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单兵小型无人机侦察系统的发展与分析(组图)

特种装备网发布时间：2016-03-29

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摘要：单兵小型无人机侦察系统以小型无人机为载体，配备微型摄像设备进行侦察，并通过小型数字化的通信设备搭建数据链将图像数据传送至地面站，最终可利用多功能的手持终端进行情报上报。本文介绍了单兵小型无人机侦察系统的组成及其工作过程，并对各部分的功能、要求和现状进行了探讨，为进一步的深入研究打下了基础。

关键词：小型无人机；侦察系统；数据链路地面站；光电/红外；手持终端

引言

世界各国均在积极研发小型无人机侦察系统，其中美国和以色列的研究技术较为领先。美军小型无人机中最具代表的是指针（Pointer）、大乌鸦（Ra-ven）、龙眼（Dragon Eye）等。以色列飞机工业公司在2004年3月展示了小鸟和间谍微形无人侦察机^【1-4】。龙眼无人机可由美国海军陆战队士兵用标准包携带，其中包括无人机、地面站和备用电池。龙眼起飞后，在空中按预编程路线飞行，GPS进行辅助导航，到达目标区后无人机使用机载传感器搜集图像信号，并传送到地面控制站：

随着小型无人机侦察技术及单兵装备发展，单兵小型无人机侦察系统将呈现以下特点：

1）单兵无人机系统尺寸小、隐蔽性好，肉眼难以观察到，飞行过程噪声小，不易被人耳听到，同时小型无人机飞得低，雷达难以发现；

2）小型无人机体积小，质量轻，拆卸后步兵用背包即可携带；

3）小型无人机光学侦察方便，飞行高度从几十米到几百米，便于应用成本低的摄像机进行黑白、彩色、红外摄像，飞行速度低，飞行速度约每秒几十米，可以不需图像稳定装置；

4）飞行功率低，功率在百瓦左右，用高容量电池可飞行几小时；

5）小型无人机成本低、价格便宜，一次性使用或被击落也不会造成较大损失；

6）小型无人机防御性好，除非破片命中小型无人机的要害部位（发动机等），否则仍可继续飞行；

7）小型无人机操纵方便，可按预定程序自动飞行，也可直接用地面站实施无线控制；

8）小型无人机侦察安全性好，不需侦察员深入敌后侦察，降低了危险性。通过地面站可摇控小型无人机在低空对敌方进行侦察，视野比隐蔽在敌后宽阔；

9）单兵无人机系统对外通信方便，单兵可利用手持终端，采用文字、语音、图片或视频通讯的方式向上级指挥所报告侦察情况^【1-6】。

针对上述小型无人机侦察优点及技术发展，有必要对单兵小型无人机侦察系统组成、工作方式及各部分功能展开描述：

1、系统组成及工作方式

整个系统包括单兵、无人机平台、数据链路、光电/红外侦察设备、地面站、手持终端（或称数字助理）。如图1所示。

·无人机平台包括机体，飞行控制系统、动力系统、发射与回收系统等。

·地面站包含显示器、计算机、电源管理器和地面站工作电池。

·数据链路包括机载天线和地面天线、以及数据接收/发送模块。

·光电/红外侦察设备包括白光和红外成像设备。

·手持终端包含卫星通讯模块，电话通讯模块和显示模块等。

·单兵小型无人机侦察系统总质量（含无人机平台、光电/红外设备、地面站、通信设备、手持终端）要轻，比如小于20kg，才能便于单兵携带。通信距离一般要大于20km，连续飞行侦察时间应超过30min。

单兵小型无人机侦察系统为“空中侦察-地面站监视-单兵通讯指挥与控制”提供了快速、安全的通道，形成了全天时、灵活、便捷的侦察通讯，系统工作方式见图2。小型无人机可通过单兵携带，手抛式发射，能够根据任务规划进入预定侦查地域上空，完成自主飞行和实时空中图像的双向数据传输任务。配装微型光电/红外设备可实现全天时摄像及照相任务，通过专用地面控制站对无人机实现定时间、定距离拍摄。同时，还具有执行任务途中地面对无人机随机任意更改规划航线的功能。地面站接收无人机下传的图像数据，进行图像实时显示，并可通过USB口（或无线WIFI）与手持终端进行图像数据传输，地面人员则可利用手持终端的卫星通讯功能将图像数据发送给卫星，也可通过电话语音通讯功能实时向上级情报中心汇报当前侦察情况。

2、无人机平台

无人机平台主要从机体、飞行控制系统、动力系统和发射与回收系统四个方面来进行介绍^【7-8】。

2.1无人机机体

机体需要有足够的载重能力，以保证控制设备、电池、动力系统和任务载荷的携带。其次，要求外形设计合理，以保证飞行中的流畅和稳定性，并对各种气流影响有较好的适应性与鲁棒性。在上述要求下，尽可能保证无人机具有空间大，有效载荷大，结构强度高、耐使用、耐损耗等特点。小型无人机通常可以折叠后装入储运箱进行携带。

2.2飞行控制系统

飞行控制系统又称为自动驾驶仪，其能够完成姿态稳定控制、自主导航飞行、任务控制等诸多功能。驾驶仪一般具有三轴速率陀螺、两轴加速度计、气压高度计、空速传感器和GPS接收机等传感器。控制律以PID（比例、微分和积分）控制为主，控制通道和控制参数可自行调整。

2.3动力系统

小型无人机可采用电池供电和燃油供电两种，电池供电更适合于质量在5kg以下的无人机，进行短时间内的侦察（0.5～1h）。燃油供电则更适合较重一点的小型无人机，且能提供较长的飞行时间（1～2h）。

2.4发射与回收系统

小型无人机可采用手抛式或弹射式发射，单兵作战时，手抛式相对更为简便，不需要辅助装置，因此，质量较轻时，易选用此方式。由于人的力量有限，当无人机质量超过10kg时，通过手抛式可能无法使无人机获得预定飞行速度，因此，最好选用弹射式，可通过弹射使无人机获得较大起飞速度，由于增加了弹射装置，也就加重了单兵作战时携带重量。

回收时可采用伞降的方式，无人机机身中后部设计有伞舱，当伞舱盖打开时，弹射装置将主伞向空中弹出，通过降落伞减缓其下降速度，实现回收，采用伞降方式通常对无人机有一定损耗。

3、地面站

地面站主要进行飞行状态监控和实时的视频处理。包含图像接收模块、图像显示器、计算机、电源管理器和地面站工作电池，充足电后一次使用时间不低于3h^【9-10】。地面站及其显示画面见图3。

地面站主要系统功能由两部分组成，一部分进行飞行状态监控，一部分进行实时视频处理。飞行状态监控能够实时检测飞机的位置、速度、高度、航向、飞控系统主电源电压、GPS卫星锁定状态、飞行控制模式等数据，还能够查询航点数据、航点设置等，并可以实时更改导航系统的航路设置，控制飞机的航向、高度等飞行参数。视频处理部分主要包括视频数据的解码、显示和目标搜索等。接收到的视频图像，一方面进行显示供监控使用，另一方面可通过实时处理搜索目标，并标定位置，与飞行状态监控部分同步接收飞控系统下传的数据，将其中指令和响应信息过滤掉，只取飞机位置、航向、高度、速度等相关数据，与接收到的图像数据进行同步，并在图像上进行标记。在搜索、确认目标后，根据目标在图像上的相对位置和飞机航向、高度、位置等数据，结合摄像机、镜头参数，即可较精确地定位目标。此外，可通过地面站计算机的USB口（或无线WIFI）与手持终端进行图像数据传输。

4、数据链

针对小型无人机体积小、质量轻、实时性要求高等特点，数据链地面天线见图4。数据链路的设计应遵循以下原则：

1）机载通信设备、数据链设备力求简单、轻便；

2）抗干扰能力强，误码率低；

3）图像传输速率快。

无人机数据链路是一种测控与信息传输系统，它用于完成对无人机的遥控、遥测、跟踪定位及视频信息的传输，它是无人机系统的重要组成部分。无人机数据链路分上行线路和下行线路，上行线路主要传输数字式遥控信号、任务载荷的命令信号、无人机的飞行路线控制信号。下行线路主要传送无人机状态信号和视频信号。目前，小型无人机数据链采用较多的是数传电台系统。数传电台一般采用数字信号处理、纠错编码、软件无线电、数字调制解调和表面贴片一体化设计等技术，具有高性能、高可靠的特点，电台提供标准的RS232数据等接口，传输速率从9600～19200bps，误码低于10－6 ，发射功率可软件调节，任何型号的电台可设置为主站或远程站使用^【11-12】。

目前，图像数据通过微波图像传输电台传输，飞行状态数据依靠数传电台进行传输，两者采用各自的天线接收数据。图像采用模拟传输方式，易受干扰，且传输距离有限。随着数字传输技术的发展，采用跳/扩频技术满足了高速数据通信的要求，同时具有抗干扰能力强的特点，可以将飞行数据与图像侦察数据靠同一天线进行数据传输。在目前应用中，已采用正交频分复用技术有效解决了无线高速通信的一些问题。由于OFDM技术有着许多单载波和传统多载波系统所没有的优点，尤其是抗多径传播和干扰的能力，使它成为一种非常适合用于未来无人机高速数据无线通信的传输技术。采用OFDM调制技术可有效地处理信道干扰，提高系统的传输速率，并且随着DSP芯片技术的发展，傅里叶变换/反变换、信道自适应技术、插入保护间隔等成熟的技术逐步引入到无线通信领域中来，OFDM技术将被广泛应用于军用无线通信技术^【13】。

5、光电/红外侦察系统

机载光电/红外载荷是小型无人机最常见的基本任务执行单元，典型设备包括光电变焦和定点摄像机，彩色CCD和非制冷红外摄像机等^【14-17】，外型参见图5。

光电/红外载荷的特点是体积小、质量轻，借助弱光电荷耦合器件摄像机、热成像仪、红外传感器或前视红外系统，无人机可在昼夜和恶劣的天气条件下进行拍照，并可转成数字信号，通过数据链及时传递给地面，完成监视、目标捕获等任务，能被动工作，不易被发现。小型载荷可直接安装在无人机上，与大型飞机相比震动比较小，而且距离目标近得多，因此仍能获得清晰的影像。市场上的光电/红外传感器的性能正在不断提高，具备了更好的自动调焦能力，红外传感可分辨更细微的温度差，非制冷红外摄像机领域也取得了相当大的进展。为提高态势感知能力，无人机的光电/红外传感器需要向更轻、分辨率更高的方向发展。超光谱成像传感器、微光成像和夜视（光增强）成像传感器将成为无人机光电/红外传感器市场新需求的重点。

6、手持终端

单兵的手持终端采用模块化设计，留有大量软、硬件功能扩展接口，并且储备了各类相关的功能，可根据具体应用场合进行功能裁剪，能够快速实现功能的扩充。手持终端质量轻、体积小，携带十分方便。单兵的手持终端能够为士兵提供多种信息，如语音、数据和地图等; 同时具备大色彩触摸屏，可提供侦察视频图像显示，并可通过嵌入式的卫星通讯模块，与卫星进行通讯，上传视频数据和卫星电话等^【18-22】。另外还支持同类手持终端的动态组网，同级之间可相互通讯和传递命令等。语音通信功能则可保证单兵向指挥中心上报侦察情况，接受指令等。目前，美国步兵的便携式手持终端（指挥官的数字助理）是“陆地勇士系统”中的一个子系统设备，包括计算机、士兵电台、班组电台、全球定位系统、手持平板显示器、视频截获装置、与作战电台识别相兼容的接口等，如图6所示。