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现代无人机系统设计技术讲义祝小平周洲编写二O一二年七月1一、课程主要内容1.无人机系统发展及趋势无人机系统组成与功能；无人机系统的地位与作用无人机的分类；国外无人机发展现状及趋势2.无人机飞行控制、导航与制导技术无人机控制与管理系统的地位与作用无人机控制与管理系统的特点无人机控制与管理系统的组成和功能无人机控制模式机载传感器引导设备伺服机构导航系统制导系统3.无人机数据链技术功能、分类、组成、指标体系技术特点以色列无人机数据链美国的无人机数据链2未来数据链发展方向4.先进无人机平台总体设计技术先进无人机发展方向先进无人机平台共性技术高空长航时无人机设计技术无人作战飞机设计技术太阳能无人机设计技术3二、无人机系统发展及趋势1无人机系统组成与功能无人机的定义：无人机是一种由动力驱动、机上无人驾驶的航空器。无人机系统由无人机平台、任务载荷、数据链、指挥控制、发射与回收、保障与维修等分系统组成，各分系统组成和功能如下：(1)无人机平台分系统：包括机体、动力装置、飞行控制与导航子系统等；无人机平台分系统是执行任务的载体，它携带任务载荷，飞行至目标区域完成要求的任务。(2)任务载荷分系统：信息支援、信息对抗、火力打击等；任务载荷分系统完成要求的信息支援、信息对抗、火力打击等任务。(3)数据链分系统：无线电遥控/遥测设备、信息传输设备、中继转发设备等；数据链分系统通过上行信道，实现对无人机的遥控；通过下行信道，完成对无人机飞行状态参数的遥测，并传回任务信息。(4)指挥控制分系统：飞行操纵设备、综合显示设备、飞行航迹与态势显示设备、任务规划设备、记录与回放设备、情报处理与通信设备、与其它任务载荷信息接口等；4指挥控制分系统完成指挥，作战计划制定，任务数据加载，无人机地面和空中工作状态监视和操纵控制，以及飞行参数、态势和任务数据记录等任务。(5)发射与回收分系统：与发射(起飞)和回收(着陆)有关的设备或装置，如发射车、发射箱、弹射装置、助推器、起落架、回收伞、拦阻网等；发射与回收分系统完成无人机的发射(起飞)和回收(着陆)任务。(6)保障与维修分系统：基层级保障维修设备，基地级保障维修设备等。保障与维修分系统主要完成无人机系统的日常维护，以及无人机的状态测试和维修等任务。2无人机的作用和地位无人机系统以其机动灵活、持久飞行和“零伤亡”等特点几乎渗透到战场空间的各个领域。近期几次局部战争中无人机的突出表现，更加引起了各国军方，尤其是军事强国的高度重视，已成为信息武器装备体系的关键节点和重要组成部分，在信息支援、信息对抗和火力打击等领域发挥着不可替代的作用。与有人驾驶飞机相比，无人机的优势主要体现在以下五个方面：一是可长时间执行空中任务；二是可替代有人驾驶飞机进入核/生/化等污染环境执行任务；三是不存在飞行员伤亡，政治和军事风险较小；四是由于不考虑人的因素，可承受更大的载荷，飞机的隐身和机动性上可实现质的飞跃；五是全寿命费5用低、作战效费比高。与卫星相比，无人机系统具有时效性、针对性和灵活性强等优势。由于无人机系统的突出特点，决定它的地位和作用。a.无人机是夺取信息权的有利工具。无人机能够提供长期持久的战场信息支持服务，可实时获取和战场信息，具有多维一体、全域覆盖、持续实时、准确精细的信息感知能力；不同类型不同高度的无人机系统组成了覆盖战场低空至临近空间区域范围的通讯、导航和定位等信息支持网络，形成灵活、机动、多层次、立体化的空基和近天基综合信息支持能力，提高了指挥的效率，增强了作战的联合性和灵活性。b.无人机是未来战场信息对抗的重要支柱。信息对抗，是指对敌方信息系统实施电子干扰、电子欺骗、电子诱饵、网络攻击、和反辐射摧毁。不同类别的无人机系统能够满足战略、战役、战术多层次的信息对抗能力的需要，能够提供“软”“硬”不同类型的信息对抗手段，提供从战术信息对抗支援到战略战役信息对抗打击的作战能力，实现对敌方信息系统全频段、全时域、全天候的信息攻击，形成多层次的信息作战力量体系框架。c.无人机将成为空中作战的主导力量。无人机将具备时敏目标察打能力、对敌纵深重要目标精确打击能力、临近空间作战能力和跨大气层作战能力，成为21世纪空中作战的主导力量。在联合作战中，无人作战飞机可执行防空压制任务，协调各种力量对敌领土纵深实施打击；无人机与地面和海上力量配合，可6为地面和海上兵器指示目标和实施火力校射，提高打击精度；无人机还可以执行战斗求援、战场管理、战区导弹防御、反雷、心理战等。d.无人机是执行最危险任务的最佳选择。高技术信息化战争使用精确制导武器的比重越来越大，核、生、化武器并存，杀伤力增大，参战人员将面临巨大危险。因此，无人机能够代替有人机执行最危险的任务，最大限度地避免人员伤亡。3无人机的分类无人机可以按功能、大小、速度、活动半径、实用升限、续航时间等方法进行分类。按功能分类：无人机可以分为军用无人机和民用无人机两大类。军用无人机又分为信息支援、信息对抗、火力打击三大类，其中信息支援类无人机包括侦察监视、信号情报、目标指示、毁伤评估、预警探测、地形测绘、核生化/辐射和爆炸物侦测、水文监测、气象探测、作战搜索救援、通信中继、信息组网等类型无人机；信息对抗类无人机包括电子对抗（含电子侦察、电子防护、电子攻击）、网络战、诱饵/欺骗、心理战等类型无人机；火力打击类无人机包括时敏目标打击、对地攻击、制空作战、反潜/反舰、地雷/水雷探测、反水雷、防空反导等类型无人机。民用无人机包括检测巡视类无人机、通信中继类无人机、遥感绘制类无人机和时敏目标打击类无人机。检测巡视类无人机包括气象监测、(火灾、水灾、地震等)灾害监测、(交通、水7利、地形地貌)环境监测、电力线路和石油管路巡视等类型无人机；通信中继类无人机包括通信中继、通信组网类无人机；遥感绘制类无人机包括海洋、地质遥感遥测、地形测绘、矿藏勘测等类型无人机；时敏目标打击类无人机包括公安、边防、海关巡逻和反恐维和中对时敏目标打击的无人机。按大小分类：无人机可以分为微型无人机、小型无人机、中型无人机和大型无人机。微型无人机重量一般小于1kg，尺寸在15cm以内。小型无人机重量一般在1～100kg内，中型无人机重量一般在100～1000kg内，大型无人机重量一般大于1000kg。按速度分类：无人机可以分为低速无人机、亚音速无人机、跨音速无人机、超音速无人机和高超音速无人机。低速无人机速度一般小于0.3Ma(Ma为马赫数)，亚音速无人机速度一般在0.3～0.7Ma，跨音速无人机速度一般在0.7～1.2Ma，超音速无人机速度一般在1.2～5Ma，高超音速无人机速度一般大于5Ma。按活动半径分类：无人机可以分为超近程无人机、近程无人机、短程无人机、中程无人机和远程无人机。超近程无人机活动半径在5～15km之间，近程无人机活动半径在15～50km之间，短程无人机活动半径在50～200km之间，中程无人机活动半径在200～800km之间，远程无人机活动半径大于800km。按实用升限分类：无人机可以分为超低空无人机、低空无人机、中空无人机、高空无人机和超高空无人机。超低空无人机实用升限一般在0～100m之间，低空无人机实用升限一般在100～1000m之间，8中空无人机实用升限一般在1000～7000m之间，高空无人机实用升限一般在7000～20000m之间，超高空无人机实用升限一般大于20000m。按续航时间分类：无人机可以分为正常航时无人机和长航时无人机。正常航时无人机续航时间小于24h，长航时无人机续航时间大于或等于24h。4无人机的发展虽然无人机的出现比有人机早，但由于技术发展的限制，早期无人机发展很慢，直到上世纪六十年代，由于战争的牵引无人机才开始发展，到上世纪九十年代，由于技术发展的推动，无人机开始加速发展，目前，无人机已经进入了飞速发展时期。4.1战争的牵引作用1960年冷战期间，美国曾多次派U-2有人驾驶侦察飞机前往前苏联侦察导弹基地，其中有的U-2被击落后飞行员被俘，使得美国声誉大跌。后来美国改用间谍卫星，由于当时卫星的不足，无法代替有人侦察机。1962年美国U-2侦察机再次前往前苏联，飞越古巴时，又被SAM导弹击毁，由此引发了采用无人飞行器进行侦察的思想，开始研制了D-21，AQM-34，主要功能是照相侦察。越南战争期间进一步发展了BQM-34轻型无人机，功能由照相侦察增加到实时影像，电子情报，电子对抗，实时通讯，散发传单，战场9毁伤评估等。随着战争的结束，人们对无人机的兴趣逐渐淡化，直至1982年以色列与叙利亚在贝卡谷战争中，以色列使用无人机进行侦察、干扰、诱敌，无人机的作用再次被重视和开发。1985年，美国海军及海军陆战队购买了以色列AAI及IAI航空工业公司的“先锋”系统，该系统在发展过程中经受了大量的严峻考验。1991年初的海湾战争中无人机已成为“必须有”的战场能力，六套先锋（Pioneer）无人机系统参战，其中三套在近海岸，出动151架次；两套在海军舰艇上，出动46架次；一套在海军陆战队，出动185架次，提供了高品质、近实时、全天时的侦察、监视、目标捕获、拦截和战损评估。此时，美国会要求成立“联合计划局”（JPO）,这样可以在各军种之间最大限度的发挥技术的通用性和相互操作性。科威特与伊拉克的战争让军事指挥者有机会在战斗中使用无人机，他们发现无人机有极高的价值。这场战争中有五种无人机系统参战：（1）美军的“先锋”（Pioneer）;（2）美军的“敢死蜂”（Exdrone）;（3）美军的“指针”（Pointer）；（4）法军的小型远程遥控侦察机（MART）；（5）英军的CL-289。虽然对无人机有许多奇闻逸事和成就的渲染，但在此次战争中并未起到决定性和关键性的作用。只是给了军方启发，使他们思考无人机“能做什么”，但可以肯定，无人机是一种有潜力的重要武器系统。科索沃战争中参战的无人机有“捕食者（TierII）”，“猎人（Hunter）”，“先锋”，“红隼”，“不死鸟”，“米拉奇26”10以及“CL-289”等七种无人机，是历次战争中使用无人机架次最多的一次，也是发挥作用最大的一次。1995年第一次俄罗斯车臣反恐战争和1999年第二次俄罗斯车臣反恐战争中，俄军使用了无人侦察机对战区进行侦察和监视，尤其在第二次车臣战争中，俄军的“蜜蜂”无人侦察机侦察了大量叛军资料，为俄军精确打击提供准确资料。前述战争中，无人机担当的主要是侦察的角色，在阿富汗战争中，美国用“捕食者”作为载机，发射了“AGM-114C”“海尔法”空地导弹，首次在实战中实现了无人机发射导弹直接对地定点攻击，进一步发展了作战无人机的功能，也是对无人作战飞机的实战使用进行了验证，真正开始了无人化战争的起步。2003年的伊拉克战争中，美军使用了10种以上的无人机支援作战行动，实现了有人驾驶飞机与无人机、空中与地面武器系统的灵活运用。历次参战的无人机型号见表1.1。历次参战的无人机完成的主要作战功能见表1.2。表1.1历次参战的无人机机型历次战争名称参战的无人机机型越南战争AQM-34“火蜂”、QH－50第四次中东战争BQM-74C“石鸡”多用途无人机贝卡谷地空战“猛犬”1991年海湾战争“先锋”、“敢死蜂”、“指针”，MART,CL-289等1995年科索沃战争“捕食者”、“猎人”、“先锋”、“红隼”、CL-289、“不死鸟”等俄罗斯车臣反恐战争“蜜蜂”－1T、图－243112001年阿富汗战争“捕食者”、“猎人”、“全球鹰”等2003年伊拉克战争“捕食者”等十几种无人机当前美、以反恐行动“捕食者”、“猎人”、“搜索者”表1.2历次参战的无人机完成的主要作战功能历次战争名称主要作战功能侦察欺骗干扰监视中继对地攻击越南战争第四次中东战争贝卡谷地空战1991年海湾战争1995年科索沃战争俄罗斯车臣反恐战争2001年阿富汗战争2003年伊拉克战争当前美、以反恐行动4.2技术的推动作用航空技术的发展是推动无人机技术发展的基础。无人机是依赖空气动力承