[《简氏防务周刊》]美军无人机载荷的发展

[《简氏防务周刊》]美军无人机载荷的发展现代无人机在尺寸、重量、作战距离和高度上都有很大不同。在阿富汗和伊拉克战争期间，美军使用的微型无人机如航宇环境公司生产的“指针”无人机只有4千克重，通过手持发射的微型无人机起飞重量从10克～100千克不等，并主要用于执行排级的短程战术侦察任务，微型无人机所携带的全部载荷只有大约50克重。师旅级执行侦察任务的战术无人机重量通常为150千克～500千克，根据无人机大小尺寸不同，所携带载荷重量为20千克～100千克。中空长航时无人机飞行高度约9144米，能够持续飞行24小时，所携带载荷重量约250～500千克。高空长航时无人机如“全球鹰”能够执行高空侦察任务，飞行高度约18288米，能够持续飞行36小时，携带载荷重量约1000千克。尺寸更大的无人机通常能够携带更大的载荷舱，从而使安装更多的传感器相对容易。固定翼和更大型无人机稳定性更高、侦察能力能强，而更小型旋转翼或垂直起降无人机则具有更好的机动性。早期战术无人机（TUAV）续航时间受所携带胶卷的限制，因为飞机需返回基地更换胶卷，从而耽搁了飞机获得图像的时间。数字光电和红外传感器代替了早期安装胶卷的照相机，使无人机能够获得实时或近实时图像。为满足军事需要，光电传感器发展很快。通用原子公司生产的RQ-1“捕食者”无人机采用威斯凯姆公司生产的“眼球”视频和热成像仪，但为了使无人机具备激光指示目标能力，很快被雷神公司研制的AN/AAS-44所代替。2002年，“捕食者”安装了雷神公司研制的AN/AAS-52多频谱目标指示系统，该系统集成了红外、彩色光电照相机和激光指示器。美国陆军的RQ-7“影子”200无人机可携带载荷25千克，第二批次传感器设备是基于IAI公司嵌入式光电载荷研制的，安装彩色电荷耦合组件电视机和前视红外传感器。无人机上将继续安装多波段传感器，用户需要多频谱和高频谱数字光电设备，数据输出更适合于自动目标识别设备，能够定位易逝和伪装目标。对于未来作战系统（FCS）无人机，美国陆军计划研制新型具备激光测距和激光指示功能的光电/红外传感器。图像由系统收集并在无人机外进行预处理，并由陆军分布式通用地面系统处理部件进行处理，系统还将对收集、处理和分析的战术数据进行综合。由于载荷重量的限制，现在用于最小微型无人机的可变传感器是小型视频照相机。EADS公司研制的微型无人机重量约500克，携带50克重512×582像素照相机，如此轻的无人机携带红外传感器并非易事，因此红外传感器的重量大大减小了。被称为“欧米茄”的红外照相机已开始在美陆军“乌鸦”无人机和海军陆战队“龙眼”无人机上服役。1．合成孔径雷达技术合成孔径雷达（SAR）技术可产生几百米宽的虚拟天线，分析来自运动飞机的雷达扫描多谱勒频率。合成孔径雷达具有全天候工作能力，图像清晰度将可能接近照片质量，从而比光电和红外传感器具有更大优越性。然而最近表明，重量过大和能耗过高限制了将其装在最大的无人机上。最近的两个趋势是将SAR能力扩展到更小的无人机上。首先，最新的战术无人机如“影子600”和“火力侦察兵”RQ-8B变得越来越重，诺·格公司研制的用于“影子”战术无人机的雷达（TUAVR）重25.8千克。第二，合成孔径雷达硬件重量减小。诺斯罗普·格鲁曼公司为“影子”无人机研制的战术无人机雷达重25.8千克，作为捕食者载荷的AN/ZPQ-1战术合成孔径雷达重73.8千克。通用原子公司研制的APY-8“山猫”合成孔径雷达采用美国国家实验室的技术，样机雷达重220千克，通用原子公司将样机雷达重量减少到52千克，为“徘徊者II”无人机设计的减小距离型雷达重量约为45千克。新的“山猫”II雷达大小将满足如“猎手”无人机和“未来作战系统”无人机携带载荷能力，并将在2007年开始服役。同时，美国Sandia实验室正在研制微型合成孔径雷达，重量不超过14千克，达到“山猫”雷达100毫米的地面分辨率，探测距离约15千米。未来发展将使全部重量不超过4.5千克，EADS公司研制的防务和通信系统微型合成孔径雷达重量不超过4千克，图像分辨率约50厘米。成像微型传感器公司宣布已研制成功高分辨率、超轻型合成孔径雷达。用于微型无人机的微型合成孔径雷达重150克，分辨率约300厘米，用于战术无人机的小型合成孔径雷达重5.4千克，分辨率约100厘米。安装合成孔径雷达的无人机能够处理急需的高能数据链，向地面站传输高分辨率图像。先进行波管技术是研制像稳定转换器的关键，使合成孔径雷达/地面运动目标指示器生成图像的分辨率可达到100毫米。先进的信号处理可以提高图像分辨率，但Sandia国家试验室指出增加了计算机的处理量。在改进型“山猫”雷达中，在能量孔径方面有很大提高。由于通用原子公司研制的“捕食者B”今年末或明年初将试飞，所安装的新型雷达即使在更高的巡航高度即45000英尺高度也可以达到现在AN/APY-8雷达的性能。合成孔径雷达的有效性可通过特种作战模式得以提高，该模式可以获取来自雷达图像的额外信息。“山猫”雷达已具备连续变化探测模式，使该雷达能够探测在同一地区非常小的变化，更进一步升级包括海上漂流目标的翻转合成孔径雷达成像，3-D成像和增强型地面移动目标指示器。此外，合成孔径雷达还可以对从其他传感器接收数据进行合成。2003年5月，美国陆军无人机、机器人和无人传感器项目办公室使用2架诺·格公司/IAI公司研制的RQ-5A“猎人”无人机，其中一架飞机安装通过地面操作的战术无人机雷达合成孔径/移动目标指示器传感器，另一架飞机安装“猎人”标准光电/红外传感器。操作者能够通过战术无人机雷达定位静止和运动目标，在合成孔径模式和移动目标指示模式之间转换，并通过光电/红外传感器有效确定目标。2．信号情报安装在无人机上的信号情报系统具有比许多地基或舰基系统更远的探测距离，对于代替或至少部分代替世界最老的无人侦察机具有很好的前景。然而，信号情报只能获取相对较少的传感器信息。信号情报系统接收器只能接受部分传感器装备，并且由能够携带合成孔径雷达同样级别的无人机携带，特别是“猎人”、“赫尔墨斯”和通用原子公司的“捕食者”和诺·格公司研制的“全球鹰”。2000年12月，RQ-5A“猎人”战术无人机成功安装信号情报系统载荷，对分布在亚利桑那州40平方千米范围内不同种类的无线电信号进行定位。该演示是美陆军师战术无人机信号情报项目的一部分。其中计划用于陆军RQ-7“影子”200无人机载荷之一是战术信号情报系统，将在师级战术无人机信号情报项目下开始工作。“全球鹰”可能将承担日益增加的信号情报任务。在2001年中，“全球鹰”通过国际海事卫星组织的卫星通信链路和包括信号情报传感器在内的载荷，首次进行了跨太平洋自主飞行，并在澳大利亚和周围海域实施11次飞行演示任务。诺·格公司与EADS公司联合研制“欧洲鹰”，作为“全球鹰”的改型用于满足德国和欧洲国家的需要。德国需要找到用于代替旧式信号情报飞机的新型飞机。2003年10月末和2003年12月初，6架RQ-4A电子情报演示机组由德国海军诺德赫兹基地起飞获得成功。基于更轻型无人机的信号情报系统最近由两个以色列公司研制成功，分别是电子系统公司研制的AES-210/VESM/ELINT系统和机载ESM/ELINT系统，重量大约22千克，每一个重量不足15千克，并将应用于无人机。IAIElta电子公司研制成功的EL/K-7071综合无人机通信情报、定向系统及EL/L-8385综合电子支援/电子情报系统，都将用于无人机和机载处理。美国正在研究基于无人机的截获和干扰移动电话方式。由于商业移动电话使用扩频和跳频技术，因此截获和干扰并不容易。信号情报无人机将不得不飞得足够低，以能够截获这些低能量信号。虽然有效的干扰需要有更宽的带宽，但有报道称，2003年初，“捕食者”携带载荷截获了移动电话信息。使用无人机进行雷达或通信拦截的主要问题在于无人机的这些应用要求高水平的能量传输。在无人机上，可获得的电子能量受电池能或所安装发动机发电机的限制。虽然无人机可以被用于干扰通信链路，他们在雷达干扰方面的有效性仍需验证。3．即插即用随着无人机日益先进，成本也逐渐增加。用户要求无人机具备更多多任务能力，由于载荷重量所限，只有将飞机设计得更大才可以携带双传感器。如果在单任务中使用多传感器，其中一项可用于减少传感器重量的技术是使用通用信号和图像处理器。该技术可以在无人机飞行重新安装，并可根据需要，通过改变任务中的战术环境，将信号处理工作从一个传感器分配给另一个传感器。模块化载荷概念受到更多关注，由于这样将改变传感器或无人机上传感器，以满足一个或一系列任务的需要。实现该目标的方法之一是由Taman公司研制一系列嵌入式光电载荷传感器。这些载荷是基于260毫米直径的球，传感器安装在可移动部位，并可以滑入万向节中。这些传感器单元可以在数分钟内替换，嵌入式光电载荷能够携带焦平面阵列热成像仪、远程彩色耦合器件等。在理想世界中，传感器是完全可以互换的。当无人机执行不同任务或升级传感器时，无人机能够迅速重新安装各种传感器。然而，任何努力增加即插即用扩展卡到个人计算机的人将意识到，安装可互换硬件通常只是目标而不是现实。开发“即插即用”型传感器所面临的问题之一是不能将任何型号的传感器安装在通用的部件中。无人机上的电子侦察情报或雷达传感器的天线位置将按工程标准分类，例如，合成孔径雷达的传输和接受天线安装部位可能相隔较远。改进型RQ-8B火力侦察兵将具备“即插即用”传感器能力。飞机的改进包括安装与可交换载荷保持联系的新计算机。无人机将设计得足够大以可以携带两种型号的传感器，通常是EO/IR和SAR/GMIT，但操作者可以选择去掉其中之一，以安装替换传感器更好地满足特定任务的需要。无人机及其传感器的发展速度将越来越快。基于激光的雷达传感器将能够生成关于潜在目标的3维图像，该技术能备准确的目标识别能力。2003年2月，美空军研究试验室提交建议演示适于安装在无人机上的3维成像激光雷达传感器。7月，洛克希德·马丁公司获得377万元合同开始“捕食者”成像激光雷达的研究。研究人员探讨了制造比现有微型无人机更小无人机的可能性，其体积可能与昆虫般大小。从理论上讲，这些微型无人机可以由单个士兵发射，在墙角飞行或飞入窗户。从实践上说，制造出能够用于如此小飞机的传感器困难很大。航宇环境公司称，早期试验表明，这样小的无人机非常容易受到微风的影响。某种形式的稳定器可能有所帮助，但设计人员会遇到设计问题。每增加一个新的性能都会增加飞机的重量，并会增使飞机体积更大。在使无人机重量更轻和传感器能力更强方面还需要做很多工作。