无人机简述及其发展前景

无人机简述及其发展前景摘要：简单介绍了无人机，对无人机的主要基础技术作了一定的阐述，针对遥感通信控制及材料。并通过对无人机在越南战争、中东战争、海湾战争及科索沃战争的作用，了解无人机现阶段的主要运用层面。从数据链、生存能力、全天候能力、续航能力以及政治即中程核力量条约方面分析了其面临的问题。并对无人的未来发展趋势作了展望，指出无人机在未来将实现隐形化、微型化、智能化、高速长航时化及系统化。关键词：无人机；基础技术；运用实例；问题不足；前景展望中图法分类号：E926.399文献标识码：A1.无人机简要介绍：无人驾驶飞机简称“无人机”，英文缩写为“UAV”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。从技术角度定义可以分为：无人直升机、无人固定翼机、无人多旋翼飞行器、无人飞艇、无人伞翼机这几大类。无人机系统由飞机平台系统、信息采集系统和地面控制系统组成。无人机分为侦察机和靶机。侦察机用于完成战场侦察和监视、定位校射、毁伤评估、电子战等；也可民用，如边境巡逻、核辐射探测、航空摄影、航空探矿、灾情监视、交通巡逻、治安监控等。靶机可作为火炮、导弹的靶标。无人机可实现高分辨率影像的采集，在弥补卫星遥感经常因云层遮挡获取不到影像缺点的同时，解决了传统卫星遥感重访周期过长，应急不及时等问题。无人机用途广泛，成本低，效费比好；无人员伤亡风险；生存能力强，机动性能好，使用方便，在现代战争中有极其重要的作用，在民用领域更有广阔的前景。我们在此主要介绍在军事领域的无人机。2.无人机主要基础技术2.1无人机遥感技术无人机遥感（UnmannedAerialVehicleRemoteSensing),既是利用先进的无人驾驶飞行器技术、遥感传感器技术、遥测遥控技术、通讯技术、GPS差分定位技术和遥感应用技术，具有自动化、智能化、专用化快速获取国土、资源、环境等空间遥感信息，完成遥感数据处理、建模和应用分析的应用技术。无人机遥感系统由于具有机动、快速、经济等优势，已经成为未来的主要航空遥感技术之一。无人机为空中遥感平台的微型遥感技术，其特点是：以无人机为空中平台，遥感传感器获取信息，用计算机对图像信息进行处理，并按照一定精度要求制作成图像。无人机上的遥感传感器是根据不同类型的遥感任务，使用相应的机载遥感设备，如高分辨率CCD数码相机、轻型光学相机、多光谱成像仪、红外扫描仪，激光扫描仪、磁测仪、合成孔径雷达等。使用的遥感传感器应具备数字化、体积小、重量轻、精度高、存储量大、性能优异等特点。2.2无人机通信技术无人机通信利用通讯数据链通信。通讯链稳定性好可以做到可工作在各种恶劣的环境下，温度范围-40℃~+70℃。支持远距离传输60-100km，主要是用于飞控及机载（GPS、飞行姿态、航点、传感器）数据的传输。无人机上的远距离数据链传输，能实时传回无人机的各种数据，以及稳定的视频画面。地面控制人员还能随时发出指令，下达新的任务规划。无人机数据链是一个多模式的智能通信系统，能够感知其工作区域的电磁环境特征，并根据环境特征和通讯要求，实时动态的调整通信系统工作参数（包括，通信协议、工作频率、调制特性和网络结构等）达到可靠通信或节省通信资源的目的。无人机数据链按照传输方向可以分为：上行链路和下行链路。上行链路主要完成地面站到无人机遥控指令的发送和接受，下行链路主要完成无人机到地面站的遥测数据以及红外或电视图像的发送和接收，并根据定位信息的传输利用上下行链路进行测距，数据链性能直接影响到无人机性能的优劣。2.3无人机自主控制技术无人机系统自主控制是指在不需要人的干预条件下,系统通过在线环境感知和信息处理,自主生成优化的控制策略,完成各种战略和战术任务,并且具有快速而有效的任务自适应能力。无人机系统自主控制面临的挑战包括复杂、非结构化、意外的动态环境,不确定的、意外的事件和态势,远距离长航时条件下复杂网络通信链路故障、突发系统故障、实时外部威胁等环境不确定性;高度复杂决策空间和强实时决策能力等超越了人的认知能力范围的任务复杂性;高速、高机动性、高隐身性平台以及复杂柔性的系统结构等系统复杂性。将智能控制和常规控制方法相结合是解决自主控制的一种有效方法,能够处理环境的高度不确定性,称为智能自主控制。自主控制和智能控制的联系在于实现自主是控制的目标,而智能控制是实现自主的有效途径,其智能是指系统拥有自主能力的程度。实现完全自主控制的技术目前主要有两类,一类是多层控制结构,目前已研制出用于无人车辆的四层软件控制结构。另一类是人工智能专家系统。自主控制技术的发展也取决于高性能的传感器、嵌入式计算机、实时操作系统以及模式识别与人工智能技术的突破。预计到2030年,微处理器将接近人脑的存储容量,采用10ns颗粒可将每平方英寸的存储密度增加到1000GB,处理速度将从106MIPS(百万条指令每秒)提高到1012MIPS,达到人脑的处理水平,自主控制技术水平将得到极大的提高。2.4无人机材料技术2.4.1无人机复合结构材料设计制造技术无人机用复合材料设计标准制定无人机不需要考虑人的生理承受能力，为充分发挥复合材料的性能优势，可以设计比有人机更低的安全系数，为了达到更高的灵活机动性能，无人机可以设计较大的过载荷系数，达到15~20g；同样因为不需要考虑人员因素，无人机可以有更大的设计空间，采用更为先进的气动构型。2.4.2无人机隐形材料设计制造技术隐身是现代战机要求的一项高尖端技术，无人机由于经常出现在敌方的防空和雷达监测的空域中，对隐身提出了更高的要求。现代隐身技术主要有材料隐身、涂层隐身、等离子体隐身、结构细节设计隐身等手段。无人机结构多为复合材料夹层结构，在结构细节设计隐身的基础上，作者认为可以优先开展复合材料泡沫或蜂窝夹层结构隐身设计和制造技术研究，在细节设计和结构设计、制造层次上解决无人机复合材料隐身技术。2.4.3RTM和RFI成型复合材料结构件力学性能评估技术低成本、高效费比是无人机的显著特点。采用整体化成形技术对于减少复合材料部件结构数量、降低使用和维护费用、节约成本、提高效率具有重要的作用。近年来，工程上，已经能够用RTM和RFI成型工艺方法制造复合材料构件，但是国内尚没有将这种成型工艺方法制造复合材料构件批量应用到具体型号上。因此进一步深入研究评估RTM和RFI成型复合材料结构件力学性能是实现低成本、高效费比无人机结构平台的设计/制造的有力保证。2.5无人空中作战系统（UCAS）无人空中作战系统是指将武装载具平台、传感器网络以及操控决策者整合为一体化的空中作战系统。它具有三项主要的指挥控制功能，其一是融合传感器回传数据，连续生成详细的、可用于目标引导的战场态势感知图；其二是能决策攻击某个具体目标以及如何、何时攻击；其三是为武装载具平台制定行动计划，指导其完成任务。在最新无人空中作战系统设计时，采取的思路就是尽可能少的对系统内的不同无人平台进行细节性控制。无人空中作战系统要能自主的完成任务，就需要其控制系统的控制质量有飞跃性的提升，使其能依赖本身及其他平台上的分布式判断、规划系统，完成所需的更加复杂的计划规划和策略选择。3无人机在现代战争中的应用3.1越南战争无人机崭露头角二十世纪六十年代，美军出动大量轰炸机战斗轰炸机对越南进行持续轰炸，但遭到了越南使用的苏制导弹还有中国援越防空兵的顽强打击，损失战机2500余架，飞行员5000多名。美国政府1962年制定生产靶机的瑞安公司将“火蜂”靶机改装为无人侦察机。瑞安公司用九十天改造了1000架飞机，投入越战战争。美军在越战期间使用火蜂无人高空侦察机3435次，执行高空超低空拍照，电子窃听，干扰无线电通讯，散发传单等任务，回收2873架次，战损率16%。如果换算成有人战机，美军将损失576架飞机，伤亡飞行员1200人。无人机在战场的出现，大大减少了战争空军伤亡率。3.2中东战争期间异军突起1974年10月，第四次中东战争期间，以色列遭到了阿拉伯国家使用苏联的萨姆导弹系统的惨痛打击，损失战机71架，占以色列540架战机的13.15%，占以方被击落战机200余架的35.5%。以色列被迫改变突袭空防的战术方法。1982年夏季以色列与叙利亚爆发力黎巴嫩争夺战。叙利亚在黎巴嫩贝卡谷地布置了六个萨姆-6防空导弹群，以色列知道，如果想进行自由空军行动，必须掌握黎巴嫩的制空权，要想掌握制空权，必须摧毁这六个防空导弹群。为了摸清贝卡谷地的情况，以色列出动了“大力神”无人机模拟F-4的电子信号，诱骗黎巴嫩军队打开防空系统，掩护有人侦察机对贝卡谷地侦察。1982年6月9日，以军出动了近100架F-4、F-15、F-16战斗机，一架鹰眼E-2C预警机，两架波音707改装成的电子干扰机，还有大批无人机空袭贝卡谷地。以色列从1500米高空发射自行研制的侦察员和猛犬无人驾驶飞机。它们率先飞临叙军导弹阵地上空，诱使叙军萨姆-6导弹的制导雷达开机。制导雷达一开机，“侦察员”和“猛犬”立即把截获的无线电信号传给早已等候在空中的E-2C鹰眼预警机，“鹰眼”再把这一信息传给F-4“鬼怪”式战斗机。鬼怪获得信息后，发射百舌鸟反辐射导弹，准确无误地摧毁萨姆-6的制导雷达。对于没开机的制导雷达，以军使用美制小牛AGM-65电视制导导弹还有本国制造的LUZ-1电视制导导弹攻击，使叙军防空系统变成瞎子，然后出动96架飞机摧毁萨姆-6防空导弹系统。作战过程中，以色列无人机实时向军部报告攻击区域信息，以及叙利亚军队还有巴勒斯坦游击队动向。3.3海湾战争中无人机做先锋1991年海湾战争期间，在空袭伊拉克的“沙漠风暴”前二十四小时中，多国部队使用了大量“鹧鸪”ⅢBQM-74无人机突袭伊拉克设防森严的防空系统。1月17日，伊拉克时间2时39分多国部队“沙漠行动”开始。在F-117隐形飞机实行第一波攻击之后，3时20分美军出动EA-6B、EF-111电子战飞机对伊拉克防空系统进行电子干扰，使其雷达全部开机。然后美军发出大批“鹧鸪”ⅢBQM-74、大力神无人飞机，充当诱饵，模仿各国轰炸机的电子信号。3时48分到4时30分，伊拉克防空雷达因为探测无人机导致饱和，将无人机认为攻击型飞机，防空导弹对其射击，暴露了位置。紧跟在无人机后面的多国部队F-4G、A-6、B-52、旋风GR-1战机发射“哈姆”AGM-88反辐射导弹还有制导导弹将发现的防空雷达击毁。伊拉克防空系统完全崩溃再也没有恢复过来。3.4科索沃战争期间无人机群上阵1999年3月24日到6月20日的科索沃战争是二十世纪最后一场战争，也是最奇特的一场战争。以美国为首的北约集团1200架战机参战，出动了38000余架次，投射了23000余枚导弹炸弹，空袭了南斯拉夫四十多个城市的496个军事民用目标以及520个战术目标。在战争初期，侦察受到多云的影响，有人侦察机要想更好的侦察需要降低飞行高度，但由于防空火力打击不能有效侦察。1999年3月底北约紧急调用英法美徳意五国的“捕食者”“猎人”“先锋”、CL-289、“红隼”“不死鸟”、米拉奇-26七种类型的200余架无人机投入战争。无人机机载设备齐全，不存在死亡威胁，在几百带几千米的空中进行侦察，弥补了侦察卫星还有高空侦察机的不足，大量无人侦察机的使用克服了地形复杂气候恶劣目标分散等困难，确定了520个战术目标。无人机不仅24小时在南联盟上空执行侦察监视任务，提供拟打击目标防空系统的位置，精确提供静止目标和运动目标的位置坐标。而且完成了干扰南联盟通讯，诱骗南联盟雷达，对打击目标进行伤害评估等任务。无人机为北约顺利空袭，发挥了巨大作用。4.无人机面临的问题4.1数据链通讯易受电子干扰数据链是无人机最脆弱的一环，数据链容易被干扰或操纵。经常因为距离远卫星位置不好、友邻相互干扰而丢失数据连接。频率带宽不够，无法容纳多架无人机操作与控制。随着科学技术的发展，电子战技术越来越成熟，而完全依赖电子信息遥控的无人机，将面临巨大威胁。小则是通讯连接中断，无人机暂时失去控制，无法正常的完成任务；更有甚者，无人机被敌方控制，对己方进行打击或侦察，或者直接盗取无人机上的机密信息。由于一些天气地形