国外几种无人机的制导与飞行控制
作者：张纯学中国航天科工集团公司三院310所高级工程师
原文刊载于《飞航导弹》2003年第ll期
近年来，无人机的发展比较快。拥有无人机的国家包括美国、英国、俄罗斯、法国、意大利、以色列、加拿大、德国、西班牙、南非和瑞士等。下面就这些国家的典型无人机的制导与飞行控制作一介绍。
1 美国
1.1 RQ-4A全球鹰无人机
全球鹰无人机采用组合惯性导航系统和GPS接收机用于初始飞行控制。该无人机还安装了卫星数据链路系统，以使地面控制站在飞行器视线距离外控制UAV和接收数据。通讯装置由Loral通讯系统公司开发。
全球鹰的Tier 2+和Tier 3+系统可共用一个地面控制站。雷锡恩系统公司正在负责共用地面站的开发。与此同时，GDE系统公司正在开发任务规划系统。地面控制站预期由数个掩体和相关的支持设施组成。一个掩体(LCE)将提供至目标区域的初始飞行控制，控制起飞和着陆及初始飞行状态监测。该LCE将借助通讯上行、下行数据链连接到无人机，数据链使用美国国防部的UHF 卫星， 通讯速率为2.4kb/s～19.2kb/s。无人机一旦到达目标区域，将由第二个拖车(MCE)管理。MCE接收与用于任务控制相关的数据，包括天候数据和来自战区指挥部的任务数据。在目标区域上空时，无人机借助两个通讯数据链路与MCE通讯，借助一个民用Ku波段商业通讯卫星和/或一个定向视线下行数据链传送UAV状态及某些威胁信息。
无人机飞行控制包括一个杭尼韦尔公司的BG1232综合飞行管理系统。综合任务管理计算机由Vista控制公司提供，每架飞机有两台综合任务管理计算机。
美国高空高速长航时“全球鹰”无人侦察机
由休斯飞机公司开发的无人机传感器装置包括一个x波段合成孔径雷达作为基线传感器和由利顿公司的LN一100G惯性导航系统(INS)加GPS进行精确定位。光电装置由一个红外传感器和一个CCD(电荷耦合器件)组成，连接到利顿公司的LN-200IMU(惯性测量装置)上，用于精确定位。休斯公司的第3代3μm～5μm热成像系统采用一个锑化铟凝视焦平面阵列，具有480×64O个探测器元。柯达公司的CCD日光摄像仪工作在0.5μm～1.0μm波段，采用硅焦平面阵列，具有1024×1024个探测器元，形成9μm像素每秒30帧图像。
近期正在讨论的载荷增强包括用于雷达的动目标指示特性、搜寻飞毛腿导弹发射架的多频谱传感器、允许UAV在单卫星条件下工作的通讯数据中继及允许将目标到有人飞机的数据转换系统。全球鹰无人机可能是首批安装信号情报(SIGINT)站的平台之一。
另外，全球鹰Tier 2+还安装了雷锡恩公司的电子对抗诱饵系统，并装有ALR-89雷达告警接收机。据说，它还可能装备空对面武器。
1.2 RQ一1A捕食者无人机
捕食者无人机的前身——蚋蚊(GNAT 750)无人机使用少数遥控操纵方式控制。该UAV可被预编程，进行自主作战，可采用GPS/INS方式提高精度。用于飞行控制的数据链为C波段、频率可选择系统，具有备选数字视频通道。蚋蚊的数据链天线在鼻锥上的下垂吊舱中， 由Ouestech、通用原子能和GEC马可尼等公司联合为美国陆军开发，合同价值140万美元。上行数据链天线在背部吊舱中。
捕食者RQ一1A 战术增强UAV系统包括光电红外和GFP合成孔径雷达传感器及UHF与GEP Ku波段卫星通讯。该捕食者无人机采用利顿公司的惯导/GPS系统用于制导。该无人机可携带204.3kg的载荷。Skyball公司的光电载荷包括一个红外成像摄像机和由Versatron Wescam公司提供的日间摄像仪。最初的韦斯汀豪斯公司的合成孔径雷达直到1995年也没有被安装；它是鼻锥安装和2轴稳定的。这种合成孔径雷达具有高低为10°～50°，水平为150°的视场，具有0.3m 的分辨力，并可在7620m的高度覆盖2438.4m的宽度。美国陆军夜视实验室正在管理SAR传感器。
由于数据的不兼容性，该SAR数据通过商用Unisvs Ku波段卫星数据链路和Magnavox UHF卫星数据链路发射。新的机身构型允许通讯天线安装在机身内。该无人机也装有视线下行数据链路， 作用距离约为160.9km。
捕食者无人机作战示意图
当前的系统采用诺斯罗普·格鲁门公司的AN/ZPQ-1战术增强合成孔径雷达。该雷达工作在Ku波段，覆盖宽度为800m，分辨力为0.3m，作用距离为4km～1lkm，平均无故障时间为700h。当前的系统采用洛马公司的宽带卫星数据链路。捕食者无人机也具有信号情报装置。1996年，美国空军开始开发超光谱成像系统，用于穿透森林。
捕食者无人机的数据传播由Trojan SpiritⅢ传播系统处理，每个单元一个系统。波音公司提供数据融合、任务规划和通讯工作站。
蚋蚊系统采用了安装在S280掩体内的通用原子能公司的地面控制站。该系统采用C波段跟踪天线。在其初始构型中，当GNAT 750在地面站作用距离外时，依靠数据中继飞机中继。捕食者RQ-1A系统与正在开发的用于BQM-155猎人无人机的GCS(地面控制系统)兼容。
基线系统采用通用原子能公司生产的GAASI通用地面控制站，还具有波音公司提供的情报工作站(DEMPC)。在1998年7月的验证中，通用地面站验证了同时控制2架无人机的能力。对战术控制系统(TCS)的开发工作也在进行，一种小型前向部署控制站设计用于与捕食者、先锋和其它无人机接口，提供具有同步视频输出的前向指挥。波音公司负责组装Tier2 Trojan SpiritII地面控制站，包括载荷开发和任务规划支持系统及2个驾驶仪/载荷操作手工作站。GCS通过Trojan Spirit II系统被链接到无人机和地面单元，Tier 2 Trojan SpiritⅡ包括2个电子装置掩体和2个通讯天线。
1.3 RQ-TA影子200战术无人机
该无人机具有27.2kg的载荷，并具有500W 的可用电源用于电子子系统。当前它使用Inframetries公司的MkⅢ光电/红外载荷，质量约15.9kg。它的有效探测/识别距离是采用光电通道为10/5km、采用成像红外通道为5/3.5km。
1997年11月，美国陆军的通讯电子司令部开始一项先进技术验证(ATD)计划，以开发一种用于UAV的通用传感器。ATD将研究由光电/成像红外传感器和SAR/MTI(动目标指示)传感器组成的两种传感器。这些传感器可能不同时安装在战术无人机上，但将采用共用载荷构型以允许它们容易被替换。
美国陆军还考虑将轻质机载多频谱对抗探测系统安装在先驱者(Outrider)无人机上，影子无人机也考虑安装它。洛马公司已提议将其AD/EXJAM 电子战系统用于战术无人机，用来干扰敌方射频通讯。
该UAV的飞行控制借助冗余的L波段UHF上行/下行数据链来完成。TUAV安排由尺寸类似子系统(DSS)地面控制站/地面数据终端控制，这些系统由BQM一155猎人无人机的系统派生而来。然而，基础型影子200系统使用雷锡恩公司开发的地面控制系统(GCS)。Block I GCS采用商用组件模块化设计。Block II GCS将综合其它特性，以陆军的作战试验为基础。由于成本原因，该系统没有采用美国国防部的通用数据链。
1.4 BQM-155猎人(JT-UAV)无人机
该无人机可在预编程模式下工作，或借助安全数据链路从地面站进行遥控。控制和数据转换由两个微波上行数据链路和两个微波下行数据链路处理。BlockⅡ改型将具有自动着陆系统。
猎人无人机安装了Tamam模块化多任务光学稳定载荷(MOSP)系统。具有8个无人机的每个单元装备一个模块化任务载荷(MMP)，分配8个昼/夜成像载荷、4个日间摄像仪和4个Elta空中数据中继系统。MMP采用激光测距仪/标定仪。空中数据中继系统允许一个空中飞行器向敌方纵深飞行，并借助第二个装备中继系统的无人机发送数据给MPCS。
美国陆军目前正在开发ATSAMIDS鱼雷搜索系统，准备装载在猎人无人机上。该无人机的其它传感器包括AIL AN/APS144地面预警雷达。
在美国陆军，该无人机的标准组织模式是每个远征队2个系统，每个陆军团2架和每个分队1架。海军陆战队也考虑部署该无人机。该UAV采用GCS-3000地面控制站控制。该GCS具有10kW 电源地面拖车。
1.5 BQM-147和FQM-151低成本UAV
BQM-147无人机遥控驾驶。机载传感器包括带发射机的彩色视频摄像机，可发射图像给控制站。该UAV还安装了遥测数据发射机、可编程自动驾驶仪和GPS导航系统。当前的改型能预编程自主飞行，多达3个规避航线点和3个重复航线点，采用GPS给驾驶仪提供导航数据。采用视频下行数据链路时，该无人机有效作用距离为30km，最大作用距离为100km。载荷质量为11.4kg。
FQM-15 1无人机采用遥控驾驶方式。初始改型上的传感器是简单的8mm黑白摄像仪和一个单频发射机，将图像发射回地面站。以后的系统包括一部黑白摄像机和2个彩色视频摄像机。图像可存储在常规视频磁带上。正在考虑的未来的传感器备选方案包括一个用于夜间作战的弱光视频摄像机、一个用于化学试剂探测的轻质量ICAD和一个用于提供精确位置数据的GPS系统，多频数据链路也在考虑之中。
BQM-147的飞行控制由飞行控制站(FCS)进行。该控制站包括视频接收机和监视器、遥测数据接收机和显示器及固定或跟踪天线系统。移动式地面站的开发也在进行之中。该GCS设计了与任何设备通过标准RS-170连接器进行接口，并综合了USMC情报分析系统。
FQM-151的飞行控制采用地面控制装置进行。该控制装置和视频显示器紧密连接，用一个带子系在操作手上。上行数据链路为72.8MHz，来自UAV的下行数据链路为1737.5MHz。
1.6 MQM-107飞跑者(Streaker)无人机
飞跑者无人机的制导和控制系统可预编程飞行路径，并可通过地面指令(射频数据链路)进行机动。其先进的特点包括地形跟踪制导能力，B改型装备了高加速度自动驾驶仪，允许增加机动。
飞跑者无人机
该无人机的A型载荷体积为0.09m3，装有任务设备和航空电子设备；B/C/D改型的载荷体积为0.134m3 。多数任务载荷在外部安装。其上的设备包括两部TRX雷达、TIX红外或TVX组合雷达/可见光瞄准装置。外部有AZC4红外吊舱、稳态雷达反射吊舱、AN/ALE-28曳光弹/箔条布撒器等装备。
1.7 AQM-37无人机
该无人机的所有改型均采用预编程飞行路线。AQM-37C引入了数字自动驾驶仪，提供改进的飞行控制；更大的作用距离和续航力来源于优化的能量管理计划；指挥控制能力允许双发射和飞行中前向控制。地面控制可从15°-65°激活俯冲及随后进行拉起。
该无人机的鼻锥中有约0.034m3的空间，以容纳航线控制和扩展系统。在结束任务或系统出故障时，该无人机的自主自毁系统会摧毁无人机。这种自毁也可由地面站操控。
1.8 作战无人机(UCAV)
对UCAV的要求还没有完全确定。该系统将采用惯导/GPS飞行控制系统。有关研究将探索完全自主作战的可行性，以及使用数据链路引入人工操控。美国空军可能在设计中采用自动目标识别技术，但初始样机可能不具备这种能力。UCAV可能安装安全通讯数据链路，使之与地面站、飞机和卫星通讯。UCAV可能具有机载处理能力，以便侦察数据，可在机上分类并将目标数据发射到地面。
2 英国的不死鸟(Phoenix)无人机
该无人机的自动驾驶仪提供初始阶段的飞行控制，按预编程序操控无人机直到捕获地面站发射的数据。该无人机从航线点到航线点的飞行无须进一步的控制，基于来自机载计算机的预编程飞行数据飞行。地面站的操作手可控制无人机。制导系统包括Ferranti公司的Fs60俯仰陀螺和FDG60方位陀螺。Thorn EMI公司的HR3磁传感器提供前向参考。GEC传感器公司的传感器装置装在吊舱内，吊舱安装在无人机机身下。该无人机装有GMAV热成像通用组件红外传感器，安装在2轴稳定转台上，水平覆盖360°，高低覆盖70°。该吊舱还含有处理设备和系统数据链路。
该无人机的飞行控制由安装在卡车掩体内的地面控制站(GCS)管理。GCS内共有4名操纵人员。GCS提供飞行规划数据，操纵人员负责图像接收。GCS装有通讯设施，可与无人机及火炮发射控制中心通讯。系统数据链路由地面数据终端(GDT)组成。GDT含有处理电子装置、天线塔卡车天线和数据发射/接收机单元，由车上发动机供电。GCS与指挥控制系统连接。
3 法国
3.1 法国UAV无人机
该无人机计划开发通用地面控制站。
3.2 红隼(CrecereUe)无人机
该无人机通过控制与操作中心(CDE)遥控驾驶，CDE含有大量传感器：垂直与俯仰陀螺、磁强计、GPS接收机和动态压力传感器。黑白电视摄像机安装在机身鼻锥处，用于飞行控制。它装有宽角透镜(扫描角度：水平57°，垂直53°)，分辨力为400(水平)×450(垂直)像素。
该无人机装有2个腹面单线分析传感器，可给出用于探测和识别的双频谱图像。这些是SAT Cyclope 2000红外线性扫描器和工作在可见光频谱的CCD(电荷耦合器件)线性扫描器；它在300m的高度上具有45cm的分辨力。SAT Cyclope 2000红外线性扫描器工作在8μm-12μm波段，扫描角为120°，扫描速度为300线/s，使用闭合环路制冷。CCD线性扫描器扫描速度为6OO线/s，分辨力为4096像素。
系统数据链路包括2个发射机和2个发射天线，提供遥控上行数据链路，以及与红外传感器头信号一起提供2个下行数据链路发射导航数据，还包括可见光线性扫描器及来自鼻锥电视摄像机的视频信号。数据链路工作在2.2GHz和2.5GHz(S波段)，在300m高度时，UAV有效作用距离为70km。
该无人机的飞行控制由4名人员操控：一名战术指挥官、一名图像分析人员、一名无人机编程与任务规划人员和一名无人机操作机械师。
卡车安装控制与操作中心(CDE)是系统的基础，与辅助设备一起安装在移动式掩体中。在战场上，它以一个独立电源装置为动力，数据链路天线自动控制无人机的位置。CDE具有3个任务控制站：一个导航站(用于飞行编程，采用数字绘图数据)、一个任务控制站(用于飞行控制和分析图像的实时选择)和一个可见光与红外图像分析站(用于详细分析)。
无人机发射到CDE的数据被数字化、处理和存储在磁性或光学硬盘上。无人机发射的图像可实时分析或离线分析。它们被显示在高分辨力视频屏幕上，如果需要可以打印出来。目标位置由图像和数字地图相关或采用差分GPS方法提供。在CDE和UAV之间的所有数据交换被记录下来，以便再执行任务。
用于飞行编程的导航站包括数字地图、数字地形模型数据、含有威胁和坐标界限等的战术数据库、侦察图像数据库和高分辨力19英寸监视器。任务控制站包括在高分辨力14英寸监视器上的瀑布型图像显示、在数字地图背景上的无人机位置显示、无人机高级遥控和飞行中对任务参数修正的控制。
成像分析站包括高分辨力19英寸图像显示、图像处理控制、目标位置输出(精度50m)、成像分析、任务汇报系统、高分辨力彩色打印机和标准数字存储系统。
4 以色列
4.1 以色列UAV无人机
该无人机可在预编程模式下工作，或在地面站借助安全数据链路遥控。无人机装有自动驾驶仪、空速和高度传感器及中心计算机。
该无人机装有Tamam公司的组件式多任务光学稳定载荷(MOSP)系统，带有1.2kW 电源。基本型采用ELOP公司的Moked 200陀螺稳定日间电视摄
像机。另外，这种无人机也装有陀螺稳定前视红外装置，如ELOP公司的MKD-400，用于夜间和恶劣天候的预警。MOSP可综合激光测距仪/标示器。可能的载荷备选方案和升级包括GPS导航、信号情报、通讯情报、干扰机、气象与射频核安全装置。核监视设备由Soreq核研究中心与以色列地质调查局联合开发。
该无人机的飞行控制通常由Eha GCS-2000任务规划与控制站(MPCS)进行，它安装在S-250或S-280拖车中。GCS-2000 允许多重无人机控制，它包括3个电子机舱，由2个操作手人工控制。观察舱控制无人机上的传感器。跟踪舱显示RPV 由TCU跟踪与通讯单元提供的位置数据。
便携式任务控制站(PMCS)用于无人机预飞行、发射和回收控制，尤其是距GCS有一定距离时。遥控接收站(RRS)允许实时接收传感器图像。TCU安装在独立掩体中，含有抗干扰数据链路、UAV通讯、导航和音频通讯设备，以及与系统相关的天线。数据链路采用C波段上行数据链路和C波段视频与电传下行数据链路，它还有备用UHF数据链路。TCU 一般与GCS有一定距离，以增强生存力。
4.2 RQ-2A先锋无人机
该无人机采用驾驶仪遥控，并可用预编程或人工控制飞行。无人机装有一个自动驾驶仪、空速和高度传感器及中心计算机。1997年7月，该无人机采用升级的电子装置首次飞行，新装置称为模块化综合电子组件(MIAG)。
传感器装置安装在机身下。载荷舱体积为0.1m3，提供高达500W的功率。基本型采用ELOP公司的Moked200陀螺稳定日间电视摄像机。另外该无人机也装有MKD-400前视红外装置，用于夜间和恶劣天候的预警。可能的载荷备选方案和升级包括GPS导航、信号情报、通讯情报、干扰机、气象与激光测距仪。
飞行控制与以色列UAV相同，这里不再叙述。
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