【深度】无人机研究报告（十二）无人机发展 六大关键技术

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【深度】无人机研究报告（十二）无人机发展六大关键技术

Original 2018-01-22 学术plus 学术plus

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《武器与装备研究选编》

第三部分：无人机研究报告

（十二）

无人机关键技术

无人机应用大范围技术发展的脚步，使得那些曾经非常笨重的载体和在“作战信任圈子”（得到士兵信任）之外的系统开始在作战地区承担重要任务，这在几年之前还无法预料。随着电池寿命与计算机处理水平的显著增长，传感器大小与复杂程度的降低，以及在可靠性、可维护性、自动化和操作界面上的改进，当前的无人机已经成为了指挥员手中极其重要的一个工具。

在21世纪的头十年中，当指挥员们对无人机的作战性能（和限制）已经变得习以为常的时候，未来的数十年却已经开始呈现两方面的挑战，并与当前的作战截然不同。首先，国家安全向亚太战区进行战略性转移，意味着需要基于环境和潜在对手实力进行不同的作战考虑。其次，紧缩的政府财政环境（没有海外突发作战（OCO）经费）和至多持平的基础预算水平，给无人机的操作员和供应商在总成本限制下去寻求效率带来了挑战，这些成本包括制造、航空电子设备、调度，以及人力和后勤保障。这种挑战是双面的，因为每一方面都不能避开另一方面来考虑，即必须在预算限定的背景下满足作战需求，并且应从近期、中期和远期三个阶段来分开考虑。

本章重点介绍了无人机技术改进的六个方面。这些技术反映了国防部在战略重点上的转变，也表明了所有系统应按照生命周期来减少成本的需要，包括无人机。在每一方面，分别讨论了近期、中期和远期的发展目标，各个阶段的定义如下表所示：

短期、中期和远期发展目标

国防部旨在增强作战能力和减少成本的六方面关键技术分别是：互操作性和模块性；通信系统、频谱和弹性；研究和情报/技术保护（RITP）；持续弹性；自主性和认知行为；新型武器相关技术。其他重要的方面还包括在传感器空投、天气感知、高性能计算等。

1. 互操作性和模块性

传感器和武器技术快速成熟，处理能力和算法的发展常常超过国防部能力升级和将重大进步转化为实战平台的速度。由于利用了商业性的处理和电子标准技术，当前无数的传感器、通信和武器系统不断发展。加上过去几年美国国防部主要系统进行技术更新时，在平台内部（模块性）和平台之间（互操作性）面临着诸多挑战。提高模块化程度、增加跨域数据分享的可互操作界面有利于实现未来全寿命周期成本的最小化，减少部队结构需求，可快速适应新的威胁和技术。

2. 通信系统、频谱和弹性

所有无人机（不同于纯粹的自主系统）需要面临的挑战包括：通信链路的可用性、通信链路支持的数据量、通信频谱的认证、RF（射频）系统对干扰（例如电磁干扰）的适应弹性。

3. 研究和情报/技术保护（RITP）

无人机在执行任务时，常涉及关键程序信息和敏感、保密数据，因此需要研究和情报/技术保护。无人机必须包含合适的安全措施，不仅可以阻止未授权的接入/控制，未授权的或者无意的数据披露，保持技术优势，还可以使新的传感器、武器和操作软件更快地适应。

4. 持续弹性

无人机由于在燃料/重量比方面的显著优势使其更具可持续性，而且可以更好地利用无人机的设计提供更长的有效驻留时间。另外，未来航空电子、动力和推进系统、存储管理系统等方面的小型化将使系统更小，再加上更好的可持续性，可以将投资最小化。增加可持续性需要在可靠性、维修性和生存力方面进行改进。因此，当尺寸、重量、动力和冷却（SWaP-C）等性能的改进已经成为未来所有系统（包括无人机）的特征时，它们对系统的可靠性、可维护性和生存性也提出了更高要求，以确保各种用途下的战时效率。

5. 自主性和认知行为

几乎所有的无人机都需要对其基本设备操作和影响通信、人力和系统效率的行为进行主动控制。国防部预算中最大的成本之一是人力。作战时，大量的人力资源投入到任务性能、数据收集和分析、规划和再规划期间对无人机的指挥上。因此，对国防部来说，最重要的是增加那些不仅可以获取重要信息、而且可以形成/记录/重放/规划和分析这些信息、传递“可执行”情报而非原始信息的系统/传感器和分析自动化技术。这样可以大大减少人力需求和人员伤亡的风险，增加行动的有效性。

6. 新型武器相关技术

为了充分利用各种无人机，需要用武器方面的技术进步来升级各种无人机。扩展无人机的武器投递选项，包括新型军火选项，在无人部队架构上集成新能力，增加其它武器平台，利用特定武器相关技术领域的重大突破，实现武器性能跃升。

7. 传感器空投

无人传感器在越战时被广泛使用，大大减少人员和设备在越南南部地区的使用。多种传感器的使用可以进行指示告警、通信中继、天气预报、活动鉴别、高价值的人员/目标的侦查、动力武器信号指示、接近实时告警，能够通过阵列布置进行预测活动。使用无人海洋系统安装传感器可以增加持续时间、判断/识别活动和目标，这种方法无需投入人力、也不需在敌方领域开展多次高要求的出击，就可以实现对指定区域和/或指定点的侦测。

许多无人平台已经配备了外部设备，可以进行受控的掩护和/或自主隐蔽活动。无人地面传感器技术正在快速发展，并能采集和报告特殊信息，使用坐标寻址能力提供准确的隐蔽安装位置。在无人机上，一般配置了功能可相互补充的传感器，在提供准确安装位置的同时，提供图像信息以支持任务规划和路径跟踪。未来，无人机平台是穿越拒止战场区域、准确投送传感器和非动能武器的理想工具。其未来的能力也包括部署“粘贴机器人”，可以对通过某区域的人员进行跟踪和识别。

8. 天气感知

许多军事任务需要准确和及时的天气预报，帮助指挥员改进传感器规划和数据采集，避免发生与天气相关的潜在事故。无人机平台可以在不同高度、全天候、在作战区域上空飞行，便于获得气象数据。准确的天气报告也支持互补性的地面和飞行规划的同步。未来的天气报告几乎可以从分布式公共地球站天气应用软件和美国大陆天气中心实时获取，并通过其它天气信息进行修正，从而可以更准确的为战术指挥官提供预测。天气传感器信息将自动格式化并通过平台数据链以自动化路径向作战指挥官和其他合适的天气预测和报告地点发送报告。随着无人机续航时间的显著增加，天气预测变得越来越重要，准确的预报可以保证发射、恢复、距离极限更准确，避免与天气相关的潜在事故，提高飞行和地面作战的协调性。

9. 高性能计算

超高容量、高清晰传感器带来带宽的问题。每个传感器和通信系统有独立的元件对各种信息进行处理。这种“个人主义”导致了大范围的非标准化部件、元件接口和SWaP-C配置。未来技术将为大多数无人机提供标准化、系列化的HPC能力。高性能计算能力可以使通用的硬件-定义结构与通用的软件-定义结构相一致，形成一套统一的即插即用的标准性能和应用结构，在一个小型化的底板上进行计算处理。无人机系统提供商可以得到通用的结构，这样可以大大降低集成的成本。使用HPC系列或者通用硬件也可以支持技术插入，如多个可能的元件中的一个在处理器、内存或者其它电子设备之间进行互换。它也能进一步提高软件下载能力。HPC在无人机中可以应用到多个子系统上，应对云计算和多层安全、通信、开放式标准、数据存储、成本、技术插入、SWaP-C等方面的挑战。