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无人机航空电子系统的主要发展趋势

2021-03-09   

中国电源产业网

导语:随着现代军事变革的不断深入,无人机已经成为一种极为重要的航空武器装备,在现代军事作战行动中发挥着越来越不可忽视的作用。

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随着现代军事变革的不断深入,无人机已经成为一种极为重要的航空武器装备,在现代军事作战行动中发挥着越来越不可忽视的作用。作为现代飞机的重要组成部分,航空电子系统(以下简称航电系统)在保障无人机执行各类作战任务中发挥着重要的作用。无人机航电系统一般是指无人机所包括的通信、导航、探测侦察、飞行控制等在内的机载软硬件设备。能够为无人机执行导航引导、测控传输、飞行控制、情报侦察等多种任务提供必要的保障。

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无人机航电系统伴随着无人机的发展历程不断完善。早期的无人机往往体积小、起飞重量轻、仅能执行一些简单的战术任务,因此这些无人机航电系统较为简单,仅仅配置简单的机载导航传感器和数传链路即可;随着现代军用无人机的逐步大型化、复杂化和多样化,无人机航电系统的发展同有人主战飞机一样日益复杂,出现了较为明确的系统和子系统划分,需要采用能够满足高可靠性、安全性、维护性要求多种机载设备,并且系统的综合化、集成化和模块化的水平日益提升。

从目前情况来看,无人机航电系统主要包括:

1、导航系统:为无人机提供实时的高精度位置、高度、航速、姿态、航向等导航数据,一方面满足无人机安全飞行、准确抵达任务区域等要求,另一方面也为无人机执行对地跟踪、观测、成像等任务提供必要的姿态和其它运动辅助数据。当前无人机导航系统的主流是采用GPS、惯性导航系统(INS)、大气数据系统等传感器,并在此基础上实现不同形式的组合导航,从而实现更高精度的无人机导航定位。对于部分小型无人机和微型无人机,从低成本的角度考虑,一般采用GPS、磁航向传感器、基于MEMS的惯性传感器等实现导航定位。

2、测控通信和数据链系统:主要为无人机与地面站、中继机和其它武器系统之间提供指令交互和信息传输的无线通信链路。一般的数据链可以实时的将无人机的飞行状态参数和载荷参数传输到地面站,为地面任务控制站对无人机进行任务规划和实时指挥提供必要的依据,此外它可将地面任务控制站生成的无人机飞行和任务指令上传到无人机,确保无人机接收地面的指挥。

3、侦察载荷:是指无人机未完成相关情报、监视和侦察任务所携带的雷达、光电/红外、信号侦察等类型的各类载荷。从目前情况来看,无人机携带的侦察载荷主要包括光电类、雷达类和信号情报侦察类三类载荷。其中,光电类载荷主要负责完成战场低空近距离侦察、目标监视跟踪、提供图像情报并支持机载激光武器精确瞄准和打击,光电载荷一般以机载光电吊舱为安装形式;雷达类载荷一般是指可由无人机携带的合成孔径和动目标显示(SAR和MTI)的机载雷达。雷达类载荷主要用于完成对地成像、重要部门探测跟踪,从而掌握较大范围内的地面态势、地理信息等情报,为相关决策提供必要支持;信号情报侦察载荷主要是指无人机所携带的可对地面雷达、通信等辐射源进行侦收、信号收集和参数测量的机载设备,它一般可对地面的无线电辐射源进行长期侦听,提取关键参数,对辐射源进行测向和定位,从而为信号情报(SIGINT)提供必要的基础数据;

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配装MQ-9无人机的AN /AAS-52光电吊舱

4、地面任务控制系统:

地面任务控制系统是无人机遂行各类作战任务的关键环节。地面任务控制系统的主要职能是完成对无人机飞行状态、载荷状态和工作状态进行实时监控管理,保障无人机高效、安全、可靠遂行其所承担作战任务的系统。现代无人机任务控制系统的重点是解决无人机遂行作战任务过程中所面临的信息综合与决策优化问题,主要是在复杂战场条件下,辅助无人机操作员和指挥员实现对无人机的状态监视、飞行操纵、任务规划和机载任务设备远程控制,为无人机操作人员提供必要的态势感知能力,确保无人机能够在相关人员控制下安全、高效的完成相关任务。以美国“全球鹰”无人机为例,该型无人机地面任务系统主要由发射回收单元、任务控制单元和地面通信设备组成。

其中,发射回收单元通过UHF、L等频段上的无人机通信链路,实时获取无人机下行的飞行状态参数和系统状态数据,保持地面控制系统与无人机的通信联络;任务控制单元根据数据链路提供的相关信息,完成无人机实时任务规划,合理安排飞行过程中的数据传输和载荷调度,根据实际任务需要制定合理的飞行路径,对主要机载任务载荷进行监控和远程控制;地面通信设备主要用于实现任务控制单元与地面其它部门之间的数据和语音通信。其中,任务控制单元内部通常具有4个工作员操作席位,包括:无人机操作员工作席位,通信管理工作席位,任务规划工作席位和传感器数据处理工作席位。其基本外观如下所示:

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“全球鹰”无人机任务控制单元

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在无人机导航方面,随着无人机尺寸的增加、航时的不断增长和作战半径的增加,现代无人机导航系统越来越体现出高精度、高可靠性的特点,以美军RQ-4A全球鹰无人机为例,其导航系统要求具备及其优良的定位精度和姿态测量精度,从而满足其所携带的复杂光学\电子侦察设备的使用要求。目前全球鹰无人机的导航系统主要包括

美国Kearfott公司研制的KN4072 INS/GPS导航系统、大气数据系统和综合任务管理计算机(IMMC)。其导航系统同时配置了两套相同的硬件设备,以形成系统冗余。此外,导航系统还内置了必要的导航信息融合算法和相关的故障检测隔离算法,从而保障系统运行的精确性和可靠性。其导航系统的发展在一定程度上也代表了目前大型无人机导航系统的部分发展特点:一是与有人机类似,采用了先进惯性元件(IMU)的新型惯性导航系统。全球鹰无人机采用了先进的激光捷联惯性导航系统,这种系统相比于传统的挠性惯性导航系统,具有对准时间短、导航精度高等优势,其中在采用了新的罗经对准后,其平均初始对准时间仅需要1分钟左右,系统准备速度大大加快。

此外,姿态角速度的测量范围、精度相比于传统系统都有显著的提高,可以提供更高精度的姿态测量数据。由于采用了惯性导航与GPS的组合模式,可以通过与GPS定位数据的组合导航来获得更高精度的姿态、速度、位置和航向数据。此外,由于像有人机一样采用了较为复杂的综合任务管理计算机(IMMC),所以能够灵活、可靠的执行导航传感器管理和数据融合,IMMC可以根据不同的任务情况和战场况随时进行设备的切换和重新配置,其开放式的结构使INS/GPS/ADS多传感器组合成为可能,而且在一些特殊的飞行段可以把其它传感器纳入导航系统,比如无线电系统或是地形匹配系统。IMMC的这种特点加强了导航系统的容错性与可靠性,保证了全球鹰能够应付多变的飞行环境和恶劣的任务环境考验。

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KN4072 INS/GPS导航系统

在无人机数据链方面,为了提供高速率、高抗干扰能力等无人机数据链,当前国外围绕不同类型无人机先后研制了多型无人机数据链。如全球鹰无人机装备了多种数据链链路,包括两种视距数据链和两种卫通数据链等。目前最为常见的视距数据链是美军的战术通用数据链(TCDL),它工作在Ku频段,能够支持最大200kb/s的上行数据速率和45Mb/s的下行数据速率。目前该数据链正逐步成为美军和北约数据链的标准配置。目前,无人机数据链正在向着低成本、高可靠性、小型化和能够支持上下行加密的更加安全的方向发展。

在无人机机载雷达方面,正在朝着多功能、小型化的方向发展。以全球鹰无人机配备的多平台雷达技术嵌入计划 ( MP-RTIP)雷达为例,该雷达是当前最先进的X波段有源相控阵雷达之一。能够执行探测、跟踪、静止\移动目标识别等多种任务。它能够提供高分辨率的地形合成图像,即采用合成孔径模式对地进行测绘,获取的条带是侦察照片的分辨率可达1米,聚束式合成照片的分辨率可达0。3米,能够准确识别包括飞机、导弹发射车等多种类型的地面目标,为指挥员提供直观的战场态势感知能力。此外,该雷达支持对空和对地两种工作模式,能够对低空飞行段的巡航导弹目标进行连续跟踪。

在无人机光电/红外载荷方面,小型化、模块化和多传感器集成的能力正在不断提升。其中,无人机机载光电/红外吊舱正加快使用包括制冷型红外器件在内的多种先进光电传感器,红外探测器向着多波段、大面阵、高灵敏度发展,使得综合探测性能不断提升。此外,集成度不断提升,以加拿大L3-Wescam公司生产的MX系列光电吊舱为例,该吊舱最大可装载十余种传感器,除了可见光电视、中波制冷红外、激光测距机以外,还能装载低照度摄像机、短波红外热像仪等作为选配方案,运用图像融合技术,实现宽谱段、多波段目标探测。同时,由于集成了IMU/GPS,实现目标定位功能。装载激光照明、激光指示、激光标识和光斑跟踪器,使无人机系统具备多平台协同作战能力。

在无人机地面任务控制系统方面:

一是具有更加全面的互操作能力。随着无人机技术的不断发展和应用的不断深入,地面任务控制系统将具有越来越好的兼容互操作能力。这类系统一般采用开放式体系架构,能够兼容、接入多种不同类型的数据接口和协议标准,能够支持多种机型的实时监控、多类载荷的实时管理和多种数据链路的接收处理,实现少数地面站点即可对多架、多型无人机进行有效的任务管理,从根本上提高无人机系统的使用效费比。

二是具有更加智能的人机交互能力。为操纵人员提供更加全面、清晰、直观和友好的人机操作接口,从而进一步改善人员操作体验,降低操作人员工作负担,确保飞行安全和任务效率。以雷神公司的UCS系统为例,该系统采用沉浸显示技术,为控制人员营造一个高逼真度的驾驶舱环境,并充分继承主流飞机座舱内的飞行仪表和参数显示界面风格,使操作员轻松获得良好的情景意识能力,在较低工作负担下同时操控多达八个异构的空中无人平台。

三是具有更加强大的任务规划能力。随着无人机态势感知能力的不断增强,未来的地面任务控制系统将能够更加高效便捷的承担任务规划任务,提供更强清晰、准确的全局人机接口,能够实现地形、航路、起降机场、跑道、障碍物、载荷状态、飞行参数等要素的一体化呈现,从而为指挥人员带来更加全面的视觉体验和三维态势感知。同时,系统应采用开放式软件架构,基于构件化的方式提供涉及航路、载荷、任务、性能、战术等多种类型的任务优化计算服务,从而更好的提供包括航路规划、载荷配置、性能计算、链路管理、模拟训练等在内的实时任务管理能力,具备快速任务规划和决策能力。

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具有沉浸显示效果的UCS系统




编辑:中国电源产业网

来源: 战略前沿技术

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