無人操作軍用系統(tǒng)需要性能較高的電子系統(tǒng)

引言

現(xiàn)代無人操作軍用系統(tǒng)已經(jīng)成為全世界武裝部隊(duì)不可或缺的組成部分，國防行業(yè)不斷對(duì)這類系統(tǒng)進(jìn)行密集的開發(fā)，以使其能夠發(fā)揮大范圍攻擊、監(jiān)視和作戰(zhàn)支持的作用。無人操作系統(tǒng)也許是如今的國防行業(yè)中最具活力的領(lǐng)域，全球年支出超過 55 億美元，到 2024 年，預(yù)計(jì)這一數(shù)字將接近 100 億美元[1].

無人駕駛航空器 (Unmanned Aerial Vehicle, UAV) 領(lǐng)域令人吃驚的一面是，系統(tǒng)種類極其豐富，從有些重量不到 20 克的纖巧納米無人駕駛航空器 (Nano UAV，NUAV) 到中型 UAV，例如質(zhì)量為 450 千克、有效載荷能力為 150 千克的守望者 (Watchkeeper)，直至起飛重量超過 5000 千克的 MQ-9 收割者 (MQ-9 Reaper) (以前名為捕食者 B (Predator B))，跨度之大、種類之多令人嘆為觀止。

UAV 無論大小，在平衡其性能和任務(wù)續(xù)航時(shí)間時(shí)，尺寸、重量和功率 (Size, Weight and Power，SWaP) 都是需要考慮的關(guān)鍵因素。有大量電子系統(tǒng)可以采用，但是在本文中，考慮電子系統(tǒng)時(shí)的關(guān)注點(diǎn)將落在以下幾個(gè)方面：

· 空中運(yùn)行安全性和自主運(yùn)行

· 傳感器和數(shù)據(jù)處理

· 通信和信息安全

· 電源系統(tǒng)

早期無人操作系統(tǒng)簡介

現(xiàn)代 UAV 的起源可以追溯到 100 多年前，不過人們可能將 1930 年代用作空中目標(biāo)打擊練習(xí)的無線電控制無人駕駛飛機(jī)視作最知名的 UAV 鼻祖。英國制造了 400 多架這種飛機(jī)，當(dāng)時(shí)以“蜂王”這個(gè)名字聞名于世，據(jù)說由于這種飛機(jī)而誕生了“無人駕駛飛機(jī)”這個(gè)術(shù)語。這種飛機(jī)要求，飛行時(shí)始終處于遙控飛機(jī)的飛行員的視線之內(nèi)。不過沒過多久，人們就開始嘗試超出視距范圍的自主飛行了。在 1940 年，愛德華·索倫森 (Edward M. Sorensen) 為他的地面站發(fā)明申請(qǐng)了專利，在這項(xiàng)發(fā)明中，使用頻率調(diào)制技術(shù)控制飛機(jī)，并讀回視距范圍以外的飛行信息。之所以有了這項(xiàng)專利，是因?yàn)槿藗冋J(rèn)識(shí)到，需要一種自動(dòng)防止故障的模式，保持飛機(jī)平飛，并同時(shí)建立一個(gè)備份控制系統(tǒng)。

隨著戰(zhàn)時(shí)武器有效載荷的發(fā)展，以及后來在 1950 年代和 1960 年代偵查平臺(tái)的發(fā)展，無人操作軍用系統(tǒng)的復(fù)雜性也提高了。1960 年代早期的瑞恩 (Ryan) 無人駕駛飛機(jī)采用了基本的制導(dǎo)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由可編程定時(shí)器、回轉(zhuǎn)羅盤和高度表組成，決定著離港飛行高度層、航向和飛行時(shí)間，這種飛機(jī)還提供倒轉(zhuǎn)和降落傘輔助著陸功能。盡管這些都是相當(dāng)基本的功能，但是用膠片相機(jī)獲得影像的戰(zhàn)略意義以及半自主系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)是很容易看到的，因此人們想更加齊心協(xié)力地進(jìn)行進(jìn)一步的開發(fā)。

空中飛行安全性和自主運(yùn)行

顯然，飛行安全問題是至關(guān)重要的，人們已經(jīng)就此問題展開了廣泛的辯論，以確定怎樣管制天空，才能使 UAV 的存在不會(huì)影響到現(xiàn)有空中交通的安全性，同時(shí)使軍用和民用 UAV 的應(yīng)用開發(fā)不受制約。

在視線范圍內(nèi)飛行的小型 UAV 依靠遙控飛機(jī)的飛行員來判斷是否會(huì)發(fā)生碰撞，而自主或半自主運(yùn)行的較大型 UAV 要想躲避空中碰撞，則需要復(fù)雜的檢測(cè)和躲避系統(tǒng)。人們正在為此開發(fā)多種傳感器，例如修改傳統(tǒng)飛機(jī)應(yīng)答器、可視和紅外攝像機(jī)、激光探測(cè)與測(cè)距 (Light Detection and Ranging，LiDAR) 系統(tǒng)以及常規(guī)雷達(dá)系統(tǒng)。將來自這些傳感器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成能夠反映所處環(huán)境的圖片，然后自主做出飛行決定，這需要非常復(fù)雜的軟件和硬件資源，而且對(duì)于分享民用空域的 UAV 而言，還需要在滿足現(xiàn)有協(xié)議要求的前提下運(yùn)行。在友好空域中飛行時(shí)，使用地面雷達(dá)和交通繪圖資源降低機(jī)載系統(tǒng)復(fù)雜性、擴(kuò)大監(jiān)測(cè)范圍，也許是一種選擇，不過采用這種方式時(shí)，在數(shù)據(jù)鏈路可靠性、延遲等其他問題上要做出折中。ASTREA 計(jì)劃顯示，可以采用自主檢測(cè)和躲避技術(shù)，但是這種技術(shù)是在 Jetstream 飛機(jī)上采用的，這種飛機(jī)沒有 UAV 的功耗、尺寸和重量限制。調(diào)整這種技術(shù)以使其能夠用于大部分 UAV 是個(gè)很大的挑戰(zhàn)，不過采用先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 (FPGA)、數(shù)字信號(hào)處理 (DSP) 和高性能模擬電子器件，可以使這種技術(shù)實(shí)現(xiàn)微型化。給這類電子系統(tǒng)供電也不是個(gè)簡單任務(wù)，F(xiàn)PGA 需要嚴(yán)格的電源準(zhǔn)確度以及低壓和大電流，這就要求仔細(xì)設(shè)計(jì)電源鏈，以最大限度降低功耗、減少產(chǎn)生的熱量。一種方法是使用數(shù)字電源系統(tǒng)管理 (PSM) 技術(shù)，這種技術(shù)通過動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電壓和頻率，可以降低功耗，從而有助于延長較小型 UAV 的任務(wù)續(xù)航時(shí)間。PSM 還提高了可靠性，并提供遙控和監(jiān)視功能，以及能量使用記錄和“黑匣子”故障記錄功能。

圖 1：數(shù)字電源系統(tǒng)管理

傳感器和數(shù)據(jù)處理

即使最小型的、手動(dòng)啟動(dòng)的 NUAV 也可以攜帶多個(gè)攝像機(jī)和照相機(jī)完成監(jiān)視任務(wù)，而多種版本的 MQ-9 收割者能夠滿足各種不同的獵殺及監(jiān)視需求。攜帶武器的版本可能載有攝像機(jī)、紅外夜視攝像機(jī)以及在有云或煙霧時(shí)使用的合成孔徑雷達(dá) (SAR)，還有用于制導(dǎo)彈藥的激光測(cè)距儀和目標(biāo)照明系統(tǒng)。提供誘餌和干擾功能的版本也已開發(fā)出來，同時(shí)戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)能夠直接向有人駕駛飛機(jī)發(fā)送目標(biāo)信息及影像數(shù)據(jù)。在信號(hào)情報(bào) (SIGINT) 領(lǐng)域預(yù)計(jì)將進(jìn)行更多開發(fā)工作，隨著信號(hào)情報(bào)系統(tǒng)的進(jìn)步，航程更長的版本將提供超過 40 小時(shí)的任務(wù)續(xù)航時(shí)間。由于機(jī)載傳感器的迅速增加以及任務(wù)續(xù)航時(shí)間的延長而產(chǎn)生了大量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)必須壓縮和存儲(chǔ)或通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)鏈路發(fā)送，這勢(shì)必導(dǎo)致某些方面的折中，例如帶寬、質(zhì)量和可能的影像數(shù)據(jù)損失。

每增加一種新的有效載荷能力，都會(huì)增大電源系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。不過幸運(yùn)的是，印刷電路板級(jí)電源解決方案的開發(fā)也取得了進(jìn)步，最近幾年功率密度得到了顯著改進(jìn)，凌力爾特公司的 µModule^® (微型模塊) 穩(wěn)壓器解決方案就是一種進(jìn)步的技術(shù)。每個(gè)小型模塊都含有一個(gè)完整的高效率電源，其外形尺寸適合對(duì)尺寸要求很嚴(yán)格的應(yīng)用，而且可靠性非常高。圖 2 顯示了一個(gè)例子。

圖 2：LTM4644 µModule 穩(wěn)壓器

通信與信息安全

UAV 的通信鏈路可以分為兩部分：

· 飛行控制數(shù)據(jù)鏈路 - 用于遠(yuǎn)程命令 (上行鏈路) 和遙測(cè) (下行鏈路) 信息，以在 UAV 響應(yīng)操作人員指令或按照 GPS 坐標(biāo)自主飛行執(zhí)行任務(wù)計(jì)劃時(shí)，對(duì) UAV 進(jìn)行監(jiān)控。一般情況下，采用擴(kuò)展頻譜技術(shù)的 56kbps 鏈路可以滿足飛行控制數(shù)據(jù)鏈路的需求，上行鏈路可以用 128 位加密算法和前向糾錯(cuò)加以保護(hù)。

· 傳送有效載荷傳感器信息的通信鏈路 – 被看作是單獨(dú)的通信鏈路，高清視頻可能要求高達(dá) 10Mbps 的帶寬，同時(shí)運(yùn)行 COFDM、MPEG-4 或類似調(diào)制方案。諸如收割者等大型 UAV 一般會(huì)結(jié)合使用租用的專用衛(wèi)星中繼線路 (Ku 頻段) 和地面 (C 頻段) 通信線路，有充足的空間放置大型天線，而其他類型的無人機(jī)也許在工業(yè)、科研和醫(yī)療 (ISM) 頻段運(yùn)行，例如 2.4GHz (WLAN) 和 5.8GHz 頻段。

與空中交通控制系統(tǒng)及協(xié)議的集成是實(shí)現(xiàn) UAV 完全自主運(yùn)行的另一個(gè)障礙，因?yàn)?UAV 需要響應(yīng)語音命令，提供航向和飛行高度層信息，并通過 VHF 無線電頻道及合成語音確認(rèn)系統(tǒng)，確認(rèn)已接受命令。

信息安全風(fēng)險(xiǎn)包括故意或偶然的干擾;假冒或攔截命令及控制信號(hào);通信通道衰減。在常規(guī)的有人駕駛飛行中，為了避開任何非常靠近的空中飛行物，飛行員可以立即動(dòng)手控制飛機(jī)，顯然在使用 UAV 的情況下，飛行員始終要依靠通信鏈路以及機(jī)載傳感器的穩(wěn)定運(yùn)行。

風(fēng)險(xiǎn)總是可以減輕的，即使是非常小和按照一套設(shè)定 GPS 坐標(biāo)飛行的 UAV，也可以升高飛行高度，以恢復(fù)丟失的 GPS 信號(hào)，在達(dá)到離港續(xù)航時(shí)間限制時(shí)自動(dòng)返回基站。作為應(yīng)變措施，防欺詐 GPS 系統(tǒng)結(jié)合使用 GPS 接收器和慣性測(cè)量單元，對(duì)接收到的 GPS 信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析也有助于確定是否有人嘗試欺騙系統(tǒng)。

當(dāng)然，所有這些通信系統(tǒng)都需要電源，而且敏感的無線電接收器需要一些噪聲非常低的電源，這樣無線電靈敏度才不會(huì)因電源而降低。新的芯片工藝技術(shù)和新穎的 IC 設(shè)計(jì)方法已經(jīng)導(dǎo)致出現(xiàn)了一系列開創(chuàng)性產(chǎn)品，這些產(chǎn)品既能提供前所未有的高效率，噪聲又非常低，例如 LT8640 Silent Switcher^® 和 LT3042 超低噪聲、超高 PSRR RF 線性穩(wěn)壓器。

圖 3：LT8640 Silent Switcher 穩(wěn)壓器

電源系統(tǒng)

本文之前已經(jīng)強(qiáng)調(diào)過，一些 IC 級(jí)電源技術(shù)進(jìn)步支持了 UAV 及傳感器有效載荷的持續(xù)變化，不過，機(jī)載動(dòng)力源的選擇也是影響總體性能的核心因素。隨著人們?nèi)找鎸Ｗ⒂陂_發(fā)成本更低、尺寸更小、重量更輕的 UAV，內(nèi)燃型動(dòng)力源的吸引力下降了，燃料電池技術(shù)成為可能的選擇，尤其是對(duì)續(xù)航時(shí)間長、平均功率需求低的任務(wù)而言。

美洲獅 (Puma) 系列小型 UAV 正在試驗(yàn)的一種燃料電池將飛行時(shí)間從 150 分鐘 (使用 LiSO₂ 電池時(shí)) 延長到將近 5 小時(shí)，整個(gè)燃料電池系統(tǒng)重約 2 千克，功率與重量之比約為 1kW/千克。

圖 4：UAV 動(dòng)力源的功率與重量之比

燃料電池的位置在電池和內(nèi)燃機(jī)解決方案之間，具備環(huán)保優(yōu)勢(shì)，但確實(shí)面臨一些燃料處理和存儲(chǔ)問題，不過通過在可更換燃料盒中存儲(chǔ)顆粒狀氫，可以克服這類問題。

小型 UAV 和 NUAV 最有可能繼續(xù)使用鋰離子電池，視配置不同而不同，用單節(jié)電池就能使 NUAV 飛行大約 30 分鐘。較長續(xù)航時(shí)間和較大型的型號(hào)將需要多節(jié)電池設(shè)計(jì)，這類設(shè)計(jì)可受益于用 LTC3300 等 IC 實(shí)現(xiàn)的電池容量平衡技術(shù)，這種技術(shù)可最大限度延長系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間。飛行高度很高、充當(dāng)偽衛(wèi)星的 UAV，例如谷歌以及其他公司正在開發(fā)、將來擬用于提供互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的 UAV，也可以用太陽能動(dòng)力取代電池。這類系統(tǒng)需要在因輻射作用增強(qiáng)可能導(dǎo)致單粒子翻轉(zhuǎn)的環(huán)境中保持可靠運(yùn)行，因此復(fù)雜性會(huì)提高，而且也許需要專門規(guī)定所使用 IC 的特性，并對(duì)這些 IC 進(jìn)行專門測(cè)試。

結(jié)論

現(xiàn)在，無人操作系統(tǒng)在武裝部隊(duì)中起著不可或缺的作用，軍方提供的大量資金促進(jìn)了這類系統(tǒng)的快速開發(fā)，開發(fā)焦點(diǎn)尤其集中在較小型、價(jià)格較低的 UAV 系統(tǒng)上。

隨著傳感器有效載荷和 UAV 平臺(tái)電子系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，電源鏈和機(jī)載動(dòng)力源的效率對(duì)于提供足夠高的運(yùn)行性能變得至關(guān)重要了，新型 IC 電源解決方案正在幫助實(shí)現(xiàn) SWaP 目標(biāo)。

飛行高度很高的 UAV 和續(xù)航時(shí)間非常長的任務(wù)正在推進(jìn)對(duì)太陽能、燃料電池等新型電源的需求，而使用新型電源又意味著需要新型 IC。

參考資料

[1] http://www.tealgroup.com/index.php/about-teal-group-corporation/press-releases/118-2014-uav-press-release