動的方法。

Slavkovi? 等人描述了地面部隊攻擊行動中的機動。Marinkovi? 等人定義了進攻行動中對地面部隊的空中火力支援。Hlavizna 在文章中研究了北大西洋公約組織和美國武裝部隊對電子戰（電磁環境中的軍事活動）的不同做法。

大規模作戰行動中的 C5ISR 系統

現代軍隊越來越依賴信息技術來支持任務規劃和執行。隨著對多域作戰（MDO）研究的不斷深入，預計常規任務行動將涉及網絡和物理資產之間的大量互動。在未來戰場上，這些網絡與物理的交互作用預計將由作戰環境的特征以及用于完成 C5ISR（指揮、控制、計算機、通信、網絡、情報、監視和偵察）任務的工具和技術所引入。美國陸軍 C5ISR 中心網絡安全服務提供商（CSSP）是一個全天候防御性網絡行動（DCO）組織，負責保護美國國防部和美國陸軍網絡免受敵對網絡活動的攻擊，并開發技術和能力供國防部內的 DCO 操作人員使用。

近年來，C5ISR CenterCSSP 一直在研究各種先進的數據可視化概念和策略，以提高網絡安全分析人員工作流程的速度和效率。為了實現這些目標，我們采用了虛擬和混合現實（VR/MR）工具來研究這些媒介是否能使 DCO 操作員進行有用的遠程協作，以及立體可感知的 3D 數據可視化是否能使 DCO 操作員對其數據集獲得更好的后見之明。使用聯合服務 C5I-ISR 和 C2（指揮與控制）集成，實現新的全域作戰聯合作戰概念。

要在傳統戰爭領域取得成功，就必須了解信息環境，包括頻譜、空間、網絡領域以及它們之間流動的數據。信息時代的戰爭就是根據精確的數據做出決策并取得成功。快速分析環境和對手以做出更快決策的能力是成功的關鍵。有效溝通的能力是任何現代軍事行動取得成功的關鍵。

這適用于每一個軍種、任務和訓練項目。現在，戰斗力與有效的情報收集和傳播在整個國防范圍內同時使用，以決定任何沖突的結果。C5ISR 技術有助于識別和應對各種事件。由人工智能和云技術驅動的現代 C5ISR 系統有助于為前線人員提供關鍵數據。

武裝部隊希望在復雜、有爭議和密集的城市環境中，以及在沒有內置平民人口和基礎設施的開放環境沖突中，能夠在決策方面優于對手。因此，C5ISR 系統擁有各種工具，可提供必要的信息，以便在空中、陸地、海上和網絡空間的復雜作戰場景中開展指揮和控制行動。

圖 4：不同環境下的 C5ISR，包括海、空、陸、賽博

C5ISR 系統整合作戰層面接收到的信息，生成作戰態勢，管理計劃、命令、報告，并在各級指揮部門之間傳播信息。作戰態勢感知是所有現代大規模作戰行動的基石。C5ISR 系統可無縫整合來自多個來源和傳感器的大量信息，并在此基礎上生成戰場態勢總覽，以便及時做出正確決策。

圖 5：各種作戰場景中的 C5ISR 接口示例

C5ISR 可在戰場上提供各種能力，對當前行動的結果產生積極影響。

表 4：C5ISR 系統支持作戰行動的能力

C5ISR 系統除了具備各種能力外，還有許多在戰場上有用的功能。C5ISR 系統通過其工具不斷收集和分類數據，以便在整個行動期間進行決策。它還包含用于戰略決策過程的工具，可以生成 “作戰命令”（戰斗/行動命令），并生成命令，確定要采取的行動、采取所有行動的時間以及采取這些行動的活動地理區域。除這些功能外，它還具有模擬和預測敵軍可能做出的反應并提供應對提示的功能。

無人機集成 C5ISR 系統

Svendsen 在他的章節中提到了更廣泛的目標獲取和指揮、控制、通信和計算機以及網絡方面的考慮--將其對 ISR 的評估擴展到了 ISTAR 和 C4ISR 企業。ISR 的領域在不斷擴大和延伸，特別是在結構和文化上都出現了更大的創新運動，從單純的 TPED（任務分配、處理、利用和傳播）活動轉向更多的以計算機速度實時執行的 “高科技情報企業”。

由于現在的技術飛躍越來越多地以商業市場的需求為基礎，軍事系統發現自己處于兩種截然不同的技術適應速度中。然而，軍事技術需要高性能的系統，因此必須將最新的高端技術集成到用于軍事目的的技術和系統中。然而，開發、實施和維護這類系統的成本很高，但現代世界的軍事行動卻越來越廣泛。這就需要一種防御能力更強的更現代化的通信系統，而 ISR 系統很容易提供這種能力。有鑒于此，設計、開發和實施 ISR 系統的初始成本較高，很可能會影響這些技術的進步和發展。因此，目前正在利用最先進的人工智能（AI）和云技術，專門開發符合上述條件的新一代 C5ISR 系統。先進的人工智能可以無休止地過濾海量數據，發現人類操作員可能忽略的趨勢。

C5ISR 技術正在進行重大改革，有望提高檢測率并縮短響應時間。借助人工智能的力量，指揮中心將能夠處理比以往更多的信息。相應地，機器學習功能也得到了開發，可在大型異構數據集中發現模式，并提高指揮官在作戰環境中使用的數據驅動決策工具的速度和準確性。此外，操作人員將能夠專注于指導有效的事件響應，而不是識別不同的趨勢，而現場團隊也將能夠借助改進的領域更輕松、更安全地應對事件。

基于以上所述，C5ISR 系統正常運行所需的物理世界相關數據（如地形、天氣、彈藥、敵軍兵力、網絡可用性等）可以通過使用無人飛行器以最簡便的方式獲取。此外，C5ISR 系統中與實際執行作戰行動有關的關鍵要素也借助與無人飛行器的集成來執行，除了上述戰場偵察外，還包括在無人飛行器上集成射擊和導彈系統、通信和 C5ISR 系統正常運行所需的其他傳感器。

圖 6：C5ISR 無人機向地面單元提供實時反饋

C5ISR 系統集成了眾多無人駕駛飛行器，從第一組的小型戰術無人駕駛飛行器到第五組的大型無人駕駛飛行器，這取決于系統本身、目的和執行的作戰任務類型。不過，大多數無人機的飛行速度相對較低，但 C5ISR 系統要求無人機長期運行，這樣可以提高效率，加強對戰場的控制，使系統有能力以最高水平完成所有任務。因此，必須根據系統和執行的任務，精心選擇無人駕駛飛行器的技術和戰術特點。

與 C5ISR 系統集成的無人飛行器使用推進器，有多種配置選項，包括集成武器和空對地導彈，用于火力支援或摧毀關鍵通信。此外，它們還必須支持 EO/IR 攝像機、合成孔徑雷達設備等，以便成功偵察和監測作戰行動過程，并收集必要信息，使 C5ISR 系統能夠最有效地運作。雖然 C5ISR 系統依賴于衛星通信系統和衛星支持以及通信支持，但大多數納入 C5ISR 系統的無人駕駛飛行器都配有通信中繼包，以方便在為支持 C5ISR 系統而開展作戰行動的戰場上進行控制和通信。

盡管當代無人系統在各種環境中都有應用，但它們在空域中占據著壓倒性的優勢。它們通常被稱為空中無人機或無人駕駛飛行器（UAV），而支持和控制無人機的系統則被稱為無人機系統（UAS）。空中無人機技術的廣泛應用導致其在戰場上的使用日益增多。因此，尋找有效的反無人機（反無人機系統）武器已成為一項嚴峻的挑戰。這項任務尤為艱巨，因為面對的是種類繁多的無人機系統，而它們的數量卻在以破紀錄的速度增長。目前，還沒有經過充分驗證的反無人機解決方案，大多數現有系統仍處于研究階段或新推出的原型階段。新出現的問題以及與之相關的一系列不確定性成為本出版物討論和介紹這一問題的基本依據。本文從現代戰爭的角度討論了防御無人機系統這一重要課題。作者探討了如何在軍事行動中規劃和實施反無人機防御，以及哪些技術解決方案可用于這一目的。在整個研究過程中，作者采用了各種方法，包括分析、綜合、比較和案例研究，主要是通過研究有關納戈爾諾-卡拉巴赫近期武裝沖突和烏克蘭持續沖突的公開來源信息。這些方法使作者得以驗證他的主要假設：目前尚無有效的無人機反制系統，尤其是針對可自主運行、利用人工智能算法制導和決策或參與大規模攻擊（被稱為 “蜂群”）的無人機。同時，指出應開發哪些新的技術解決方案以實現有效的反制措施，以及應將哪些戰術納入軍事訓練以應對這一威脅。此外，還討論了現有防空系統在多大程度上可用于反無人機防御，以及是否有針對此類威脅的有效部隊保護方法。

從納戈爾諾-卡拉巴赫沖突（Hecht，2022 年）和烏克蘭沖突（Wyrwa?，2022 年）得出結論，無人機在戰場上的廣泛應用已成為現實，無需再做說服工作。無人機不僅能執行觀察和偵察任務，還能執行打擊、運輸、搜索和救援行動等許多其他任務，顯示了其多功能性。目前，看到的無人機既有單個的，也有成群的，還有像可重構模塊智能作戰陣列（SWARM）這樣的機群。此外，大多數無人機的生產成本非常低，但其效能卻足以成功摧毀高價值目標和先進軍事裝備。無人系統的任務和設計多種多樣，因此需要有效的制衡措施，包括反無人機系統和反無人機防御方法。在這方面，研究課題的重點是反無人機防御，即一套旨在探測、識別和制服無人機（無人駕駛航空系統）的措施和作戰能力，以保護自己的部隊、軍事設施和民用物體。

由于現有的無人機設計種類繁多，因此采用了歸納法來確定具有代表性的無人機類型、任務和飛行特征。為此，采用了北約三級分類模型。隨后，可據此估算現有反無人機系統在打擊特定類別無人機方面的潛在效力。為此，對目前運行的反無人機系統進行了分析，同時考慮到其兩個主要功能：監測空域和打擊空中目標。因此，確定了這些系統在打擊無人機方面的能力和局限性。研究再次證實了作者的觀點，即當代反無人機系統能夠在有限的范圍內制服 1 級無人機，即迷你、微型和小型無人機。遺憾的是，這些系統無法同時對付大群無人機及其蜂群。目前，也沒有專門的反無人機系統可以對付 2 級和 3 級無人機。這些任務只能由防空系統來完成，而防空系統的成本巨大，往往高得不成比例。為尋求這一問題的解決方案，作者介紹了未來利用定向能武器（DEW）的反無人機系統的潛力，以及在推出更有效的反無人機系統之前應采用的新軍事戰術。作者還主張，有效的反無人機防御必須是多層次的，涉及可與不同類別無人機互動的各類反無人機系統。只有這些系統達到適當的飽和狀態，才能使軍隊在陸地和海上不間斷地執行任務。他還認為，反無人機防御的發展應被視為一個持續的過程，在這一過程中，應針對環境變化和新技術進步做出動態響應。換句話說，所提出的系統解決方案應具有開放式架構，允許在無人機平臺出現新設計、新技術和新能力的情況下進行調整。

反無人機系統

現代戰爭中使用的無人飛行器設計多種多樣，因此在構建和運行反無人機系統時必須考慮各種因素。其中，應始終考慮無人飛行器的以下特征：推進力、有效雷達截面、制導方式、作戰上限、飛行距離、空中續航時間、預期目的、作戰能力（包括收集情報、攜帶和發射有效載荷的能力）以及電磁干擾對策。

圖 2. C-UAS 參與中考慮的無人機系統特征。

反無人機系統的運作包括以下活動：探測、目標分類（識別）、跟蹤，以及向負責解除其威脅的執行器發出警報和傳送信息。根據目標的類別，這些任務可通過不同的系統、傳感器、探測和交戰技術來完成。目前，反無人機系統可分為兩個基本類別：空域監測系統和反制系統。

空域監測系統

監測系統既可以是主動的，也可以是被動的。在這方面，主要有四種無人機探測方法：

• 用于空域監視的電磁波雷達系統。
• 頻率信號探測器，用于探測無人機控制所使用的無線電信號。
• 聲學傳感器。
• 光學和光電設備，包括紅外熱像儀。

現代無人機大多由復合材料制成，因此雷達截面（RCS）非常低，難以被雷達系統探測到。它們可能被誤認為是鳥類，因為無人機通常沒有配備識別系統，而這種設計是有意為之，因為無人機經常在敵方領土上空作業。因此，雷達信息并不總是完整的，可能導致嚴重的并發癥，特別是當友方和敵方的無人機在同一空域運行時（Holland Michel，2019 年）。此外，無人機（UAV）的飛行高度比飛機或直升機低得多，在地形障礙物的掩護下機動更加自如。無人機能夠從簡易跑道和著陸點進行操作，在附近發射時，它們會突然出現在空域。所有這些因素表明，雷達偵察只能作為探測無人機的可能方法之一。

以識別為基礎的反無人機系統應依靠多種探測器或傳感器，基本上是各種組合和配置。其中一種傳感器是頻率信號探測器，可識別使用無線電波與其操作員通信的無人機。大多數遙控無人機的工作頻率在 2.4 GHz 至 5.8 GHz（Wi-Fi 頻率）范圍內（Gupta、Ghonge、Jawandhiya，2013 年），因此監測這些頻率有助于檢測其活動。一些基于三個傳感器的系統可以檢測到發射設備的 IP 地址并找到操作者。另一種無人機探測方法是跟蹤其視頻傳輸頻率。許多裝有攝像頭的無人機會向操作員傳輸實時視頻。視頻傳輸頻率因無人機類型而異，但常用的頻率范圍包括 2.4 GHz、1.2 GHz 和 5.1 GHz（Aouladhadj、Kpre、Deniau、Kharchouf、Gransart、Gaquière，2023 年）。掃描無線電頻譜是一種相對簡單的方法，不需要大量資金投入，但可能會因其他設備使用相同頻率而導致誤報。頻率信號探測器通常用于對付在可視范圍內控制的小范圍商用無人機。該系統的優點是被動性強，但在無線電信號高度集中的城市環境中進行跟蹤存在局限性，而且無法探測到預先計劃好飛行軌跡的無人機。

使用聲學傳感器也可以實現無人機探測。這些傳感器通常是定向麥克風或麥克風陣列，可以探測到無人機的聲音，并指示無人機接近的方向。與頻率信號探測器類似，使用至少三個麥克風是理想的配置，因為這樣可以提供被探測目標的三維圖像。這種系統的優勢在于它是一種被動探測方法，在視覺和無線電能見度有限的地區特別有用，而且可以與其他探測系統互為補充。由于麥克風設備重量輕，這些探測器通常具有很強的移動性。然而，聲學傳感器的一個重要局限是無法在嘈雜的環境（如城市地區或強風中）中工作，這可能導致探測距離有限，僅為 300-500 米左右（Vashisht，2021 年）。此外，一些無人機可能配備了降噪技術，在使用聲學探測器時應考慮到這一點。因此，應將這些探測器視為輔助系統，而不是獨立的解決方案。

光學傳感器，包括日光攝像機和紅外攝像機，也可用于識別空中無人機。這些設備的優點是可以根據無人機的形狀檢測和識別無人機，并記錄涉及無人機的事件。然而，這些系統的缺點是在惡劣天氣條件下可能會失效，如大霧、暴雨，有時甚至在夜間。此外，這些系統觀測空域的視野有限。

應將不同的傳感器和監測技術結合起來使用，以提高無人機探測的有效性并減少誤報。監測系統可以具有被動（觀察和監聽）和主動（向目標發送信號并分析其反射）兩種特性（Wang、Song、Liu，2021 年）。值得注意的是，與其他傳感器相比，雷達系統提供的數據最多，因為它可以探測到很遠距離的目標，并高精度地確定其位置，而不受天氣條件（霧或云等觀測因素）、白天或夜晚時間的影響。不過，應該記住，雷達系統的探測距離始終取決于無人機的大小及其有效雷達截面。

反制系統

打擊空中無人機有幾種方法。以下系統可用于此目的：

• 無人機飛行干擾系統
• 物理攔截系統
• 失效系統（火力、激光、電磁）。

干擾系統的使用涉及破壞射頻（RF）信號和干擾全球導航衛星系統（GNSS）的衛星導航信號，如全球定位系統（GPS）、格羅納斯（GLONASS）、伽利略（Galileo）或北斗（BeiDou）。射頻干擾需要發射無人機與其操作員之間用于通信的類似頻率的信號。這可能導致操作員失去控制，使無人機無法正常運行，被迫自動降落或返回初始起飛點。無人機通常依靠衛星導航信號來保持飛行方向和穩定性。干擾 GPS 信號可以通過在 GPS 系統使用的頻率范圍內發射強烈的無線電信號來實現。其后果可能是無人機在空域中迷失方向，失去飛行控制。頻率發射器操作的優點是中和無人機的成本低，被稱為 “軟殺傷”，缺點是射程短，可能干擾其他設備，包括自己的無人機。

對付無人機的另一種方法是使用物理攔截系統。在這種情況下，通常會使用地面網狀發射器，以便攔截飛行中的無人機并使其失效。另一種方法是使用其他無人機接近目標無人機，用網捕捉它，然后將其降落到地面。這種解決方案對配備旋轉螺旋槳、運行距離極短的小型無人機尤為有效。地面發射的網在 20 米到 300 米的距離內都有效（Robin Radar，2023 年），而從無人機上布下的網會大大影響無人機的重量、機動性和空中飛行時間。裝有發射器或布設網的無人機的重新裝載和重新發射時間也很長。不過，網基系統的優點是攔截精度高，附帶損害風險低。

最后一種也是最常用的在戰場上打擊無人機的方法是無人機失效，即在飛行過程中摧毀無人機。為此，通常使用機槍、霰彈槍或小口徑速射炮（火炮），它們也可用作高射炮系統。這種火力可以是目視、光學或雷達制導的。此外，就短距離快速摧毀小型空中目標的能力而言，反火箭炮和迫擊炮（C-RAM）系統似乎是理想之選。它們采用半自動作戰模式，由于使用可編程彈藥，擊中目標的概率很高。在火力系統中，還可使用便攜式單兵防空系統（MANPADS）和短程防空導彈系統（Dura，2023 年）。然而，必須注意使用這些系統的成本效益，尤其是在對付裝備旋轉翼的 I 類無人機時。這些無人機的生產成本與向其發射導彈的潛在成本相比低得不成比例。此外，這類無人機的飛行特性，如低速和低空，使其容易成為目標，并容易受到廉價、非專門化火力的攻擊。

在直接使無人機在飛行過程中喪失能力的系統中，最新的解決方案是基于定向能武器（DEW）的武器，這種武器利用光束聚焦能量。其中包括高功率微波（HPM）武器或高能激光（HEL）武器。高功率微波發射器（HPM）能產生強大的電磁脈沖，可摧毀無人機的電子設備或干擾其運行。使用這類武器的優點是非動能破壞。然而，其顯著缺點是需要將大量能量集中在光束中，因此必須使用大型、耗電的發電機，這限制了機動性和作戰能力（美國政府問責局，2023 年）。

高能激光武器（HEL）有多種類型，包括固體激光器（SSL）、化學激光器（CHEL）和自由電子激光器（FEL）。激光武器的工作原理是將電能轉化為光能，然后將光能集中到窄激光束中。與傳統槍械相比，HEL 具有若干優勢。它具有反應時間快、交戰速度快（激光束以光速傳播，可立即使目標喪失作戰能力）、因光束聚焦在較小的表面區域而具有較高的精確度、與傳統彈藥相比成本較低、無活動部件，從而降低了維護成本并提高了可靠性（CRS，2023 年）。

然而，值得注意的是，HEL 武器的開發和利用也伴隨著技術挑戰和限制，如激光系統的有效冷卻、在整個作戰范圍內保持光束穩定、產生足夠強大的光束以打擊遠距離空中目標，以及與 HPM 武器類似，使用機動性有限的大型發電機（D?browski，2017 年）。

說到對抗空中無人機，重要的是要注意沒有 “銀彈 ”方法能提供有效的無人機防御。無人機平臺的多樣化及其執行任務的廣泛性要求反無人機系統進一步專業化，同時利用動能和非動能作戰手段。目前，這些方法的結合以及采用具有不同探測和失效能力的系統的多層次方法可以在一定程度上減輕無人平臺（尤其是最小的無人平臺）帶來的威脅。然而，不幸的現實是，雖然這些系統能有效對付極小型無人機，但卻無法摧毀在高空和遠距離作業的二等和三等無人機。此外，由于缺乏多通道能力，在涉及大群無人機或無人機群的情況下，這些系統可能會失效。即使是最有前途的無人機反制措施，也無法在廣泛的作戰平臺上進行擴展和應用。盡管缺乏明確的解決方案，無人機反制市場仍在快速增長（預計到 2031 年底，市場價值約為 146 億美元）（Alied Marked Reserch，2023 年）。

應對無人機的方法（反無人機戰術）

在考慮應對無人機威脅的可能方法時，有必要討論目前的情況，即很難有經過實戰測試的反無人機系統。在大多數情況下，民用系統是經過改裝的，最初是為了保護機場免受私人用戶未經授權的進入，這些私人用戶通常在機場可視范圍內操作無線電遙控無人機。遺憾的是，如前所述，這些系統由于機動性有限、操作距離短，在作戰環境中通常無法發揮作用。同樣，手持射頻干擾器等便攜式系統也證明無效。其最大干擾范圍為 500-1000 米，電池壽命最長為 30 分鐘。人們很快認識到了這些局限性，因此開始實施在干擾設備射程之外部署無人偵察機的戰術。目前，偵察無人機通常在距離敵方陣地超過 1000 米的地方作業，并采用光學或數字變焦技術進行觀察。此外，烏克蘭沖突中的經驗表明，無人機操作員在野外使用信號增強天線，使干擾工作更加復雜。另一方面，衛星導航（GPS）信號干擾系統只有在選擇性戰術情況下才有效，這意味著它們可以在敵方無人機系統不使用時干擾敵方無人機行動。因此，這些系統更適用于保護城市和關鍵基礎設施，而不是直接用于戰場。同樣，干擾作戰無人機也具有挑戰性，因為無人機飛行高度很低、速度很快，而且利用地形掩護，因此很難將電磁發射器對準它們（Wyrwa?，2022 年）。

戰場上解除無人機威脅的主要手段是火炮和導彈防空系統。但需要注意的是，根據其使用原則，這些系統都部署在軍事行動的后方。因此，前線防線仍然很脆弱，容易受到無人機的攻擊，特別是那些在極低空飛行的最小的 1 類無人機。在這種情況下，對付它們的方法之一是用小口徑單兵火器（小武器、機槍、霰彈槍）與之交戰。然而，由于無人機體積小、速度快、機動性強，這種交戰的效果有限。目前，還可以使用由佩戴護目鏡的操作員控制的第一人稱視角（FPV）無人機，從無人機的視角直接觀察敵方最小的無人機，從而使其失效。FPV 無人機的時速可達 100 公里，可用于直接（自殺式）攻擊敵方無人機。不過，使用這種無人機需要經過嚴格訓練的操作人員，具備在戰場條件下高速操縱這種飛行器的能力。

不過，摧毀 2 級和 3 級無人機的能力仍在專業防空系統的能力范圍之內。遺憾的是，這類措施的成本效益通常不利于防御系統。傳統的中程甚至短程防空導彈非常昂貴，而無人駕駛系統則價格低廉，應用廣泛。相比之下，一枚 “愛國者 ”導彈的成本約為 300 萬美元，一枚用于基輔防御的 NASAMS/AMRAAM 導彈估計為 100 萬美元（Partrige, 2022），而俄方使用的沙赫德-136 “神風 ”無人機的成本（視型號而定）僅為每單元 2 萬至 6 萬美元（Sof, 2022）。

此外，使用無人機群或無人機群的性質要求防空系統達到相當高的飽和度，以保護軍事編隊的優先要素。另一個問題是識別無人機的能力，因為無人機被有意設計為在敵后行動，而且沒有配備敵友（IFF）識別系統。由于這些原因，遵守空域管制規則和執行空域管制措施也具有挑戰性。因此，有必要開發一些系統，如利用人工智能（AI）的系統，可以根據無人機的輪廓、特定偽裝、工作頻率或操作方法識別無人機。

目前，由于缺乏有效的反無人機措施來保護部隊，因此有必要制定反無人機戰術（Michalski & Michalska, 2017）。這些戰術不僅應包括主動措施，如探測、偵察、警戒和制服無人機，還應包括被動防御措施，旨在保持軍事力量的生存能力和存活率。在被動反無人機防御領域，必須規劃隱蔽和偽裝等活動，使用欺騙、人工誘餌、陷阱和誘餌。應盡可能將無線電波輻射、電磁輻射和噪音降至最低。在能見度低或夜間條件下規劃部隊調動和部署至關重要。采用分散兵力和防御網絡有助于攔截在友軍陣地和關鍵作戰系統上方執行神風特攻隊任務的游蕩彈藥和無人機（ATP 3-01.81, 2023）。雖然這些措施可能不是最具創新性的，而且在某種程度上與偽裝和部隊保護的一般原則相一致，但在無人系統威脅很大的情況下，這些措施可能特別有用。

無人駕駛飛行器（UAV）又稱無人機，它的發展給航空業帶來了革命性的變化，并已成為現代戰爭的一部分。無人機最初是為軍隊開發的，用于執行對人類來說 "枯燥、骯臟或危險 "的任務，如今，無人機已被用于支持大量非軍事任務，如治安和監視、航空攝影、包裹遞送、森林火災監測和撲救、農業、基礎設施檢查和科學工作等。無人機的軍事用途始于越南戰爭，但在伊拉克沖突以及后來的阿富汗沖突中都有廣泛使用。最近，在阿塞拜疆與亞美尼亞的沖突中，智能無人機的使用使阿塞拜疆明顯占了上風。土耳其的 TB-2 無人機被烏克蘭非常有效地用于收集情報，以對付強大得多的俄羅斯。顯然，無人駕駛飛機技術現已成為增強戰斗力的手段。

大多數無人機都有一名操控員，他從遠程位置駕駛無人機，通過安全的通信鏈路控制無人機的使用。人工智能（IA）和機器學習（ML）以及高速機載計算的進步使無人機能夠自主運行。在大多數空中任務中，無人機正在迅速取代人類。無人機被用于空中加油，無人駕駛旋翼機在移動的船只上自主著陸，無人機利用太陽能執行長時間飛行任務，還有無人駕駛或可選擇有人駕駛的戰斗機。無人機正在成千上萬地組成完全協調的飛行群。有人機-無人機空中編隊，即一架有人機控制一組無人機。這種編隊將利用兩種類型的優勢。作戰無人機正被用于情報、監視和偵察（ISR）、電子戰、地面打擊任務和空中作戰。大型無人機執行貨運任務的工作已經開始。實際上，有朝一日無人機將執行所有類型的空中任務。

無人機的尺寸和重量多種多樣。無人機的分類還與其最大工作高度和航程有關。無人機可以小到昆蟲，也可以大到客機。飛行高度帶可以與有人駕駛飛機一樣高。如果人類不在平臺上，續航時間甚至可以長達數月。同樣，無人機在進行高 "g "機動時也不再受人類生理機能的限制。無人機可以以超音速飛行，以后甚至可以以高超音速飛行。太空已經被無人系統所占據，因此，航空航天領域未來也會有更多的無人系統。

實際上，世界上所有重要的空軍部隊都擁有無人機。許多國家都在制造無人機和小型無人機。美國、以色列和中國在無人機制造領域處于全球領先地位。土耳其也正在成為一個重要的出口國。數以百萬計的業余無人機在全球各地飛行。四旋翼無人機是業余無線電遙控飛機和玩具廣泛流行的例證。

無人駕駛航空通勤飛行器已經過測試，很快就會出現在空中。這需要國際民用航空組織（ICAO）的規定，包括空中規則。還有適航認證問題。無人機遙控駕駛員需要進行分類，并獲得有效期為 10 年的遙控駕駛員培訓組織（RPTO）認證。必須為市內通勤指定特定的城市空中走廊。空中交通管理將面臨新的動態。無人機銷售也需要通過獨特的識別號碼和許可證進行監管。

戰斗無人機擁有更大的自主權，可以在沒有決策干預的情況下自由攻擊和殺害人類，這涉及倫理和法律問題，需要加以解決。在無人機中，人類仍將以某種形式處于環路中，即使這意味著決定算法并擁有一定的優先權或否決權。設計板上的大多數高端未來飛機仍以飛行員為中心。因此，盡管無人駕駛飛行器取得了進步，但飛行員仍需要一些年才能看到空中的彩虹和高空的日落。

在伊拉克、阿富汗和伊朗等國，無人機曾被用來追蹤和殺害人類。最近，一個配備致命武器的自主殺人機器人在利比亞襲擊人類。無人機正被用于定點清除重要人物。2020 年 1 月 3 日，伊朗少將卡西姆-蘇萊曼尼在巴格達國際機場被美軍無人機擊斃。2022 年 5 月初，911 襲擊的實施者之一艾曼-扎瓦希里（Ayman al-Zawahiri）在喀布爾的一次超視距無人機襲擊行動中喪生，當時他作為塔利班的客人居住在喀布爾。

無人機已被用于走私武器和毒品。恐怖分子可以利用無人機攻擊目標，甚至擊落飛機。攜帶小型手榴彈的無人機群可以神風特攻隊的方式飛入大型集會，制造混亂。

由于無人機已成為一種強大的空中武器平臺，使用反無人駕駛航空系統使其失效就變得非常重要。由于無人機體積小、特征低，探測總是會延遲。先進的雷達和光電探測手段正在不斷發展。可以通過動能手段使用硬殺傷武器擊落無人機，也可以使用電子戰技術使其失效，或發射一張網纏住旋翼。

反無人機系統（C-UAS）技術的興起主要是由于在民用和戰時環境中不斷擴大使用無人機（體積小、價格低的系統）所帶來的新威脅。與探測系統一樣，沒有一種攔截系統是完全有效的。由于無人機技術的擴散，反無人機系統將不可避免地成為未來所有沖突中無處不在的武器。這些反無人機系統必須足夠靈活，能夠探測到各種形狀和大小的無人機并使其失效。

本專著試圖對無人機和反無人機技術在軍事和民用領域的發展進行環境掃描，以及這些技術如何試圖改變現代戰爭的性質，從低強度沖突到全面戰爭。

該專著分為三個部分，首先從歷史角度介紹了無人機作為空中力量的一個要素是如何演變的。

第一部分用六章介紹了無人機技術，涉及無人機的組件、操作、技術進步以及影響其操作的法律問題等各個方面。

第二部分有兩章，涉及與反無人機系統有關的操作和技術方面。

第三部分有兩章，總結了目前使用這些系統的啟示，以及在塑造這兩種系統未來發展方向方面的經驗教訓。最后一章總結了無人機和反無人機的主題。

最近在烏克蘭、納戈爾諾-卡拉巴赫、敘利亞和利比亞發生的沖突展示了無人機系統（UAS）的多功能性，參與沖突的各方都大量使用了無人機系統。無人機系統提供了精確的情報、電子戰（EW）能力、通信、精確目標捕獲（TA）、近距離空中支援（CAS）、空中攔截以及精確的打擊后戰損評估（BDA）。無人機系統的擴散正在不斷增加。如今，這項技術已不再是富裕國家的專利，因為 "許多發展中國家因財政負擔過重而無法配備航空人員，只能依靠無人機系統作為現成的空軍力量"（Jovanov 2022, 5）。與技術先進的現代飛機相比，無人機系統的采購和運營成本低、續航時間長、操作人員培訓成本低。本文旨在概述采用多功能的無人機系統，可如何促進指揮官執行行動和完成指定任務，從而通過所有作戰功能提高單元的能力。

水下監視技術出現于冷戰時期。該技術解密后，學術界對其進行了深入研究，并取得了諸多進展。無人潛航器（UUV）的開發就是海洋領域的進步之一，它能夠增強作戰能力，同時降低人類生命危險。雖然這項技術已經商業化，但在海軍中的應用卻很有限。其有限的發展主要是由開發商和資助他們的政府推動的。然而，由于這項技術能為軍隊帶來諸多好處，因此需要盡快將其納入海軍。這實質上意味著，要想在海軍使用/應用中獲得更多認可，就必須將該技術融入海軍。反過來，這就需要回答許多問題，了解事實，以增強對該技術及其潛力的信心。因此，本文討論了其中一些有助于彌補知識差距的問題，以促進未來海軍對 UUV 技術的接受和應用。雖然本文試圖提供全面的答案，但這些答案并不完整，只能作為討論的起點。就目前而言，技術是存在的，但缺乏想象力卻阻礙了其使用。

圖 2 已詳細說明了 UUV 在軍事領域可發揮的廣泛作用，在此，將討論每種作用的可能任務概況。迄今為止，已知美國、俄羅斯和中國等國家運營著大量不同大小和形狀的軍用 UUV。圖 3 顯示了美國部分軍用 UUV 的范圍，圖 4 顯示了其他國家部分軍用 LDUUV 的范圍。

(a) 情報、監視和偵察。從海洋中收集關鍵的電磁和光電數據將有助于擴大被拒地區的信息范圍，特別是常規平臺無法進入的淺水區。UUV 可以輕松進入這些區域，提供所需的信息。

(b) 海洋學。為了在極端的海洋環境中實現更高的可操作性，必須收集實時情報數據并提供給操作人員，以便在進攻時更好地制定計劃。出于 "用戶舒適度和安全性 "的考慮，載人平臺收集此類數據的能力有限，因此無人平臺和固定平臺被認為是未來的一種可能（Agarwala，2020 年）。

(c) 通信/導航網絡節點（CN3）。通過在有人和無人平臺之間提供一個閉環網絡，CN3 系統有助于為水下平臺提供更強的連接性和控制性，否則這些平臺就必須浮出水面以刷新其全球定位系統進行導航。這樣的通信網絡可提高無人潛航器的安全性和控制能力，同時幫助它們在不被探測到的情況下輕松、長時間地開展 ISR 活動（Munafò 和 Ferri，2017 年）。

(d) 反水雷措施。為確保港口和航道可供軍艦安全作業，并確保敵方類似港口和航道無法使用，最簡單的進攻方式就是布設 "水雷"。為了在不危及人命的情況下做到這一點，UUV 得到了有效利用。在任何平臺上使用無人潛航器，都能提高在敵方水域布設水雷和在己方水域清除水雷的效率，從而無需依賴專門的掃雷艇。

(e) 反潛戰。為了 "遏制 "在狹窄水域、咽喉地帶或艦隊附近活動的潛艇，UUV 可以發揮巨大作用。在此過程中，UUV 可以為載人平臺提供必要的安全保障，同時限制敵方潛艇的行動。

(f) 檢查/識別。為了對船體、碼頭和停泊區及其周圍的密閉空間進行快速搜索，以排除反恐方面的顧慮，并確保在必要時進行爆炸物處理，UUV 可以得到廣泛而有效的使用。這些努力將確保港口、航道和泊位的安全。

(g) 有效載荷交付。由于無人潛航器難以被探測到，而且可以在淺水區輕松作業，因此可用于秘密投放有效載荷。這種有效載荷可以是敵后補給品，也可以是摧毀敵方資產的彈藥。

(h) 信息作戰。由于 UUV 體型小，在淺水區也能輕松運作，因此是收集信息的有力平臺。此外，它們還可用作誘餌和通信網絡干擾器。

(j) 關鍵時刻打擊。能夠及時精確地投放彈藥并最大限度地減少敵方的反應時間是一項關鍵活動。用無人潛航器投放彈藥時，可將其投放到離海岸較近的地方，確保縮短敵方的反應時間。這種行為還有助于避免暴露大型有人駕駛平臺的位置，以免遭報復性打擊。

由于近年來無人駕駛飛行器技術的蓬勃發展，這些飛行器正被用于許多涉及復雜任務的領域。其中一些任務對車輛駕駛員來說具有很高的風險，例如火災監控和救援任務，這使得無人機成為避免人類風險的最佳選擇。無人飛行器的任務規劃是對飛行器的位置和行動（裝載/投放載荷、拍攝視頻/照片、獲取信息）進行規劃的過程，通常在一段時間內進行。這些飛行器由地面控制站（GCS）控制，人類操作員在地面控制站使用最基本的系統。本文介紹了一種新的多目標遺傳算法，用于解決涉及一組無人飛行器和一組地面控制站的復雜任務規劃問題（MPP）。我們設計了一種混合擬合函數，使用約束滿足問題（CSP）來檢查解決方案是否有效，并使用基于帕累托的方法來尋找最佳解決方案。該算法已在多個數據集上進行了測試，優化了任務的不同變量，如時間跨度、燃料消耗、距離等。實驗結果表明，新算法能夠獲得良好的解決方案，但隨著問題變得越來越復雜，最佳解決方案也變得越來越難找到。

近年來，未經授權的無人駕駛飛行器（UAV）所造成的危險已大大增加，因此，至少需要采取適當的探測、跟蹤和反制措施來消除這種威脅。除了射頻干擾器、全球定位系統欺騙、高壓激光、電磁脈沖和射彈槍之外，反無人駕駛航空系統（cUAS）也是對付未經授權的小型無人駕駛飛行器的一種非常高效和有效的對策。

本文介紹的 cUAS 是一種全自動、多功能、可移動部署的系統，能夠利用氣壓驅動的網狀發射器攔截市場上幾乎所有的小型無人機。與上述替代方案相比，所開發的 cUAS 不受未經授權的小型無人機操作模式的影響，即手動或自動控制，甚至不受全球導航衛星系統或射頻的影響。我們的多傳感器方法（照相機、激光雷達和雷達傳感器）以及所實施的算法使 cUAS 能夠在各種環境下運行，如開放式機場、軍用場地和城市空間，在這些環境下，許多雷達反射通常會阻礙對小型物體的探測和跟蹤。cUAS 可獨立接近、跟蹤和/或攔截速度高達 20 米/秒的已識別無人機，成功率超過 90%。

本文對 cUAS 原型機的性能進行了演示和評估。對小型無人機的攔截能力和狗斗性能進行了測試和研究。此外，我們還概述了該系統的具體攻擊和防御策略，以及從最初的探測和分類到最終攔截和清除未授權無人機的過程階段特征，并說明了所開發的多傳感器平臺相對于現有單傳感器系統的優勢。

圖 1：地面探測與控制站（左）和攔截無人機系統（右）的硬件組件[產品圖片來自相關制造商]。

圖 3：攔截過程的各個階段及其條件。

對使用無人駕駛飛行器（UAV），即無人機，在不同的應用中，如包裹遞送、交通監測、搜索和救援行動以及軍事戰斗交戰，有越來越多的需求。在所有這些應用中，無人機被用來自主導航環境--沒有人的互動，執行特定的任務和避免障礙。自主的無人機導航通常是通過強化學習（RL）完成的，智能體作為一個領域的專家，在避開障礙物的同時導航環境。了解導航環境和算法限制在選擇適當的RL算法以有效解決導航問題中起著至關重要的作用。因此，本研究首先確定了主要的無人機導航任務并討論了導航框架和仿真軟件。接下來，根據環境、算法特點、能力和在不同無人機導航問題中的應用，對RL算法進行了分類和討論，這將有助于從業人員和研究人員為他們的無人機導航用例選擇合適的RL算法。此外，確定的差距和機會將推動無人機導航研究。

引言

自主系統（AS）是能夠在沒有人類干擾的情況下執行所需任務的系統，如機器人在沒有人類參與的情況下執行任務、自動駕駛汽車和無人機送貨。自主系統正在侵入不同的領域，以使操作更加有效，并減少人為因素產生的成本和風險。

無人駕駛航空器（UAV）是一種沒有人類飛行員的飛機，主要被稱為無人機。自主無人機由于其多樣化的應用而受到越來越多的關注，如向客戶交付包裹、應對交通事故以滿足傷員的醫療需求、追蹤軍事目標、協助搜索和救援行動，以及許多其他應用。

通常情況下，無人機配備有攝像頭和其他傳感器，可以收集周圍環境的信息，使無人機能夠自主地導航該環境。無人機導航訓練通常是在虛擬的三維環境中進行的，因為無人機的計算資源和電源有限，而且由于墜毀而更換無人機部件可能很昂貴。

不同的強化學習（RL）算法被用來訓練無人機自主導航的環境。強化學習可以解決各種問題，在這些問題中，代理人就像該領域的人類專家一樣。代理人通過處理環境的狀態與環境互動，用行動作出回應，并獲得獎勵。無人機相機和傳感器從環境中捕捉信息，用于表示狀態。代理人處理捕捉到的狀態并輸出一個行動，決定無人機的運動方向或控制螺旋槳的推力，如圖1所示。

圖1：使用深度強化智能體的無人機訓練

研究界對不同的無人機導航問題進行了回顧，如視覺無人機導航[1, 2]、無人機植群[3]和路徑規劃[4]。然而，據作者所知，目前還沒有與RL在無人機導航中的應用有關的調查。因此，本文旨在對各種RL算法在不同無人機自主導航問題上的應用進行全面系統的回顧。這項調查有以下貢獻：

• 幫助從業人員和研究人員根據應用領域和環境類型，選擇正確的算法來解決手頭的問題。
• 解釋各種RL算法的主要原理和特點，確定它們之間的關系，并根據環境類型對它們進行分類。
• 根據問題領域，討論和分類不同的RL無人機導航框架。
• 認識用于解決不同無人機自主導航問題的各種技術和用于執行無人機導航任務的不同仿真工具。

本文的其余部分組織如下： 第2節介紹了系統回顧過程，第3節介紹了RL，第4節全面回顧了各種RL算法和技術在無人機自主導航中的應用，第5節討論了無人機導航框架和仿真軟件，第6節對RL算法進行分類并討論了最突出的算法，第7節解釋了RL算法的選擇過程，第8節指出了挑戰和研究機會。最后，第9節對本文進行了總結。