小型無人機在邊境安全防衛(wèi)中的應(yīng)用

□ 文/潘櫻心

國內(nèi)外邊境無人機應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

進(jìn)入21世紀(jì)，空中機器人技術(shù)已趨成熟，性能日臻完善，逐步向小型化、智能化、隱身化發(fā)展。無人偵察機、戰(zhàn)略預(yù)警機得到了各國高度重視，發(fā)展速度極快。與此同時，無人偵察機已被用于完成戰(zhàn)場偵察和監(jiān)視、定位校射、毀傷評估、電子戰(zhàn)等領(lǐng)域；在民用領(lǐng)域中的高空攝影、高空探礦、災(zāi)情監(jiān)視、交通巡邏、治安監(jiān)控等也發(fā)揮了重要作用。可見無人機的作用十分突出，優(yōu)勢明顯，不管是在軍事領(lǐng)域，還是民用領(lǐng)域，都發(fā)揮著重要的作用，其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴展。

在各國邊防領(lǐng)域，為切實保衛(wèi)邊境安全，適應(yīng)復(fù)雜、多變的斗爭形勢，各國都在加強武裝警備力量，追求智能化、高效便捷的警務(wù)工作目標(biāo)。目前已有很多國家開始研究、應(yīng)用適用邊境地區(qū)的高空偵察設(shè)備。如俄羅斯邊防警衛(wèi)隊已有專用小型無人機（俄羅斯邊防警衛(wèi)隊專用Dozor-4型無人機等）應(yīng)用于監(jiān)視邊境，美國為確保國土安全，海關(guān)和邊防局從2007年開始利用無人機（如“掠食者”B型無人機）執(zhí)行監(jiān)視海域、巡邏邊界的任務(wù)。此外，以色列、伊朗、印度等國家也已研發(fā)專門設(shè)備進(jìn)行邊境巡查。

當(dāng)周邊國家加緊研制、應(yīng)用高空無人偵察設(shè)備到邊境地區(qū)時，我國目前尚沒有邊防領(lǐng)域?qū)Ｓ玫目罩袀刹臁⒈O(jiān)控、預(yù)警等設(shè)備以適應(yīng)新時期邊境地區(qū)動態(tài)管控的需求。

小型無人機應(yīng)用于邊境安全防衛(wèi)的重要意義

近年來，在我國邊境地區(qū)，恐怖活動，偷渡，毒品走私等犯罪形式呈現(xiàn)多樣化、智能化、隱蔽化的趨勢，傳統(tǒng)的情報信息獲取方式效率低、難度大，如不改變相應(yīng)的情報獲取手段，必然導(dǎo)致邊防工作處于被動地位。而在邊防實際工作中，邊境巡邏，反恐、緝毒、處突，邊境植被、水文等地理信息的勘察、測量，特殊偵察及治安監(jiān)控等方面都需要一個可實現(xiàn)高空偵察、監(jiān)控、預(yù)警的設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)圖像資料的實時回傳，掌握邊境第一手資料，為決策人員提供及時、準(zhǔn)確、有效的情報信息，以真正實現(xiàn)“情報主導(dǎo)警務(wù)”。

小型無人機可實現(xiàn)高空無人偵察，提高邊防工作的效率，更好地維護(hù)邊境地區(qū)安全與穩(wěn)定。總之，加快對適用于邊防部隊的小型無人機的開發(fā)利用既是“科技強警”對我們提出的要求，也是適應(yīng)邊境地區(qū)更加復(fù)雜、多變的斗爭形勢的迫切需要。

代替人力邊境巡邏、確保國土安全的需要

邊境地區(qū)多地形條件復(fù)雜，氣候環(huán)境惡劣，特別是在偏僻地帶難以或不可能建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施。邊防官兵常需要在高原、山地、叢林、沙漠、積雪中巡邏偵察，或高寒缺氧，或炎熱難耐，不僅效率低，不安全，且普通人力偵察監(jiān)視面積小，不能連續(xù)獲取信息，甚至?xí)斐汕閳蟆懊^(qū)”，不適應(yīng)現(xiàn)代邊境地區(qū)完整、大量情報的需求。

小型無人機可代替人力巡邏，無人員傷亡風(fēng)險，機動性能好，偵察面積大，速度快，減少視野“死角”，更好的維護(hù)邊境安全。

獲取突發(fā)事件中動態(tài)情報、科學(xué)決策的需要

邊防部隊承擔(dān)著反恐、緝毒、處置各種突發(fā)事件等重要使命，針對當(dāng)前所發(fā)生的眾多劫持人質(zhì)、復(fù)雜背景處置突發(fā)事件等多種案件類型，幾年來實踐證明，邊防部隊在處置某些場合的突發(fā)事件時在獲取現(xiàn)場信息的手段上存在一定局限性和靈活性，而且缺乏一定的果斷、及時的處置方法。如何高效、快速、科學(xué)地處置，成為了一個迫在眉睫的問題。

小型無人機可以深入現(xiàn)場觀察整體發(fā)展態(tài)勢，并根據(jù)需要進(jìn)行偵察、監(jiān)控，固定相關(guān)證據(jù)，使整個行動始終處于隱蔽、安全、信息明了和快捷狀態(tài)，以高效率解決危機，改進(jìn)傳統(tǒng)的處置手段許多局限性問題。

建立、補充邊防地理信息系統(tǒng)的需要

由于邊境地區(qū)獨特的地理條件、戰(zhàn)略地位等，及時獲取、掌握其區(qū)域位置、地形地貌、河流水文、氣候植被等信息的特點也是邊防部門的工作之一。準(zhǔn)確、快速的了解邊境的地理信息數(shù)據(jù)，可為建立、補充邊防地理信息系統(tǒng)提供依據(jù)，是邊防管理和輔助決策的需要，也是戰(zhàn)時整合警力、科學(xué)部署兵力、迅速制定指揮方案的保障。

緊急條件下補給重要物資的需要

2008年5.12汶川大地震及6.11南方水災(zāi)等重大自然災(zāi)害中，小型無人機及相關(guān)高空偵察設(shè)備發(fā)揮了重大作用，其實時傳回的視頻對于指揮、決策提供了寶貴依據(jù)，而載荷量大的設(shè)備更是深入災(zāi)區(qū)運輸了藥品等重要物資，為挽救人民生命安全做出了不可忽視的貢獻(xiàn)。

邊境小型無人機的主要研究內(nèi)容

小型無人機具有輕巧、靈活、可操控性強、造價低的特點，在功能上可使邊防部隊便于觀察邊境整體情況，特別是在沒有制高點的情況下，實現(xiàn)對邊境地區(qū)的監(jiān)控，以適應(yīng)邊防工作在邊境高空信息獲取的實際需要。其部分重點研究問題分析如下：

空氣動力學(xué)方面

無人機的空氣動力學(xué)問題主要是線性的問題,特別是氣動彈性和控制。設(shè)計小型無人機主要涉及在很低雷諾數(shù)流場中使用等相關(guān)問題帶來的約束,包括升阻比很低、最大升力系數(shù)很低及控制困難等。如若要提高設(shè)備的最大飛行高度，可能就要應(yīng)用非定常空氣動力學(xué)或者全層流流動理論以產(chǎn)生能維持有效飛行的升力系數(shù)。開發(fā)研制適用于邊境地區(qū)的小型無人機,在空氣動力學(xué)方面主要還是依賴于對于低雷諾數(shù)流場且更深入地了解和增強對這種流場的模擬能力,同時也需要一些特殊的空氣動力學(xué)技術(shù)。

飛行力學(xué)方面

小型無人機需要設(shè)備載體與控制系統(tǒng)的有機結(jié)合。從設(shè)備載體出發(fā)進(jìn)行控制就要涉及到飛行力學(xué)的相關(guān)方面。分析設(shè)備載體特性,計算載體各操縱舵面效能, 從而對其進(jìn)行良好改型。

飛行力學(xué)的許多關(guān)鍵技術(shù)都可用于邊境小型無人機的研制。具有代表性的如直接力操縱技術(shù)、垂直起落技術(shù)、大迎角下機動飛行及主動控制技術(shù)驗證等。無人機的控制指令是通過計算機直接進(jìn)行輸出的,因此可以考慮模仿無人機通過預(yù)編程控制舵面輸出關(guān)系, 從而可實現(xiàn)多種飛行功能。

無線視頻傳輸方面

無線視頻傳輸就是指不用布線（線纜）利用無線電波來傳輸視頻、聲音、數(shù)據(jù)等信號的監(jiān)控系統(tǒng)。無線視頻傳輸分為：模擬微波傳輸和數(shù)字微波傳輸。無線視頻傳輸具有很多優(yōu)勢：綜合成本低，性能穩(wěn)定；組網(wǎng)靈活，可擴展性好，即插即用；維護(hù)費用低；可以將不同地點的現(xiàn)場信息實時通過無線通訊手段傳送到無線監(jiān)控中心，并且自動形成視頻數(shù)據(jù)庫便于日后的檢索。

在無線視頻傳輸方面需重點解決的問題是：無線視頻傳輸?shù)奈募仨毲逦⑦B續(xù)，分辨率高，抗干擾性能強，延遲性小。

邊境小型無人機系統(tǒng)構(gòu)成與功能設(shè)計

系統(tǒng)構(gòu)成

適用于邊境地區(qū)的中短程監(jiān)視的小型無人機系統(tǒng)需具有小巧，輕便，易攜帶和操作簡單等特點，可進(jìn)行邊境偵察、監(jiān)控、預(yù)警。能夠根據(jù)任務(wù)規(guī)劃進(jìn)入預(yù)定偵察地域上空，完成空中遙控飛行與實時圖像和雙向數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。通過對對邊境突發(fā)現(xiàn)場或復(fù)雜場所實施空中無人偵察，利于地面指揮部獲得及時、動態(tài)、準(zhǔn)確的情報，以便對現(xiàn)場情況進(jìn)行決策。

邊境小型無人機系統(tǒng)具體可分為無人機平臺系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)、地面站系統(tǒng)。

（1）無人機平臺系統(tǒng)。

無人機平臺系統(tǒng)主要包括機體、飛行控制子系統(tǒng)、動力子系統(tǒng)、發(fā)射與回收子系統(tǒng)。

①機體。

②飛行控制子系統(tǒng)。

飛行控制系統(tǒng)又被稱為自動駕駛儀，其能夠完成自主導(dǎo)航飛行、姿態(tài)穩(wěn)定控制、任務(wù)控制等多種功能。一般具有兩軸加速度計、三軸速率陀螺、空速傳感器、氣壓高度計和GPS接收機等傳感器。

常用飛控系統(tǒng)如“慣導(dǎo)OSD”飛控系統(tǒng)，其集成了三軸陀螺儀和三軸加速度傳感器，以及一個數(shù)字氣壓高度計，能夠解算出飛行器的相對姿態(tài)，并驅(qū)動副翼、升降和方向舵，進(jìn)行姿態(tài)“增穩(wěn)”，不受光線、氣候的影響。OSD系統(tǒng)，可顯示豐富飛行數(shù)據(jù)：飛行姿態(tài)、飛行高度、經(jīng)緯度、飛行方向、速度、距離、電壓、電流等等。并有自動返航功能，可實現(xiàn)“一鍵返航”“失控返航”。其能在苛刻條件下進(jìn)行高性能導(dǎo)航、在低于GPS衛(wèi)星可見度環(huán)境下實現(xiàn)穩(wěn)定、快速定位。

③動力子系統(tǒng)。

小型無人機一般選擇采用電池供電和燃油供電兩種。電池供電較適合于5 kg 以下的小型無人機，進(jìn)行短時間內(nèi)的偵察（0.5-1h）。燃油供電則更適合較重一點的小型無人機，且能夠提供較長的飛行時間（1-2 h）。

④發(fā)射與回收子系統(tǒng)。

小型無人機可采用手拋式或彈射式發(fā)射。單兵使用時，手拋式發(fā)射相對更為簡便，不需輔助裝置。當(dāng)無人機質(zhì)量超過 10 kg 時，可利用彈射發(fā)射使無人機獲得較大起飛速度，但相應(yīng)的，彈射裝置也加大了單兵作戰(zhàn)時的攜帶重量。回收時可采用傘降或自動返回等其他方式。

（2）圖像采集系統(tǒng)。

機載光電/紅外載荷是小型無人機最常見的基本任務(wù)執(zhí)行單元，典型設(shè)備包括光電變焦和定點攝像機，彩色CCD 和非制冷紅外攝像機等。

1994年，移動學(xué)習(xí)的初步探究始于美國，隨后，德國、英國等諸多國家開始對移動學(xué)習(xí)展開了研究。［1］近年來，許多國家對移動學(xué)習(xí)展開研究，涉及基礎(chǔ)教育、高等教育、職業(yè)培訓(xùn)、遠(yuǎn)程教育、成人教育等多個方面。我國移動學(xué)習(xí)研究雖然起步較晚，但卻有強大的發(fā)展勢頭。2001年，教育部加強對移動學(xué)習(xí)的重視，并構(gòu)建移動學(xué)習(xí)平臺，展開試點項目研究。

航拍專用高清迷你攝像機，可實時將圖像信息傳回地面站，并可錄制高清信號，支持1080 30p以及760 60p等模式的錄制拍攝。同時，具備最大500萬像素（2592*1944pix）的拍照，可由遙控器操作進(jìn)行遠(yuǎn)程卡機并停止錄制。此種攝像機可在夜晚和惡劣的天氣條件下進(jìn)行拍照，并可轉(zhuǎn)成數(shù)字信號，通過數(shù)據(jù)鏈及時傳遞給地面，完成監(jiān)視、目標(biāo)捕獲等任務(wù)，不易被發(fā)現(xiàn)。將其固定在電動云臺上，可利用遙控器對攝像機進(jìn)行水平和俯仰角度的調(diào)整，擴大偵察范圍，滿足大范圍掃描監(jiān)視的要求。在控制信號作用下，既可自動掃描監(jiān)視區(qū)域，也可在指揮者的操縱下跟蹤監(jiān)視對象。

（3）數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)鏈路包括機載天線和地面天線、以及數(shù)據(jù)接收/發(fā)送模塊。針對邊境小型無人機體積小、質(zhì)量輕、實時性要求高等特點，數(shù)據(jù)鏈路的設(shè)計遵循以下原則：

①機載通信設(shè)備、數(shù)據(jù)鏈設(shè)備盡可能簡單、輕便；

②抗干擾能力強，誤碼率低；

③圖像傳輸速率快。

數(shù)據(jù)鏈路是一種測控與信息傳輸系統(tǒng)，是無人機系統(tǒng)的重要組成部分，用于對無人機的遙控、遙測、跟蹤定位以及視頻信息的傳輸。數(shù)據(jù)鏈路分上行線路和下行線路，上行線路主要傳輸數(shù)字式遙控信號、任務(wù)載荷的命令信號、飛行路線控制信號。下行線路主要傳送無人機狀態(tài)信號和視頻信號。

（4）地面站系統(tǒng)。

地面站主要進(jìn)行飛行狀態(tài)監(jiān)控和實時的視頻處理，包含圖像接收模塊、圖像顯示器、地面站工作電池和電源管理器等。

地面站主要系統(tǒng)功能由兩部分組成，一部分進(jìn)行飛行狀態(tài)監(jiān)控，一部分進(jìn)行實時視頻處理。飛行狀態(tài)監(jiān)控可以實時檢測無人機高度、速度、位置、航向、飛控系統(tǒng)主電源電壓、飛行控制模式、GPS 衛(wèi)星鎖定狀態(tài)等數(shù)據(jù)，還能查詢航點數(shù)據(jù)及設(shè)置等，并能夠?qū)崟r更改導(dǎo)航系統(tǒng)的航路設(shè)置，控制飛機的高度、航向等飛行參數(shù)。

實時視頻處理部分包括視頻數(shù)據(jù)的解碼、顯示和目標(biāo)搜索等。接收到的視頻圖像，不僅可以顯示供監(jiān)控使用，同時可通過實時處理進(jìn)行目標(biāo)搜索，標(biāo)定位置，與飛行狀態(tài)監(jiān)控部分同步接收飛控系統(tǒng)下傳的數(shù)據(jù)，并與接收到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行同步，標(biāo)記在圖像上。此外，可利用地面站計算機的USB口（或無線WIFI）與手持終端進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)傳輸。

邊境小型無人機功能設(shè)計與特點

根據(jù)邊防實戰(zhàn)，邊境小型無人機需其具有操作簡單、圖像實時回傳、OSD視頻疊加顯示、1小時長航時、GPS定位、飛行距離遠(yuǎn)、高度高、飛行穩(wěn)定等多種功能與特點，具體如下：

（1）輕巧便攜，適合單兵攜帶。

（2）機體結(jié)實穩(wěn)固優(yōu)點、受損后易修復(fù)、無電磁波反射。

（3）使用操作簡單方便，培訓(xùn)時間短。

（4）OSD視頻疊加顯示，雙向無線數(shù)據(jù)通信，實時顯示無人機飛行高度、速度、坐標(biāo)、姿態(tài)、航向、距離等，并能隨時更改設(shè)置飛機航向和各項參數(shù)。

（5）機載相機可通過地面站指令或按程序?qū)崿F(xiàn)定點視頻實時傳輸，并在地面站的液晶屏上顯示拍攝的圖像。

（6）無人機實時回傳的偵察圖像可記錄儲存在地面站圖像數(shù)據(jù)盒內(nèi)，供事后回放分析。

（7）具備一鍵返回、失控返回功能，無場地限制，在野外、繁華市區(qū)樓頂及開闊地域輕松起飛、自動返航。

（8）抗風(fēng)飛行，可在小雨及7級風(fēng)速以下飛行。

（9）系統(tǒng)維護(hù)簡單，操作方便，硬件連接簡單，軟件操作方便，整套系統(tǒng)操作一人可操作完成。

（10）起飛條件要求低。無需起飛場地，樓頂、山峰、河邊、山谷、狹窄地帶等均可起飛。

（12）飛行高度高，有效控制半徑長，飛行穩(wěn)定、速度快，偵察區(qū)域廣。

（13）長航時。

應(yīng)用前景

目前，小型無人機還沒有在邊境安全防衛(wèi)中發(fā)揮其獨特的優(yōu)勢，但在未來的工作中，隨著科學(xué)技術(shù)越來越廣泛的應(yīng)用，小型無人機必會在邊防戰(zhàn)場中凸顯作用。它的利用將能夠幫助邊防部隊以最小的工作量來完成邊境巡邏等工作，同時更加全面的掌握邊境地區(qū)的動態(tài)，符合邊防部隊未來邊境地區(qū)管控的需求。可用于邊境巡邏、戰(zhàn)術(shù)偵察、治安監(jiān)控、反恐、緝私、緝毒、災(zāi)情監(jiān)視、森林防火、通訊中繼、氣象監(jiān)測、地理信息勘察等。因此，結(jié)合實際，小型無人機在邊境安全防衛(wèi)中的應(yīng)用前景較為廣闊。