攜SAR微小型無人機(jī)系統(tǒng)研究

劉曉川　沈冬　劉玉寶

摘要：攜SAR微小型無人機(jī)系統(tǒng)以微小型無人機(jī)為載體，搭載SAR進(jìn)行全天時(shí)、復(fù)雜氣候前沿戰(zhàn)術(shù)偵察，并通過小型化通信設(shè)備構(gòu)成的數(shù)據(jù)鏈路將SAR探測信息傳送至地面，單兵利用輕質(zhì)便攜的地面設(shè)備進(jìn)行SAR實(shí)時(shí)成像以及情報(bào)信息處理。本文介紹了攜SAR微小型無人機(jī)系統(tǒng)的組成、特點(diǎn)及其工作過程，并對(duì)各部分的功能及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析、闡述。該系統(tǒng)的使用能有效提高復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境下前沿部隊(duì)的偵察和作戰(zhàn)能力。

關(guān)鍵詞：微小型無人機(jī)；SAR；數(shù)據(jù)鏈

中圖分類號(hào)：TJ56；V279⁺.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-5048（2017）02-0033-05

0引言

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭的發(fā)展，掌握信息主動(dòng)權(quán)已成為獲得戰(zhàn)爭勝利的主要因素。特別是處于作戰(zhàn)一線的前沿部隊(duì)，便捷、實(shí)時(shí)、全天候獲取戰(zhàn)場信息是適應(yīng)戰(zhàn)場瞬時(shí)萬變的前提。微小型偵察無人機(jī)具有易于部署、使用靈活、便于維護(hù)等顯著優(yōu)勢，可以實(shí)時(shí)獲取戰(zhàn)場信息，在實(shí)際作戰(zhàn)中得到了廣泛應(yīng)用，有效彌補(bǔ)了衛(wèi)星和有人偵察力量的不足，是目前國內(nèi)外裝備數(shù)量最多的一種無人機(jī)。

在伊拉克戰(zhàn)爭、阿富汗戰(zhàn)爭中，美國海軍陸戰(zhàn)隊(duì)以及陸軍都大量部署了微小型無人機(jī)，其頻繁參加戰(zhàn)斗，有效支持了作戰(zhàn)行動(dòng)的開展。RQ-11A“渡鴉”無人機(jī)是微小型無人機(jī)的典型代表，美軍已大約裝備了3 000架。目前微小型偵察無人機(jī)普遍裝備光電、紅外傳感器。這類傳感器功耗較小，可獲取可見光、紅外波段的偵察影像數(shù)據(jù)，但受天氣、環(huán)境、光學(xué)偽裝手段的影響較大，降低了其實(shí)際使用效能。根據(jù)美軍長期使用和研究發(fā)現(xiàn)，天氣對(duì)光電/紅外傳感器的影響比對(duì)無人機(jī)的影響要大。美軍在朝鮮半島的偵察監(jiān)視行動(dòng)中，無人偵察機(jī)1年中有255天可以執(zhí)行偵察任務(wù)，但其攜帶的光電/紅外系統(tǒng)只有58天可正常工作；在巴爾干半島1年中無人偵察機(jī)可以正常工作242天，而光電/紅外系統(tǒng)只有83天。

合成孔徑雷達(dá)（SAR）是一種高分辨率成像雷達(dá)，可在能見度極低的氣象條件下以側(cè)掃方式得到類似光學(xué)照相的高分辨雷達(dá)圖像。由于其可克服云、霧、煙、塵、夜晚的限制，實(shí)施全天時(shí)、全天候、高分辨率偵察探測，同時(shí)抗干擾、反光學(xué)偽裝能力強(qiáng)，引起了各軍事大國的高度重視，逐漸在大中型無人機(jī)上得到裝備。近年來，隨著SAR關(guān)鍵技術(shù)的不斷發(fā)展，SAR設(shè)備體積不斷減小、重量降低，已經(jīng)可加裝到微小型無人機(jī)上，為前沿部隊(duì)提供全天時(shí)、復(fù)雜氣象條件下的信息獲取手段。

針對(duì)攜SAR微小型無人機(jī)進(jìn)行前沿戰(zhàn)術(shù)偵察的優(yōu)點(diǎn)及技術(shù)發(fā)展，本文對(duì)攜SAR微小型無人機(jī)系統(tǒng)的組成及工作過程、主要分系統(tǒng)功能及研制關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了論述及探討。

1系統(tǒng)組成

攜SAR微小型無人機(jī)系統(tǒng)包括微小型無人機(jī)平臺(tái)、SAR偵察設(shè)備、數(shù)據(jù)鏈、地面控制及信息處理站，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中：微小型無人機(jī)平臺(tái)包括無人機(jī)機(jī)體、自動(dòng)駕駛儀、動(dòng)力設(shè)備、發(fā)射與回收裝置等；微小型SAR偵察設(shè)備包括微波子系統(tǒng)、數(shù)字子系統(tǒng)、穩(wěn)定平臺(tái)子系統(tǒng)等；數(shù)據(jù)鏈包括機(jī)載、地面通信模塊和通信天線；地面控制及信息處理站包含計(jì)算機(jī)、液晶顯示屏、大容量電池、操控裝置。

為了便于前沿戰(zhàn)術(shù)偵察使用，攜SAR微小型無人機(jī)系統(tǒng)以及相關(guān)備附件總重量要求輕，同時(shí)設(shè)備分拆后的尺寸應(yīng)符合單兵背負(fù)標(biāo)準(zhǔn)，才能便于攜帶。數(shù)據(jù)鏈通信半徑一般要求大于10 km，連續(xù)飛行偵察時(shí)間應(yīng)超過45 min。

攜SAR微小型無人機(jī)系統(tǒng)為前沿作戰(zhàn)“偵察監(jiān)視、打擊效果評(píng)估”提供快速、安全的手段，形成全天時(shí)、復(fù)雜氣候下靈活、便捷的戰(zhàn)術(shù)情報(bào)獲取能力，其系統(tǒng)工作方式如圖2所示。

微小型無人機(jī)

微小型無人機(jī)采用單兵攜帶，彈射起飛，并根據(jù)任務(wù)規(guī)劃進(jìn)入預(yù)定偵察地域上空，完成全自主飛行；機(jī)載微小型SAR偵察設(shè)備進(jìn)行全天時(shí)、復(fù)雜氣候下的雷達(dá)波束發(fā)射和回波信息預(yù)處理；地面控制及信息處理站對(duì)機(jī)載SAR的工作模式、成像角度進(jìn)行在線設(shè)定，并通過數(shù)據(jù)鏈路接收機(jī)載微小型SAR探測信息，完成實(shí)時(shí)成像和情報(bào)信息處理及顯示。

2主要分系統(tǒng)

2.1微小型無人機(jī)平臺(tái)

2.1.1無人機(jī)機(jī)體

無人機(jī)機(jī)體為任務(wù)載荷、機(jī)載設(shè)備和動(dòng)力裝置等提供裝載空間，產(chǎn)生升力滿足負(fù)載需求，形成足夠的穩(wěn)定性和操控力，使無人機(jī)能在飛行包線內(nèi)穩(wěn)定飛行，是影響無人機(jī)飛行性能的關(guān)鍵因素。

機(jī)體的總體、氣動(dòng)和結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)必須考慮無人機(jī)存儲(chǔ)、運(yùn)輸以及整個(gè)飛行剖面的使用要求。微小型無人機(jī)采用桿式吊艙結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，動(dòng)力、機(jī)翼、尾翼、任務(wù)載荷艙、機(jī)載設(shè)備艙等各個(gè)功能部件均相互獨(dú)立，可拆分存儲(chǔ)在較小的背包中，對(duì)于有故障的部件可直接替換，滿足了單兵攜帶和便捷使用的要求。動(dòng)力采用前置布局，有效降低手拋操作時(shí)高速螺旋槳造成人體損傷的風(fēng)險(xiǎn)。機(jī)翼采用小翼載設(shè)計(jì)，適應(yīng)手拋速度低的特點(diǎn)，有效提高起飛安全性。傘艙采用融合式設(shè)計(jì)，在保證容積和負(fù)載特性的情況下，實(shí)現(xiàn)綜合減阻。翼型設(shè)計(jì)以改善失速特性和增大巡飛低阻區(qū)范圍為主要目標(biāo)，一方面解決手拋起飛，迎角難控制，易失速的問題，另一方面能夠使無人機(jī)在實(shí)際有風(fēng)干擾的情況下始終以較高的氣動(dòng)效率飛行。

2.1.2自動(dòng)駕駛儀

自動(dòng)駕駛儀是無人機(jī)自主完成飛行任務(wù)的核心部件，其能夠?qū)崿F(xiàn)姿態(tài)穩(wěn)定控制、自主導(dǎo)航飛行、任務(wù)載荷控制、異常情況處理等諸多功能。微小型無人機(jī)自動(dòng)駕駛儀主處理部件是以低功耗Soc芯片為核心構(gòu)成的飛控計(jì)算機(jī)，通過使用小型化的微型機(jī)電系統(tǒng)MEMS、氣壓高度計(jì)和北斗/GPS接收機(jī)等傳感器采集飛行中的姿態(tài)、位置、速度等信息，執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用扭矩大、轉(zhuǎn)動(dòng)精度高、速度快、尺寸薄的數(shù)字舵機(jī)。

自動(dòng)駕駛儀的控制律以PID（比例、微分和積分）控制為主，對(duì)飛行姿態(tài)的穩(wěn)定和飛行航跡的控制通過傳感器、飛控計(jì)算機(jī)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成的內(nèi)外回路閉環(huán)控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。