北約科學(xué)技術(shù)組織發(fā)布了一篇名為《用于自主無人機(jī)探測(cè)、跟蹤和攔截的新型無人機(jī)蜂群防御端到端系統(tǒng)》的論文。全文主要包括摘要、引言、模擬和真實(shí)環(huán)境中的系統(tǒng)部件、用例定義、無人機(jī)群人工智能代理之間的系統(tǒng)協(xié)調(diào)、模擬和真實(shí)飛行操作的結(jié)果、對(duì)推進(jìn)安全措施的貢獻(xiàn)和結(jié)論。

圖：BlueSwarm系統(tǒng)的高級(jí)架構(gòu)

摘要

隨著無人機(jī)在各種應(yīng)用中的使用持續(xù)增長(zhǎng)，與無人機(jī)在禁飛區(qū)內(nèi)未經(jīng)批準(zhǔn)的操作相關(guān)的安全挑戰(zhàn)變得越來越關(guān)鍵。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，我們提出了一種新的自動(dòng)和自主威脅管理方法，該方法可以探測(cè)無人機(jī)入侵并執(zhí)行實(shí)時(shí)反制。所提出的系統(tǒng)名為BlueSwarm，它集成了傳感器數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了資源之間的數(shù)據(jù)通信，并利用人工智能來操作無人機(jī)群進(jìn)行反制。這項(xiàng)工作在模擬和真實(shí)環(huán)境的實(shí)驗(yàn)中得到了驗(yàn)證，證實(shí)了其探測(cè)、跟蹤和攔截能力。

所提出的反無人機(jī)系統(tǒng)集成了地面部分和空中部分。地面部分由一個(gè)地面控制站組成，由一名操作員操作，充當(dāng)指揮和控制中心，旁邊還有一臺(tái)地面雷達(dá)和一臺(tái)PTZ攝像機(jī)，用于遠(yuǎn)程探測(cè)、分類和定位來襲威脅?？罩胁糠钟晌寮軣o人機(jī)組成，每架無人機(jī)嵌入一個(gè)光電傳感器和一個(gè)可部署網(wǎng)作為攔截有效載荷。這些無人機(jī)以集群的形式自主部署，攔截、跟蹤、評(píng)估和壓制入侵的無人機(jī)，同時(shí)保持操作員在環(huán)路中。每架無人機(jī)都由自己的人工智能代理操作，與其他無人機(jī)和操作員協(xié)同工作。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有可擴(kuò)展性和適應(yīng)性。地面?zhèn)鞲衅鞯臄?shù)量、類型和空間分布可以根據(jù)需要和保護(hù)空間的配置進(jìn)行調(diào)整。同樣，防御無人機(jī)及其有效載荷的數(shù)量也可以調(diào)整。該系統(tǒng)依靠機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)來探測(cè)、跟蹤和定位入侵者，并適應(yīng)不斷演變的威脅。

我們與主題專家合作，研究、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了不同的用例，以在模擬和真實(shí)世界演示中測(cè)試我們的系統(tǒng)。這些用例涉及多達(dá)五架敵方無人機(jī)的入侵，這些無人機(jī)呈現(xiàn)出粗心、無知和犯罪的操作模式，在模擬中進(jìn)化為獨(dú)立的個(gè)體或群體，以及兩架用于真實(shí)環(huán)境演示的敵方無人機(jī)。

每項(xiàng)任務(wù)分為四個(gè)不同的階段，確保從探測(cè)到消除的過程精簡(jiǎn)高效：（1）基于地面?zhèn)鞲衅鞯臐撛谕{探測(cè)、分類和定位；（2）部署防御性無人機(jī)群；（3）將每架無人機(jī)分配給單個(gè)目標(biāo)；（4）結(jié)合地面和嵌入式傳感器，追蹤和消滅入侵的無人機(jī)。在執(zhí)行任務(wù)期間，空域被劃分為特定區(qū)域。首先，劃定保護(hù)區(qū)，嚴(yán)格禁止任何未經(jīng)授權(quán)的無人機(jī)活動(dòng)。第二，緩沖區(qū)，任何入侵都會(huì)觸發(fā)我們系統(tǒng)的反應(yīng)，從而在到達(dá)保護(hù)區(qū)之前進(jìn)行協(xié)調(diào)響應(yīng)。

我們的研究通過提供全面、適應(yīng)性強(qiáng)、可擴(kuò)展的解決方案，借助相關(guān)技術(shù)和程序?qū)崿F(xiàn)協(xié)作自主，有助于推進(jìn)應(yīng)對(duì)不斷升級(jí)的無人機(jī)威脅的安全措施。通過將我們的新組件和現(xiàn)有系統(tǒng)相結(jié)合，我們旨在降低風(fēng)險(xiǎn)，保護(hù)禁飛區(qū)免受未經(jīng)授權(quán)的無人機(jī)活動(dòng)的影響。該研究是與主題專家合作開發(fā)的，有助于北約科技界反無人機(jī)技術(shù)的進(jìn)步。

1.引言

在快速技術(shù)進(jìn)步和廣泛可及性的推動(dòng)下，無人機(jī)現(xiàn)在成為一個(gè)重大的安全問題。打擊未經(jīng)授權(quán)的無人機(jī)行動(dòng)的必要性比以往任何時(shí)候都更加突出。在本文中，我們提出了一種創(chuàng)新的端到端系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用自主無人機(jī)的防御群來有效地攔截入侵的無人機(jī)群。

1.1無人機(jī)使用背景和安全挑戰(zhàn)

一些學(xué)術(shù)和技術(shù)努力都致力于創(chuàng)建反無人機(jī)系統(tǒng)。在最近的一項(xiàng)工作中，已經(jīng)確定了537款反無人機(jī)產(chǎn)品，而只有138款反無人機(jī)產(chǎn)品包括探測(cè)和攔截過程，且只有3個(gè)國(guó)家具備將網(wǎng)作為攔截手段并結(jié)合探測(cè)能力的能力。本綜述中沒有一種產(chǎn)品將無人機(jī)群作為攔截手段，作為從探測(cè)到攔截的端到端系統(tǒng)的一部分。此外，將人工智能算法應(yīng)用到真實(shí)環(huán)境是最近才出現(xiàn)的，而且很少部署。

無人機(jī)濫用事件越來越多。手動(dòng)反制或使用單一的攔截手段是無效的。操作多架無人機(jī)以增加成功攔截的機(jī)會(huì)可能會(huì)讓操作員不堪重負(fù)。需要注意的是，管理多架無人機(jī)以對(duì)抗一架入侵的無人機(jī)并非易事，更不用說培訓(xùn)多名操作員的財(cái)務(wù)影響和運(yùn)營(yíng)成本本身了。反制一群無人機(jī)是一項(xiàng)更為復(fù)雜的行動(dòng)，特別是由于無人機(jī)的協(xié)調(diào)方面的挑戰(zhàn)。

1.2研究目標(biāo)與BlueSwarm系統(tǒng)

這項(xiàng)研究旨在設(shè)計(jì)、開發(fā)、實(shí)施和評(píng)估一種名為BlueSwarm的創(chuàng)新反無人機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以利用一支協(xié)作的自主無人機(jī)群，對(duì)入侵的無人機(jī)群進(jìn)行探測(cè)、跟蹤和攔截，用于真實(shí)作戰(zhàn)環(huán)境的應(yīng)用。該系統(tǒng)主要用于在指定的“緩沖區(qū)”內(nèi)探測(cè)潛在威脅，然后再到達(dá)“保護(hù)區(qū)”。系統(tǒng)唯一地識(shí)別和定位探測(cè)到的威脅。任何被歸類為入侵者的被跟蹤無人機(jī)都會(huì)觸發(fā)防御蜂群的響應(yīng)，以便進(jìn)行跟蹤。如果一個(gè)入侵者被探測(cè)到并被分配給防御蜂群的一個(gè)或多個(gè)人工智能代理進(jìn)行跟蹤，則會(huì)啟動(dòng)自主感知控制。然后，當(dāng)防御群的定位符合攔截標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)過渡到攔截階段，從而進(jìn)行安全攔截。

1.3BlueSwarm系統(tǒng)的描述和功能

在實(shí)際飛行操作之前，系統(tǒng)在模擬中進(jìn)行測(cè)試。該系統(tǒng)在模擬演示和真實(shí)演示過程中集成了一臺(tái)雷達(dá)、一臺(tái)PTZ攝像機(jī)、五架無人機(jī)組成的防御群、多達(dá)五架入侵無人機(jī)、每個(gè)群一個(gè)地面控制站（GCS）、每個(gè)防御無人機(jī)上的嵌入式攝像機(jī)和一個(gè)模擬站。每架無人機(jī)和地面軍事系統(tǒng)都通過自己的人工智能代理進(jìn)行操作。對(duì)于真實(shí)環(huán)境的飛行演示，集成了額外的組件，以符合現(xiàn)行的安全和法律標(biāo)準(zhǔn)（例如手動(dòng)無人機(jī)控制器或控制STOP操作系統(tǒng)）。現(xiàn)場(chǎng)操作員包括技術(shù)人員、安全飛行觀察員、飛行員和地面控制站操作員。

2. 模擬和真實(shí)環(huán)境中的系統(tǒng)部件

2.1系統(tǒng)組件概述

BlueSwarm系統(tǒng)分為地面部分和空中部分，每個(gè)部分由各種硬件組件組成。BlueSwarm的效率很大程度上歸功于這些精心編排的元素。一隊(duì)入侵的無人機(jī)和一些模擬器刺激系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練和測(cè)試。

2.1.1地面部分

地面段由地面控制站（GCS）、地面雷達(dá)和地面云臺(tái)組成。

地面控制站（GCS）充當(dāng)通信中心。它不僅是系統(tǒng)的人機(jī)界面，而且還處理無人機(jī)部署、總體任務(wù)信息和系統(tǒng)響應(yīng)的協(xié)調(diào)。地面軍事系統(tǒng)具有基于地理信息系統(tǒng)的用戶界面，使操作員能夠與系統(tǒng)交互，監(jiān)控正在進(jìn)行的任務(wù)，做出明智的決策，并控制所需的系統(tǒng)響應(yīng)。

遠(yuǎn)程雷達(dá)構(gòu)成了該系統(tǒng)的第一道防線。它是早期探測(cè)和分類遠(yuǎn)距離來襲威脅的關(guān)鍵部件，從而提供充足的響應(yīng)時(shí)間。為了這個(gè)項(xiàng)目，我們使用了一種雷達(dá)傳感器，可以在1000米的高空探測(cè)無人機(jī)。

與地面雷達(dá)一起，PTZ攝像機(jī)提供互補(bǔ)的視覺信息，以提高遠(yuǎn)程探測(cè)和分類的質(zhì)量。它有助于驗(yàn)證基于雷達(dá)軌跡的分類，并由于其更好的分辨率而有助于提高入侵無人機(jī)數(shù)量的確定。

2.1.2空中部分

空中部分由一隊(duì)無人機(jī)組成。每架防御無人機(jī)都配備了一個(gè)電光傳感器和一個(gè)可部署網(wǎng)（在本項(xiàng)目框架內(nèi)模擬），作為對(duì)抗入侵無人機(jī)的主要對(duì)策。在具有先進(jìn)決策和信息處理算法的人工智能代理的指導(dǎo)下，這些無人機(jī)協(xié)同工作，攔截和消除潛在威脅。它們與防御的地面控制站通信，以傳遞捕獲的信息。

圖：ARA Robotics^®制造的無人機(jī)著陸（左）和運(yùn)行期間（右）。

每架防御無人機(jī)都嵌入了一個(gè)安裝在萬向節(jié)上的光電傳感器。該傳感器為整個(gè)系統(tǒng)提供了“空中之眼”功能。除了雷達(dá)和地面云臺(tái)外，該組件對(duì)目標(biāo)跟蹤和分類至關(guān)重要。嵌入式傳感器由其所嵌入平臺(tái)的人工智能代理控制縮放和定向。

2.1.3入侵的無人機(jī)

入侵的無人機(jī)的行為被設(shè)計(jì)成代表破壞性的無人機(jī)活動(dòng)。他們執(zhí)行不同模式的粗心、無知或犯罪操作。與防御無人機(jī)一樣，每架入侵的無人機(jī)都由自己的人工智能代理控制，并與入侵的地面控制站通信。在我們的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中，防御和入侵無人機(jī)由ARA Robotics^®提供，型號(hào)相同。

2.1.4模擬器

我們使用三種不同的3D模擬器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了訓(xùn)練和測(cè)試，逼真度和復(fù)雜性逐漸提高。

第一個(gè)模擬器是多粒子環(huán)境。這是最快也是最簡(jiǎn)單的。它將人工智能代理繪制為簡(jiǎn)單的粒子，除了速度限制、粒子邊界和動(dòng)量之外，不考慮任何物理約束。由于其速度，這種多粒子環(huán)境用于訓(xùn)練初始機(jī)器學(xué)習(xí)模型。

第二個(gè)模擬器是法國(guó)泰雷茲集團(tuán)專有的，被稱為SE Star，它更接近于蜂群在現(xiàn)實(shí)世界中執(zhí)行任務(wù)時(shí)可能面臨的一般條件。該模擬器使用了飛行平臺(tái)的通用物理動(dòng)力學(xué)模型。它用于測(cè)試目的和微調(diào)之前使用第一模擬器學(xué)習(xí)的機(jī)器學(xué)習(xí)模型。

圖:SE Star模擬了地面?zhèn)鞲衅?、無人機(jī)及其有效載荷。

最后一個(gè)模擬器嵌入SkyControl^®，ARA Robotics^®的GCS軟件中。該模擬器包括用于真實(shí)世界演示的實(shí)際四旋翼機(jī)的真實(shí)動(dòng)力學(xué)。它用于降低真實(shí)飛行過程中潛在沖突的風(fēng)險(xiǎn)。SkyControl^®使我們能夠在實(shí)際部署之前對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行高質(zhì)量的測(cè)試和驗(yàn)證。

圖:SkyControl®模擬和真實(shí)世界飛行試驗(yàn)的用戶界面。

2.2任務(wù)階段的組成

2.2.1探測(cè)、分類、定位和威脅級(jí)別評(píng)估

地面雷達(dá)作為預(yù)警傳感器，在遠(yuǎn)程探測(cè)、分類和定位潛在的來襲威脅。在我們項(xiàng)目的框架內(nèi)，為了進(jìn)行真實(shí)世界的演示，我們使用的雷達(dá)傳感器的探測(cè)范圍高達(dá)1000米。地面云臺(tái)攝像機(jī)是第二個(gè)投入使用的傳感器。其目的是通過計(jì)算機(jī)視覺幫助確認(rèn)傳入威脅的性質(zhì)和數(shù)量。地面軍事系統(tǒng)人工智能代理根據(jù)雷達(dá)數(shù)據(jù)控制傳感器的平移、傾斜和縮放。

地面軍事系統(tǒng)人工智能代理還通過信息處理來評(píng)估檢測(cè)到的物體的威脅程度，分配敵人、友軍或中立軍等標(biāo)簽。威脅評(píng)估過程考慮了入侵物體的大小、速度、飛行模式和雷達(dá)橫截面等多個(gè)方面。這一探測(cè)、分類、定位和威脅級(jí)別評(píng)估過程不僅是部署防御群的第一步，而且是整個(gè)任務(wù)的連續(xù)步驟。

2.2.2防御群的部署和方法

一旦探測(cè)到“敵人”（即帶有指定敵人標(biāo)簽的實(shí)體），系統(tǒng)就會(huì)自主部署防御無人機(jī)，其目標(biāo)是接近、跟蹤和消除威脅。這些無人機(jī)成群地向已識(shí)別的威脅移動(dòng)，每架無人機(jī)都由自己的人工智能代理獨(dú)立控制，不斷適應(yīng)其所處的任務(wù)階段。每個(gè)人工智能代理控制四個(gè)相互依存的決策功能。首先，導(dǎo)航功能，允許人工智能代理控制其無人機(jī)的軌跡。第二，傳感功能，將嵌入式光電傳感器的平移、傾斜和縮放控制交給人工智能代理。第三，攔截功能，讓人工智能代理決定何時(shí)觸發(fā)其攔截有效載荷（網(wǎng)）。最后，目標(biāo)定位功能，用于人工智能代理為自己分配一個(gè)目標(biāo)無人機(jī)。這些功能的實(shí)現(xiàn)要?dú)w功于人工智能代理精心安排的決策算法。

更具體地說，每個(gè)人工智能代理可以根據(jù)任務(wù)階段在不同的導(dǎo)航功能決策算法之間切換。為了增強(qiáng)群體之間的協(xié)作行為，通過多智能體深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法學(xué)習(xí)用于接近和跟蹤階段的導(dǎo)航策略，以使這些階段快速、協(xié)調(diào)和適應(yīng)性強(qiáng)。然而，在攔截過程中的導(dǎo)航必須是可控的、精確的和可解釋的，因此在我們的系統(tǒng)中優(yōu)選基于規(guī)則的算法。

對(duì)于目標(biāo)定位功能，所使用的算法確保了無人機(jī)之間目標(biāo)的最佳分配，減少了由于潛在沖突或任務(wù)重復(fù)而造成的效率損失。例如，該算法通過減少與可用目標(biāo)的協(xié)作距離來計(jì)算最佳分配，確保并在必要時(shí)進(jìn)行校正，以使緩沖區(qū)內(nèi)沒有目標(biāo)不被防御群的無人機(jī)跟蹤。只有當(dāng)入侵者的數(shù)量高于防御群的無人機(jī)數(shù)量時(shí)，才能打破這一規(guī)則。

2.2.3跟蹤

一旦防御無人機(jī)到達(dá)敵方無人機(jī)，它們就進(jìn)入跟蹤階段。根據(jù)敵方無人機(jī)的數(shù)量，可以為每架敵方無人機(jī)分配一架或多架防御無人機(jī)。跟蹤依賴于雷達(dá)和視覺數(shù)據(jù)的組合以及蜂群之間的共享信息。只要無人機(jī)沒有進(jìn)入攔截階段，或者只要目標(biāo)沒有離開緩沖區(qū)或被攔截，防御無人機(jī)就應(yīng)跟蹤其指定目標(biāo)。

2.2.4攔截

每一次任務(wù)的高潮都是消滅入侵的無人機(jī)。一旦防御無人機(jī)跟蹤目標(biāo)，它就可以根據(jù)考慮到目標(biāo)接近度、防御群中其他實(shí)體的位置和網(wǎng)可用性等因素的標(biāo)準(zhǔn)自愿進(jìn)行攔截。然后，當(dāng)入侵的無人機(jī)被批準(zhǔn)與目標(biāo)交戰(zhàn)時(shí)，該無人機(jī)部署其基于網(wǎng)的有效載荷，將其捕獲。雖然在本文的調(diào)查中，無人機(jī)與目標(biāo)的交戰(zhàn)是自動(dòng)的，但它被設(shè)計(jì)為由操作員觸發(fā)。

圖:網(wǎng)部署和目標(biāo)捕獲模擬。左圖，無人機(jī)與目標(biāo)交戰(zhàn)，并在滿足攔截條件后部署了網(wǎng)。右圖為無人機(jī)捕獲目標(biāo)。在這兩幅圖上，我們可以觀察到右側(cè)的無人機(jī)是如何在安全距離內(nèi)支持視覺跟蹤。

雖然網(wǎng)部署在實(shí)際飛行操作中被證明是成功的，但對(duì)于我們的實(shí)驗(yàn)，我們只在模擬環(huán)境中部署網(wǎng)。由于相關(guān)的運(yùn)營(yíng)成本，尚未使用實(shí)際凈值。在現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)驗(yàn)中，遙測(cè)數(shù)據(jù)被輸入模擬器，以虛擬地捕捉無人機(jī)。

3.用例定義

適應(yīng)性和多功能性是我們系統(tǒng)的核心屬性，使其能夠有效地處理無人機(jī)入侵的不同場(chǎng)景和行為。我們定義了幾個(gè)代表典型入侵無人機(jī)行為的用例來測(cè)試我們的系統(tǒng)。

我們推導(dǎo)出了四種不同的無人機(jī)操作員行為模型，與這些應(yīng)用程序相匹配。

1)無線索操作員：這個(gè)用例代表了測(cè)試無人機(jī)的愛好者，他們不知道附近有他們可能無意中飛越的禁飛區(qū)。由此產(chǎn)生的無人機(jī)行為相當(dāng)不穩(wěn)定，速度、航向和高度都有很大變化。

2)粗心的操作員：在這種用例中，無人機(jī)操作員愿意忽略已知的受限空域，以利用盡可能短的路線，例如用于交付等商業(yè)目的。由此產(chǎn)生的無人機(jī)行為在速度、航向和高度上是相當(dāng)恒定的。

3)無意傷害的罪犯：本用例代表運(yùn)營(yíng)商旨在以獲取信息為目的，未經(jīng)授權(quán)訪問受限區(qū)域，但無意造成直接傷害。他們可能會(huì)將拍攝照片或視頻作為企業(yè)間諜活動(dòng)、犯罪活動(dòng)的一部分，或者僅僅作為狗仔隊(duì)或被誤導(dǎo)的粉絲。由此產(chǎn)生的無人機(jī)行為在航向上相當(dāng)穩(wěn)定，瞄準(zhǔn)保護(hù)區(qū)，接近的高度降低，到達(dá)保護(hù)區(qū)的速度增加。無人機(jī)不一定會(huì)進(jìn)入保護(hù)區(qū)，可能會(huì)繞過它，不時(shí)空轉(zhuǎn)拍照。

4)有意傷害的罪犯：在這種最緊急的使用情況下，操作員故意闖入保護(hù)區(qū)，目的是造成直接傷害，例如涉及裝有爆炸有效載荷的無人機(jī)的恐怖襲擊。由此產(chǎn)生的無人機(jī)行為在航向上相當(dāng)穩(wěn)定，瞄準(zhǔn)保護(hù)區(qū)，接近的高度降低，速度在最后一段加速，以有效穿透保護(hù)區(qū)。

圖：我們將4種無人機(jī)行為作為基線來構(gòu)建我們的用例，其中包括（a）無知的操作員，（b）粗心的操作員，以及（c）無意傷害的罪犯和（d）有意傷害的罪犯。

隨后，我們通過確定入侵無人機(jī)的數(shù)量（范圍在1架到5架之間）并選擇每個(gè)入侵無人機(jī)行為模型來設(shè)計(jì)我們的用例。

4.群體智能代理之間的系統(tǒng)協(xié)調(diào)

每架無人機(jī)的人工智能代理并沒有直接嵌入其無人機(jī)上。它們?cè)诘孛嫔蠄?zhí)行，在同時(shí)托管GCS和GCS人工智能代理的工作站中執(zhí)行。這一限制是根據(jù)項(xiàng)目的目標(biāo)做出的重點(diǎn)選擇，即開發(fā)人工智能代理，而不是關(guān)注其嵌入能力。然而，從架構(gòu)的角度來看，盡管通信存在延遲，但該系統(tǒng)的運(yùn)行方式就像無人機(jī)的人工智能代理嵌入在自己的平臺(tái)上一樣。

人工智能代理及其群集行為的協(xié)作是通過兩種方式實(shí)現(xiàn)的。

首先，人工智能代理都在相互交流，交換與他們對(duì)所面臨情況的感知有關(guān)的信息。人工智能代理對(duì)當(dāng)前情況的感知是通過處理其平臺(tái)傳感器捕獲的數(shù)據(jù)（無人機(jī)人工智能代理的嵌入式萬向節(jié)安裝光電或地面雷達(dá)和地面軍事系統(tǒng)人工智能智能代理的地面云臺(tái)）以及通過融合所產(chǎn)生的信息和其他人工智能代理共享的信息來闡述的。通過這個(gè)過程，我們確保所有人工智能代理對(duì)全球形勢(shì)有相同的感知。

其次，我們的人工智能代理嵌入了多代理強(qiáng)化學(xué)習(xí)（MARL）算法，以學(xué)習(xí)如何作為一個(gè)團(tuán)隊(duì)執(zhí)行一些特定的決策功能（例如，導(dǎo)航或目標(biāo)定位）。每個(gè)人工智能代理學(xué)習(xí)的策略本質(zhì)上嵌入了協(xié)作模型，從而在系統(tǒng)級(jí)別實(shí)現(xiàn)群集行為，因?yàn)樗鼈儽挥?xùn)練為一起執(zhí)行相關(guān)功能。

我們的系統(tǒng)在蜂群無人機(jī)、傳感器和地面軍事系統(tǒng)之間的互聯(lián)通信，允許對(duì)任何無人機(jī)威脅做出無縫和協(xié)調(diào)的反應(yīng)，從而維護(hù)和保護(hù)禁飛區(qū)。

5.模擬和真實(shí)飛行操作的結(jié)果

5.1模擬結(jié)果

在SE Star提供的模擬環(huán)境中，我們執(zhí)行了四個(gè)不同的用例。我們的反無人機(jī)系統(tǒng)顯示了從監(jiān)控到捕獲五個(gè)入侵者的不同階段。

1)監(jiān)測(cè)和探測(cè)：最初，在武裝和起飛后，系統(tǒng)處于空閑狀態(tài)，等待入侵。直到雷達(dá)探測(cè)到未知無人機(jī)的出現(xiàn)才觸發(fā)行動(dòng)。

2)入侵：進(jìn)入緩沖區(qū)后，不明身份的無人機(jī)被識(shí)別為威脅，導(dǎo)致我們的系統(tǒng)做出反應(yīng)。防御無人機(jī)啟動(dòng)了對(duì)入侵者的攔截路徑，如果多個(gè)入侵者在緩沖區(qū)內(nèi)，防御無人機(jī)將分裂成單獨(dú)的目標(biāo)。

3)系統(tǒng)交戰(zhàn)：如果滿足確認(rèn)防御無人機(jī)和目標(biāo)之間最短距離的條件，以及攔截有效載荷（網(wǎng)）的可用性，系統(tǒng)將過渡到“準(zhǔn)備攔截模式”，等待進(jìn)一步批準(zhǔn)。此過程可防止任何冗余的捕獲嘗試。該批準(zhǔn)旨在由未來開發(fā)的人工操作員觸發(fā)。在我們的試驗(yàn)中，由于審批接口機(jī)制尚未實(shí)施，在代表運(yùn)營(yíng)商響應(yīng)時(shí)間的任意延遲后批準(zhǔn)。

4)捕獲和釋放：一旦獲得批準(zhǔn)，無人機(jī)就會(huì)部署網(wǎng)進(jìn)行捕獲，然后將捕獲的無人機(jī)運(yùn)送到回收區(qū)。

在所有使用案例中，入侵群的所有無人機(jī)在到達(dá)保護(hù)區(qū)之前都被成功攔截、跟蹤和捕獲。

5.2混合環(huán)境中的真實(shí)飛行操作

真實(shí)世界的實(shí)驗(yàn)是在混合環(huán)境中進(jìn)行的，除了模擬的攔截有效載荷外，BlueSwarm系統(tǒng)和紅色資產(chǎn)的所有硬件組件都是帶電的。為了能夠執(zhí)行完整的任務(wù)，該系統(tǒng)將所有真實(shí)無人機(jī)的行為鏡像到SE Star，直到進(jìn)入攔截階段。一旦進(jìn)入攔截階段，參與該階段的真實(shí)無人機(jī)與其模擬無人機(jī)之間的行為就會(huì)發(fā)生差異，以便在模擬世界中進(jìn)行攔截，同時(shí)保持真實(shí)世界中的安全條件，以消除實(shí)際捕獲過程中的任何碰撞風(fēng)險(xiǎn)。

1)監(jiān)測(cè)和探測(cè)：在武裝和起飛后，該系統(tǒng)有效地將環(huán)境噪聲分類為無威脅，使無人機(jī)保持閑置狀態(tài)。

2)入侵和識(shí)別：與模擬一樣，系統(tǒng)在無人機(jī)進(jìn)入緩沖區(qū)時(shí)對(duì)其進(jìn)行識(shí)別和分類。

3)系統(tǒng)參與：在這一階段，我們的系統(tǒng)表現(xiàn)與模擬實(shí)驗(yàn)期間相似，唯一的區(qū)別是將真實(shí)世界的擾動(dòng)（噪聲）識(shí)別為中性實(shí)體（如鳥類），以允許我們的人工智能代理將其考慮在內(nèi)，避免碰撞。

4)捕獲進(jìn)展：在現(xiàn)實(shí)世界的作戰(zhàn)中，部署網(wǎng)是一種僅在模擬中進(jìn)行的虛擬行動(dòng)。因此，在反映實(shí)際情況的模擬環(huán)境中評(píng)估捕獲的成功與否。捕獲后，被捕獲的紅色無人機(jī)的行為不再反映在現(xiàn)實(shí)世界中。模擬捕獲的紅色無人機(jī)被捕獲它的模擬藍(lán)色無人機(jī)拖進(jìn)檢索區(qū)域。然而，真正的紅色無人機(jī)只是通過將高度降低到緩沖區(qū)以下而退出游戲，并一直被系統(tǒng)忽視，直到場(chǎng)景結(jié)束。真正捕獲的藍(lán)色無人機(jī)向檢索區(qū)域移動(dòng)，模仿拖動(dòng)捕獲的紅色無人機(jī)并在該區(qū)域釋放的事實(shí)。它的模擬計(jì)數(shù)器部分反映了這種行為。

該系統(tǒng)的這些調(diào)整使我們能夠成功測(cè)試各種場(chǎng)景，包括在兩架防御無人機(jī)對(duì)抗兩架入侵者的比賽中對(duì)捕獲目標(biāo)的探測(cè)、定位、分類、跟蹤、攔截和安全檢索。

6.對(duì)推進(jìn)安全措施的貢獻(xiàn)

我們的研究設(shè)計(jì)成功地展示了應(yīng)對(duì)不斷升級(jí)的無人機(jī)威脅的能力，正如我們的理論和實(shí)踐執(zhí)行所證明的那樣。值得注意的是，我們的系統(tǒng)旨在應(yīng)對(duì)防御群無人機(jī)面臨的同等數(shù)量的威脅。盡管如此，我們必須強(qiáng)調(diào)的是，該系統(tǒng)目前僅針對(duì)小型蜂群進(jìn)行了驗(yàn)證。這在我們的模擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)際飛行試驗(yàn)中得到了證實(shí)，五架無人機(jī)在模擬中成功跟蹤了同等數(shù)量的敵方無人機(jī)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)所有滲透部隊(duì)的安全攔截。在實(shí)際飛行操作中，我們的兩架無人機(jī)小型防御群應(yīng)對(duì)了兩架敵方無人機(jī)，這證實(shí)了我們的系統(tǒng)在不同條件下的適應(yīng)性和可擴(kuò)展性，以及它在未來版本的真實(shí)世界場(chǎng)景中的應(yīng)用前景。還需要注意的是，我們的系統(tǒng)不知道它正在使用的硬件設(shè)備。無人機(jī)的制造和型號(hào)、傳感器類型或中和有效載荷類型都可以很容易地被不同的傳感器替換或更改。

7.結(jié)論

我們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)展示了地面和空中部分的集成，包括一系列傳感器和對(duì)抗能力。通過使用地面雷達(dá)和云臺(tái)攝像機(jī)，該系統(tǒng)能夠?qū)撛谕{進(jìn)行遠(yuǎn)程探測(cè)、分類和定位。同時(shí)，空中部分包含一支自主對(duì)抗無人機(jī)隊(duì)伍，每架無人機(jī)都配備了一個(gè)光電傳感器和一個(gè)用于攔截目的的網(wǎng)部署機(jī)制。

通過同步傳感器數(shù)據(jù)、促進(jìn)資源之間的通信以及利用人工智能，反無人機(jī)系統(tǒng)提供了從探測(cè)到消除入侵無人機(jī)的端到端解決方案。優(yōu)先考慮通過有人值守的地面控制站維持人工監(jiān)督，從而使人工操作員處于監(jiān)控循環(huán)中，并在出于安全原因有必要時(shí)提供停止機(jī)制。停止機(jī)制由一個(gè)“全部停止”按鈕組成，該按鈕在從人工智能代理到無人機(jī)的任務(wù)期間中斷命令。停止按鈕凍結(jié)所有無人機(jī)的移動(dòng)，無論是防御還是入侵，并將控制權(quán)交還給人類飛行員來管理局勢(shì)。

該系統(tǒng)的架構(gòu)為響應(yīng)特定后勤和保護(hù)區(qū)的威脅狀況提供了重要的可擴(kuò)展性和適應(yīng)性。地面?zhèn)鞲衅鞯念愋?、?shù)量和空間分布可以根據(jù)用戶需求進(jìn)行定制，防御無人機(jī)的數(shù)量和有效載荷也是如此。

一個(gè)潛在的進(jìn)步可能是結(jié)合了先進(jìn)的視覺和自動(dòng)威脅級(jí)別評(píng)估能力。這將使運(yùn)營(yíng)商全面了解迫在眉睫的威脅，降低主觀錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)加快響應(yīng)時(shí)間。

我們的系統(tǒng)因其對(duì)不斷演變的威脅的抵御能力、對(duì)需求的適應(yīng)性以及前沿人工智能技術(shù)的集成而得到加強(qiáng)，解決了無人機(jī)安全方面的一個(gè)關(guān)鍵缺口。通過完善該系統(tǒng)并將其納入現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施，我們的目標(biāo)是保護(hù)禁飛區(qū)，同時(shí)降低無法管理的無人機(jī)技術(shù)的相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)北約加強(qiáng)無人機(jī)威脅安全措施的愿景，這項(xiàng)與主題專家合作進(jìn)行的研究和系統(tǒng)開發(fā)標(biāo)志著在實(shí)際飛行行動(dòng)中對(duì)抗無人機(jī)技術(shù)的重大進(jìn)步。所設(shè)想的未來改進(jìn)和應(yīng)用有望為北約科技界的技術(shù)轉(zhuǎn)讓和進(jìn)一步研究提供新的動(dòng)力。