美軍多旋翼無人機提升單兵戰場感知能力

馬強+寧波++陳宇

美軍作為無人機實戰應用的鼻祖，無人系統作戰理念和飛行平臺作戰性能都非常先進，廣泛擔負偵察、打擊和支援類任務。目前，美軍正在將無人機作戰從戰略、戰役級向戰術級延伸，研發了“多旋翼無人機”系統，用于保障排、班、火力小組和士兵的地面作戰需求。

作戰概念先進：地面士兵獲得戰場態勢感知能力

美軍裝備的無人作戰平臺主要應用在指揮、控制、通信、計算機、情報、監視、目標定位、獲取、偵察（C4ISTAR）領域，MQ-9“死神”等無人機也在擔負火力打擊任務，K-MAX在電子戰、攻擊支援、網絡通信中繼等領域也開始投入實戰部署。但是這些無人作戰行動以往大多在戰役以上層次進行，美軍對此并不滿足，專門為戰術級作戰研發了多旋翼無人機系統。

多旋翼無人機的設計理念非常先進，要求作戰平臺在全地形全天候條件下提供持續偵察監視能力，增強士兵在地面戰斗中對所處戰場空間的持續態勢感知能力，從而提高作戰效能和生存能力。這種作戰概念強調“當前戰場空間”，無人機要掌握從每天到幾個月的戰場態勢，所獲取戰場信息只供普通士兵使用，專門保障戰術領域的作戰需求，而不是戰役、戰略等更高層次的C4ISR作戰。在所有地形條件下，“當前戰場空間”在某一特定時刻都有某種距離限制，比如，在城市作戰環境下，當前戰場空間局限在半徑15米左右的范圍內，而在開放的沙漠環境下，當前戰場空間可能在任何方向上都要超過1.6千米。

目前，美軍地面部隊使用的無人機型號雖然很多（詳見表1），但是仍然不具備當前戰場空間態勢感知能力，比如，海軍陸戰隊小隊使用的“掃描鷹”無人機長1.22米，翼展3.05米，全重15千克，續航力15～48小時，最大飛行高度4900米，可以將機翼折疊后放入貯藏箱進行戰術部署，但是不能提供真正的穩定圖像，不能實現“懸停和對地持續監視”（PaS），也不能在森林和密集街區等狹窄地形發射和降落。

對于地面作戰的士兵而言，當前戰場空間沒有“時間窗口”，情報信息必須通過有協同關系的無人機操作員傳遞給士兵，由于戰場的情報信息時效性非常強，比如有些無線電傳送的敵方戰術機動的圖像信息可能在幾秒中內過時，無人機操作員要將這情報傳遞給地面作戰的士兵，就必須進行密切的作戰協同。目前，美軍在戰場上大型無人機部署密度較低，而各種層次的作戰保障需求很多，要將傳感器信號傳遞給在戰術級行動的地面小分隊，仍然需要事先進行詳細的協同，這種協同耗費大量時間，而時間又是戰術級行動或火力打擊行動的關鍵要素，因此研發戰術級多旋翼無人機就顯得更有必要。

從戰術級情報信息需求來看，一名士兵在既定環境下執行戰斗任務，其直接視覺態勢感知限制在二維空間內，只能通過先進戰術光學瞄準鏡（ACOG）等裝置觀察戰場環境，而且視線不能穿過墻壁、山丘、樹叢等障礙物，也不能發現黑暗、街角等高危環境中的目標。但是，士兵自己發射并操作一部小型無人機，就能獲得所需的精確實時圖像信息，通過全方位、可視化的能力實現對當前戰場空間的三維態勢感知，大幅提高地面士兵的作戰效能和生存能力。除了提高士兵態勢感知能力，多旋翼無人機還能提供自上而下的信息流，在時間上與當前戰場空間不發生聯系，無人機在士兵的直接指揮下，直接保障小分隊行動，所獲取信息自動整合進部隊的機動計劃，不分散士兵完成主要、次要甚至是第三戰場職責的注意力。

性能要求極高：安全穩定持續的戰場監控能力

通過分析執行地面作戰任務的小分隊在前線的特殊需求，美軍的系統設計者按照以步兵為中心的理念，利用成熟的技術成果創造一種超越現有戰場系統的多旋翼無人平臺，即使在森林或城市這樣最“狹窄”的地形條件下，也能安全隱蔽地發射、飛行、回收，避免潛在的敵方威脅，保障海軍陸戰隊和陸軍小分隊未來的地面戰斗。具體而言，多旋翼無人系統能夠達到以下技術標準：

◆實現靜音、隱形操作，保障所有類型的作戰行動，通過強大的態勢感知提高士兵的持續任務能力，同時將士兵的傷亡威脅降至最低。

◆具有超強的生存能力，能夠實現全地形、全譜作戰，關鍵任務組件應當進行冗余設計，確保出現故障時也能完成任務，所有部件都要做到便于在戰場上更換。

◆具備操控和自動飛行能力，在操作員發出指令、動力耗盡等情況下安全降落，根據指令快速機動到指定位置，繼續實施偵察任務。

◆在敵方干擾條件下提供穩定實時的地面目標圖像，在各種不同風速下晝夜傳送目標細節圖像。圖像相對動態，能夠在士兵的便攜式計算機終端上疊加顯示，類似于有人駕駛飛機的飛行員頭頂顯示系統。

◆安裝機載防干擾、加密飛行記錄儀記錄行動細節，用于行動后詳細評估作戰過程。評估使用的高清圖像沒有任何疊加，通過時間編碼數據元分別記錄，適用于多種類型的作戰過程。

◆具備多向傳輸能力，系統不僅向分隊指揮員提供圖像，還能采用“指揮移交”的方式，同時向分隊其他成員提供圖像，每名士兵都能控制無人機或使用各種可視化傳感器數據包，必要時也有權同時進行控制和使用。系統還能夠向當前戰場空間的其他友鄰部（分）隊提供態勢感知，包括其他地面部隊、隸屬較高級別的無人機、有人駕駛飛機等，向整個C4ISR體系提供底層信息流。

◆支持多種指揮編碼，系統采用操作員指揮碼、半自治編碼、混合編碼等各種編碼，包括通過操縱桿、觸屏和音頻指令等多種用戶界面操作模式。系統操作具有自適應能力，與其他有人和無人平臺進行一體化整合。

◆有針對性地設計任務模塊，舍棄了紅外信號標識等任務頻譜，突出近距離空中支援中的態勢感知，從而降低系統造價。

◆具備戰損評估能力，無人機一旦發生墜毀事故，也能在事后進行恢復處理，通過防干擾、加密的高清機載圖像做出分析評估。

◆采用簡化設計，從機身結構、動力裝置、機載傳感器到數據傳輸裝置都使用簡易的成熟系統。

◆便于擴展升級，能夠適應未來更先進的步兵中心態勢感知成果，比如多光譜掃描儀、主/被動陣列，能夠整合進更大型的C4ISR系統，比如藍軍追蹤器等機載系統，能夠與海軍陸戰隊“戰術發展與一體化無人機”家族實現整合。

技戰術性能：便攜式全地形快速部署

多旋翼無人機采用近幾年流行的對稱輻射臂結構，每條臂的末端安裝1個或2個同軸旋翼，運用先進的電子處理和飛行部件小型化技術，一般用3個以上旋翼控制升降、傾斜度、翻滾、偏蕩等動作。安裝“微電子系統內部測量單元”（MEMS IMUs），包括加速度表、陀螺儀，將幾千個飛行姿態以及性能數據包安裝進一個飛行控制器，由并行處理的計算機進行控制。即使一架重2.2～3.5千克、翼展小于0.6米的多旋翼無人機也能實現快捷靈敏的操控，在大風條件下穩定地懸停，采集穩定的目標圖像。

目前，美國海軍陸戰隊研制的一種多旋翼無人機采用“Y6”結構，共3個懸臂，每個安裝2個同軸螺旋槳，這種同軸六旋翼結構尺寸可以非常小，但是動力非常強大，無人機能夠安裝各種獨立的作戰傳感器，任何方向的時速都能達到80千米，同軸螺旋槳保證其中一個槳出現故障另一個仍能正常工作。“Y6”結構還能設計成折疊式，裝入士兵的野戰背囊，具有便攜式、輕型化、小型化、全地形、快速部署等特點。

機身。機身結構使用模塊化的碳纖維材料，各部件通過黑色陽極化螺絲釘和陽極氧化鋁（Nylock）螺栓連接，擁有超強的低空飛行能力。這種結構重量比模塑碳纖維大，但是特別堅固，支持部件快速更換，還能消除“微電子系統內部測量單元”在飛行控制模式下的振動感。美軍的1號驗證機試飛期間墜落了無數次，其中一次從9米高度墜落，除了機身出現一些劃痕，內部組件沒有任何損傷。此外，機身還具備低可視化和低噪聲特征，對任何雷達和肉眼都能實現“隱身”。

動力、發動機、線路、連接和旋翼系統。多旋翼無人機1號驗證機由超輕型鋰電池提供動力，每塊電池都能續航12～15分鐘，未來經過升級后能實現30分鐘～12小時的持續飛行。“先驅者”電動機不需要電刷，使用輕型、高效電子速度控制器，能夠精確控制飛行速度。線路安裝使用極細的、柔弱的電線，連接發動機、速度控制器等每一個部件。部件間采用鍍金插塞式連接器，取代傳統的焊接工藝，以適應模塊化的機身結構，允許進行部件快速更換。旋翼系統設計成鈦轂結構，鉸鏈安裝3個或4個碳纖維螺旋槳葉片，葉片的前緣和末端都進行了加固，利用鉸鏈與增強型結構增加葉片重量，防止葉片碰撞后造成損傷，提高無人機的生存能力，同時減小整機尺寸。每條轂上的多個旋翼能夠增加升力，降低螺旋槳的轉速，因此能夠降低噪聲。

飛行控制、導航與三維接近感知系統。“微電子系統內部測量單元”的加速度計、陀螺儀和氣壓計的數據以及操作指令輸入中心飛行控制計算機，進行主要飛行控制。機載GPS和高刷新率天線（每秒10次）向操作員提供精確導航和定位信息，可以實施航點導航、返場導航、跟隨飛行、復飛等操作，可與運動中的操作員始終保持固定距離。全向三維接近感知系統利用光探測與定位（LIDAR）、超聲或紅外傳感器，保證無人機自動規避障礙物，與GPS聯合工作可實現自動發射和回收，操作員能夠在15秒之內部署該系統，防撞系統允許飛機在城區和森林等視線受阻地帶工作，還能保證無人機在無法接收GPS信號的地形工作，比如在暗室內由操作員直接發出指令工作。無人機上安裝一系列接收機和發射機，用于接收操作員的直接指令和半自動指令代碼，向操作員傳送飛行的位置信息，在所有地形條件下保持與操作員的聯系。系統還安裝了低電量告警系統、無指令輸入自動懸停系統，在沒有指令輸入時也可返航到指定地點。

可視化系統。多旋翼無人機安裝雙模高清數字攝像機，具備光學識別和紅外夜視能力，光學鏡頭具備廣角和攝遠視野，機載閃存存儲所拍攝的視頻，高密度紅外發光二極管（LED）和晶體管紅外激光器負責夜視。系統不僅能夠保證操作員的作戰需求，也能協助其他地面部隊或空中平臺構建態勢感知，進行目標定位、判斷友鄰位置，并與其他空中平臺進行通聯。攝像與紅外系統安裝在三軸平衡架上，在飛行和懸停中保持水平穩定，在強風環境下也能很好地減振，向操作員提供穩定的全方位圖像。無人機還有地面持續觀察模式，幫助操作員環視停靠的地區，或聚焦某一特定目標，用紅外頻閃儀標定目標。飛行控制器能夠疊加相關信息，比如高度、距離、方位、速度、電池電壓、拍攝模式、飛行模式、GPS數據，通過機載視頻發射機將整合后的信息傳送給操作員。

用戶界面系統與維護系統。操作員使用小型（小于6英寸，即15.24厘米）終端操控無人機，終端通過觸屏操作，帶有防眩保護膜，顯示屏左右各設置一個拇指控制器。操作員使用頭盔式或獨立輕型指揮收發機保持與無人機的通信聯絡，并與小型終端保持無線連接。拇指控制器包括拇指按壓控制、刻度盤和各種開關，用于控制飛行和操作機載系統。顯示屏可以通過鏈接臂安裝到M16、M4、M249等步槍的MIL-STD-1913“皮卡汀尼”戰術導軌上，同時在步槍扳機環上安裝一個拇指控制器，幫助士兵在射擊時觀察周圍情況，提供裸眼視線之外的全方位視野，提高士兵的戰場空間態勢感知能力。士兵可以在小型終端顯示的地理數據上輸入計劃飛行路線，可以使用谷歌地圖、獵鷹視圖（Falcon View）等多種數字地圖，也可輸入隨機指令修正航跡。無人機既可飛向指定地點，也可按指令的地理坐標飛行，也能隨意調整攝像機角度，很像飛行員操作駕駛艙顯示屏。操作員既可發送語音指令，也可發送數字指令，適應噪聲較大的戰場環境，滿足狙擊手隱蔽偽裝的特殊作戰要求。