軍用無人機載緊湊型光電吊艙發展及作戰運用

吳依倫,孫春生

(1.海軍工程大學 兵器工程學院,湖北 武漢 430000;2.中國人民解放軍92038部隊,山東 青島 266000)

1 引 言

光電載荷是伴隨著無人系統的軍事用途而產生的,按照作戰功能,機載光電載荷主要分為凝視觀瞄、情報偵察、紅外搜索與跟蹤、告警與對抗四類[1],載機通過光電載荷能夠掌握態勢的演變和瞬息萬變的情報信息,并為制導武器提供指引和毀傷評估。國外代表性的機載光電載荷有美國的“阻擊手”光電瞄準吊艙、LITENING 瞄準吊艙、EOTS光電瞄準系統、MTS多光譜瞄準轉塔、Star SAFIRE系列產品,以色列的ESP-600C、MOSP、POP300 系列產品,加拿大的MX系列和Sonoma系列產品等[2-4],以上裝備雖然技術成熟、性能卓越,但是廣泛用于戰斗機、直升機、大型無人機等平臺,重量和體積很大。早期小微型無人機受載荷能力限制,掛載的光電吊艙能力通常較為單一,多執行抵近偵察及監視任務,隨著對機載光電系統性能要求的提高以及尺寸、重量和功率(Size、Weight and Power,SWaP)的限制,機載光電載荷向著精準化、小型化、智能化、多任務綜合化發展[5]。

2022年,美國相繼推出了多款配備可見光、紅外、激光指示、激光照射等光電載荷的緊湊型光電吊艙,不僅具備全天候偵察、監視、目標定位跟蹤能力,還能引導精確制導武器實施打擊,作戰功能較為完備。隨著美國陸軍“多域戰”概念的提出[6],將此類光電吊艙搭載于傳統防空系統難以攔截的小微型無人機[7-8],配合微型制導彈藥,將打破傳統作戰領域的界限,在戰術末端對未來戰場的作戰樣式產生重大影響。

2 國內外典型多功能緊湊型光電吊艙

美國陸軍無人機系統卓越中心根據起飛重量、飛行高度和飛行速度等要素,將ISR無人機劃分為五類[9],如表1所示。本文將第Ⅰ、Ⅱ類無人機及起飛重量小于50 kg的第Ⅲ類無人機稱作小微型無人機,能夠搭載于小微型無人機且重量不超過8 kg的光電載荷定義為緊湊型光電吊艙。

表1 美軍無人機分類標準

2.1 StormCaster系列光電吊艙

美國Teledyne FLIR公司有著先進的傳感器技術,為包括大疆在內的世界各大無人機制造商提供傳感器支持。2019年,推出Ⅰ類無人機載光電載荷Storm Caster系列,旨在為單兵或小型作戰單元提供多功能、高性能ISR能力。第一代產品有連續變焦長波紅外成像的Storm Caster-T,以及具備微光成像、跟蹤和測繪能力的Storm Caster-L光電吊艙。2022年5月,發布該系列最新型號Storm Caster-DX[10],這是一款具有突破性的多功能激光目標指示光電載荷,能夠提供符合STANAG 3733標準的指示激光,引導北約成員國激光制導彈藥末端制導,重量僅有1250 g,它的出現使激光指示能力首次由第Ⅰ類無人機實現。此外,Storm Caster-DX還配備了兩臺FLIRBoson 640長波紅外熱像儀,支持畫中畫,內置用于輔助定位的人工智能/計算機視覺系統,并具備非合作激光檢測、解碼及定位能力。

2.2 Alticam 11EOIR系列光電吊艙

美國HoodTech Vision公司,是全球穩定成像系統的領先供應商,其設計具有低SWaP的特點,與加拿大L3公司的MX-10相比,在擁有更高探測能力的同時其產品的重量減少了10 kg。Alticam 11EOIR系列是其典型的多功能緊湊型光電吊艙,最新型號Alticam 11EOIR5由Hood Federal研發[11]。Alticam 11EOIR5具備小巧、輕便、低功耗的優點,重6200 g,直徑254 mm,配備可見光、中波紅外、激光指示和激光照射光電載荷,具備全天候偵察、定位、跟蹤能力,兩個同時的視頻流允許同步開展寬視場的態勢感知和窄視場的目標識別,激光目標指示器可為激光制導彈藥提供符合北約標準的指示激光。

2.3 Orion HD系列光電吊艙

美國Trillium Engineering公司是為小型無人機系統戰術行動開發光電載荷的領先者,其尖端成像技術已被整合到各種領先的無人機平臺中,包括在美國陸軍現役的德事隆系統Aerosonde、量子系統Vector和馬丁無人機V-BAT。Trillium Engineering公司和Martin UAV公司建立了密切的關系,為其機身開發特殊的集成,2021年6月,Trillium宣布向Martin UAV公司提供Orion HD80光電載荷系統,同年與美國海軍簽訂原型設計合同。Orion HD系列光電吊艙從2014年開始生產[12],全系提供720 p高清數字監控功能,配備可見光和紅外攝像頭,用戶可根據需求選裝中波紅外和前視紅外相機,具備850 nm激光照射和數字測距功能。其最新型號Orion HD95專門為美國陸軍設計制造,安裝在Aerosonde Mk.4.8 Hybrid Quad小型無人機系統上,來滿足美國陸軍對未來垂直升降機的要求。配備0.9 FOV中波紅外攝像機,可在更遠的距離提供更高的分辨率,以及發散角400 μrad的符合STANAG 3733標準的激光目標指示器。

2.4 STAMP系列光電吊艙

以色列Controp精密技術公司的 STAMP系列是專為小型無人機系統設計的一類穩定微型光電載荷[13],裝配了獨特的機械陀螺穩定系統,能夠提供高質量圖像和視覺融合慣性導航系統。該系列型號繁多,且已搭載于“云雀”、“鳥眼”和Skylite等小型無人機服役多年,主要用于執行偵察任務,成像質量堪比大型無人機光電載荷。2016年,Controp發布T-STAMP三重傳感(可見光/紅外/0.8 μm激光照射)微型載荷,被色列國防部門及其他國際客戶采購使用。2017年和2019年,相繼推出了T-STAMP-XR和T-STAMP-XD光電吊艙,XR是該系列首款具備激光指示功能的產品,重3.5 kg,XD在XR基礎上提升了指示激光的功率并增加了激光測距模塊。

2.5 Epsilon系列光電吊艙

美國UAV Factory公司是小型無人機領域的領導者,旗下Octopus ISR 系統公司設計的Epsilon系列陀螺穩定雙傳感器吊艙可用于監視、偵察和軍事保護[14]。2015年,發布該系列第一款產品Epsilon 135,目前最新型號為Epsilon 180,集成全高清電視,中波紅外,激光測距儀和激光照射器4種光學傳感器,對人類目標(1.7 m×0.5 m)的探測、識別距離分別為8.6 km,2.9 km,對北約標準目標(2.3 m×2.3 m)的探測、識別距離分別為12.4 km,7.0 km。產品技術參數如表2所示。

表2 國外典型緊湊型光電吊艙主要技術參數

2.6 國內緊湊型光電吊艙

我國對光電載荷的研究與發達國家相比起步較晚,現役軍用光電吊艙技術指標處于美國上世紀90年代初的水準[15],小型化光電吊艙的差距更為明顯。近年來,隨著軍民融合程度不斷加深和無人化智能化技術的推廣,國內緊湊型光電吊艙的發展也逐步成熟。

大疆致力于成為全球飛行影像的開拓者,其行業級光電載荷在國內處于行業領先水平。禪思H20系列是大疆推出的首個混合傳感器云臺,H20T配備23倍混合光學變焦系統,2000萬像素變焦相機,1200萬像素廣角相機,30幀紅外熱成像相機,1200 m激光測距儀,H20N配備具備夜視能力的可見光相機和長焦、廣角雙熱成像相機。搭配大疆經緯M300 RTK無人機能夠實現目標跟蹤和定位。除此之外,貫中精儀、浮浩科技、深圳品靈、中科立德等公司的產品也具有較強競爭力。國內典型緊湊型光電吊艙的主要技術參數如表3所示。

表3 國內典型緊湊型光電吊艙主要技術參數

通過對比表3和表2列舉的參數指標,不難看出,我國緊湊型光電吊艙與國外先進型號的差距是全方位的。主要體現在:(1)載荷集成度——國外小型吊艙標配可見光、紅外、激光測距三光傳感器,基本都能選裝激光照射器,部分型號可以集成激光指示器,且普遍集成IMU/GPS導航模塊,國內目前多集成三光傳感器,具備激光照射和指示功能的光電吊艙體積和重量都大大增加,緊湊型吊艙集成難度大;(2)載荷性能——國外紅外相機焦距長、靈敏度高,激光測距最大量程達15 km,而國產傳感器綜合性能和國外相比依然存在差距,緊湊型光電吊艙激光測距可查資料最遠約5 km。

3 緊湊型光電吊艙作戰運用

在實力懸殊的非對稱戰爭中,擁有絕對空中優勢的一方能夠建立近距離空中支援,然而在面對具有先進拒止能力的作戰對手時,能夠攜帶高性能光電載荷的大型作戰飛機容易被敵方雷達鎖定攻擊,很難抵近作戰空域提供支援[16-17]。隨著智能化、無人化技術的不斷進步,小微型無人機憑借其目標特征微弱、靈活機動性強、作戰效費比高、傳統防空系統難以攔截的優勢,在軍事作戰領域發揮重要作用[18]。光電吊艙作為無人機關鍵核心載荷,其性能指標在很大程度上影響著無人機能夠擔負的作戰任務以及任務執行效果。緊湊型光電吊艙的發展,使小微型無人機從單純的情報搜集、偵察監視設備轉變為集情報偵察、目標引導、毀傷評估等于一體的作戰平臺[19-21]。

3.1 開展情報搜集

實時可靠的戰場情報信息是制勝關鍵,從全球近幾次武裝沖突和局部戰爭來看,傳統無人機作為戰場情報搜集、偵察監視的主要手段,只能執行日常環境偵察、戰時中低威脅環境偵察及高威脅環境防區外遠距偵察任務,執行高威脅環境隱蔽抵近偵察難度大、風險高,導致高對抗條件下情報搜集能力不足[22]。緊湊型光電載荷性能的提升,使得隱身性能好、生存能力強的小微型無人機有效彌補了該能力的缺失。在俄烏沖突中,俄炮兵部隊廣泛使用攜帶全天候光學相機的“海雕-10”無人機進行目標搜索和定位,烏克蘭則通過美國援助的“美洲獅”、“量子偵察”等小型無人機快速偵察抵近困難的作戰區域,地面部隊的態勢感知能力得到有效保障。

3.2 提供目標引導

3.2.1 提供目標位置信息引導攻擊

2018年,美國宇航環境公司對“傳感器—射手”一體化系統進行了展示,通過操控搭載了Mantis i45三光載荷的“美洲獅”小型無人機進行巡航偵察,發現并跟蹤目標后,將持續傳輸目標位置給“彈簧刀”巡飛彈,直至目標進入巡飛彈自身傳感器視野,操作人員通過觀察巡飛彈實時傳送的視頻畫面,判定目標敵我信息,從而決定是否鎖定目標實施打擊。這種“無人機+巡飛彈”的組合,通過無人機提前尋找圈定攻擊目標,使得巡飛彈縮短了鎖定時間、拓展了攻擊距離、提高了命中精度,打通了“射手到傳感器”的殺傷鏈條[23]。“美洲獅”無人機和“彈簧刀”巡飛彈在俄烏沖突中被美國大批量援助給烏克蘭,取得顯著戰果。

類似的作戰樣式其實早就得到運用,2014年俄羅斯軍隊通過無人機發現并引導火箭炮對烏克蘭的營級、旅級作戰部隊實施打擊,我國也在國際軍事比賽中演示了無人機引導遠程火箭炮精確打擊科目,達到米級末端命中精度。

無論是“無人機+巡飛彈”組合還是“無人機+火箭炮”組合,都是利用小微型無人機抵近目標空域,通過光電吊艙搜索、識別打擊目標,結合吊艙IMU/GPS模塊解算目標坐標位置,引導精確制導武器實施打擊,然而這種作戰方式存在其不足,GPS制導在打擊移動目標時精度不足,電視/紅外制導效費比較低。

3.2.2 提供激光指示信號引導攻擊

半主動激光制導武器有著高精度、低成本、適合打擊動態目標的優勢[24],隨著吊艙小型化和多功能化的深入發展,緊湊型吊艙能夠集成的傳感器種類逐漸增多,使其為半主動激光制導武器提供引導成為可能。

2019年,以色列Controp公司推出T-STAMP-XD的同時,同步推出了新型小型化光電載荷STAMP-VMD,并引入了一個完整的作戰概念。使用搭載STAMP-VMD的Ⅰ類無人機接近偵察區域,獲取目標區域清晰的實施圖像并識別打擊目標,VMD將目標精確坐標發送給搭載T-STAMP-XD的Ⅱ類無人機,引導激光制導彈藥實施精準打擊,甚至可以直接擊中移動目標,從而提高任務效率[25]。

2022年3月,烏克蘭軍隊發布了一段在俄烏沖突中使用民用小型多旋翼無人機加裝RGK-1600小型航彈對俄羅斯裝甲部隊實施攻擊的視頻,雖然此類彈藥無制導,但是證明了小型無人機投放彈藥的實戰能力。同年10月,美國宇航環境公司參加美國陸軍未來司令部主導的“會聚工程2022”(Project Convergence 2022,PC22)項目實驗,通過搭載了Alticam 11EOIR5緊湊型光電吊艙的Jump20固定翼垂直起降無人機為“短柄斧”微型半主動激光制導彈藥提供目標指示,驗證了“小型無人機+微型制導彈藥”察打一體殺傷鏈的可能性。

2022年,Teledyne FLIR推出的首款能夠搭載于第Ⅰ類無人機的多功能激光目標指示光電載荷StormCaster-DX,將對未來小型作戰單元的作戰樣式產生重要影響。由于其體積非常小,重量特別輕,作戰人員可隨身攜帶并安裝于小型旋翼式無人機上執行任務,同時StormCaster-DX還能對敵方激光威脅信號進行探測解碼,并鎖定敵激光發射器位置,便于己方優先打擊。

在常規作戰中,激光目標指示器需要較大的空中載具攜帶,在目標空域盤旋并持續照射打擊目標,陸地版本也需要作戰人員于前線部署操作,無論哪種方式都易暴露位置、遭受攻擊。緊湊型激光目標指示光電吊艙的出現,將提升載機的隱蔽性和生存力,改善激光制導武器使用限制,配合微型激光制導武器或強大的后方遠程火力,作戰任務成功率將大大增加。

3.3 實施毀傷評估

無人機載光電吊艙能夠協助后方評估目標毀傷效果。在引導武器對目標實施精確打擊后,吊艙將現場視頻同步發送給攻擊號手和前線指揮機構,通過轟炸后的畫面判斷是否再次攻擊,以避免重復殺傷。俄烏沖突中,俄軍展示的對烏軍和亞速營據點實施精確打擊的畫面以及烏軍無人機摧毀俄羅斯防空系統的視頻,皆為近距離無人機視角,小微型無人機憑借自身優勢,在打擊空域懸停,待爆炸煙塵消散后觀察打擊效果。

4 結 語

光電吊艙作為各種空中平臺的關鍵載荷,面對未來多域作戰,其運用也將打破軍種和領域之間的界限。目前國內緊湊型光電吊艙與國外先進產品依然存在較大差距,為適應快速發展的武器裝備和不斷變化的戰場形勢,綜合分析國外典型產品現狀及發展趨勢,我國軍用無人機載緊湊型光電吊艙應著力于以下幾個方面:(1)自主可控的高性能傳感器。目前國內消費級光電載荷的傳感器多為進口產品,國產器件性能相對落后,用于國防軍事領域必須實現自主可控,努力提升研發能力,開展高性能傳感器研究。(2)多集成與小型化設計。將光電偵察、跟蹤、觀瞄、指示、告警等作戰能力以及高精度IMU/GPS定位能力集成于一體的同時完成小型化和輕量化設計,降低載機使用門檻,提高作戰任務執行能力。(3)通用化與模塊化標準。開展吊艙型號統計及標準化規定,統一傳感器接口,采用即插即用的模塊化設計,縮短研發周期,降低研制與維護成本。