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寰宇韜略

【寰宇韜略】美反制小型無人機攻擊 強化偵測力(上)

◎李妤(譯)

 隨著科技進展,小型無人飛行系統(sUASs)相關技術蓬勃發展,重量小於55磅(約25公斤)的無人載具,具有難以偵測、辨識與防範等風險,一旦遭敵方惡意使用,將對國家安全造成重大威脅。美國國土安全部(DHS)為了超前防範 sUASs可能造成之威脅,委託下轄科學與科技政策局(S & T)進行至少一年一度分析報告。而蘭德公司(RAND)主導的「國土安全作戰分析中心」(HSOAC),為 S & T旗下眾多「聯邦資助研究與發展中心」(FFRDC)之一,公布此份最新報告,探究目前 sUASs發展概要,與分析恐如何遭敵方使用,並提出相關建議。本報節譯如後,以饗讀者。(編按)

 前言

 美國國土安全部科學與科技政策局,要求國土安全作戰分析中心針對無人飛行系統進行制敵能力分析,以及評估未來5至10年間無人飛行系統發展,可能遭到敵方惡意使用,為國土安全部未來制定反無人飛行系統(C-UAS),提供更深入的資訊與建議,進一步達成超前制敵的目標。

 目前商業小型無人飛行系統市場不斷增長,模型種類族繁不及備載,載台開發成本下降、性能提高、研發門檻降低,甚至興起自己動手做風潮;此外,無人機應用範圍也愈來愈廣泛,為滿足各種行業與需求,如地形勘查、空拍、災害回應、搜救任務與農業應用等,無人飛行系統市場與需求正持續擴張。而此文主要聚焦重量小於55磅(約25公斤)的商用小型無人飛行系統,包含為國防安全需求而開發之類型,但不涵蓋未量產的原型機種。

 此文內容主要可分為4大部分:第1,針對目前 sUASs科技進行分析概述;第2, sUASs性能特徵與目前相關市場概況;第3,評估 sUASs可能遭惡意使用的潛在用途;第4,sUASs發展對於反無人飛行系統感測器可能造成的挑戰。

 在不同sUASs的性能特徵比較上,此文關注的配置,包含機體架構、酬載與感測器、指管通(C3)、電源供應與推進、軟體安全性、可偵測性。sUASs科技與限制範圍的資料來源方面,除各廠商提供的資料,還有國際無人載具系統組織(AUVSI)的無人系統與機器人資料庫,以及參考國際軍事分析專業的詹氏防務等,最後,歸納出過去與未來、小型無人飛行系統的發展趨勢與限制。

 研究資料庫範圍涵蓋625家sUASs製造商,其中約46%僅擁有一種載台;且近半數(約300家)只生產一種sUASs機型。值得一提的是,根據無人機產業觀察機構「Drone II 」公司,公布2016年第3季無人機產業報告,中國大陸無人飛行系統製造商「大疆創新」(DJI)生產旋翼機,在美國及全球市占率都穩居第一;儘管2018年1月業界第一改由「動點科技」公司接手,但兩者皆為中國大陸企業。

 此外,無人機、空拍機等小型無人飛行系統已愈加容易取得,民眾可在3C賣場或一般賣場中,甚至透過網購方式,以現金或信用卡買到低階、廉價的無人機,部分通路也可購買到相對高階的機種,但須提供寄送地址、信用卡等個人資訊;至於用於噴灑農藥或安全需求的機型,因為需求較少、通路不多,相對容易追查購買者身分,上述手段在一定程度上,防範有心人士利用sUASs犯罪,或達成惡意目的。但目前拜零件成本下降,與網路資訊發達所賜,部分高階無人機玩家,開始購買零件,透過網路教學影片自行組裝,或強化既有無人機功能,都凸顯sUASs已逐漸被民眾接受,也更難以防範遭惡意使用的可能。

 此文接下來含4個部分,首先深入探究目前sUASs科技,包含硬體發展與性能表現,進一步分析現下市場需求;接著,評估有心人士,可能如何透過sUASs威脅國土安全部利益;最後,進一步分析sUASs所使用的感測器與效能,將如何影響 C-UAS任務。

 壹、小型無人飛行系統的技術能力分析

 一、機體架構 

 sUASs包含各式不同種機體架構、酬載與感測器等,不同硬體配置也使無人機性能表現差異甚大。在機體架構方面,若根據起降方式區分,目前市場上主要為固定翼及旋翼機,前者如同一般飛行器,擁有一對機翼;後者為多軸飛行器,可能有2至8具螺旋翼,具備垂直起降(VTLO)與空中盤旋能力,具備各種尺寸、外形與速度。此外,還包含較罕見的混合系統,結合固定翼與旋翼機形態,創造不同起降與移動模式。

 飛機架構的材質上,目前市場以碳纖維複合材料(CFC)為大宗,其次則為鋁合金、塑膠與發泡體,最後則是木頭;值得一提的是,隨著3D列印逐漸成熟,許多有興趣者會透過網路資訊,如設計圖分享、說明書等,加上3D列印機的協助,列印部分零件組件,自行打造小型無人飛行機,成本也相對低廉。

 理想的sUASs飛機架構材質,應具備低密度、高強度的特性,但事實上,沒有一種特定材質是完美,往往同時存在優缺點,必須在成本、可行性與實用性等上相互選擇。一般而言,當強度並非無人機最主要考量,廠商希望打造便宜、易製造的機種,通常會選擇發泡體或木頭為主要材料。若希望進一步強化機體結構,則會使用塑膠外殼保護易受損的零件與部位。而碳纖維複合材料因具備重量輕,以及強度高的特性,成為sUASs的理想材質;鋁合金同樣具備堅硬與重量輕的特性,加上較高的剪切強度,因此經常做為零組件的材料。

 二、酬載與感測器

 小型無人飛行系統可分為具感測酬載,以及不具感測酬載2種。不具感測酬載的sUASs,指不配備任何具有收集資訊能力的感測器,但可能搭載傳單、干擾器、非法毒品,甚至生化武器等任何物品的小型無人機,且具備中途釋放物品能力,這還包含3種類型:1. 自殺式:sUASs會與所搭載的物品,一同「撞上」目標物,此時sUASs被視為消耗品。2. 酬載釋放:sUASs會在飛行過程,中途釋放或投放攜帶物,包含宣傳單、爆裂物或網路分析器等,sUASs能夠重複使用。3. 噴霧裝置:sUASs被用來噴灑化學物質等,常見於農業用途,例如噴灑農業或散播肥料,也可能被利用作生化武器。

 另外,具感測酬載的sUASs,可能搭載多種感測器,主要有光電(EO)、紅外線(IR)攝影機,與視訊攝影機等。一般情況,光學攝影機能夠讓無人機(空拍機)駕駛員,具備第一人稱視角,以發揮監視功能,且錄製影像的畫質較高;紅外線攝影機與光學攝影機相較,多被用於農業監測或追蹤功能,但紅外線影像的通訊傳輸頻寬較低。

 此外,目前商用研究也有搭載高光譜影像裝置,多用來勘查農業或地球科學領域;光學雷達(LIDAR)影像裝置能夠感測3D深度,同樣用途廣泛。而目前科技進展,使雷達裝置愈來愈小,有望與小型無人飛行系統更廣泛結合;除此之外,sUASs具備高度敏捷性,透過相關配備將是收集電子情報的絕佳載台,部分領域則使用聲感測器,利用sUASs滿足導航、大氣分析等需求。

 各式感測器的應用愈加成熟與廣泛,其中主要有全球導航衛星系統(GNSS),若與sUASs結合可成為慣性導航系統(INS),不必依靠外界資訊,透過自身蒐集的速度、時間及位置,達到導航目的。此外,隨著感測器與sUASs愈容易取得,遭有心人或敵方惡意使用機率大增,可能被用來作為GNSS干擾器,導致附近接收器失效,GNSS導航功能喪失,還可能被用來當作GNSS詐騙程式導致導航判斷錯誤;另外,手機訊號也容易遭干擾器誤導。(待續)

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