DARPA的研究成果(二)：无人驾驶飞行器，情报、监视和侦察技术

原创 2017-01-22 ☞ 学术plus

美国国防高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency)，简称DARPA。成立于1958年，是美国国防部属下的一个行政机构，负责研发用于军事用途的高新科技。本文摘编自DARPA于2015年3月发布的报告《国家安全突破性技术》。

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无人驾驶飞行器（UAV）

需求和发展前景

无论任务是情报、监视和侦查（ISR）、战斗伤亡评估、陆军或者海军支援还是空袭，空中领域在维护国家安全方面发挥了不可或缺的作用。但是飞行本身就具有很高的风险性，尤其是对于在战区执行任务的战机而言，风险性将进一步增加。针对这一情况，国防部数十年来一直致力于更先进威力更大功能更强的无人驾驶飞机（UAV）的研发来扩充美军空军的战机设备，提高空军战斗力。

随着相关技术的不断进步和成熟，无人机可执行的任务范围越来越广，操纵无人机的操作系统功能也越来越丰富。然而，虽然无人机的系统功能已经有所增强，但是空军部队对无人机执行任务的能力的要求也越来越高。如今无人机面临着一个紧迫的任务，那就是要提高稳定性和飞行时间、扩大任务范围、增加有效负载、提高战区通讯能力及加强采用复杂系统构架执行多种战术作战任务的能力。

DARPA的解决方案

早在20世纪60年代，DARPA就开始了对无人机的研究，当时使用无人机这一提议在军事领域引起了轩然大波，大家纷纷对这一计划的可行性表示怀疑。这些质疑并未影响DARPA对无人机这一设想的浓烈兴趣，DARPA始终坚信无人机这一设计理念具有巨大的研究价值并最终将取得颠覆性的巨大成功。DARPA推出了一整套有关无人机研究方案，所涉及的研究项目包括无人机构造、引擎、燃料、导航、传感器、通讯设备和自动操控系统等。

在1962年，DARPA首次研发了早期的无人机垂直起飞和降落（VTOL）技术，并与美国海军合作共同研制出了QH-50号反潜无人直升机（DASH）。QH-50号反潜无人直升机可以装载反潜鱼雷，搭载有该型直升机的驱逐舰，可以在其反潜火箭射程范围以外，向敌军潜艇发动攻击。之后，DARPA又在QH-50号反潜无人直升机上装配了电视摄像机，用于执行在越南的情报、监视和侦察工作，驻越南的美军士兵们将该无人直升机亲切地称为“史努比”。

图：QH-50A无人直升机

在20世纪70年代，DARPA启动了名为“Teal Rain”的研究计划，主要目的是为了提高无人机的引擎动力和设计。与此同时，DARPA还开展了“Praeire和Calere”项目，展示了无人机在执行任务期间携带重型负载的能力。在此期间，DARPA在海军的要求下，开始了其首次对小型、低可侦测性远程遥控飞行器（RPV）的研究。在70年代末期，DARPA出资赞助了对可用于无人机的微型机载传感器的研发，其中包括微型抗震稳定系统、移动目标识别器、雷达以及抗干扰数据中继器——所有这些技术在提高传感器的抗击能力和稳定运行能力以及适用范围方面都起到了积极的作用。

在20世纪80年代，在DARPA的支持下，琥珀号长航时无人机诞生了，琥珀号长航时无人机的部分技术后来被用于制造Gnat和MQ-1掠夺者号无人机，DARPA在20世纪80年代对长航时无人机的研究促进了MQ-9死神号机载情报收集和侦查以及攻击系统的出世。

图：“琥珀I”侦察无人机，机鼻下方有光电传感器

这也促进了MQ-9死神号机载情报侦查和收集系统以及目标攻击系统的研发。在此期间， DARPA还出资赞助了CONDOR飞机测试项目，该项目成功展示了无人机更加强大的情报收集和侦查功能。

图：RQ-4“全球鹰”无人机

在20世纪90年代，DARPA启动了RQ-4号全球鹰研制计划，研究取得了巨大成功。RQ-4号全球鹰是世界上第一架配备机载情报收集和侦查系统的高空长航时无人机，被广泛用于伊拉克战争、阿富汗战争以及美国在世界其他地区的军事行动。在1996年，DARPA启动了微型飞行器（MAV）计划，研究用于侦查当地地形的体积更小的无人机机载系统。在该计划取得的多项研究成果中，其中之一就是T鹰无人机，这是一架垂直起降机，机身带有直径为13英寸的单旋翼带尾桨，配备摄像机和红外传感器，主要用于在伊拉克探测路边炸弹和执行其他情报收集和侦查任务。

图：美国俄亥俄州赖特·帕特森空军基地实验室，微型飞行器（MAV）研制小组研制的微型飞行器。

DARPA的微型飞行器项目的其他研究成果还包括黄蜂号无人机的诞生。黄蜂号的固定翼展长不到16英寸，机身总体重量不超过一磅，航速可达20至40英里每小时。黄蜂号机身迷你，可装入背包中，且便于手动安装。除此之外，黄蜂号的动力推进系统在工作时较为安静，不会产生大量噪音，这也使得黄蜂号成为在开放环境和城市中执行小班级别的灵活实时侦查任务的绝佳选择。

在21世纪初期，DARPA启动了无人驾驶战斗机的验证项目，提高了无人战机对合作任务进行规划能力以及自主决策力，同时提出完善了无人机和有人机合作执行任务的概念。在海军和空军的大力支持下，该项目逐渐演变为对联合无人战斗机系统的研究，并研制出了海军X-47B号舰载无人战斗航空器试验机，这也是第一架能够从航空母舰上起飞并自行回落的隐形无人轰炸机。

在2005年, DARPA在新项目中进一步扩大了对无人机的研究范畴，致力于开发纳米飞行器。纳米飞行器为形似蜂鸟的微型扑翼飞行器，可用于执行室内以及室外的情报收集和侦查任务。纳米飞行器翼展仅有6英寸，机身重量不足一盎司，这是第一款通过安装在其单翼上的一个微型化学火箭提供动力的飞行器，另外纳米飞行器的机翼上还可以安装电池以及飞行控制装置。

图：A-160蜂鸟无人机

在此期间，DARPA 还在积极筹备长航程垂直起降无人机的研发计划，同时开展了对另一型号的“蜂鸟”——A-160蜂鸟无人机的研究。A-160蜂鸟无人机为长航程高速无人直升机，可以连续飞行18.7个小时, 其前所未有的强大续航能力和超轻机身刷新了此类无人机系统的历史记录，成为无人机发展史上的一座里程碑。

所产生的影响

DARPA所推动的无人机技术创新和应用彻底颠覆了传统的情报收集和侦查的方式，无人机以更强大更隐秘的情报收集和侦查能力为巩固美国的绝对空中优势和国防部以及其他部门的信息优势提供了重要保障。DARPA这类研究所取得的最明显的成效之一就是现在装载了情报收集和侦查系统的无人机可以在全世界任何地区执行任务，续航功能更加强大，飞行高度也有显著提高，同时收集到的情报信息量和清晰程度也是其他传统方法无法比拟的。与此同时，DARPA还积极研发了可以极大简化操纵这类无人机执行战区任务的新技术。例如，黄蜂号配有尖端全球定位系统以及超微型自动驾驶导航仪，是历史上首款无需人工操纵可以独立自主飞行的微型飞机，这样一来操作人员就可以把精力集中在执行任务和收集战区信息和图像上。在2008年，美国武装部队在一项官方军事行动中正式启用了黄蜂号无人机，这也是美军首次启用无人机执行正式军事行动。

无人机的诞生离不开DARPA多年长期不懈的努力，这一里程碑式的技术突破不仅改写了人类历史，还将对人类未来发展产生深远的影响。无人机早期被用于越南战役，后来随着无人机技术的不断成熟，无人机在20世纪90年代联合国在波斯尼亚的维和行动中为联合国维和部队提供了大量宝贵的情报和信息，并在摧毁维吉尼亚大炮的行动中发挥了重要作用。在最近的伊拉克战争和阿富汗战争中，无人机出色完成了情报侦察和收集、发现瞄准攻击目标、以及伤亡评估等多项任务。这些都充分说明了无人机在维护国家安全以及加强军事实力方面无可取代的重要性。

除了军事领域外，无人机也逐渐成为很多企业界人士投资的重点，为民事商业市场的发展做出了贡献。事实上，今天无人机是航空业发展最快的领域，充分说明了DARPA的研究的巨大影响力和现实意义。

除了执法部门和公安局外，各大企业也纷纷制定计划，采用无人机来加强在输电线路监测、作物评估、火灾测定、采矿、伐木和提供远程通信连接装置等方面的工作，另外在无人机技术刚刚起步阶段早期就已经被应用于好莱坞及相关娱乐行业。

技术成果的转化和应用

DARPA研发的无人机以及无人机相关技术在美国海陆空三军中都得到了广泛的应用，并且正如上文所介绍的，无人机已成为国防部必不可少的军备之一。

下一步计划

未来在军事领域以及国家安全方面对无人机的需求将会越来越大，对无人机功能的要求也会越来越高。随着无人机应用范围的迅速扩大，今后人们将需要能够独立执行任务的无人机系统。DARPA正在积极开展一系列在这方面的相关项目，以图扩大无人机的功能范围，其中包括对吸气式和非吸气式推进技术、旋翼式机身设计、温度和散热管理、制导和导航系统、航行管理、传感器以及先进机载系统等领域的研究。

同时，鉴于无人机所收集到的信息量巨大以及为了满足现代情报收集和侦查的需求，DARPA还同步开展了可以加强对无人机所收集的信息的处理、管理分类和分析的技术研究。

目前，很多用于军事用途的无人驾驶飞行器都需要航空母舰或者配有长跑道的陆地基地来帮助起飞和降落，这对经济、财政、外交以及安全等方面的要求都很高，需要投入巨大的人力和物力，严重制约了无人机系统的部署速度。对于这一问题，DARPA也在积极研究解决方案。DARPA的战术利用侦查节点项目（Tern）计划使用小型舰艇作为长航时中等体积固定翼的无人机的活动发收站。目前，海军部队正与DARPA紧密合作，在DARPA前期所取得的成果上, 进一步研究战术利用侦查节点项目的全方位海上展示平台。

此外，DARPA的空中可重构嵌入式系统（ARES，战神）研究项目旨在开发出一种紧凑的、可垂直起降的、能够高速飞行的无人驾驶投送系统，能够执行 41 37292 41 15287 0 0 3103 0 0:00:12 0:00:04 0:00:08 3103资供应、空中侦察以及伤员运输等任务。“战神”无人机的一大特点就是可以像直升机一样垂直起降，而不需要依赖飞行跑道。因此，它可以无障碍降落到任何热点地区，例如地面部队难以抵达的战区或雷区，卸载物资或搭载救援士兵。“战神”无人机的另一大特点是“模块化”，其配备有可拆卸的有效载荷舱，因此可根据不同需求迅速“变形”为运兵飞机、货运飞机、侦察机或医疗救助飞机，甚至还具备打击能力。

情报、监视和侦察技术

需求和发展前景

了解敌军的最新动向以及随时随地掌握确定目标所在位置对维护国家安全至关重要，但是这些能力离不开情报、监视和侦察（ISR）技术的帮助。在冷战时期，由于苏联军队所拥有的大炮、坦克武器等先进军备和武装部队在数量上远远超过美军和北大西洋公约组织联军，面对这一情况，美军以及其盟友希望在情报收集和侦查方面取得绝对优势。

作为抗衡苏联军队的实力优势，弥合与苏联之间的巨大军事悬殊的突破口。尽管后来苏联解体，但是对尖端情报收集和侦查技术的需求却有增无减——不仅为了消除来自其他国家的威胁，还为了更好地应对日益猖獗叛乱分子和恐怖组织的破坏活动（尤其是考虑到这些叛乱和恐怖分子极有可能混杂隐藏在平民大众之中因而难以被发现）。联合监视目标攻击雷达系统（JSTARS）代号E-8的战机于2009年飞过加尼福尼亚州爱德华兹空军基地上空。

DARPA的解决方案

自冷战时期以来，DARPA取得了一系列的科技突破，为巩固美国在国际上情报、监视和侦察方面的绝对领导地位做出了巨大贡献。举例来说，在20世纪70年代，为了抵抗苏联的军事威胁，DARPA 启动了“铺路机”目标捕获武器运输雷达系统项目。“铺路机”系统是一种机载雷达系统，用来监视、探测和攻击陆军前沿部队纵深地带的敌方的面活动目标。在1978年，DARPA在其“突击破坏者”项目中采用了“铺路机”系统和其他相关技术，突击破坏者可以让美军利用DARPA研发的空载侦查和导航技术，例如，尖端光电感应器以及空载雷达，外加综合目标截获、数据传输和攻击的通信、指挥和控制网络，对敌军纵深装甲目标发动远程攻击。

后来，这些技术经过不断的升级更新，多被用于研发新型现代军事武器系统，其中最著名的例子就是诞生于20世纪80年代的联合监视目标攻击雷达系统（JSTARS），一种被空军用于管理、指挥和控制战役同时追踪地面车辆，将截获的图像和数据传送回中央指挥部的先进的远距空地监视飞机，可在任何气象条件下对地面目标进行定位、探测与跟踪。

在那之后诞生的车辆及散兵探测雷达（VADER）无人机机载系统不仅可追踪敌区地面车辆还能追踪下车人员。

为了发挥突击破坏者的机载雷达系统、联合监视目标攻击雷达系统以及车辆及散兵探测雷达系统的最大军事价值，DARPA开展了三个研发项目，分别为：移动目标监视项目、低成本移动面目标交战项目和NetTrack项目，研制出了可以发射精确制导弹药以及可以大面积地区范围有效识别敌人不显著的活动模式，例如发射机动导弹一类的小规模隐秘军事行动。

DARPA最近在探测诸如装甲车辆一类的小型目标方面也取得了重大突破，最新的传感器和雷达系统可以有效地识破敌方为逃过美军侦查和探测而利用恶劣的天气大面积隐藏目标或者采用其他伪装和欺骗手段隐藏军队、车辆或武器系统的伎俩，可以在可视度较低的环境下迅速识别敌方伪装。举例来说，DARPA的“七巧板”项目研发出了新型的三维立体激光成像雷达系统，利用激光穿透树叶植被或其他伪装的空隙，从多个角度收集三维图像，帮助作战人员准确地识别出隐藏目标。同时，DARPA所研发的植被穿透侦察、监视、跟踪和作战雷达（FORESTER）可以准确识别隐藏在障碍物之下的目标，大大增强了美军反伪装、反隐藏和反欺骗的能力。另外，DARPA与20世纪90年代末期启动的“发现者II”项目整合了“铺路机”系统和其他相关技术，研发了一系列空间雷达系统，最终成功在近地轨道上安装了先进的情报收集、侦查和监测技术系统，用于实行太空监测。

前不久， DARPA研发出了世界上首款机载高清实时成像传感器——自动实时地面覆盖侦察成像系统（ARGUS-IS），该系统可自动跟踪包括车辆、行人在内的任何移动物体，同时将拍摄到的具有高分辨率的实时图像资料传输到与之相连的地面指挥部操控界面上。

所产生的影响

DARPA在提高美国情报、监视和侦察能力方面作出了巨大的贡献，大大增强了美军的军事优势，便于美军执行军事行动抢占先机。最新的情报、监视和侦察不仅改革了美军的作战方式，还大大提升了美军整体战斗力和攻击力。

在伊拉克的沙漠风暴行动中，DARPA所研发的机载情报、监视和侦察系统（例如联合监视目标攻击雷达系统）为美军作战人员提供了大量宝贵的战术情报和信息，帮助美军在最大程度上减少了行动所造成的附带伤害和意外伤亡。此外，在伊拉克自由行动中，这些DARPA所研发的机载情报、监视和侦察系统捕获拍摄了大量宝贵的战场实况图像和信息，图像的清晰程度和信息的详细度都是前所未有的，让美军可以实时监控战场上的一切动态发展。联合监视目标攻击雷达系统可以准确识别敌军地面战车和直升机的行动方向和速度，同时将拍摄到的实时图像资料通过安全加密的数据传输器传输空军指挥部、陆军机动地面控制站以及远在千里之外的军事情报分析中心与之相连的操控界面上。在另一方面，DARPA在雷达成像和广域视频等领域的技术突破可以有效地发现并识别隐藏或者潜伏的叛乱分子和恐怖组织活动网络。

DARPA被应用于持久自由军事行动的ARGUS系统（OEF）以及DARPA的高空光学雷达运行实验（HALOE）项目为在阿富汗作战的美军部队提供了大量实时三维、高分辨率战区实况测绘图像和情报，所采集的数据不仅范围更广、像素和清晰度更高而且速度更快，同时还突破了传统情报收集手段的局限，能够突破敌方强大的防空系统，深入敌军后方进行侦查。在2012年，DARPA 负责开展管理高空光学雷达运行实验项目（HALOE）和维德项目（VADER）的前锋小编队由于在为美军在其他地区开展的持久自由行动提供情报信息支持方面做出巨大贡献而荣获杰出集体功绩奖。

大多数在情报、监视和侦察方面的技术都被广泛用于无人机，反过来，无人机也极大地推动了美国情报收集和侦查技术的发展，这一切都离不开DARPA长期以来的不懈努力。配备了DARPA最新研发的情报、监视和侦察系统的无人机可以战胜恶劣环境所带来的挑战，大大提高了任务的成功率和精确度，这两种技术的完美结合极大程度上提升了美军的战略行动和情报优势。

DARPA的高空光学雷达运行实验（HALOE）项目为在阿富汗作战的美军部队提供了大量三维、高分辨率战区实况测绘图像和情报，所采集的数据突破了传统情报收集手段的局限不仅范围更广、像素和清晰度更高而且速度也更快。

技术成果的转化和应用

DARPA所研发的情报、监视和侦察技术已被广泛用于美国海陆空三军国家侦查局、国家地理空间情报局、中央情报局和国防部联合简易爆炸装置对抗组织等机构。

与此同时，DARPA所研发的情报、监视和侦察技术在许多关键的民事领域也有广泛的应用。原本为执行军事领域的情报收集工作而开发的相控阵雷达系统，其应用现已扩展到蜂窝移动通信等民用领域。此外，由DARPA部分研发的先进雷达信号处理技术一开始主要用于支持军事情报收集，而如今也被广泛应用于民用航空空中交通管制系统，极大地提升了空域管理的效率。与此同时，现在很多的智能手机摄像头都装配了DARPA项目所研发的固体探测器和高速光电传感器，这掀起了商业摄影和摄像和视频领域的改革的浪潮。

下一步计划

今天， DARPA还在进一步研发可加强战区情报收集和侦查工作的新型技术。与此同时，鉴于如今依靠强大尖端的情报收集和侦查技术所收集到的数据信息量的增长速度已远远超过人类可以处理和分析的能力范围，因此DARPA正在积极研发新的信息处理和分析技术，这些技术可以帮助整合来自多个负责监测不同目标的传感器所采集的信息数据，同时自动化对目标和目标活动的检测工作，大大降低信息分析员的工作量。DARPA还计划通过使用先进的模式分析、发现和预测程序来识别潜在威胁，加强对具有高时效性的紧急军事行动的情报支持。