中小型ISR無人機海戰(zhàn)場的運用與關(guān)鍵技術(shù)分析

溫亮　孫曉路　衛(wèi)國華　呂建平　王波

摘要：無人機是海上航空偵察的重要手段之一， 是未來海戰(zhàn)場獲得制信息權(quán)、 制空權(quán)的主要偵察力量。 通過梳理國內(nèi)外海上中小型無人機的型號和屬性特點， 對中小型ISR無人機在海戰(zhàn)場的運用模式和運用優(yōu)勢進行了研究， 探討了中小型ISR無人機應(yīng)用于海戰(zhàn)場所面臨的問題， 并分析了發(fā)射與回收、 自主控制、 任務(wù)載荷、 通信鏈路、 平臺設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)， 展望了中小型ISR無人機的發(fā)展趨勢， 為中小型無人機在海上ISR領(lǐng)域的推廣應(yīng)用和規(guī)劃發(fā)展提供了參考與思路。

關(guān)鍵詞：無人機； 情報偵察監(jiān)視； 海戰(zhàn)場； 發(fā)射與回收; 自主控制; 任務(wù)載荷; 通信鏈路

中圖分類號：? TJ760; V279文獻標識碼：A文章編號： 1673-5048（2023）03-0049-07

DOI： 10.12132/ISSN.1673-5048.2022.0149

0引言

現(xiàn)代信息化條件下的高科技海上戰(zhàn)爭， 戰(zhàn)場上的軍事力量較量主要集中在信息權(quán)的爭奪上。 無人機作為海上航空偵察的主要手段之一， 可以搭載光電、 雷達等傳感器執(zhí)行情報（Intelligence）、 監(jiān)視（Surveillance）、 偵察（Reconnaissance）（ISR）任務(wù)， 為部隊提供戰(zhàn)場態(tài)勢感知能力， 獲取海戰(zhàn)場情報， 正逐漸成為海戰(zhàn)奪取制空權(quán)、 制信息權(quán)的主力。

中小型無人機作為海上無人機偵察力量的重要組成部分， 由于其機動、 靈活、 實時、 零傷亡、 效費比高等特點， 可以深入相關(guān)敏感海域進行全天候、 多方位、 大縱深的持續(xù)偵察與監(jiān)視， 是海上航空偵察力量不可或缺的部分。 本文針對未來海戰(zhàn)場信息對抗中的需求， 研究了中小型無人機在海上ISR領(lǐng)域的應(yīng)用， 并對無人機相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)進行了分析， 從而探究無人機海戰(zhàn)場的發(fā)展方向和技術(shù)壁壘， 有效挖掘無人機在海戰(zhàn)場的運用能力， 為無人裝備體系的建設(shè)和推動無人機體系作戰(zhàn)概念的發(fā)展提供智力支撐。

1國內(nèi)外海上中小型無人機發(fā)展現(xiàn)狀

無人機在海灣戰(zhàn)爭、 伊拉克戰(zhàn)爭、 阿富汗戰(zhàn)爭等局部戰(zhàn)爭中的成功運用， 展示了其用于軍事斗爭的巨大潛力。 尤其在2020年阿塞拜疆對抗亞美亞尼的納卡沖突中， 無人機大放異彩， 受到各軍事強國的高度認可和重視， 紛紛加快研究無人機作戰(zhàn)的步伐［1］。 美國是世界上較早開發(fā)無人機作戰(zhàn)研究的國家， 擁有超過200個型號的軍用無人機， 其研發(fā)和采購經(jīng)費超過了世界無人機領(lǐng)域經(jīng)費總支出的三分之二［2］， 無人機技術(shù)一直走在世界的前列。 早在2013年， 美國國防部就發(fā)布了戰(zhàn)略性綱要文件《無人系統(tǒng)綜合路線圖（2013-2038）》， 規(guī)劃了美軍各軍種今后25年的無人機發(fā)展方向［3］； 2018年美國國防部又對無人系統(tǒng)綜合路線圖進行了更新， 將無人系統(tǒng)路線的規(guī)劃時間延長至2042年， 主要聚焦無人平臺的跨域作戰(zhàn)、 互操作性、 自主性以及無人－有人協(xié)同作戰(zhàn)［4］， 將無人機從作戰(zhàn)工具轉(zhuǎn)變?yōu)樽鲬?zhàn)伙伴。

中小型無人機作為無人機系統(tǒng)的重要發(fā)展方向， 是目前海戰(zhàn)應(yīng)用最廣、 裝備最多的無人機。 以美國海軍為例， 中小型無人機裝備量約占無人機總裝備量的90%以上［3］， 而且隨著信息技術(shù)、 人工智能技術(shù)、 傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展和無人機平臺的不斷改善， 數(shù)量還在進一步增大。 中小型無人機通常是指短近程、 中程固定翼/旋翼無人機和無人直升機（活動半徑小于200 km）， 可執(zhí)行戰(zhàn)術(shù)偵察、 戰(zhàn)術(shù)打擊、 戰(zhàn)前大面積偵察等任務(wù)， 是海上ISR領(lǐng)域備受矚目的偵察力量。 早在海灣戰(zhàn)爭時期， 美國海軍就利用“先鋒”無人機為軍艦上的火炮提供火力校正，? 同時執(zhí)行探測和搜尋水雷、 反潛、 偵察監(jiān)視與搜救任務(wù)［5］。 在伊拉克戰(zhàn)爭中， 美軍首次使用了“銀狐”、 “陰影”和“龍眼”等小型無人機， 主要用于摧毀敵方通信系統(tǒng)、 擾亂對方通信情報， 并探測戰(zhàn)場物理環(huán)境和進行通信中繼［6］。 在其他現(xiàn)代局部戰(zhàn)爭中， 美軍還使用了“沙漠鷹”、 “指針”、 “獵人”、 “影子”、 “掃描鷹”、 “整合者”等中小型無人機［7］。 目前， 美國海軍和海軍陸戰(zhàn)隊已裝備或正在開發(fā)的中小型無人機包括RQ-12“黃蜂”、 RQ-20“美洲獅”、 RQ-11“渡鴉”、 MQ-11“航空探測器”、 “狼蛛鷹”、 “掃描鷹”、 RQ-7“影子”、 RQ-21A“黑杰克”、 MQ-8B/C“火力偵察兵”等無人機［8］， 預(yù)計到2035年， 美國海軍的無人機數(shù)量將會達到2 500多架［9］。 除美國之外， 以色列也是無人機強國， 軍用無人機技術(shù)僅次于美國， 不僅供其國內(nèi)軍隊使用， 還大量出口國外， 像納卡沖突中， 阿塞拜疆使用的“赫爾墨斯”長航程偵察無人機、 “哈洛普”自殺無人機、 “搜索者”中程偵察無人機都出自以色列［10］。 其實， 在兩次中東戰(zhàn)爭和以黎沖突中， 以軍就已經(jīng)將無人機廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)場偵察與監(jiān)視， 并創(chuàng)新了各種無人機戰(zhàn)術(shù)。 以色列現(xiàn)在擁有的中小型無人機包括“搜索者”、 “航空星”、 “斗牛騎士”、 “云雀”系列、 “競技神”系列等無人機［11-13］。 英、 法、 俄、 德、 日等國， 雖然也開發(fā)了相應(yīng)的軍用中小型無人機， 但無人機技術(shù)相較于美以兩國有一定距離。 表1對典型的中小型無人機進行了歸納。

2中小型ISR無人機在海戰(zhàn)場的運用

中小型無人機因其獨特的優(yōu)勢越來越受到海上作戰(zhàn)部隊的重視， 尤其在科學(xué)技術(shù)發(fā)展和海戰(zhàn)軍事應(yīng)用需求的刺激下， 中小型無人機性能不斷提高、 功能不斷擴展、 作戰(zhàn)能力不斷增強， 逐漸從海上ISR領(lǐng)域的輔助裝備發(fā)展成為不可或缺的必備裝備， 是提升海上信息系統(tǒng)體系作戰(zhàn)能力的關(guān)鍵要素， 將在未來海戰(zhàn)中發(fā)揮巨大的作用。

2.1海上中小型ISR無人機的運用特點

相較于大型無人機和有人機， 中小型無人機在執(zhí)行海上ISR任務(wù)時具備以下優(yōu)勢：

（1） 起降方便。 大部分水面艦艇由于船體空間的約束， 不適合大型無人機/有人機起降， 使得飛機遠距離滯空時間受限。 中小型無人機體積小、 拆卸運輸方便、 部署機動靈活， 可在條件簡陋的甲板或島礁等狹小場地起飛和降落。

（2） 隱蔽性好。 中小型無人機一般尺寸較小， 雷達散射面積小， 很難被搜索雷達探測到。 而且由于中小型無人機都是短近程、 中程無人機， 發(fā)動機的功率相對較小， 使得無人機的噪聲小和紅外輻射水平低， 不易被敵方發(fā)覺， 大大增強了執(zhí)行任務(wù)的隱蔽性。

（3） 效費比高。 中小型無人機相較于大型無人機和有人機， 制造成本較低， 系統(tǒng)相對簡單， 重量較輕、 維修方便、 可靠性好、 使用成本低， 且培訓(xùn)無人機駕駛員的時間和費用少， 使其具有較高的效費比。

（4） 作戰(zhàn)分布性好。 由于中小型無人機機動靈活， 布置方便， 可將具有高價值、 多用途的平臺作戰(zhàn)能力， 如光電偵察、 電子信號獲取、 雷達偵察、 通信中繼、 電子干擾、 火力打擊等能力分布布置到大量低成本、 效費比高的中小型無人機上， 通過合理利用作戰(zhàn)資源， 形成作戰(zhàn)能力協(xié)同倍增效應(yīng)， 實現(xiàn)分布式作戰(zhàn)效果。

（5） 可集群化作戰(zhàn)。 中小型無人機成本低， 可大批量裝備于海上作戰(zhàn)部隊， 通過相關(guān)戰(zhàn)術(shù)可形成無人機集群作戰(zhàn)能力， 完成ISR、 目標定位、 火力指引等任務(wù)。 而且， 由于各無人機小而分散， 敵方摧毀困難且攻擊代價高， 即使被摧毀， 代價較低， 容易補充。

2.2海上中小型ISR無人機的運用樣式

傳統(tǒng)的水面艦艇偵察、 艦載直升機偵察完全滿足不了海上作戰(zhàn)部隊對戰(zhàn)場信息獲取的需求， 中小型無人機因其獨特的優(yōu)勢， 可以彌補其他海上情報搜集、 信息獲取手段的不足， 提升海上情報體系的有效性、 完整性、 實時性， 為指揮員下決心、 做決策和執(zhí)行行動計劃提供強有力的支撐。 中小型無人機可以廣泛應(yīng)用于海上ISR領(lǐng)域， 主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

（1） 隨艦偵察。 海上艦船盡管裝有雷達、 光電、 水聲探測等多種艦載偵察裝備， 但由于受到地球曲率半徑的影響及自身探測設(shè)備的限制， 其探測范圍存在明顯的局限性。 而中小型無人機可搭載相關(guān)傳感器， 發(fā)揮居高臨下的優(yōu)勢， 實施多批量、 長時間不間斷偵察監(jiān)視， 彌補艦船低空和超低空探測能力和范圍的不足， 形成多維立體化情報網(wǎng)。

（2） 島礁巡邏。 海上島礁星羅棋布， 遠離大陸。 采用傳統(tǒng)艦船或有人機巡邏的方式對島礁進行常態(tài)化監(jiān)控的成本太高， 可使用中小型無人機搭配艦船巡邏的方式， 實施島礁常態(tài)化巡邏， 從而加強對島礁的管控能力。 同時， 可在島礁上布署中小型無人機， 對大面積敏感海域?qū)嵤┏志谩?實時的監(jiān)控， 提高相關(guān)海域的監(jiān)控與執(zhí)法能力。

（3） 航空搜潛與探雷。 潛艇隱蔽性較好， 對艦、 對岸基軍用設(shè)施威脅較大。 采用中小型無人機搭配磁探儀， 可以長時間對海域進行航空搜潛作業(yè)， 大大提高艦艇的反潛作戰(zhàn)能力。 同時， 中小型無人機可搭配金屬探測傳感器， 實施海域掃雷作業(yè)。 由于探雷無人機體積小， 運輸方便， 單艘掃雷艦艇可以攜帶多架無人機，? 實施大范圍的海域探雷作業(yè)， 大大提高掃雷效率， 而且可實現(xiàn)掃雷人員零傷亡。

（4） 艦船跟蹤與定位。 通過偵察衛(wèi)星等偵察設(shè)備發(fā)現(xiàn)敵方可疑艦船后， 若采用艦船跟隨進行跟蹤與定位， 容易暴露我方艦船的位置。 此時， 可以在超視距范圍外發(fā)射小型無人機， 抵達相關(guān)海域后， 使用可見光、 紅外或雷達偵察平臺進行偵察與搜索， 發(fā)現(xiàn)目標后將目標鎖定并持續(xù)跟蹤， 同時將目標位置與偵察圖像等數(shù)據(jù)傳輸給指揮站， 完成目標跟蹤與定位任務(wù)。

（5） 目標指示與毀傷評估。 中小型無人機可搭載激光、 雷達等偵察設(shè)備， 為艦船的艦載火炮和導(dǎo)彈選定攻擊目標， 同時及時提供目標的坐標、 方位、 速度等運動參數(shù)， 協(xié)助艦載火控系統(tǒng)完成目標分析和射擊計算， 并使用激光指示器對目標進行指示， 實現(xiàn)艦載武器對目標的精確打擊。 攻擊過后， 無人機還可以對目標的毀傷效果進行評估， 協(xié)助指揮官決策是否進行再次攻擊。

（6） 預(yù)警和通信中繼。 由于大海寬廣無垠， 海上通信資源較為有限， 而中小型無人機滯空能力強、 成本低， 可在海戰(zhàn)場布置大量無人機攜帶通信控制系統(tǒng)、 雷達系統(tǒng)等通信載荷， 形成海上通信網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)節(jié)點， 為戰(zhàn)區(qū)提供不間斷的戰(zhàn)場預(yù)警和通信中繼能力， 提供傳感器到傳感器、 傳感器到信息平臺的傳輸途徑， 并和衛(wèi)星通訊系統(tǒng)、 艦載無線電通信系統(tǒng)、 水下通信系統(tǒng)構(gòu)成海空天一體的立體化信息通信網(wǎng)絡(luò)。

3海上ISR無人機關(guān)鍵技術(shù)分析

雖然中小型ISR無人機因其獨特的優(yōu)勢受到世界各國海上作戰(zhàn)部隊的青睞， 但海上環(huán)境惡劣， 其存在起降平臺危險較大、 智能化程度不夠、 數(shù)據(jù)傳輸較慢、 任務(wù)載荷精度較低和平臺抗腐蝕能力差等問題， 制約了中小型無人機在海戰(zhàn)場的應(yīng)用。

3.1發(fā)射與回收技術(shù)

海上大型無人機和有人機， 可在大型艦艇或島礁機場有專用跑道起飛， 而中小型無人機的起飛面臨的是艦艇甲板或島礁的狹小場地， 且更易受到涌浪、 甲板風(fēng)等環(huán)境因素的影響，? 它的起飛一直是個難題。 而且， 大多數(shù)無人機起飛后， 在完成任務(wù)的同時， 為了實現(xiàn)其最大利用價值， 都會進行回收利用。 受平臺的限制， 海上無人機著艦回收的安全性問題尤為突出。 有資料表明， 無人機回收過程的故障數(shù)占無人機整個執(zhí)行任務(wù)故障總數(shù)的80%以上［14］。 因此， 海上中小型ISR無人機的發(fā)射與回收兩大技術(shù)難題， 成為制約無人機海戰(zhàn)運用的最主要因素。

目前， 海上中小型無人機的起飛方式主要有母機投放、 彈射起飛、 火箭助推起飛、 垂直起飛和手拋發(fā)射等（如圖1所示）。 其中彈射起飛是利用很強的彈性元件的彈力作為動力， 為無人機提供起飛所需的加速度， 如美國“影子200”、 “掃描鷹”、 “黑杰克”， 英國的“不死鳥”， 以色列的“先鋒”都采用此起飛方式［15-16］； 火箭助推起飛是借助固體火箭助推器， 從發(fā)射架將無人機助推起飛， 美國的“獵人”、 英國的“小獵鷹”和以色列的“哈比”無人機都采用這種起飛方式［17］； 垂直起飛技術(shù)能夠讓無人機垂直發(fā)射， 并具備空中懸停能力， 對跑道和其他發(fā)射裝備無依賴， 適合各類型艦艇使用， 是目前無人機發(fā)射技術(shù)的研究重點， 大多數(shù)旋翼無人機和無人直升機都采用了這種方式， 還有少部分固定翼無人機， 如最新的美國“金眼”和俄羅斯“無風(fēng)”-3無人機［18］。

海上中小型無人機的回收方式主要包括垂直降落、 傘降回收、 撞網(wǎng)回收、 天鉤回收（撞繩回收）、 艦面降落和側(cè)臂回收等， 如圖2所示。 其中， 傘降回收是無人機通過降落傘落到海面， 工作人員進行打撈回收。 大部分小型無人機都適合這種回收方式， 但是需要無人平臺具有防水能力， 且打撈過程較為麻煩［19］； 撞網(wǎng)回收是通過艦面無線電引導(dǎo)， 將無人機引入阻攔網(wǎng)內(nèi)進行回收的方式， 美國的“銀狐”、 “美洲獅”和以色列的“先鋒”、 “偵察兵”無人機都采用這種回收方式［20］； 天鉤回收又稱為單垂阻攔回收， 是通過裝在無人機上的自鎖掛鉤鎖定在阻攔索上進行回收， 2004年首次應(yīng)用于“掃描鷹”無人機［21］； 側(cè)臂回收是一種能發(fā)射和回收質(zhì)量達500 kg無人機的小型機械裝置， 可實現(xiàn)無人機安全發(fā)射和受控減速回收， 兼容當前和未來的戰(zhàn)術(shù)無人機， 特別適合海上平臺。 2016年12月， 美國極光科學(xué)公司成功進行了回收測試， 但是此回收技術(shù)還有許多技術(shù)難點尚未完全攻破， 比如回收階段的航跡規(guī)劃與自主控制能力等［22］， 所以側(cè)臂回收技術(shù)仍處于實驗測試階段， 目前還未應(yīng)用于現(xiàn)役無人機［23］。 需要注意的是， 海上中小型無人機的回收特別依賴艦船的無線電引導(dǎo)系統(tǒng)， 它需要引導(dǎo)系統(tǒng)精確平穩(wěn)地指引無人機進入設(shè)置好的回收區(qū)域， 實現(xiàn)成功回收。 表2列舉了幾種典型海上中小型無人機的起飛與回收方式。

3.2自主控制技術(shù)

無人機系統(tǒng)能夠完成人類通過人機交互布置給它的任務(wù)， 最核心的技術(shù)是自主控制技術(shù)， 即無人機系統(tǒng)具有自主性， 擁有感知、 認知、 分析、 通信、 規(guī)劃、 決策以及執(zhí)行的能力。 針對指定任務(wù)， 無人機通過態(tài)勢感知與分析、 自主學(xué)習(xí)與決策， 在最小化人為參與的情況下， 優(yōu)質(zhì)高效完成任務(wù)。 自主控制技術(shù)得益于目前蓬勃發(fā)展的人工智能技術(shù)， 主要涉及態(tài)勢感知技術(shù)、 智能規(guī)劃技術(shù)、 自主決策技術(shù)以及協(xié)同技術(shù)。

態(tài)勢感知技術(shù)是無人機系統(tǒng)理解并適應(yīng)環(huán)境的能力。 為了適應(yīng)復(fù)雜不確定的戰(zhàn)場環(huán)境， 無人機須具備對戰(zhàn)場環(huán)境的感知、 認知與理解， 這意味著無人機能夠融合多種傳感器的數(shù)據(jù)信息， 自主對周圍戰(zhàn)場環(huán)境進行建模， 并通過對數(shù)據(jù)計算、 分析與處理， 完成環(huán)境特征提取、 目標識別、 態(tài)勢評估、 狀態(tài)估計等， 將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成有用的情報， 服務(wù)于后期的決策過程。 2021年， Yamanouchi等人提出了一個3D懸垂系統(tǒng)， 該系統(tǒng)可以使無人機基于著陸場景和飛行經(jīng)驗， 實現(xiàn)對周圍環(huán)境的智能感知［24］。

智能規(guī)劃技術(shù)是無人機實現(xiàn)智能飛行的關(guān)鍵技術(shù)。 無人機在執(zhí)行任務(wù)時， 可以根據(jù)任務(wù)的地點， 智能規(guī)劃最適合的飛行航線， 并能有效避開威脅， 防止碰撞， 而且可以根據(jù)作業(yè)環(huán)境態(tài)勢的變化以及任務(wù)的改變， 實時或近實時地修改與重新制定系統(tǒng)的任務(wù)路徑， 智能完成任務(wù)的航跡規(guī)劃和重規(guī)劃。 例如， 采用離線訓(xùn)練-在線規(guī)劃框架的基于DDPG智能規(guī)劃技術(shù)的無人機， 可高效穩(wěn)定運行， 能適應(yīng)未知連續(xù)高維的環(huán)境態(tài)勢， 具有較強的智能規(guī)劃性能［25］。 2021年， Liu等人提出了基于蟻群算法的無人機自主規(guī)劃技術(shù)， 有效提高了無人機智能路線規(guī)劃和飛行的能力［26］。

自主決策技術(shù)是無人機系統(tǒng)能夠自主做決定、 下決心的技術(shù)， 可以使無人機實現(xiàn)更高的自主性。 但目前該技術(shù)僅限于無人機系統(tǒng)的任務(wù)設(shè)定及任務(wù)分配、 處理、 利用和分發(fā)等過程。 例如， 2021年， 針對多無人機協(xié)同的自主決策問題， Ma等人結(jié)合雙甲骨文與臨近搜索算法， 提出DO-NS算法， 加快了數(shù)據(jù)計算時間并提高了系統(tǒng)決策質(zhì)量， 從而有效改善了無人機的自主決策能力［27］。 但是， 對于指揮過程中是否放開機器自主決策存在諸多風(fēng)險， 爭議較大， 鑒于目前的智能技術(shù)， 需要慎重考慮。

協(xié)同技術(shù)是無人機系統(tǒng)與其他有人/無人系統(tǒng)協(xié)作的能力。 無人機在與其他系統(tǒng)進行協(xié)同作戰(zhàn)、 集群作戰(zhàn)時， 需要通過信息共享、 任務(wù)沖突消解、 任務(wù)分配來提供相互協(xié)作能力， 使無人機系統(tǒng)編隊協(xié)調(diào)其活動， 在不需要人類的監(jiān)督下， 實現(xiàn)共同的目標。 這種協(xié)同技術(shù)將帶來無人機系統(tǒng)控制方式的轉(zhuǎn)變， 即從以前直接對單個無人機的控制轉(zhuǎn)變?yōu)榫庩犞贫☉?zhàn)略決策， 是未來無人機系統(tǒng)重要的發(fā)展技術(shù)之一［28-29］。

雖然隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展， 無人機的智能化程度越來越高， 但距離獨立于操作者的管理和自我管理的真正自主性還很遠。

3.3任務(wù)載荷技術(shù)

無人機系統(tǒng)能執(zhí)行偵察、 監(jiān)視、 電子對抗、 目標跟蹤、 作戰(zhàn)效能評估等任務(wù)很大程度得益于無人機的任務(wù)載荷， 主要是各類通用的傳感器， 如光電、 雷達、 信號、 生化、 氣象傳感器等。 無人機系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能不僅取決于無人機平臺的性能， 更多的是取決于任務(wù)載荷技術(shù)。 任務(wù)載荷除了必須滿足無人機尺寸、 重量、 能耗、 隱身等裝機要素約束外， 還必須具備成本低、 分辨率高、 探測遠、 應(yīng)用靈活方便等屬性要求。 無人機的任務(wù)載荷技術(shù)主要包括以下幾類。

（1） 可見光探測技術(shù)。 其主要涉及電磁波的可見光波段， 此類探測技術(shù)成像分辨率高， 提供的圖像直觀、 清晰， 是其他傳感器技術(shù)無法比擬的， 而且以被動探測為主， 隱蔽性好， 抗電磁干擾性強。 但在傳播過程中易受到雨、 雪、 霧、 風(fēng)等不良天氣的形象。 所以， 在氣象環(huán)境比較好的情況下， 可見光探測是無人機執(zhí)行近距離偵察、 監(jiān)視的最佳選擇。 如采用光學(xué)透霧與電子透霧兩種方法相結(jié)合， 可以增強圖像成像質(zhì)量和增大作用距離， 實現(xiàn)無人機的超視距觀測［30］。

（2） 紅外探測技術(shù)。 其主要涉及電磁波的紅外波段， 此類探測技術(shù)探測距離較近， 成像模糊， 且極易受環(huán)境溫差的影響， 但不受惡劣天氣影響， 且可以探測隱身目標， 特別適合無人機夜間執(zhí)行ISR任務(wù)。 紅外探測技術(shù)通常會和可見光、 激光探測技術(shù)組合成光電綜合探測設(shè)備。 例如， 2020年， 以色列拉斐爾公司推出了微晶（Microlite） 輕型緊湊式光電/紅外成像系統(tǒng)， 可執(zhí)行全天候廣域持續(xù)監(jiān)視任務(wù)［31］。

（3） 雷達成像技術(shù)。 其主要是指合成孔徑雷達（SAR）技術(shù)， 涉及電磁波的微波波段。 相較于光電探測技術(shù)， SAR雷達能在夜間或能見度極低的天氣條件下工作， 以高分辨率進行大面積成像偵察， 但是重量大、 功率高， 只適合大型無人機裝載使用。 隨著無線電天線技術(shù)和信號處理裝備的小型化發(fā)展， SAR雷達可裝備于中小型無人機。 例如， 2022年， Khosravi等人提出了基于無人機SAR圖像的分類數(shù)據(jù)處理技術(shù)， 有效改善了SAR雷達的成像質(zhì)量［32］。

無人機任務(wù)載荷種類較多， 有各自的優(yōu)缺點。 為了適應(yīng)未來海戰(zhàn)的多樣化作戰(zhàn)需求， 無人機的任務(wù)載荷需進行模塊化設(shè)計， 即無人機可根據(jù)執(zhí)行任務(wù)的不同， 選擇不同、 最適合的任務(wù)載荷， 實現(xiàn)無人機的“一機多用”， 任務(wù)載荷的“即插即用”。

3.4通信鏈路技術(shù)

無人機通信鏈路技術(shù)是無人機開發(fā)的重要技術(shù)之一， 其是連接無人機與各類作戰(zhàn)平臺的紐帶， 是無人機成功完成任務(wù)的保障。 無人機在執(zhí)行任務(wù)時， 各類任務(wù)載荷產(chǎn)生大量的圖像情報、 聲像情報和信號情報， 此時需要通信網(wǎng)絡(luò)將這些情報信息實時、 快速、 安全地傳回數(shù)據(jù)中心， 以便形成有用的綜合情報， 供指揮員決策使用。 在無人機協(xié)同作戰(zhàn)、 集群作戰(zhàn)中， 無人機與有人機之間、 無人機之間、 無人機與水面作戰(zhàn)系統(tǒng)之間、 無人機與陸地作戰(zhàn)系統(tǒng)之間必須進行有機協(xié)調(diào)， 實現(xiàn)無人機與各作戰(zhàn)平臺、 指揮系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通互操作， 此時同樣需要高帶寬、 大容量、 快速的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)傳輸與通訊。 可以說， 通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是無人作戰(zhàn)系統(tǒng)的血脈， 其的好壞直接決定了整個作戰(zhàn)系統(tǒng)的運行暢通與否。

為了應(yīng)對無人機多樣化的作戰(zhàn)， 提高通信鏈路的帶寬與容量， 各類新技術(shù)應(yīng)運而生， 包括分布式動態(tài)多址技術(shù)、 實時魯棒寬帶傳輸技術(shù)、 多跳網(wǎng)絡(luò)節(jié)點信息交換傳輸策略等。 其中， 針對無人機集群作戰(zhàn)通信， 研究者提出了一種無人機集群自組網(wǎng)通信技術(shù)， 其是一種動態(tài)自組織無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)， 具有網(wǎng)狀分布、 無中心、 自組織、 遠距離、 準定位等技術(shù)優(yōu)勢［33-35］。 可以支持群內(nèi)任意節(jié)點的動態(tài)加入和退出， 滿足無人機集群在大規(guī)模、 高移動動態(tài)情況下的協(xié)同通信需求。

3.5平臺設(shè)計技術(shù)

海上作戰(zhàn)環(huán)境不同于陸地，? 海上無人機平臺的設(shè)計也不同于陸基無人機， 設(shè)計時還需要注意以下幾方面。

（1） 抗腐蝕設(shè)計。 海洋環(huán)境高溫、 高濕、 高鹽霧， 容易導(dǎo)致機械部件生銹破壞以及電子電器短路失效， 從而影響無人機的可靠性和使用壽命。 因此， 在設(shè)計海上無人機時需考慮無人機的抗腐蝕性。 目前常用的防腐蝕措施是為無人機部件噴涂耐腐蝕材料或加裝防護裝置［36］， 當然這也會帶來重量增加、 散熱不暢等問題。

（2） 氣動載荷設(shè)計。 海上環(huán)境風(fēng)大且頻繁。 中小型無人機速度低、 質(zhì)量輕、 翼展小、 升力大， 飛行易受到陣風(fēng)的影響。 海上無人機設(shè)計時， 需要考慮無人機的氣動載荷能力， 以結(jié)構(gòu)輕量化為目標， 綜合無人機的氣動特性、 設(shè)計壽命、 控制操作方式等進行氣動載荷設(shè)計， 從而達到最優(yōu)的無人機綜合性能。

（3） 抗沉沒設(shè)計。 無人機在海上作業(yè)時存在一定程度的落水可能性， 而且有些海上無人機是通過海面降落進行回收的。 為了最大程度地提高無人機的生存力、 使用壽命， 確保任務(wù)設(shè)備安全， 海上無人機設(shè)計時需考慮抗沉沒設(shè)計， 如采用閉孔泡沫夾心結(jié)構(gòu)、 獨立水密艙設(shè)計等［37］。

綜合分析可知， 未來海上中小型ISR無人機的發(fā)展方向更多強調(diào)無人平臺設(shè)計的可靠性以及發(fā)射與回收的可行性， 以便適應(yīng)海上戰(zhàn)場環(huán)境； 重點開發(fā)無人機自主性、 數(shù)據(jù)鏈路魯棒性， 實現(xiàn)互聯(lián)互通互操作性， 以便發(fā)展有人－無人與無人－無人協(xié)同作戰(zhàn)、 集群化作戰(zhàn)； 重視提升無人機任務(wù)載荷能力， 以便滿足海上多樣化作戰(zhàn)的需求。

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Application and Key Technology Analysis of Small and Medium－Sized ISR

UAVs in the Field of Maritime

Wen Liang*， Sun Xiaolu， Wei Guohua， Lü Jianping， Wang Bo

（China Coast Guard Academy， Ningbo 315801， China）

Abstract： Unmanned aerial vehicle （UAV） ， which is one of the significant means of maritime and aviation reconnaissance， is recognized as the main reconnaissance force to obtain information control and air control in the future sea battlefield. By combing the models and attribute characteristics of foreign small and medium－sized UAVs on the sea， this paper studies the application mode and application advantages of small and medium－sized ISR UAVs in the sea battlefield， and discusses their problems faced by the application， then analyzes the key technologies， such as launch and recovery， autonomous control， mission load， communication link， platform design， finally looks forward to their development trend. This paper provides reference and ideas for the popularization， application and planning development of small and medium－sized ISR UAVs in the field of maritime.

Key words： UAV; ISR; sea battlefield; launch and recovery; autonomous control; mission load; communication link

收稿日期： 2022-07-16

基金項目：? 國家自然科學(xué)基金項目（61871244）

*作者簡介： 溫亮（1984-）， 男， 江西贛州人， 副教授。