张书铭15051251无人飞行器系统概论课程总结与感想剖析Word文件下载.docx

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海军火力支持、水雷/地雷

指挥控制通信/无线电

情报：

天气、电子支持措施、信号情报、核武器和生物武器传感器、监视、侦察

混合作业：

攻击、欺骗、心理战、搜寻与营救行动

电子战/对抗：

电子对抗、电子支持措施、干扰物、空中诱饵

到目前为止，侦察/监视任务是无人机的主要活动，它的传感器和数据链是它今天发展的重点。

目标观察次之，电子战是它的第三项任务。

在侦察/监视、目标观察及电子战任务取得成功后，其它任务最后也将得到拓展。

现代意义上的无人飞行器系统最早出现在一战期间，美国的CharlesKettering用三年时间为陆军通信兵开发了一种双翼无人机，并命名为凯特林航空鱼雷（KetteringAerialTorpedo）,该无人机能以每小时55英里的速度飞行近40英里，并能携带180磅的高爆炸药。

飞机由预设控制系统导向目标，并有可分离的机翼。

机翼在飞机到达目标上空时与机身分开，使机身能像炸弹一样投向地面。

（图为“凯特林航空鱼雷”）

早期的无人机多用作靶机，其中最负盛名的有里安公司研制的“火蜂”（Firebee）系列靶机、诺斯罗普公司的“石鸡”（Chukar）系列靶机等，至今靶机仍在无人机市场中占有很大份额。

后由于战争需要，无人机系统多用于侦察、监视、打击等。

从20世纪50~60年代开始，美国相继研制成功"

火蜂"

、"

先锋"

猎人"

捕食者"

和"

全球鹰"

等战术或战略无人侦察机，以及"

改进型无人侦察作战飞机，先后在越南战争、海湾战争、科索沃战争、阿富汗战争、伊拉克战争等军事行动中得到应用。

在无人机邻域取得骄人成绩的另一个国家是以色列，它研制成第一代“侦察兵”（Scout）无人机、第二代“先锋”（Pioneer）无人机、第三代“搜索者”（Searcher）无人机，与美国TRW公司合作研制“猎人”（Hunter）无人机、以及中空长航时多用途“苍鹭”无人机。

20世纪90年代后，西方国家充分认识到无人机在战争中的作用，竞相把高新技术应用到无人机的研制与发展上：

新翼型和轻型材料大大增加了无人机的续航时间；

采用先进的信号处理与通信技术提高了无人机的图像传递速度和数字元化传输速度；

先进的自动驾驶仪使无人机不再需要陆基电视屏幕领航，而是按程序飞往盘旋点，改变高度和飞往下一个目标。

三、军用无人机的典型代表——“捕食者”

捕食者无人机是由美国通用原子公司（GeneralAtomics）研制的一型中空长航时多用无人机，主要用于侦察、监视、目标指定、电子战和实弹攻击。

该型无人机于1984年开始研制，1999年进入服役。

捕食者（Predator）是该无人机的名称，其代号RQ-1为侦察型，MQ-1为多用型。

捕食者无人机目前主要有两个型号，即捕食者-A（RQ-1／MQ-1）和捕食者-B。

9.11事件以前，捕食者无人机只有少数军事人员和工业人员有所了解，而之后在战场上大量应用，成为世界上最成功的战术无人机。

但在军事应用中仍存在一些问题，在海外使用中，每8架就损耗l架，问题包括不能在下雨、下雪、结冰、有雾或霜冻天起飞；

在等待起飞时，高温会损坏机上电子设备；

捕食者无人机的飞行速度不超过145km／h，最有效的飞行高度为3000m，这都在高炮拦截范围内；

另外即使是有经验的操作人员，在遥控操纵台上操作也很困难。

美国防部说，在损耗的无人机中有不少是操纵错误引起的。

捕食者无人机的战术技术数据

捕食者-A

捕食者-B

机长

8.75m

10.36m

翼展

14.85m

19.52m

机体高

2.21m

尾翼展

4.83m

飞行速度

204km/h

370km/h

待机速度

111～130km/h

278km/h

续航时间

24h

25h

最大续航时间

40h

升限

7926m

13725m

推进

一台78.3kW的Rotax914型4冲程发动机

一台559kW杭尼韦尔公司的TPE331-10T涡轮螺桨发动机

负荷

205kg（电／红外或合成孔径雷达）；

“海尔法”导弹

317.5kg（光-电/红外和合成孔径雷达）；

空地导弹

起飞品质

1023kg

2721kg

“捕食者”无人机系统

1、机体结构

该无人机采用细长近似半圆柱形的机身，头部为半球形，机身中部有一对展弦比很大的梯形下单机翼，采用低雷诺数翼型使其具有优越的气动性能，机翼控制面包括后缘外侧副翼和后缘2／3翼展内侧襟翼，机翼下面有武器挂架。

整个机翼组件还包括伺服机构、微处理控制器、照明设备、磁力计和空速管。

借助两个销钉，机翼很容易装卸。

机身尾部有一对带下反角（倒V型）的矩形尾翼，没有上垂尾翼。

机身下部有可收起的前三点式起落架。

机身头部内装制导和控制设备、任务负荷，天线在机头下面。

机身尾部装有一台带螺桨的推进发动机。

机身中部装有电子设备、电池和燃料箱等。

为了能适于在冬季使用，机上有除冰装置，主要是将乙二醇防冻液布撒在翼前缘。

为了便于装运和维修，机身、机翼、尾翼、螺旋桨、天线以及光-电／红外任务负荷都是可拆卸的。

2、推进系统

目前捕食者-A用Rotax-912或Rotax-914汽油发动机，通过减速齿轮箱驱动变距式螺旋桨。

捕食者-B采用TPE331-10T涡轮螺桨发动机推进。

3、飞行控制

该无人机使用的是完全自主的先进数字飞行控制系统，在执行任务或遥控期间能重新编程。

机上装有利顿公司的LN-100G型GPS/INS导航系统，装有超高频和甚高频无线电转播线路，作用距离228km的C波段视线数据链路。

为指令和状态遥测提供C波段上行／下行数字数据线路。

为了提供视频图像还有模拟宽带下行线路，为了提供超视距能力，机上还载有Ku波段卫星数据链路，以及万向节稳定的2台彩色摄像机和前视红外雷达。

光-电／红外和耐久合成孔径雷达使“捕食者”具有全天候能力和分辨率达1英尺穿过云层的监视能力。

4、任务载荷

任务负荷随型号的不同而有所不同。

捕食者-A无人机由于机上空间和容许载荷质量的限制，有的仅装有彩色电视摄像机，光-电/红外传感器，激光指示器/测距仪、电子支持措施、运动目标指示器和通信转播装置等，它们均装在14型陀螺平台上。

该平台能利用自动跟路器跟踪目标，白天用日光电视，晚上用前视红外。

有多种工作方式，如相关法、质心法、自动探测和边缘法等。

在捕食者无人机头部平台上装的是“山猫”（Lynx）合成孔径雷达，该雷达为多模雷达，其工作模式有：

聚束模式、双条带图式和地面动目标指示器模式。

另外该合成孔径雷达还有相干变化检波模式，可指示不同时间拍摄的两幅图像（既可是聚束图像，也可是条带图像）的些微变化。

捕食者-AMQ-1是多用机，其任务负荷还包括有“海尔法”空地导弹。

捕食者-B无人机有更大的任务负荷能力，它能同时装有光。

电／红外和合成孔径雷达。

（“捕食者”装备的光电转塔）（“海尔法”空地导弹）

5、指控系统

通常该系统就是地面控制站（有的可能设在舰上），地面控制站是无人机系统中一个重要的组成部分，它采用模块化结构，可装在一辆可空运的拖车内，有Ku-波段卫星通信链路和C波段视线数据链路，可将数据、图像和声音信息综合在一个数字数据链中。

有驾驶仪／任务负荷等操纵台，驾驶仪操作人员可从操纵台上显示的无人机飞行状态对无人机进行监控。

任务负荷操作员可根据显示器上显示光-电／红外获得的视频信号提取相关信息和进行操作。

作为捕食者Blockl无人机升级的一部分，它将有改进的站上换班系统。

这种改进使一个地面控制站

通过Ku波段线路管理组件能操控两架捕食者无人机。

同时捕食者无人机在换班机到达前一直维持在天上，因此消除了覆盖间隙。

（地面控制站）

6、起降系统

“捕食者”可在准备或半准备的跑道上以常规的方法起降，起降长度通常为610m。

也可用回收系统在舰上回收。

当动力或指令线路出现故障时，还可采用降落伞紧急回收。

无人机的研制和应用情况

1、研制和试验

该无人机的P011号于1998年10月5日开始进行了试验，它是超视距操作型，机上装有特定射频有效负荷和相应的7个天线（各机翼前缘3个，机头部1个）。

“捕食者”P022号于1998年12月通过机上ARC-210超高频/甚高频无线电与几个空军训练中心直接通信。

该机还装有APX-100敌我识别器。

至1998年5月，捕食者无入机已飞行了6000h，包括在波斯尼亚战区600多次出动的3800h，至1999年6月，飞行时间超过13000h。

2001年2月，捕食者无人机首次发射了海尔法激光制导制导反装甲导弹。

2002年11月，捕食者无人机首次发射了毒刺导弹，以评估无人机具备对付战斗机的自卫能力的实用性。

2、实战应用

至今，捕食者无人机曾参加过多次军事行动。

在每一次任务执行过程中，它发挥的作用越来越重要。

初期该无人机只执行监视等任务，随着无人机各项技术的不断发展，目前已实现了实弹攻击。

如下是捕食者无人机的历次实战应用。

1995年波黑战争中，北约首次使用捕食者无人机，后来地面控制站设在匈牙利支持联军作战和维和。

1998年10月在科索沃代号称为“鹰眼”的战争中，捕食者无人机帮助监视塞尔维亚和阿尔巴尼亚入停火。

1999年5月，它作为联军部队再次派到科索沃。

从科索沃撒出后，捕食者无人机支持北约在该区域的行动，2000年重新派回到波黑。

2001年4月，捕食者RQ—l无人机再次派回到巴尔千，阻止阿尔巴尼亚族起义军穿越科索沃-马其顿边界。

2001年中，该无人机进驻科威特，帮助监视伊拉克南部禁飞区。

在2001年8月、9月、10月的飞行中各损失一架。

2001年10月，捕食者无人机在阿富汗首次进行实弹发射。

2002年1月，损失3架捕食者无人机。

2003年3月20日开始在“伊拉克自由行动”中，投入多架“捕食者”和至少9架其它型无人机。

这些无人机在伊拉克进行侦察和监视，有的还用空地导弹攻击地面目标。

捕食者无人机在摧毁巴格达附近残存的防空系统中担当了重要的角色。

2003年11月，捕食者．A无人机在也门发射了一枚海尔法导弹，摧毁了被怀疑携带6名塔利班恐怖组织成员的地面车辆。

3、未来发展

自2001年9月以来无人机受到前所未有的重视，人们对无人机的兴趣达到一个新的高度。

捕食者无人机已结束研制，改进工作仍会继续进行。

由于该无人机己取得很高的声誉，经费方面可能不会存在问题，而且其产量将会超过以前的计划。

同时，随着各项无人机关键技术的不断发展，该型无人机无疑会不断改进，从而适应未来的战场环境和军事需求。

四、军用无人飞行器系统发展趋向

当前，各国军方无一例外地都把无人侦察机作为优先发展或采购的重点。

但还要看到，未来战争的陆、海、空、天、电五维一体的战争中，军用无人机不仅要执行各种非杀伤性任务（如侦察、监视等），又要执行各种软、硬杀伤任务。

同时由于信息化技术、智能化技术和自动化技术的进步，因此推测军用无人机的发展趋势有以下几个方面。

（一）扩大军用无人机的应用范围

为适应复杂多变的未来战争环境和实战任务需要，世界各军事组织都在致力于发展用于各种军事用途的无人机系列。

1、无人战斗机

无人机和战斗机的结合，构成了一种全新的武器系统——无人战斗机。

无人战斗机是下一代战斗机的发展方向，各国无人战斗机设计构想多数尚处于论证、研制和试验阶段。

其中最典型的方案有：

美国诺斯罗普·

格鲁门公司为军方设计的未来无人驾驶战斗飞行器方案；

波音公司准备将JSF战斗机改装为两种成本较低的“无人驾驶战术战斗机”；

欧洲国家在研制出第四代战斗机EF2000和阵风

之后，英国和法国也决定连手研究一种具有强大攻击力的无人驾驶航空器。

在美国国防部2005年发布的《无人飞行器系统路线图：

2005～2030》报告中预测美国UAS具备的能力或取代有人驾驶飞机的时间表大致为：

2005～2010年，通信中继，防空系统压制（采用J—UCAS替代EA一6B电子战飞机）；

2010～2015年，信号情报收集（“全球鹰”），海上巡逻（美国海军的“广域海上侦察系统”），渗透打击（JUCAS）；

2015～2020年，空中加油，防空系统压制／打击；

2020～2025年，侦察和战场管理（替代E-3预警机和E-8“联台之星”远距雷达监视飞机），夺取空中优势（替代F-15、F-16和海军的战斗机）；

2025～2030年，空运（替代C-5、C-17、C-130），打击／防空系统压制／夺取空中优势（替代F-22A和F／A-18）。

2、多用途无人机

为了节省军费开支，各国都在开发适应不同实战环境的多用途军用无人机。

未来多用途军用无人机主要有两种：

第一种是在一架无人机上同时装有多种任务设备，可以完成多种任务；

第二种是无人机机身采用组合式结构，在执行不同任务时装上不同的任务组件。

3、微型无人机

微型无人机的主要用途是搜索和警戒。

微型无人机的原理同现在的飞机有本质的不同，这些都是今后研究的重点。

（二）提高作战效能

当前军用无人机主要存在两个方面问题：

首先是自主作战能力差；

其次是完成任务的有效性低。

为了克服这些不足，提高作战效能，未来军用无人机需要在以下关键技术上取得不断改进和重大突破。

1、远距离、长航时

现役无人机滞空时间短，飞行高度低，侦察监视面积小，不能连续获取信息，甚至会造成情报“盲区”，不能适应未来战争的需要。

为此，各国目前都在研制超高空，长航时无人机。

2、机身隐身化

新型军用无人机将采用最先进的隐身技术。

一是采用复合材料、雷达吸波材料和低噪声发动机；

二是采用限制红外反射技术。

在无人机表面涂上能吸收红外光的特制漆和在发动机燃料中注入防红外辐射的化学制剂，雷达和目视侦察均难以发现采用这种技术的无人机；

三是减少表面缝隙。

采用新工艺将无人机的副翼、襟翼等各传动面都制成综合面，进一步减少缝隙，缩小雷达反射面；

四是采用充电表面涂层。

充电表面涂层主要有抗雷达和目视侦察两种功能。

3、传感器综合化

为增强军用无人机全天候侦察能力，目前先进军用无人机上一般安装如下部分组成的综合传感器，观察仪和变焦彩色摄像机，激光测距机，第三代红外传感器，能在可见光和中红外两个频段上成像的柯达CCD摄像机，合成孔径雷达等。

随着先进光电探测设备和信息融合技术的不断发展，未来军用无人机传感器综合化水平也将会更高。

4、机载设备模块化

机载设备采用模块化设计后，无人机根据不同的任务搭载不同的设备，一机多用途。

如英国的“小妖精”无人机可根据担负的战场监视、目标指示、电子战等不同任务，分别搭载传感器激光目标指示器和电子干扰机等各种不同设备。

在靶机上装上侦察、电子战设备或各种战斗部，即可将其改装成侦察、电子战无人机或巡航导弹。

5、双重性驾驶机

这种飞机具有两个可以相互独立工作的飞机操作平台，既可以和普通飞机一样由飞行员操纵飞行；

也可以由基地指挥中心直接遥控飞行或预置飞行程序自身控制飞行。

当飞行员伤亡或出于其它原因对飞机操作失灵或是需要暂时脱离飞行操作工作以完成其它任务时，只要飞机的遥控指挥系统末被破坏，仍可以顺利完成任务，安全归返。

6、集群作战无人机群

无人驾驶飞机本质上说，和导弹差不多，只装备低性能传感器和简单的控制程序。

如果让这种简易的无人驾驶飞机大量出动，相互协作，攻击目标，尽管每个传感器的探测能力比较低，但是一旦群体最前面的无人驾驶飞机探测到目标，会立刻把探测到的信息传递给后面的无人驾驶飞机，后面的无人驾驶飞机就会对目标群起而攻之。

对于有人驾驶飞机来说，这是极难对付的。

（三）、减低无人机成本

美《无人飞行器系统路线图：

2005～2030》指出，目前美军UAS所配备的

传感器平均每千克价格在4000美元，相比之下，F-35的每千克有效载荷的成本为3700美元。

“联台无人作战飞机系统”（J—UCAS）的目标是每千克有效载荷的成本2700美元，而UAS的远期目标为每千克有效载荷的成本900美元。

五、对于美国防部《2013年至2038年无人系统一体化路线图》的一些看法

（一）加强无人机自主性

　　无人机发射之后，因为没有驾驶员随机操作，因此其行动模式主要依靠三个方面。

一方面来自地面的遥控指挥，另一方面来自预设的任务程序，还有一方面来自机载的计算机根据情况变化自动的调整。

在过去，无人机重点是依靠地面遥控和预设程序，而自动化的信息回馈则主要用于修正和调整，使得无人机能更好执行前二者的指示。

　　根据这次发布的路线图，在未来，美军无人机会加强第三方面的自主性，即不再机械的执行预设程序，同时削弱降低遥控方面的牵制力，而更多依靠导航系统和传感器，使得无人机能根据所获取的战场信息，自动调整目标。

换言之，无人机可以自己判断该先打哪个目标，怎么个打法。

这样，一方面将使得无人机的战场攻击更灵活，适应千变万化的战场情形。

另一方面，由于无人机任务的劳动密集度越高，其成本越高，加强无人机自主性可以节省大量的人力，从而降低成本。

　　此外，目前的无人机依靠GPS卫星导航，其信号强度较弱，易被干扰。

而路线图则提到了正在研制的抗干扰“高精度惯导系统”，使得无人机的导航效能更稳定。

（二）炸弹无人机集群攻击

　　攻击武器的威力也是美军无人机发展的重点领域。

在路线图中，美国国防部设想了一种炸弹无人机。

该机安装了摄像头，可从专门的无人舰上起飞。

起飞之后，该飞机能够在空中盘旋待机，寻找合适的目标和时机，然后几架乃至几十架同时以致命的集群方式，向目标发起攻击。

这种无人机的打击范围，可以达到463千米。

（三）弹药设计高能纳米粒子

　　在弹药本身的设计上，美国国防部也有所动作。

他们计划发展所谓“高能纳米粒子”，即在无人机携带的弹药中，尽可能减小弹药微粒的尺寸。

由于同样重量的弹药，其单个颗粒越小，颗粒数越多，表面积就越大，而这就意味着其化学反应速度越快，从而爆炸的威力也就越大。

在集群式攻击+纳米高能炸弹的结合下，美军无人机对目标的攻击将达到令人恐怖的程度。

　　按照美国国防部的预期，这些技术将使美军无人机威力剧增，从而当遭遇“势均力敌的对手”时，能够发动突破作战，取得战场上的优势。

六、异军突起的民用无人机

伴随着技术的飞速发展和互联网时代商业模式创新，无人机已成为当下最有前景、发展最快的行业之一，我们已经迎来无人机爆发时代。

顺丰启动国内首家无人机快递；

深圳龙岗区开始采用无人机巡航执法，查证违章建筑；

帮助汪峰求婚成功的大疆科技正展开新一轮融资，公司估值高达100亿美元⋯⋯人们突然发

现，一向感觉神秘的无人机，原来离我们的日常生活这样近。

据估算，目前全球民用无人机已经形成了大约1000亿美元的市场规模。

而在这个市场，中国无人机厂商创造了新的奇迹，催生了一批像大疆、亿航、极飞、零度质控等引领世界的无人机企业，它们正在重新塑造“中国制造”的内涵。

面对滚滚而来的无人机产业化浪潮，我们该如何看待民用无人机的发展前景呢?

（一）国内民用无人机产业现状

目前全球民用无人机市场空间达1000亿美元，中国GDP占世界比重12％，简单地按比重测算，中国民用无人机潜在市场空间超100亿美元，而当前我国民用无人机市场仅几亿人民币，增长空间巨大。

仅农业植保、电力巡检、油气管道巡检和警用4项，年均潜在需求500亿元。

2015年，美国CES消费电子展上的无人机展区中，中国企业占了一半。

全球每卖出10架无人机，就有7架是中国制造。

当然，中国的无人机产业也存在很多问题。

比如：

很多中小厂商的无人机产品技术层次比较低，自动化水平和智慧化水平差距较大；

很多低端产品存在重复和无序竞争，用于电力巡线、民用地质测绘和高空长航时通信中继等高端先进无人机还处于空白状态；

国内专业无人机市场发展相对缓慢，还处于起步阶段，目前的以出口为导向的无人机产业存在一定的风险。

另外，无人机的使用还存在着诸多的限制。

但未来几年，低空飞行管理政策出台和行业标准建立是大势所趋。

国家已经着手研究促进产业发展、明确监管的具体办法，包括开放低空空域等。

相信在政策引导和有效监管下，无人机浪潮将迅速到来，无人机将成为中国制造走向世界的一个新标志。

（二）民用无人机的应用及预测

当前民用无人机主要用于民用通信中继、气象探测、灾害监测、农药喷洒、地质勘测、地图测绘、城市规划、交通管制、边境控制、边境缉私、海上营救、森林灭火等等。

随着人类活动范围和领域的不断扩大，民用无人机必将拥有更加广泛的应用。

（世界民用无人机使用领域构成）

无人机在气象分析方面的应用是目前无人机使用最成功的典范之一。

在环亚太平洋地区无人机已经被许多国家和地区（如澳大利亚、日本、台湾）用于气象分析，分析大气的化学性质，化学组成，研究台风、飓风、云层、雷电的形成。

无人机在对农作物喷洒农药、施肥等方面已经显示了非常成熟的应用，在这方面日本使用的最为典型，二十世纪八十年代,日本农业部开始研究无人机用于农业生产，在1993年日本从事农业生产的无人机只有288架，但到了2000年就已经达到了1418架注册了的无人机，其中YAMAHAR-MAX和R-50无人直升机占据了总数的80%。

民用无人机近期可能的应用有边境巡逻、毒品禁止与监控、市内监察/维持治安、火情视察与控制、应急反应/搜索与营救等；

中期可能的应用有沿海监视、遥控传感和气象取样、效用监控与视察、民用安全（如监控高危国家财产）等；

较长期可能的应用有卫星中继、石油和矿藏的勘定与鉴定、长久耐力地质科学/大气研究等等。