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无人操作军用系统需要性能较高的电子系统

引言

现代无人操作军用系统已经成为全世界武装部队不可或缺的组成部分,国防行业不断对这类系统进行密集的开发,以使其能够发挥大范围攻击、监视和作战支持的作用。无人操作系统也许是如今的国防行业中最具活力的领域,全球年支出超过55亿美元,到 2024 年,预计这一数字将接近100亿美元[1].

无人驾驶航空器 (Unmanned Aerial Vehicle, UAV) 领域令人吃惊的一面是,系统种类极其丰富,从有些重量不到 20 克的纤巧纳米无人驾驶航空器 (Nano UAV,NUAV)到中型 UAV,例如质量为 450 千克、有效载荷能力为 150 千克的守望者 (Watchkeeper),直至起飞重量超过 5000 千克的 MQ-9 收割者 (MQ-9 Reaper) (以前名为捕食者 B (Predator B)),跨度之大、种类之多令人叹为观止。

UAV 无论大小,在平衡其性能和任务续航时间时,尺寸、重量和功率 (Size, Weight and Power,SWaP) 都是需要考虑的关键因素。有大量电子系统可以采用,但是在本文中,考虑电子系统时的关注点将落在以下几个方面:

空中运行安全性和自主运行

传感器和数据处理

通信和信息安全

电源系统

早期无人操作系统简介

现代 UAV 的起源可以追溯到 100 多年前,不过人们可能将 1930 年代用作空中目标打击练习的无线电控制无人驾驶飞机视作最知名的 UAV 鼻祖。英国制造了 400 多架这种飞机,当时以“蜂王”这个名字闻名于世,据说由于这种飞机而诞生了“无人驾驶飞机”这个术语。这种飞机要求,飞行时始终处于遥控飞机的飞行员的视线之内。不过没过多久,人们就开始尝试超出视距范围的自主飞行了。在1940 年,爱德华·索伦森 (Edward M. Sorensen) 为他的地面站发明申请了专利,在这项发明中,使用频率调制技术控制飞机,并读回视距范围以外的飞行信息。之所以有了这项专利,是因为人们认识到,需要一种自动防止故障的模式,保持飞机平飞,并同时建立一个备份控制系统。

随着战时武器有效载荷的发展,以及后来在 1950 年代和 1960 年代侦查平台的发展,无人操作军用系统的复杂性也提高了。1960 年代早期的瑞恩 (Ryan) 无人驾驶飞机采用了基本的制导系统,该系统由可编程定时器、回转罗盘和高度表组成,决定着离港飞行高度层、航向和飞行时间,这种飞机还提供倒转和降落伞辅助着陆功能。尽管这些都是相当基本的功能,但是用胶片相机获得影像的战略意义以及半自主系统的优势是很容易看到的,因此人们想更加齐心协力地进行进一步的开发。

空中飞行安全性和自主运行

显然,飞行安全问题是至关重要的,人们已经就此问题展开了广泛的辩论,以确定怎样管制天空,才能使 UAV 的存在不会影响到现有空中交通的安全性,同时使军用和民用 UAV 的应用开发不受制约。

在视线范围内飞行的小型 UAV 依靠遥控飞机的飞行员来判断是否会发生碰撞,而自主或半自主运行的较大型 UAV 要想躲避空中碰撞,则需要复杂的检测和躲避系统。人们正在为此开发多种传感器,例如修改传统飞机应答器、可视和红外摄像机、激光探测与测距 (Light Detection and Ranging,LiDAR)系统以及常规雷达系统。将来自这些传感器系统的数据转换成能够反映所处环境的图片,然后自主做出飞行决定,这需要非常复杂的软件和硬件资源,而且对于分享民用空域的 UAV 而言,还需要在满足现有协议要求的前提下运行。在友好空域中飞行时,使用地面雷达和交通绘图资源降低机载系统复杂性、扩大监测范围,也许是一种选择,不过采用这种方式时,在数据链路可靠性、延迟等其他问题上要做出折中。ASTREA 计划显示,可以采用自主检测和躲避技术,但是这种技术是在 Jetstream 飞机上采用的,这种飞机没有 UAV 的功耗、尺寸和重量限制。调整这种技术以使其能够用于大部分 UAV 是个很大的挑战,不过采用先进的现场可编程门阵列 (FPGA)、数字信号处理 (DSP) 和高性能模拟电子器件,可以使这种技术实现微型化。给这类电子系统供电也不是个简单任务,FPGA 需要严格的电源准确度以及低压和大电流,这就要求仔细设计电源链,以最大限度降低功耗、减少产生的热量。一种方法是使用数字电源系统管理 (PSM) 技术,这种技术通过动态调节电压和频率,可以降低功耗,从而有助于延长较小型 UAV 的任务续航时间。PSM 还提高了可靠性,并提供遥控和监视功能,以及能量使用记录和“黑匣子”故障记录功能。


无人操作军用系统需要性能较高的电子系统


图 1:数字电源系统管理


(责任编辑:ioter)

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