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1、 30Vol. 3 No.5 / May. 2009无人机简述欧阳利萍摘 要 近三十年来无人机技术得到迅速发展，并在最近的局部战争中发挥越来越重要的作用，所以一些军事评论员甚至提出未来几十年无人机将可能完全替代有人飞机执行任务。本文概述了无人机的主要飞行控制技术、通信导航技术、机载设备，然后结合几款典型的无人驾驶飞机，讲述国内外无人机的发展情况，展望无人机特别是小型无人机的发展方向。关键词 无人机；飞控技术；导航与通信1 引言无人驾驶飞机(Unmanned Aerial Vehicle， UAV)，也叫空中机器人。它通过机身传感器获得 飞机飞行状况，通过自动或半自动的飞控系统控制 飞机完成侦察
2、等任务。因为其具有价格低廉和替代 人操作而减少人员损伤的功能，在现代战场上得到 了广泛的应用。在最近三十年世界范围内各次战争 中，无人机充分发挥其机动灵活的特性，为各国部 队获得宝贵的情报资源。巨大的需求、广泛的应用 和电子、软件技术的快速发展，促使无人机在飞控 与通信导航技术方面获得长足进步，先进的机载设 备大大扩展了无人机的使用范围。无人机逐渐开始 充当电子对抗、武装攻击等多种更复杂的角色。2 无人机发展简史无人机是战争的产物，其发展与战争密不可 分。一战后，人们开始用无人靶机训练防控炮手。 二战之后部分被淘汰的飞机被用来作为靶机，一些 研究人员开始对这些飞机进行改装，逐渐形成现在 无人机
3、的雏形。在越南战争中，美国开始使用无人 机到危险区域执行侦察任务。1982年的黎巴嫩战争，无人机开始成为战争的 重要因素。一次典型的战役，以色列成功先是使用 无人机侦察叙利亚防空导弹系统，而后用无人机诱 发叙利亚火炮大肆开炮，再而使用无人机干扰对方 雷达，使己方无人机自由出动，并引导己方导弹部 队，两个小时内摧毁叙利亚花十年时间耗资20亿美 元的防空导弹系统，一举缴获该地区制空权。在之 后以色列的数次局部战争中，无人机发挥了越来越 重要的作用。海湾战争期间先锋无人机为美军提供超视距目 标定位、侦察和战场评估服务，科索沃战争，阿富汗战争以及以色列战争，美军大量使用无人机替代 有人机执行任务，减少
4、人员损伤。这一时期，无人 机已经具备武器系统，能携带小型导弹，集侦察打 击于一体。全球鹰、捕食者等无人机在这些战场上 大放异彩。2002年 “捕食者”无人机向也门恐怖分 子车辆发射“地狱火”导弹，将哈里斯及其5名同伴 炸死，开创了无人机攻击的历史。美国的猎人无人 机成为了陆军战术侦察的主要手段，截止到2004年 6月23日，猎人无人机在战斗条件下飞行达到30,000 飞行小时3，其成熟可靠性可见一斑。微型无人机也 开始在战场上使用。3 无人驾驶飞机相关技术3.1 飞行控制技术与有人控制飞机相比，无人机要完成任务，需 要自主进行飞行控制，因此无人机拥有自己的“眼 睛”和“耳朵”，并自行对这些设备
5、的数据进行处 理，完成相应的操作。与大型的飞机类似，无人机 可以由几种方式获得飞行相关参数，控制系统对比 比较得到准确的信息。无人机的惯导可以提供飞行 高度、地速和方位信息。惯导能够测量飞行的即时 加速度和角加速度，通过二次积分可以获得相应的 高度、地速和方位信息。但是经过长时间累积的数 据会有较大的误差，所以现代无人机通常会引入全 球定位系统帮助矫正误差。无人机的空速管能够获 得无人机的空速，测量静态气压与地面压差同样能 得到高精度(1m)高度信息。现代大中型的无人机上 搭载的传感器非常丰富，这些数据能够被即时处理 应用于飞行控制并同时传送到地面的控制中心，使 无人机的控制人员能够像飞行员一
6、样感受飞机的状 态。无人机简述31无人机的飞行控制方式有自动与半自动两种。 半自动的飞行方式是将遥控控制与自主飞行相结 合。小型无人机的自动控制主要基于反馈的原理， 使无人机按照指定航线和高度，保持姿态稳定飞 行。其中PID是应用非常广泛的一种控制技术，桂 林鑫鹰公司的XY5500控制器有多达9个的PID控制回 路。大型无人机的控制技术更为复杂，需要考虑的 因素和需要的做的保护更多，但是其控制原理还是 类似。同有人驾驶飞机一样，无人飞机起飞和降落是 飞行控制的最大难点。有统计显示，在无人飞机的 起飞与着陆过程中造成的机毁事故占飞行事故的比 例非常高，其中着陆事故又占据大多数。因此，无 人机设计
7、人员想尽办法研制各种起飞和回收设备， 提高成功率，减少损失，并且在无人机起飞和降落 过程，多使用遥控方式以求稳妥。目前无人机的起 飞主要有以下方式：母机空中投放、助推、垂直起 飞(直升机)以及通过跑道起飞。 母机投放是由有人驾驶飞机搭载上天在预定位 置投放。这种方式简单灵活，成功率高，使用较广 泛，我国的无侦五无人机就是采用这种方式。助推 的方式以火箭助推居多。火箭助推是由捆绑在无人 机上的火箭将无人机带到空中，当无人机达到机翼 能获得足够速度时自动脱离，如以色列的哈比无人 机。这种发射方式的装置可以装载在车、船上，携 带方便，在战场上使用较多。小型无人机为了方便 携带和简化操作，采取手抛或者
8、弹簧弹射的助推方 式获得需要的起飞速度。垂直起飞适用于依靠旋翼 动力的直升机，如侦察兵无人机。大型的无人机拥 有强大的机载控制设备，通常采用有人飞机跑道起 飞的方式，如苍鹭无人机。无人机的降落技术因飞机尺寸和使用用途的 不同而差异较大。小型无人机多采用回收网网捕和 降落伞辅助降落的方式。网捕的方式通常要求辅助 摄像机和红外等设备，飞机接近回收网时，半自动 的以小角度低速朝网飞行。伞降是无人机使用最普 遍的回收方式。但是这种方式在降落时速度仍然较 快，对飞机有一定的损伤。军队通过有人飞机在伞 降过程中将无人机抓住，再缓慢带回基地，这种办 法提高了成功率却带来了更大的复杂度。另外一种 方式是在无人
9、机四周安装气囊，在着地前形成气垫 保护飞机。由有人驾驶无人机改造来的大型无人机 通常使用起落架在跑道起飞和降落。对于一些执行特殊任务的无人机，常常采用机体脱离或者直接迫 降这样的方式放弃飞机，只回收最有价值部分。3.2 导航与通信技术无人机能够完成飞行任务，需要能够识别方 向，按照正确的路线飞行，这就需要完善的导航系 统。现代无人机采用多种导航方式，如罗盘指示航 向，无线电导航、多普勒导航、惯性导航、天文导 航。GPS与惯性导航相结合成为最受青睐的一种方 式。需要指出的是，定位系统如GPS为无人机提供 定位导航服务，对无人机有着非常重要的作用，但 是随着现代军事的发展，电磁对抗的飞速发展使得
10、GPS成为无人机在军事运用当中的一个瓶颈。通信技术是无人机开发的重点之一。无人机一 般需要实时与控制中心进行通信，反馈飞行状态和 情报，接收控制中心的命令。由于不同无人机的负 载能力不同，通信方式差异较大。战术无人机以美 国全球鹰无人机为例。全球鹰无人机搭配四套无线 通信系统：高速和低速卫星链路、高速和低速视距 链路。其中高速卫星链路采用Ku波段，QPSK/BPSK 调制方式，发射速率1.54450Mbps，接收速率 200kbps1。近程小型无人机的负载和功率有限，通 信距离一般在几公里到一百多公里，速率较低。现 代无人机正在朝着更远通信距离、更低通信功耗和 通信网络化的方向发展。3.3 机
11、载设备飞机执行特定任务往往需要携带各种设备。小 型机限于负载能力通常只搭载摄像机或者数码相机 设备，也有部分无人机装配夜视和红外设备。大型 无人机装有完善的侦察设备，先进的视频和红外成 像传感装置，灵敏度高；综合孔径雷达与电子光学 传感器设备的使用使现代无人机的分辨能力达到几 十厘米的水平。如美国“全球鹰”无人机装备综合 孔径雷达、红外和电子光学传感器。搜索方式时的 分辨能力为0.9米，定点分辨侦察能力为0.3米2。另 外，新设备的装备使现代无人机在电子对抗方面的 能力得到了很大的提升。与其他无人机相比，无人 战斗机增加了武器系统，携带小型导弹的无人机可 以进行空对空和空对地的攻击。4 无人机
12、发展现状二战以后，无人机发展很非常迅速，已经成为 各主要国家作战部队的重要组成部分，其应用领域32Vol. 3 No.5 / May. 2009也在快速扩展。4.1 美国以色列领跑，各国争相发展据统计，目前世界上有32个国家和地区在进行 无人机开发研究，机型超过250种。不仅美国英国等 军事强国在进行大投入，印度、约旦、巴基斯坦、 新加坡、伊朗这些国家也在积极做相关研究。各个 国家在无人机开发领域的合作频繁，新型无人机开 发速度较快。美国毫无疑问是目前世界上无人机技术最领先 的国家。美国最早在越南战场开始使用无人机，技 术和做战经验都有雄厚的积累，在侦察能力、航速 和航程、机载设备、武器系统、
13、电子对抗等方面均 处于领先水平。现役的“环球鹰”、“捕食者”无 人机都是现代无人机最高水平的代表。美国的无人 机有丰富的作战经验，军队对无人机的应用已形成 系统。以色列在黎巴嫩战争中充分使用无人机是现代 无人机的一个典型范例。常年的战争需求和强大的 科研能力使这个国家在无人机领域发展非常成熟。 与美国合作的先锋和猎人无人机是目前世界上使用 最广泛的的两个机型。高空长航时战略无人机苍鹭 续航时间达到52小时。以色列和美国在无人机研发 水平方面远远领先其他国家。4.2 中小机型成熟，特殊应用迅速发展根据无人机体型和航程，本文将无人机大致分 为大型无人机、中型无人机、小型无人机和微型无 人机(表1)
14、。 目前世界范围内无人机开发以中小型无人机 为主，主要用于军事侦察。中型无人机拥有强大的 侦察能力，负载能力与航程均能达到战场侦察的要 求，目前世界上有大量此类无人机装备到军队。小 型无人机能够完成基本的侦察任务，同时拥有极好 的性价比和便携性能，越来越受到海陆军的青睐。另外，因为成本低廉，小型无人机有望未来在民用 市场大显身手。大型无人机正在向超高空长航时方 向发展，军队和研究者希望这种飞机甚至能够像卫 星一样始终在天上工作。微型无人机发展始于上世 纪末，极小的体积和灵活的身手，很适合反恐等特 殊战场，目前日本美国和以色列均有手掌差不多大 小的产品。4.3 军用丰富，民用潜力大无人机的迅速发
15、展与强大的军事需求紧密相关， 正是数次的局部战争推动了无人机研究的进步。所 以，无人机在军事方面运用非常丰富。无人机在黎巴 嫩战争、海湾战争、科索沃战争、阿富汗战争、伊拉 克战争发挥了出色的越来越重要的作用。据英国飞 行国际统计，截至2006年底，全球约有4.8万架军 用无人机服役。无人机可以充当靶机、侦察、搜索和 跟踪目标、电子对抗、通信中继、火炮引导、空对空 和空对地攻击、战场评估等等。与丰富的军事运用相比，无人机在民用方面还很 少。目前主要在边境巡逻、气象信息获取、地理测绘 等方面发挥作用。这与目前面向军事应用无人机运行 成本还比较高，民用无人机产品少有重要关系。4.4 中国快速发展中国
16、的无人机发展并不晚，但是受到政治影 响，速度一直缓慢，直到近十年来才重新走上快速 发展的轨道。1967年长空一号成功定型。1980年 无侦5装备部队。94年ASN-206研制成功。其中由 ASN-206是目前国内较为先进的一种无人机，可以 用于昼夜空中侦察、战场监视、目标定位、校正火 炮等工作，也可以用于航拍等民用领域。国内装备 部队的无人机型号和数量较少，技术水平较低，操 作和控制方式较复杂。但是最近几年国内对无人机 的研究开发比较热，以西北工业大学、北航以及沈 飞、成飞、贵航带头的科研生产机构在无人机方面 的研究迅速发展，科研经费和研发机型快速增长。表1 无人机分类? ?10m 310m 12m 1030cm ? ?200Km/h 100Km/h 30150Km/h - ?5h2h20240min 130min ?100Km 30Km 2100Km 100 ?-无人机简述3
