美軍多旋翼無人機(jī)提升單兵戰(zhàn)場感知能力

馬強(qiáng)+寧波++陳宇

美軍作為無人機(jī)實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用的鼻祖，無人系統(tǒng)作戰(zhàn)理念和飛行平臺作戰(zhàn)性能都非常先進(jìn)，廣泛擔(dān)負(fù)偵察、打擊和支援類任務(wù)。目前，美軍正在將無人機(jī)作戰(zhàn)從戰(zhàn)略、戰(zhàn)役級向戰(zhàn)術(shù)級延伸，研發(fā)了“多旋翼無人機(jī)”系統(tǒng)，用于保障排、班、火力小組和士兵的地面作戰(zhàn)需求。

作戰(zhàn)概念先進(jìn)：地面士兵獲得戰(zhàn)場態(tài)勢感知能力

美軍裝備的無人作戰(zhàn)平臺主要應(yīng)用在指揮、控制、通信、計(jì)算機(jī)、情報(bào)、監(jiān)視、目標(biāo)定位、獲取、偵察（C4ISTAR）領(lǐng)域，MQ-9“死神”等無人機(jī)也在擔(dān)負(fù)火力打擊任務(wù)，K-MAX在電子戰(zhàn)、攻擊支援、網(wǎng)絡(luò)通信中繼等領(lǐng)域也開始投入實(shí)戰(zhàn)部署。但是這些無人作戰(zhàn)行動(dòng)以往大多在戰(zhàn)役以上層次進(jìn)行，美軍對此并不滿足，專門為戰(zhàn)術(shù)級作戰(zhàn)研發(fā)了多旋翼無人機(jī)系統(tǒng)。

多旋翼無人機(jī)的設(shè)計(jì)理念非常先進(jìn)，要求作戰(zhàn)平臺在全地形全天候條件下提供持續(xù)偵察監(jiān)視能力，增強(qiáng)士兵在地面戰(zhàn)斗中對所處戰(zhàn)場空間的持續(xù)態(tài)勢感知能力，從而提高作戰(zhàn)效能和生存能力。這種作戰(zhàn)概念強(qiáng)調(diào)“當(dāng)前戰(zhàn)場空間”，無人機(jī)要掌握從每天到幾個(gè)月的戰(zhàn)場態(tài)勢，所獲取戰(zhàn)場信息只供普通士兵使用，專門保障戰(zhàn)術(shù)領(lǐng)域的作戰(zhàn)需求，而不是戰(zhàn)役、戰(zhàn)略等更高層次的C4ISR作戰(zhàn)。在所有地形條件下，“當(dāng)前戰(zhàn)場空間”在某一特定時(shí)刻都有某種距離限制，比如，在城市作戰(zhàn)環(huán)境下，當(dāng)前戰(zhàn)場空間局限在半徑15米左右的范圍內(nèi)，而在開放的沙漠環(huán)境下，當(dāng)前戰(zhàn)場空間可能在任何方向上都要超過1.6千米。

目前，美軍地面部隊(duì)使用的無人機(jī)型號雖然很多（詳見表1），但是仍然不具備當(dāng)前戰(zhàn)場空間態(tài)勢感知能力，比如，海軍陸戰(zhàn)隊(duì)小隊(duì)使用的“掃描鷹”無人機(jī)長1.22米，翼展3.05米，全重15千克，續(xù)航力15～48小時(shí)，最大飛行高度4900米，可以將機(jī)翼折疊后放入貯藏箱進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)部署，但是不能提供真正的穩(wěn)定圖像，不能實(shí)現(xiàn)“懸停和對地持續(xù)監(jiān)視”（PaS），也不能在森林和密集街區(qū)等狹窄地形發(fā)射和降落。

對于地面作戰(zhàn)的士兵而言，當(dāng)前戰(zhàn)場空間沒有“時(shí)間窗口”，情報(bào)信息必須通過有協(xié)同關(guān)系的無人機(jī)操作員傳遞給士兵，由于戰(zhàn)場的情報(bào)信息時(shí)效性非常強(qiáng)，比如有些無線電傳送的敵方戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)的圖像信息可能在幾秒中內(nèi)過時(shí)，無人機(jī)操作員要將這情報(bào)傳遞給地面作戰(zhàn)的士兵，就必須進(jìn)行密切的作戰(zhàn)協(xié)同。目前，美軍在戰(zhàn)場上大型無人機(jī)部署密度較低，而各種層次的作戰(zhàn)保障需求很多，要將傳感器信號傳遞給在戰(zhàn)術(shù)級行動(dòng)的地面小分隊(duì)，仍然需要事先進(jìn)行詳細(xì)的協(xié)同，這種協(xié)同耗費(fèi)大量時(shí)間，而時(shí)間又是戰(zhàn)術(shù)級行動(dòng)或火力打擊行動(dòng)的關(guān)鍵要素，因此研發(fā)戰(zhàn)術(shù)級多旋翼無人機(jī)就顯得更有必要。

從戰(zhàn)術(shù)級情報(bào)信息需求來看，一名士兵在既定環(huán)境下執(zhí)行戰(zhàn)斗任務(wù)，其直接視覺態(tài)勢感知限制在二維空間內(nèi)，只能通過先進(jìn)戰(zhàn)術(shù)光學(xué)瞄準(zhǔn)鏡（ACOG）等裝置觀察戰(zhàn)場環(huán)境，而且視線不能穿過墻壁、山丘、樹叢等障礙物，也不能發(fā)現(xiàn)黑暗、街角等高危環(huán)境中的目標(biāo)。但是，士兵自己發(fā)射并操作一部小型無人機(jī)，就能獲得所需的精確實(shí)時(shí)圖像信息，通過全方位、可視化的能力實(shí)現(xiàn)對當(dāng)前戰(zhàn)場空間的三維態(tài)勢感知，大幅提高地面士兵的作戰(zhàn)效能和生存能力。除了提高士兵態(tài)勢感知能力，多旋翼無人機(jī)還能提供自上而下的信息流，在時(shí)間上與當(dāng)前戰(zhàn)場空間不發(fā)生聯(lián)系，無人機(jī)在士兵的直接指揮下，直接保障小分隊(duì)行動(dòng)，所獲取信息自動(dòng)整合進(jìn)部隊(duì)的機(jī)動(dòng)計(jì)劃，不分散士兵完成主要、次要甚至是第三戰(zhàn)場職責(zé)的注意力。

性能要求極高：安全穩(wěn)定持續(xù)的戰(zhàn)場監(jiān)控能力

通過分析執(zhí)行地面作戰(zhàn)任務(wù)的小分隊(duì)在前線的特殊需求，美軍的系統(tǒng)設(shè)計(jì)者按照以步兵為中心的理念，利用成熟的技術(shù)成果創(chuàng)造一種超越現(xiàn)有戰(zhàn)場系統(tǒng)的多旋翼無人平臺，即使在森林或城市這樣最“狹窄”的地形條件下，也能安全隱蔽地發(fā)射、飛行、回收，避免潛在的敵方威脅，保障海軍陸戰(zhàn)隊(duì)和陸軍小分隊(duì)未來的地面戰(zhàn)斗。具體而言，多旋翼無人系統(tǒng)能夠達(dá)到以下技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：

◆實(shí)現(xiàn)靜音、隱形操作，保障所有類型的作戰(zhàn)行動(dòng)，通過強(qiáng)大的態(tài)勢感知提高士兵的持續(xù)任務(wù)能力，同時(shí)將士兵的傷亡威脅降至最低。

◆具有超強(qiáng)的生存能力，能夠?qū)崿F(xiàn)全地形、全譜作戰(zhàn)，關(guān)鍵任務(wù)組件應(yīng)當(dāng)進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，確保出現(xiàn)故障時(shí)也能完成任務(wù)，所有部件都要做到便于在戰(zhàn)場上更換。

◆具備操控和自動(dòng)飛行能力，在操作員發(fā)出指令、動(dòng)力耗盡等情況下安全降落，根據(jù)指令快速機(jī)動(dòng)到指定位置，繼續(xù)實(shí)施偵察任務(wù)。

◆在敵方干擾條件下提供穩(wěn)定實(shí)時(shí)的地面目標(biāo)圖像，在各種不同風(fēng)速下晝夜傳送目標(biāo)細(xì)節(jié)圖像。圖像相對動(dòng)態(tài)，能夠在士兵的便攜式計(jì)算機(jī)終端上疊加顯示，類似于有人駕駛飛機(jī)的飛行員頭頂顯示系統(tǒng)。

◆安裝機(jī)載防干擾、加密飛行記錄儀記錄行動(dòng)細(xì)節(jié)，用于行動(dòng)后詳細(xì)評估作戰(zhàn)過程。評估使用的高清圖像沒有任何疊加，通過時(shí)間編碼數(shù)據(jù)元分別記錄，適用于多種類型的作戰(zhàn)過程。

◆具備多向傳輸能力，系統(tǒng)不僅向分隊(duì)指揮員提供圖像，還能采用“指揮移交”的方式，同時(shí)向分隊(duì)其他成員提供圖像，每名士兵都能控制無人機(jī)或使用各種可視化傳感器數(shù)據(jù)包，必要時(shí)也有權(quán)同時(shí)進(jìn)行控制和使用。系統(tǒng)還能夠向當(dāng)前戰(zhàn)場空間的其他友鄰部（分）隊(duì)提供態(tài)勢感知，包括其他地面部隊(duì)、隸屬較高級別的無人機(jī)、有人駕駛飛機(jī)等，向整個(gè)C4ISR體系提供底層信息流。

◆支持多種指揮編碼，系統(tǒng)采用操作員指揮碼、半自治編碼、混合編碼等各種編碼，包括通過操縱桿、觸屏和音頻指令等多種用戶界面操作模式。系統(tǒng)操作具有自適應(yīng)能力，與其他有人和無人平臺進(jìn)行一體化整合。

◆有針對性地設(shè)計(jì)任務(wù)模塊，舍棄了紅外信號標(biāo)識等任務(wù)頻譜，突出近距離空中支援中的態(tài)勢感知，從而降低系統(tǒng)造價(jià)。

◆具備戰(zhàn)損評估能力，無人機(jī)一旦發(fā)生墜毀事故，也能在事后進(jìn)行恢復(fù)處理，通過防干擾、加密的高清機(jī)載圖像做出分析評估。

◆采用簡化設(shè)計(jì)，從機(jī)身結(jié)構(gòu)、動(dòng)力裝置、機(jī)載傳感器到數(shù)據(jù)傳輸裝置都使用簡易的成熟系統(tǒng)。

◆便于擴(kuò)展升級，能夠適應(yīng)未來更先進(jìn)的步兵中心態(tài)勢感知成果，比如多光譜掃描儀、主/被動(dòng)陣列，能夠整合進(jìn)更大型的C4ISR系統(tǒng)，比如藍(lán)軍追蹤器等機(jī)載系統(tǒng)，能夠與海軍陸戰(zhàn)隊(duì)“戰(zhàn)術(shù)發(fā)展與一體化無人機(jī)”家族實(shí)現(xiàn)整合。

技戰(zhàn)術(shù)性能：便攜式全地形快速部署

多旋翼無人機(jī)采用近幾年流行的對稱輻射臂結(jié)構(gòu)，每條臂的末端安裝1個(gè)或2個(gè)同軸旋翼，運(yùn)用先進(jìn)的電子處理和飛行部件小型化技術(shù)，一般用3個(gè)以上旋翼控制升降、傾斜度、翻滾、偏蕩等動(dòng)作。安裝“微電子系統(tǒng)內(nèi)部測量單元”（MEMS IMUs），包括加速度表、陀螺儀，將幾千個(gè)飛行姿態(tài)以及性能數(shù)據(jù)包安裝進(jìn)一個(gè)飛行控制器，由并行處理的計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。即使一架重2.2～3.5千克、翼展小于0.6米的多旋翼無人機(jī)也能實(shí)現(xiàn)快捷靈敏的操控，在大風(fēng)條件下穩(wěn)定地懸停，采集穩(wěn)定的目標(biāo)圖像。

目前，美國海軍陸戰(zhàn)隊(duì)研制的一種多旋翼無人機(jī)采用“Y6”結(jié)構(gòu)，共3個(gè)懸臂，每個(gè)安裝2個(gè)同軸螺旋槳，這種同軸六旋翼結(jié)構(gòu)尺寸可以非常小，但是動(dòng)力非常強(qiáng)大，無人機(jī)能夠安裝各種獨(dú)立的作戰(zhàn)傳感器，任何方向的時(shí)速都能達(dá)到80千米，同軸螺旋槳保證其中一個(gè)槳出現(xiàn)故障另一個(gè)仍能正常工作。“Y6”結(jié)構(gòu)還能設(shè)計(jì)成折疊式，裝入士兵的野戰(zhàn)背囊，具有便攜式、輕型化、小型化、全地形、快速部署等特點(diǎn)。

機(jī)身。機(jī)身結(jié)構(gòu)使用模塊化的碳纖維材料，各部件通過黑色陽極化螺絲釘和陽極氧化鋁（Nylock）螺栓連接，擁有超強(qiáng)的低空飛行能力。這種結(jié)構(gòu)重量比模塑碳纖維大，但是特別堅(jiān)固，支持部件快速更換，還能消除“微電子系統(tǒng)內(nèi)部測量單元”在飛行控制模式下的振動(dòng)感。美軍的1號驗(yàn)證機(jī)試飛期間墜落了無數(shù)次，其中一次從9米高度墜落，除了機(jī)身出現(xiàn)一些劃痕，內(nèi)部組件沒有任何損傷。此外，機(jī)身還具備低可視化和低噪聲特征，對任何雷達(dá)和肉眼都能實(shí)現(xiàn)“隱身”。

動(dòng)力、發(fā)動(dòng)機(jī)、線路、連接和旋翼系統(tǒng)。多旋翼無人機(jī)1號驗(yàn)證機(jī)由超輕型鋰電池提供動(dòng)力，每塊電池都能續(xù)航12～15分鐘，未來經(jīng)過升級后能實(shí)現(xiàn)30分鐘～12小時(shí)的持續(xù)飛行?！跋闰?qū)者”電動(dòng)機(jī)不需要電刷，使用輕型、高效電子速度控制器，能夠精確控制飛行速度。線路安裝使用極細(xì)的、柔弱的電線，連接發(fā)動(dòng)機(jī)、速度控制器等每一個(gè)部件。部件間采用鍍金插塞式連接器，取代傳統(tǒng)的焊接工藝，以適應(yīng)模塊化的機(jī)身結(jié)構(gòu)，允許進(jìn)行部件快速更換。旋翼系統(tǒng)設(shè)計(jì)成鈦轂結(jié)構(gòu)，鉸鏈安裝3個(gè)或4個(gè)碳纖維螺旋槳葉片，葉片的前緣和末端都進(jìn)行了加固，利用鉸鏈與增強(qiáng)型結(jié)構(gòu)增加葉片重量，防止葉片碰撞后造成損傷，提高無人機(jī)的生存能力，同時(shí)減小整機(jī)尺寸。每條轂上的多個(gè)旋翼能夠增加升力，降低螺旋槳的轉(zhuǎn)速，因此能夠降低噪聲。

飛行控制、導(dǎo)航與三維接近感知系統(tǒng)?！拔㈦娮酉到y(tǒng)內(nèi)部測量單元”的加速度計(jì)、陀螺儀和氣壓計(jì)的數(shù)據(jù)以及操作指令輸入中心飛行控制計(jì)算機(jī)，進(jìn)行主要飛行控制。機(jī)載GPS和高刷新率天線（每秒10次）向操作員提供精確導(dǎo)航和定位信息，可以實(shí)施航點(diǎn)導(dǎo)航、返場導(dǎo)航、跟隨飛行、復(fù)飛等操作，可與運(yùn)動(dòng)中的操作員始終保持固定距離。全向三維接近感知系統(tǒng)利用光探測與定位（LIDAR）、超聲或紅外傳感器，保證無人機(jī)自動(dòng)規(guī)避障礙物，與GPS聯(lián)合工作可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)發(fā)射和回收，操作員能夠在15秒之內(nèi)部署該系統(tǒng)，防撞系統(tǒng)允許飛機(jī)在城區(qū)和森林等視線受阻地帶工作，還能保證無人機(jī)在無法接收GPS信號的地形工作，比如在暗室內(nèi)由操作員直接發(fā)出指令工作。無人機(jī)上安裝一系列接收機(jī)和發(fā)射機(jī)，用于接收操作員的直接指令和半自動(dòng)指令代碼，向操作員傳送飛行的位置信息，在所有地形條件下保持與操作員的聯(lián)系。系統(tǒng)還安裝了低電量告警系統(tǒng)、無指令輸入自動(dòng)懸停系統(tǒng)，在沒有指令輸入時(shí)也可返航到指定地點(diǎn)。

可視化系統(tǒng)。多旋翼無人機(jī)安裝雙模高清數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，具備光學(xué)識別和紅外夜視能力，光學(xué)鏡頭具備廣角和攝遠(yuǎn)視野，機(jī)載閃存存儲所拍攝的視頻，高密度紅外發(fā)光二極管（LED）和晶體管紅外激光器負(fù)責(zé)夜視。系統(tǒng)不僅能夠保證操作員的作戰(zhàn)需求，也能協(xié)助其他地面部隊(duì)或空中平臺構(gòu)建態(tài)勢感知，進(jìn)行目標(biāo)定位、判斷友鄰位置，并與其他空中平臺進(jìn)行通聯(lián)。攝像與紅外系統(tǒng)安裝在三軸平衡架上，在飛行和懸停中保持水平穩(wěn)定，在強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下也能很好地減振，向操作員提供穩(wěn)定的全方位圖像。無人機(jī)還有地面持續(xù)觀察模式，幫助操作員環(huán)視停靠的地區(qū)，或聚焦某一特定目標(biāo)，用紅外頻閃儀標(biāo)定目標(biāo)。飛行控制器能夠疊加相關(guān)信息，比如高度、距離、方位、速度、電池電壓、拍攝模式、飛行模式、GPS數(shù)據(jù)，通過機(jī)載視頻發(fā)射機(jī)將整合后的信息傳送給操作員。

用戶界面系統(tǒng)與維護(hù)系統(tǒng)。操作員使用小型（小于6英寸，即15.24厘米）終端操控?zé)o人機(jī)，終端通過觸屏操作，帶有防眩保護(hù)膜，顯示屏左右各設(shè)置一個(gè)拇指控制器。操作員使用頭盔式或獨(dú)立輕型指揮收發(fā)機(jī)保持與無人機(jī)的通信聯(lián)絡(luò)，并與小型終端保持無線連接。拇指控制器包括拇指按壓控制、刻度盤和各種開關(guān)，用于控制飛行和操作機(jī)載系統(tǒng)。顯示屏可以通過鏈接臂安裝到M16、M4、M249等步槍的MIL-STD-1913“皮卡汀尼”戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)軌上，同時(shí)在步槍扳機(jī)環(huán)上安裝一個(gè)拇指控制器，幫助士兵在射擊時(shí)觀察周圍情況，提供裸眼視線之外的全方位視野，提高士兵的戰(zhàn)場空間態(tài)勢感知能力。士兵可以在小型終端顯示的地理數(shù)據(jù)上輸入計(jì)劃飛行路線，可以使用谷歌地圖、獵鷹視圖（Falcon View）等多種數(shù)字地圖，也可輸入隨機(jī)指令修正航跡。無人機(jī)既可飛向指定地點(diǎn)，也可按指令的地理坐標(biāo)飛行，也能隨意調(diào)整攝像機(jī)角度，很像飛行員操作駕駛艙顯示屏。操作員既可發(fā)送語音指令，也可發(fā)送數(shù)字指令，適應(yīng)噪聲較大的戰(zhàn)場環(huán)境，滿足狙擊手隱蔽偽裝的特殊作戰(zhàn)要求。