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無人機（UAV）長期以來主要被軍方用于監視與偵察任務，或被航拍愛好者用于空中攝影。然而近年來，憑借靈活部署與經濟高效的優勢，其應用已擴展至民用與商業領域。相較于地面通信中因嚴重路徑損耗、陰影效應和多徑衰落而受限的固定基站（BS），無人機憑借更優的視距（LOS）信道條件，展現出成為高效無線通信平臺的巨大潛力。在無人機驅動的無線通信系統中，無人機既可作為補充性的空中基站提供按需通信服務，亦可作為由現有蜂窩網絡操控的空中用戶設備（UE）。但無人機通信系統設計仍面臨諸多挑戰，包括但不限于信道建模、優化部署、干擾控制、性能分析、有限機載續航能力、軌跡優化，以及缺乏針對無人機通信組網的專門法規標準。

本論文著重研究無人機在無線通信組網中實現安全可靠功能的若干關鍵設計挑戰。相較于廣泛應用的蜂窩或衛星系統，無人機通信具有獨特的信道特性。然而當前無人機信道建模仍存在諸多難題，例如對非穩態信道時空變化傳播特性的研究尚不充分。為此，本文首先系統梳理了現有無人機信道建模的測量方法，深入探討空地與空空信道的建模實踐，并指出現有知識空白以實現更精確的無人機信道建模。

在多重無人機系統部署中，制定高效部署策略對于抵消干擾對覆蓋性能的負面影響至關重要。本研究據此提出最差場景下存在下行同頻干擾時多重無人機的優化部署方案。具體而言，工作提出兩種協同多無人機部署策略：第一方案假設無人機采用對稱布局，共享最優高度與發射功率；第二方案則采用不同高度與發射功率的非對稱部署。通過細致研究信干噪比（SINR）閾值、無人機間距、無人機數量與編隊形態等系統參數的影響，實現目標區域內的最大覆蓋與外圍冗余覆蓋的最小化。

為獲取通信系統設計參數與性能指標間的最佳平衡，基礎性分析不可或缺。本研究特別選取兩個新興場景評估無人機通信系統性能。第一場景考慮上行鏈路系統，其中地面用戶遵循隨機路點（RWP）移動模型，小尺度信道衰落服從Nakagami-m模型，上行干擾采用Gamma近似建模。具體推導了該系統的概率密度函數（PDF）、累積分布函數（CDF）、中斷概率與平均誤碼率（BER）等閉式表達式作為性能指標。第二場景研究下行混合緩存系統，無人機與地面小基站（SBS）按獨立齊次泊松點過程（PPP）分布，下行干擾通過拉普拉斯變換建模。重點推導了網絡內容成功投遞概率與能效的解析表達式作為性能指標。兩種場景均通過實驗結果揭示了通信性能與設計參數間的動態關聯。

本文旨在系統梳理無人機通信信道建模的研究進展，并探究多重無人機及其同頻干擾對覆蓋性能的影響機制，進而提出最優多機部署方案。研究通過理論建模對無人機網絡的兩種典型應用場景進行性能評估：其一為移動地面用戶通過獨立空中基站實施上行傳輸并產生上行干擾；其二為多機協同構建緩存式空中節點網絡。各章節均設置引言與結論部分，以清晰闡釋研究問題并提煉章節核心貢獻。全文架構如下：

第二章全面綜述無人機通信信道建模的研究成果。重點解析通過實測數據建立的經驗信道模型，系統呈現空地、空空信道的大尺度衰落與小尺度衰落統計特性。同時評述現有空地傳播解析模型，將其歸類為確定性模型、隨機模型及幾何隨機混合模型。最后探討當前無人機信道建模研究面臨的關鍵挑戰。

第三章提出存在下行干擾場景下多無人機作為空中基站的最優部署策略。具體構建兩種部署模型：第一模型假設無人機采用對稱布局，共享最優飛行高度與發射功率；第二模型采用不同高度與功率的非對稱部署方案。研究以特定地理區域內滿足目標信干噪比（SINR）閾值的無人機間距為變量，分析其對覆蓋性能的影響機制。其中地面用戶位于小區邊界的最劣場景作為分析基準。

第四章針對單空中基站系統模型，理論解析地面用戶移動性、傳播環境及衰落信道對通信中斷與誤碼性能的影響機理。推導信噪比（SNR）與信干比（SIR）統計特性，在純噪聲場景下結合地面用戶隨機路點（RWP）移動模型、不同傳播環境的空地信道模型及Nakagami-m小尺度衰落模型，建立中斷概率與誤碼率（BER）閉式表達式。進一步考慮靜止與移動地面用戶上行同頻干擾對中斷性能的復合影響。

第五章構建由緩存式無人機與地面小基站組成的混合緩存網絡模型。運用隨機幾何理論工具定義兩類節點的隨機部署特征。首先推導地面用戶接入無人機或地面小基站的關聯概率，隨后通過內容成功投遞概率評估網絡性能，重點考量下行傳輸中跨小區與小區內干擾的疊加效應。對比分析混合網絡與獨立無人機/地面網絡的能效差異，最終提出基于內容熱度的緩存優化方案：各節點預留部分緩存空間存儲高熱內容，其余存儲次熱內容，從而提升內容投遞成功率。

第六章總結全文研究成果，展望無人機通信技術及衍生應用領域的未來研究方向。

利用商業化新技術的小型武器化無人飛行器（UAV）是一種新興的低成本、易獲取的威脅。這些價格低廉的飛行器可以威脅地面部隊和軍艦，并通過飽和攻擊輕松壓垮防空系統，由于單位成本低廉，這種攻擊具有成本效益。目前的防空系統是為對付數量少、能力強但極其昂貴的武器而設計的，在許多情況下無法適當抵御涉及大量進攻性武器的攻擊。為了避免對手用新出現的低成本武器過度匹配當前的防御系統，本文提出了一種基于導彈的攔截系統。這種飛行器還利用了新的低成本、高性能商用現貨（COTS）技術，以達到所需的性能指標，并提供能夠擊敗多個單位的有效載荷，同時在應對低成本小型無人機的威脅時仍保持成本效益。本文介紹了一種原型飛行器的任務、空氣動力、結構和回收系統的開發情況，旨在表明反無人機有效載荷的低成本運載系統概念是有效的，值得進一步開發。這種飛行器的完成填補了現有防空系統的空白，使對手沒有機會獲得戰術優勢。

在視距（WVR）內進行空戰需要執行復雜的空中機動和快速的順序決策。如果加入額外的武器能力，這些決策的復雜性還會進一步增加。無人自主飛行器技術和武器能力的發展有助于克服人為限制帶來的障礙。事實證明，自主無人作戰飛行器（AUCAV）和定向能武器（DEWs）等先進武器能力在 WVR 空戰中至關重要。這就引出了一個問題--AUCAV 能否擁有適當的人工智能和武器能力，以改進高質量的空戰演習和戰術？為了研究這個問題，本文提出并解決了廣義空戰機動問題（ACMP），在這個問題中，通過建模來控制一架防御型 AUCAV，該 AUCAV 正在尋求與攻擊型敵機交戰。該模型利用每架飛機的 5 自由度點質量來跟蹤其狀態轉換，同時還跟蹤內部攜帶的火炮和 DEW 能力。由于該問題的維度較高，提出了一種近似動態規劃（ADP）方法，其中開發了一種近似策略迭代算法。這種 ADP 算法通過神經網絡回歸來實現高質量的戰斗機戰術和機動。計算實驗結果表明，在 3 個問題實例中，有 2 個實例的 ADP 策略優于所有 3 個基準策略。ADP 策略學會了同時使用內部攜帶的火炮和 DEW，這促進了 ACMP 中任一武器平臺的態勢效益理念。在 WVR-ACMP 中加入 DEW 功能可以體現前所未有的空戰戰術。

本研究的其余部分安排如下。第 2 節概述了與空氣動力學、定向能、1v1 ACMP、2v1 ACMP 和多智能體 RL 相關的現有研究。第 3 節闡述了 DEW MvN ACMP 的 MDP 模型，并介紹了我們確定高質量藍色 AUCAV 機動策略的 ADP 求解方法。第 4 節介紹了對所產生的機動策略與基準策略進行比較的一系列定量分析。最后，第 5 節對本文進行了總結，并提出了未來研究的幾個方向。

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。

無人機系統（UAS）的發展及其在作戰行動中的應用代表著戰爭模式的轉變。自 20 世紀末以來，無人機系統一直被用于情報搜集和精確打擊，但傳統武裝部隊一直認為無人機系統不適合大規模作戰行動（LSCO），而且過于脆弱。最近的沖突證明情況恰恰相反。這些沖突還表明，無視戰場上無人機系統威脅的部隊將無可挽回地面臨失敗。通過三個案例研究（納戈爾諾-卡拉巴赫、中東和利比亞），本專著將強調無人機系統威脅對聯合作戰模式的嚴峻挑戰。然而，如果部隊具有凝聚力、訓練有素、組織有序，能夠保護自己免受這種威脅，并采取積極主動的方法應對這種威脅，那么這種作戰方式在無人機環境下仍然適用。此外，最近發生的涉及使用無人機的沖突重新喚起并強調了不同部門之間，甚至部隊不同領域組成部分之間必要的合作精神，并強調了這種方法的重要性。最后，無人機并沒有改變戰爭的性質。相反，無人機加強了戰爭的政治性，因為無人機的使用直接影響到面對無人機的交戰方的決策。

時間是 2040 年。法國陸軍正以一個師的兵力投入到一次大規模、全域、作戰行動（LSCO）中，以應對同行的威脅。這支部隊正在對行動區內威脅法國國家利益的一個地區勢力實施聯合強行進入行動。美國向法國提供了防空能力，以確保部隊的機動自由。在聯合部隊成功突破反進入/區域封鎖（A2AD）保護后，該師的偵察梯隊完全由無人駕駛車輛組成。這個無人駕駛的第一梯隊旅使指揮官能夠在不與滯留在后方的輕步兵部隊交戰的情況下進行偵察。由于無人機在戰場上占據主導地位，裝甲單元被認為過于脆弱，坦克或步兵戰車因被認為過于昂貴而退役，無法在作戰環境中保持相關性。由于敵方強大的 A2AD 網絡，并根據總參謀長的建議，法國總統選擇不部署有人駕駛飛機，因為損失一架飛機在財政成本和公眾輿論方面都將是災難性的。因此，空中部分完全由武裝無人機組成，它們具有強大的持久打擊能力，而無需冒有人駕駛飛機的風險。以前的師系統，包括重型和輕型裝甲旅戰斗隊、一個師偵察營以及完全由人員組成的情報、火力和維持輔助部隊，已經被放棄，因為它太重太脆弱，不夠靈活，無法在大量使用無人資產的作戰環境中取得勝利。現在的新師是由搭載在輕型裝甲車上的輕步兵單元和無人機組合而成。該單元在強大的防空系統保護傘下開展行動，既能防護有人或無人飛機，又能依靠動能和非動能資產。該師擁有輕型車輛，易于部署；擁有無人機，機動性強；擁有強大的防空層，生存能力強。

一種新的作戰方式已經形成，傳統的聯合兵種機動方式已被歷史塵封。無人機取代了傳統的情報和火力資產，將兩者結合在一個平臺上。由于無人機能夠在戰場上的任何地方開展行動，它們證明了裝甲和機械化單元的無用性，因為它們很容易成為無人機的目標。無人機可以飛越敵方領土，瞄準雷達、指揮所或后勤節點。它們在戰場縱深的行動會擾亂敵軍的陣腳，摧毀其戰斗意志。因此，配合無人機行動的唯一部隊是輕步兵，以占領地面并確保持久的勝利。

未來幾十年，聯合作戰是否會朝著這個方向發展？無人機是否代表著戰爭性質的最終改變？無人機能否僅靠自身力量贏得沖突并限制地面部隊的投入？通過對近期沖突的研究，如 2020 年的納戈爾諾-卡拉巴赫戰爭、近期中東地區圣戰組織與常規部隊（美國、俄羅斯或歐洲）之間的沖突以及 2019 年和 2020 年的利比亞戰爭，這些沖突都顯示了無人機的廣泛應用，可能會得出這樣的結論。這些沖突顯示了使用無人機所帶來的潛力，以及從 20 世紀戰爭演變中繼承下來并延續到 21 世紀初的常規聯合武器方法的局限性。使用裝甲和機械化編隊的傳統聯合作戰方法的交戰方在面對無人機攻擊時遇到了困難，因為無人機的攻擊會在戰爭的戰術、作戰或戰略層面上削弱指揮官的能力。無人機為其使用者提供了非對稱優勢：通過使防空系統飽和、永久占據天空、通過攝像頭捕捉可能造成的高傷亡以及在社交網絡上播放宣傳片的影響，無人機代表了一種進入對手決策圈的新方法。

在這里，沖突的性質很重要。正如理查德-哈斯（Richard Haas）在《必要性戰爭，選擇性戰爭》（War of Necessity, War of Choice： 兩次伊拉克戰爭回憶錄》中所下的定義。在比較兩場伊拉克戰爭時，他說："必要的戰爭涉及最重要的國家利益，除了使用武力之外沒有其他有前途的選擇，如果要維持現狀，肯定要付出相當大的代價"。另一方面，"選擇性戰爭往往涉及不那么明顯'重要'的利害關系或利益，以及存在可行的替代政策"。這一區分非常重要，因為它將決定使用手段的范圍，限制或擴大武器的選擇。在一場有選擇的戰爭中，無人機可以提供良好的能力，給對手造成損失，并在不冒生命危險或昂貴的物資損失的情況下達到目標。由于其無人駕駛的性質，無人機為其使用者提供了可擴展和創造性的選擇，而不會受到使用有人駕駛飛機固有的技術、戰術甚至政治限制的阻礙。在迫不得已的戰爭中，它們可以通過瞄準防空網絡、后勤節點、指揮所或機動單元，作為力量倍增器來削弱對手的軍事力量。

20 世紀，交戰國陸軍提出了聯合作戰的概念。一戰結束后，法國開始實施坦克、步兵和炮兵協同作戰。在戰時，這一概念繼續發展，并在第二次世界大戰期間得到所有交戰國空軍的整合。沖突結束后，面對作戰環境的變化、原子武器的威脅或反叛亂戰斗，這一概念得到了完善，但總體上仍具有現實意義。根據美國的條令定義，聯合作戰是 "同步和同時使用各種武器，以達到比單獨或依次使用每種武器更大的效果"。這種方法的優勢在于使不同的作戰功能能夠彌補其他功能的不足。通過這種合作，作戰功能構成了一個強大的作戰系統。

上述每一次沖突都對聯合作戰方法提出了挑戰，迫使領導人修改作戰方法。今天，無人機的威脅是對聯合作戰模式的嚴峻挑戰。然而，在無人機環境下，如果部隊具有凝聚力，訓練有素，組織有序，不僅有能力保護自己免受威脅，還能采取積極主動的方法應對威脅，那么這種作戰方式仍然適用。此外，最近發生的涉及使用無人機的沖突重新喚起并強調了不同部門之間，甚至部隊不同領域組成部分之間必要的合作精神，并強調了這種方法的重要性。最后，無人機并沒有改變戰爭的性質。相反，它們加強了戰爭的政治性質，因為它們的使用直接影響到面對它們的交戰方的決策。

在為潛在的高強度沖突做準備的背景下，這個問題與西歐或美國陸軍等行為體高度相關，因為自冷戰結束以來，這些行為體一直在相對舒適的環境下作戰，擁有無可爭議的空中優勢。在此期間，西方軍隊面對的敵人不具備造成大量傷亡的能力或技能。因此，他們不會像納戈爾諾-卡拉巴赫戰爭中那樣，面臨意味著友軍大量損失而導致決策癱瘓的重大致命僵局。

無人機也被稱為 "無人駕駛航空系統"（UAS），指的是在沒有任何飛行員的情況下自主或遠程操作的任何飛機。無人機系統由三個關鍵部分組成：

• 無人駕駛飛行器（UAV）、
• 遠程控制飛行器的操作員、
• 連接前兩個部分的指揮和控制系統（C2）。

最初，無人機是在不裝備武器的情況下運行的，但最終還是裝備了武器。如今，閑逛彈藥是武裝無人機的最后演變。據無人機研究中心的丹-格廷格和阿瑟-霍蘭-米歇爾稱，"它們的設計目的是用爆炸彈頭攻擊視線以外的地面目標"。懸停彈藥將在戰場上空飛行，跟蹤潛在目標并最終將其擊落。簡而言之，這種彈藥就是自殺式無人機。在本研究中，無人機系統和無人機的表述將不加區分地使用。

本專著將介紹三個案例研究：第一個案例研究將側重于 2020 年的納戈爾諾-卡拉巴赫戰爭，以及亞美尼亞人無力應對無人機威脅所造成的后果：由于阿塞拜疆憑借無人機和閑逛彈藥獲得了空中優勢，亞美尼亞領導層被削弱，被迫承認失敗，同時在戰場上面臨重大損失。第二個案例研究將考慮非國家行為者在伊拉克和敘利亞使用無人機打擊常規對手的情況。盡管戰術成功與否參差不齊，但無人機使用者能夠讓對手懷疑自己的實力，并在敵人的母國制造恐慌。反伊斯蘭國聯盟成員通過加強聯合武器合作和窒息恐怖分子的無人機制造網絡，成功地保護了自己的部隊。最后，第三個案例研究的重點是利比亞的無人機。利比亞被認為是世界上最大的無人機行動區，表明無人機構成了新的廉價版空中力量。然而，在利比亞，無人機并不足以在戰場上強制決策；要贏得長期決策，就必須與地面裝甲和機械化單元合作。僅靠無人機的部隊無法保持戰術優勢，也無法實現戰略目標。從作戰角度看，利比亞案例研究強調，無人機的使用加強而非徹底改變了聯合和聯合武器合作的精神。無人機是戰爭方式范式的轉變。它迫使軍事領導人改變作戰方式和作戰方法。然而，這還不是一場軍事革命。跨領域合作能夠在面對這一威脅時扭轉局勢。

在視距（WVR）內進行空戰需要執行復雜的空中機動和快速的順序決策。如果加入額外的武器能力，這些決策的復雜性還會進一步增加。無人自主飛行器技術和武器能力的發展有助于克服人為限制帶來的障礙。事實證明，自主無人作戰飛行器（AUCAV）和定向能武器（DEW）等先進武器能力在 WVR 空戰中至關重要。這就引出了一個問題--AUCAV 能否擁有適當的人工智能和武器能力，以改進高質量的空戰演習和戰術？為了研究這個問題，我們提出并解決了廣義空戰機動問題（ACMP），在這個問題中，我們建立了一個模型，以控制正在尋求與攻擊敵機交戰的防御型 AUCAV。該模型利用每架飛機的 5 自由度點質量來跟蹤其狀態轉換，同時還跟蹤內部攜帶的火炮和 DEW 能力。由于該問題的維度較高，我們提出了一種近似動態編程（ADP）方法，其中我們開發了一種近似策略迭代算法。這種 ADP 算法通過神經網絡回歸來實現高質量的戰斗機戰術和機動。我們的計算實驗結果表明，在 3 個問題實例中，有 2 個實例的 ADP 策略優于所有 3 個基準策略。ADP 策略學會了同時使用內部攜帶的火炮和 DEW，這促進了 ACMP 中任一武器平臺的態勢效益理念。在 WVR-ACMP 中加入 DEW 功能可以體現前所未有的空戰戰術。

現代戰斗艦艇，如護衛艦和驅逐艦，經常使用海上直升機。眾所周知，在惡劣天氣中降落直升機既困難又危險；此外，如果飛行條件過于惡劣，直升機將無法獲準起飛，艦艇能力的一個重要組成部分也將喪失。艦船上空不穩定的氣流，尤其是飛行甲板附近的氣流，是限制直升機作業范圍的一個重要因素。氣流的特性被稱為艦船氣流，取決于相對于艦船的風速和風向，以及艦船上層建筑的幾何形狀。與雷達橫截面等因素相比，船舶上層建筑的空氣動力學在設計階段并未受到太多關注。本論文介紹了一項利用建模和仿真技術對一艘現代戰艦的空氣動力學設計進行評估和指導的研究。所采用的建模技術包括時間精確計算流體動力學，用于計算全尺寸艦艇上復雜的三維非穩定流場；以及直升機飛行動力學數學模型，用于計算直升機如何對非穩定氣流做出反應。這些建模技術隨后被用于兩個模擬應用中：一個是虛擬 AirDyn，用于評估船舶氣流對直升機造成的不穩定載荷；另一個是在運動基地飛行模擬器中進行駕駛飛行模擬，用于評估氣流對飛行員在甲板上著陸時工作量的影響。這些建模和模擬技術被用于評估船舶上層建筑的不同設計方案。這些技術還用于研究船舶尺寸如何影響氣流和船舶運動，以及這些因素如何影響直升機和飛行員在著陸甲板上操作時的工作量。氣流建模還用于預測船舶的熱發動機廢氣如何與氣流混合，從而導致飛行甲板上方和周圍的溫度波動升高。

研究表明，飛行甲板前方船舶上層建筑幾何形狀的相對微小變化如何影響直升機的空氣動力負荷，這些影響可以被檢測和量化，從而為船舶設計師提供指導。研究還表明，大型船舶會產生更大、更猛烈的氣流，從而干擾直升機，增加飛行員在著陸時的工作量。另一方面，較小的船舶在波濤洶涌的海面上會有更大的動態運動，而且甲板較小，上層建筑較近。模擬顯示了這些不同的影響如何結合在一起，以及船舶大小如何影響甲板著陸時飛行員的工作量。研究還發現，雖然近海石油鉆井平臺直升機運營商對空氣溫度上升的限制有明確的指導方針，但在操作直升機前往船舶時卻沒有這樣的指導方針，而且飛行甲板上可能出現的溫度上升范圍足以影響直升機的性能。

這項研究的一個重要貢獻是為一艘真實艦船的設計提供了參考，從而證明了建模和模擬在直升機作業船舶設計中的潛力。

多無人機協同升降系統使用多個無人機共同升降和運輸有效載荷。從可擴展性和便攜性的角度來看，這些系統有可能大大降低空中運輸任務的物流成本。與傳統的單機物流模式不同，通過在多架廉價飛機之間分配起升能力，可以有針對性地運送大量有效載荷。為了以高度自主的方式完成大跨度的任務，合作飛機必須能夠在多個點可靠地與單一有效載荷對接，并在系統參數未知的情況下，以可變幾何配置的方式在飛行途中穩健地穩定下來。本論文提出了一種新穎的自適應飛行控制框架，該框架使用擴展卡爾曼濾波器在控制分配方案中更新相關系統參數。此外，這項研究還對之前開發的模塊化對接系統進行了擴展，該系統支持在不同的復合系統幾何結構中進行自組裝，考慮了多智能體操作，并通過模擬交易研究優化了設計參數。論文介紹了高保真模型和模擬，利用多體反饋線性化約束穩定和基于約束的脈沖接觸模型等技術，以驗證控制策略，并在復雜動力學條件下優化設計。本論文還介紹了無人飛行器合作飛行控制和參數估計的實驗結果。

軍用飛機推進系統是噴氣發動機設計中最具挑戰性的領域之一： 在受飛機空氣動力學影響極大的多變環境中工作時，這些發動機應在不影響可靠性和運行成本的前提下，以盡可能小的體積提供大的推力輸出。此外，軍用飛機運行的多學科性質經常會引入相互矛盾的性能目標，很難將其納入發動機設計中。所有這些因素再加上發動機開發成本非常高，因此有必要在設計階段的早期進行適當的選擇，以確保開發過程的成功和新發動機概念的可行性。

盡管該領域的研究數量巨大，但也許是由于所涉及數據的敏感性，迄今為止發表的研究都集中在相當具體的主題上，而沒有涉及完整的多學科飛機推進系統集成問題。為此，需要結合不同研究領域的內容和貢獻，建立新的綜合方法。

本項目研究開發一種新方法，將發動機初步設計與飛機運行要求相互聯系起來。在此范圍內，構建了通用軍用機身的表示方法，并將其與發動機性能模型和仿真工具相結合，以研究推進系統對飛機任務性能和生存能力的影響。更具體地說，該項目在軍用飛機推進系統集成領域的貢獻主要集中在三個方面：

• 新的軍用飛機表示法，模擬飛機與推進系統之間相互作用的關鍵方面： 飛機空氣動力學、機身/推進系統空氣動力學干擾、紅外和噪聲特征。該模型計算要求低，適合用于大規模參數研究和軌跡優化案例。

• 基于模擬的新技術，用于估計爬升性能和評估飛機/發動機配置在現實任務場景中的任務能力。所開發方法的創新點包括爬升軌跡問題的多目標表述、高度-機械跟蹤技術、能量-機動性（E-M）技術的擴展，允許同時優化飛機軌跡和發動機計劃，以及為軍用飛機引入最小噪音和紅外軌跡。

• 考慮到飛機的紅外特征和飛機/導彈的運動性能，量化推進系統對飛機生存能力的影響。這是通過將飛機紅外模型與導彈對飛機和飛機對飛機的運動模擬相結合來實現的，這些模擬用于測量飛機易受攻擊的程度，以及飛機自身攻擊機動目標的能力。

上述方法是利用已公布的數據開發和驗證的，并在一系列測試案例中用于研究飛機的性能趨勢，在這些案例中，不同的推進系統設計在各種模擬任務中的有效性得到了評估。結果成功證明了所開發的方法能夠量化飛機性能與發動機設計之間的關系，為理解采用不同推進系統配置所產生的性能權衡提供了基礎，從而最大限度地提高動力裝置設計過程的效率。