国外无人侦察监视飞机发展分析

2015-06-24刘长清潘舟浩唐晓斌

中国电子科学研究院学报 2015年6期

关键词：多任务数据链情报

刘长清，潘舟浩，唐晓斌

综述

国外无人侦察监视飞机发展分析

刘长清，潘舟浩，唐晓斌

（中国电子科学研究院，北京 100041）

在分析美军等军事强国无人侦察监视飞机现状基础上，总结了无人侦察监视飞机在未来作战应用的三个主要趋势：多任务、高时效、网络化，并对支撑作战应用趋势所需的关键技术进行了分析。最后，结合未来无人机的作战应用趋势、技术发展趋势，给出我国无人侦察监视飞机发展建议。

无人机；侦察监视；发展趋势

0 引言

军用无人机作为现代空中军事力量中的一员，具有无人员伤亡、使用限制少、隐蔽性好、效费比高等优点，在现代战争中的地位和作用日渐突出。目前全球共有87个国家（地区）拥有无人机［1］，其中26个已经拥有大型无人机（同美国捕食者大小相当的无人机）。美军等军事强国将无人机视为新的作战力量，大力发展并广泛应用，引领着世界军用无人机系统发展方向。

1 现状

1.1ISR仍然是无人机系统的核心任务

无人机执行侦察监视任务具有固有优势。一方面，在作战中无需考虑机组遭攻击的风险，降低侦察监视任务的危险性；另一方面，其续航能力可远远超过机组成员的承受能力，有利于执行枯燥的侦察监视任务。因而，侦察监视仍是军用无人系统、尤其是无人机的主要任务和优先发展领域。美国防部2007版无人系统路线图中明确指出，无论何种类型的无人机，对侦察监视需求优先级都是最高的。即使是美海军未来舰载无人空中监视与打击系统（UCLASS），其定位也是偏向情报侦察与监视任务，并将具备一定的打击能力。

1.2作战运用越来越频繁

美国《大中科学网》2012年引用一份美国国会报告称，2012年美国现役军用飞机中有近1/3是无人机，与前几年相比无人机数量快速增长。另据《UASVISION》2013年7月报道称，以色列建立了一支无人机系统部队，完成了以色列空军50%的任务。而美军“捕食者/灰鹰”系列无人机的飞行时数以前所未有的速度持续增长：1993-2008年实现了50万飞行小时，至2010年实现了100万飞行小时，至2012年实现了200万飞行小时，而在2014年10月2日达到了300万飞行小时，这相当于连续不间断飞行340年［2］。美国空军一架MQ-9“死神”更是在2015年创下了无人机单机累计飞行时间新纪录：突破20000小时［3］。

1.3情报质量越来越高

诺思罗普格鲁曼公司对有人、无人机从事ISR任务的对比分析发现，美军装备的主力无人机系统不仅可以像有人机一样提供较好的信号情报、图像情报和动目标指示情报质量，而且可提供的情报类型更丰富，已经可以胜任有人机从事的侦察任务。装备美空军的Block40型“全球鹰”不仅具有高质量的图像采集能力，而且具备高精度动目标指示能力；而海军型“全球鹰”MQ-4C“人鱼海神”更是初步具备了海上目标自动识别能力［4］。

2 发展趋势

随着无人侦察监视飞机的广泛应用，无人机功能相对单一（集中于侦察监视任务和有限火力打击任务）、复杂环境下执行任务效果差、融入有人作战体系能力不足等缺点也逐渐显现。为满足未来基于网络化、基于效果的联合作战，未来无人侦察监视飞机，将由单一任务向多任务方向发展、将由传统的侦察向预警监视等时效性要求更强的应用方向发展、将由单机使用向编队组网方向发展，可概括为“多任务”、“高时效”、“网络化”三个趋势。

2.1多任务

无人机系统，尤其是大中型无人机系统，基于通用平台实现多任务应用，是一个重要发展方向。美空军为实现21世纪空中力量效能的最大化，希望利用不断增加的自动化、模块化和可持续的无人机系统打造一支更加精干、更具适应性、可定制的部队。从目前美军的发展思路与趋势来看，未来中等无人机系统应具备电子战、侦察、监视、通信中继、防空、导弹防御、战略打击等能力；未来的大型无人机系统在此基础上增加指控、空中/地面目标指示、全球打击等能力。集“侦察、监视、打击”等多任务于一身，是美军未来综合性无人机发展的长远规划。

为支撑多任务的实现和能力的不断提升，美军在载荷上趋向于采用具有标准接口的综合化和模块化设计，以提升系统的通用性、开放性，实现“一机多用”和“一站多控”，同时降低全寿命周期的使用维护成本。

综合化、模块化的任务电子系统具有故障状态下的动态重构能力，能在更广泛的应用中增加新的功能，限定范围内的功能/性能升级并能与旧的系统组件兼容工作，支持系统结构的有限演变（如新技术支持下的功能要素的分化和归并等），实现设计师通过软件定义一切（SDA）。

2.1.1任务电子系统模块化设计技术

任务电子系统模块化设计具有可移植性、可互操作性、可扩展性、即插即用等优点。当前，任务载荷、软件算法等升级换代较载机平台更快。任务电子系统的软件、硬件模块化水平的提升，可使得无人侦察监视飞机更容易地实现功能扩展、更快地采用新技术，并且具有维护成本低的优势。

当前通信系统的模块化技术相对成熟，如全球鹰装备的通信中继设备ACN就是一种模块化、尺寸大小可变的通信中继载荷，既可以装载在RQ-4“全球鹰”上以支持战区级的通信（直径为550公里的通信范围），也适合于RQ-7“影子”无人机上实现战术通信（直径为60公里的通信范围）。但传感器模块化技术相对落后，当前美军主要侧重多传感器实现多任务目标的技术成熟性和可靠性，未来将进一步提升传感器模块化（Sensor Modularity）水平，并将其作为技术类项目发展的中期目标（2018-2021）［5］。

2.1.2任务电子系统综合化架构设计技术

机载任务电子系统的体系架构已经从第一代的分布式架构、第二代的联合式架构，发展到第三代的综合化体系架构。综合化体系架构是基于共用模块进行实时控制、资源共享、资源管理、资源分配。采用综合化体系架构的任务电子系统将具有数据共享、信息融合、互联、互通、互操作等优势。

为满足未来多任务的作战需求，无人机任务电子系统采用综合化架构是必然趋势。美军RQ-4A“全球鹰”无人机采用综合化设计方案，研制了集成光电（EO）、红外（IR）和合成孔径雷达（SAR）为一体的综合传感器设备，实现软件和硬件共享，避免功能重复，简化传感器与电气系统、控制系统和链路设备之间的交联。

2.2高时效

为满足信息化战争的需要，美军“基于效果作战”理论要求以最快的速度达成作战目标。美军海湾战争中，从目标感知到实施精确打击的周期为数小时（甚至数天），阿富汗战争缩短到10分钟，在伊拉克战争中进一步实现了无人机“捕食者”作为侦察装备情况下10分钟内对时敏目标的打击。

未来作战任务将由传统侦察任务向实时性要求更强的预警、监视方向发展，不仅要求对车辆、舰船等常规目标的监视，而且要对导弹发射车、导弹、潜艇、隐身飞机等时敏目标实现预警监视。这就要求无人机系统能对传感器数据快速处理，而且能在复杂战场环境内快速分发情报，满足实战的时效性要求。

为满足时效性要求，美军一方面不断采用新技术实现高速率宽带通信，发展可提升目标态势快速分发的通信技术，另一方面加强机上情报处理能力，减少数据分发量，提升系统的自动程度、提升威胁环境下高宽带保密通信能力。

2.2.1目标态势快速分发通信技术

以无人机为平台的侦察监视系统，通常配置高分辨率SAR雷达、红外/光电等传感器，对通信带宽要求更高。无人侦察监视飞机比有人机更加依赖通信资源，通信是无人机系统的“软肋”。因而，美军将无人机的通信带宽视为与燃油同等重要的因素。“全球鹰”在伊拉克战争期间，利用卫星（Milstar II）将一帧图像（120M）传输到美国本土情报处理基地（DGS）需要12分钟，在2008年利用先进极高频卫星（AEHF）进一步缩短到2分钟，未来有望进一步缩短。

美国国防部2011年版无人系统路线图中指出了未来发展的支撑技术：可针对数据内容动态调整传输顺序的数传技术、速率可达2.5G比特每秒（bps）到10Gbps的激光通信技术、已在第四代商业无线通信系统中应用的多发多收（MIMO）技术［6］等。

2.2.2机上情报自动处理技术

目前无人机更多的是作为一个升空的传感器或数据采集器，无人机系统的情报处理主要以地面处理为主，具有滞后性。提升机上情报自动处理能力有利于无人系统对高价值、时敏目标的快速发现、为航线自动调整提供决策依据。美海军新研的MQ-4C“人鱼海神”机上任务电子系统，可实现大数据量数据处理，具备海面目标自动跟踪、自动目标分类、辐射源特征自动识别能力，并可根据目标自动处理结果重新规划航线对目标详察。美国国防部2007年版无人系统路线图指出，美军将在未来25年内使无人机具备自主完成预定任务的能力。而机上情报自动处理是实现自主完成预定任务的基础。

另一方面，机上情报自动处理技术可增强无人系统在复杂电磁环境条件下的对抗性。兰德公司研究表明，在利用卫星通信时，只需对卫星接收天线实施1兆瓦的噪声干扰就足以使得数据传输速率下降50%以上［7］。机上情报自动处理，可有效降低传感器数据传输量，减少数传带宽要求，更有利于数据采用加密传输，增强复杂环境下的对抗性。美国空军在其2010版《技术地平线》中，将传感器数据自处理技术列为主要支撑技术［8］。

2.3网络化

随着网络化作战不断发展，各种数据链的广泛应用，无人机的应用方式正在向网络化协同作战方向发展［9］。无人机群、无人-有人机组网［10］编队实现侦察监视已经成为趋势，是构建侦察监视网络体系的基础。在功能方面，不同类型无人侦察系统可以实现功能互补，可实现空中、地/海面、电磁目标的全维覆盖；在性能方面，网络化有利于采用分布式探测［11］等技术，将改善系统反隐身、抗干扰、跟踪等性能；在可靠性方面，网络化的协同侦察将有效增强系统的抗毁性［5］。

在无人机群方面，美国空军开展了无人机群监控交互技术项目研究（MUSCIT），北约提出了以“全球鹰”无人机群为主的对地监视系统（AGS）。在无人-有人协同方面，美军还开展了E-8C“联合星”与“全球鹰”无人机系统的雷达数据交换试验。另外美国海军新研的MQ-4C“人鱼海神”加装的传感器管理单元（SMU），可作为接入全球信息栅格（GIG）的网关，接受有人机（如P-8A巡逻机、P-3C和EP-3E等）的直接控制。

为实现未来基于网络中心的联合作战，一方面，对无人系统跨领域协同提出互操作性要求；另一方面，需研究更为先进的组网技术，发展具有灵活性和开放性的新型数据链，为美军数据链融入其网络中心战体系奠定基础。

2.3.1无人系统互操作技术。

未来基于网络中心的联合作战，对无人系统具有跨领域协同提出互操作性要求。无人系统的互操作性目标是使其具有与其它系统、组织、部队间交换（提供或获取）数据、信息、素材、服务的能力，并基于交换有效地实现协同作战。

首先，建立适用的的互操作性标准。包括技术体系、接口标准和标准的操作程序，可以有效减少购置成本、实现不同用户传感器数据的共享、简化操作和战术控制问题、减少训练需求。目前无人系统互操作性标准主要包括北约组织发布的标准化协议（STANAG）和机动车工程师协会无人机系统工作组发布的联合无人系统体系结构（JAUS）系列标准。NATO STANAG最初是针对无人机系统编制，重点是机载数据的传输处理；JAUS系列标准最初是针对无人地面系统编制，重点是系统指挥控制，包括环境描述及障碍规避。未来，需在现有标准中考虑无人机系统标准普适性（可应用于无人机系统（UAS）、无人地面系统（UGS）、无人海上系统（UMS）），并进一步增强基于标准开展中间件的研究与开发工作以减少现有标准的冲突。

其次，研究具有柔性特征的指挥控制体系架构。在美军国防部2011年版无人机路线图中，明确提出了有人-无人编队（或无人机群）能力的发展路线：从当前单纯接收数据，到进一步的控制任务载荷、更高级的控制无人飞行、有人-无人编队，最终目标是2025年以后实现无人机独立编队自主执行侦察/攻击任务。具有编队特征的系统体系结构，必须满足系统内成员的动态加入与退出。北约提出了北约体系集成框架（NATO Architectural Framework，NAF），具备在同一空域进行有人/无人机进行指挥作战的指控（C2）体系结构。美军林肯实验室提出了稻草人监视架构（Strawman Surveillance Architecture），具有三层的有人-无人协同监视体系结构，每层具有不同的回访率和精确程度，越接近地面，监视平台的数据更新率与精确程度越高，适用于有人机（联合星、U2侦察机、P-3等）以及无人机（“捕食者”、“全球鹰”等）系统的协同监视。

第三，研究先进的数据处理与分发架构，提升信息共享能力。目前的无人机系统在数据存储、数据处理和数据分发上都采用了较为封闭的架构，使得各种无人机系统互操作性较差。美军采用先进的、开放的系统架构，将数据存放在“云端”数据中心，然后通过数据分发节点（如美国国防情报统计局建立的“统一媒体分发服务”Unified Video Dissemination Service）发送给各个授权的用户。

2.3.2新型数据链技术

数据链系统作为一种专用的战术信息交换系统，其整个工作机制具有很强的特殊性，规划管理、消息传输、消息解析和转换等都采用专用协议实现。这种专用协议虽然有助于提高数据链的工作效率，但却是以牺牲系统的灵活性和开放性为代价。随着互联网协议（IP）、Adhoc组网架构［12］等一些民用技术引入，美军近期研制的新型数据链技术（如TTNT）与过去的数据链系统（如Link-16）相比，在灵活性和开放性方面已经有了很大的提高。

近期，美军正在加大基于IP的数据链的研制力度，使越来越多的军用数据链具有IP能力，并研究更为先进的组网技术和增强接口开放性，这不仅有利于提高美军数据链的灵活性和开放性，而且也为美军数据链融入其网络中心作战体系奠定了基础。据报道，美海军MQ-4C“人鱼海神”便采用了基于IPV6的数据链协议。

3 结语

通过对国外无人侦察监视飞机的分析发现，无人机系统在武器装备中的地位不断提升，系统的可靠性与安全性越来越高，各种支撑技术研究面向复杂对抗条件开展。作为借鉴，我国的无人侦察监视系统装备技术发展应围绕无人机融入体系作战方面开展，加强从设备级到体系级不同层次的综合集成：

（1）在无人机设备级集成方面，应加强任务载荷模块化和综合化集成技术，有效增强无人机遂行多任务能力；

（2）在无人机系统级集成方面，应加强实战条件下情报自动处理、目标态势快速分发和动态组网等技术，有效提高无人机系统在实战环境下的侦察监视能力；

（3）在体系级集成方面，应加强有人-无人机互操作性标准研究，构建有人-无人协同侦察监视技术体系，积极探索有人-无人联合作战途径。

［1］ SGopal.Drones：The Game Changers in Future Wars，Indian Defence Review，2015，Jan-Mar.

［2］ Predator/Gray Eagle Series Exceeds 3 Million Flight Hours.Site：http：//www.uasvision.com/2014/10/15/ predatorgray-eagle-series-exceeds-3-million-flighthours/，2014.

［3］ Single Reaper passes flighthourmilestone.Site：https：// www.flightglobal.com/news/articles/single-reaper-passes-flight-hour-milestone-407863/，2015.

［4］ X-47B UCAS Maiden Flight a Success.Site：http：// www.northropgrumman.com/MediaResources/Media-Kits/Naval100/Pages/Present.aspx，2013.

［5］ Departmentof Defense.FY2013-2038 Unmanned Systems Integrated Roadmap.www.defense.gov，2013：22，120.

［6］ Ioannis Pefkianakis，Suk-Bok，Songwu Lu Lee.Towards MIMO-aware 802.11n rate adaptation.IEEE/ACMTransactions On Networking，Vol.21，No.3，June 2013.

［7］ Brien Alkire，James G.Kallimani，Peter A.Wilson，Louis R.Moore.Applications for Navy Unmanned Aircraft Systems.www.rand.org，2010：29.

［8］ Technology Horizons：Vision for Air Force 2010-2030 Capabilities.www.flightglobal.com，2010：63-64.

［9］孙晓闻.无人/有人机协同探测/作战应用研究［J］.中国电子科学研究院学报，2014，9（4）：331-334.

［10］Rick Ordower，Lee Dixon，Nick Lynch.Collaborative Air/Ground Command and Control for Responsive Persistent ISR Operations using Unmanned Systems［J］.Proceedings of SPIE，2014.

［11］Ajay Verma，Ronald Fernandes.Persistent unmanned airborne network support for cooperative sensors［J］. Proceedings of SPIE，2013.

［12］Fumiyuki Adachi，Hiroyuki Miyazaki，Chikara Endo. STBC AFRelay for Unmanned Aircraft Systems［J］.Proceedings of SPIE，2015.

Development Tendency of the Worldwide Military ISR Unmanned Aircraft System（UAS）

LIU Chang-qing，PAN Zhou-hao，TANG Xiao-bin
（China Academy of Electronics and Information Technology，Beijing 100041，China）

Based on the analysis of the unmanned surveillance aircraft system of American and othermilitary countries，this paper summarizes the three key tendencies of ISR UAS applied on future battle：multi-tasks，real-time performance and network.Within the tendencies，the key technology supported on future battle application is analyzed.At last，combined with ISR UAS tendency of future battle application and technology，this paper proposes the development advice of ISR UAS in our country.

Unmanned aircraft system；ISR；development tendency

TN958

：A

：1673-5692（2015）06-657-04