□ 文/潘櫻心

國(guó)內(nèi)外邊境無人機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

進(jìn)入21世紀(jì)，空中機(jī)器人技術(shù)已趨成熟，性能日臻完善，逐步向小型化、智能化、隱身化發(fā)展。無人偵察機(jī)、戰(zhàn)略預(yù)警機(jī)得到了各國(guó)高度重視，發(fā)展速度極快。與此同時(shí)，無人偵察機(jī)已被用于完成戰(zhàn)場(chǎng)偵察和監(jiān)視、定位校射、毀傷評(píng)估、電子戰(zhàn)等領(lǐng)域；在民用領(lǐng)域中的高空攝影、高空探礦、災(zāi)情監(jiān)視、交通巡邏、治安監(jiān)控等也發(fā)揮了重要作用?？梢姛o人機(jī)的作用十分突出，優(yōu)勢(shì)明顯，不管是在軍事領(lǐng)域，還是民用領(lǐng)域，都發(fā)揮著重要的作用，其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)展。

在各國(guó)邊防領(lǐng)域，為切實(shí)保衛(wèi)邊境安全，適應(yīng)復(fù)雜、多變的斗爭(zhēng)形勢(shì)，各國(guó)都在加強(qiáng)武裝警備力量，追求智能化、高效便捷的警務(wù)工作目標(biāo)。目前已有很多國(guó)家開始研究、應(yīng)用適用邊境地區(qū)的高空偵察設(shè)備。如俄羅斯邊防警衛(wèi)隊(duì)已有專用小型無人機(jī)（俄羅斯邊防警衛(wèi)隊(duì)專用Dozor-4型無人機(jī)等）應(yīng)用于監(jiān)視邊境，美國(guó)為確保國(guó)土安全，海關(guān)和邊防局從2007年開始利用無人機(jī)（如“掠食者”B型無人機(jī)）執(zhí)行監(jiān)視海域、巡邏邊界的任務(wù)。此外，以色列、伊朗、印度等國(guó)家也已研發(fā)專門設(shè)備進(jìn)行邊境巡查。

當(dāng)周邊國(guó)家加緊研制、應(yīng)用高空無人偵察設(shè)備到邊境地區(qū)時(shí)，我國(guó)目前尚沒有邊防領(lǐng)域?qū)Ｓ玫目罩袀刹臁⒈O(jiān)控、預(yù)警等設(shè)備以適應(yīng)新時(shí)期邊境地區(qū)動(dòng)態(tài)管控的需求。

小型無人機(jī)應(yīng)用于邊境安全防衛(wèi)的重要意義

近年來，在我國(guó)邊境地區(qū)，恐怖活動(dòng)，偷渡，毒品走私等犯罪形式呈現(xiàn)多樣化、智能化、隱蔽化的趨勢(shì)，傳統(tǒng)的情報(bào)信息獲取方式效率低、難度大，如不改變相應(yīng)的情報(bào)獲取手段，必然導(dǎo)致邊防工作處于被動(dòng)地位。而在邊防實(shí)際工作中，邊境巡邏，反恐、緝毒、處突，邊境植被、水文等地理信息的勘察、測(cè)量，特殊偵察及治安監(jiān)控等方面都需要一個(gè)可實(shí)現(xiàn)高空偵察、監(jiān)控、預(yù)警的設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)圖像資料的實(shí)時(shí)回傳，掌握邊境第一手資料，為決策人員提供及時(shí)、準(zhǔn)確、有效的情報(bào)信息，以真正實(shí)現(xiàn)“情報(bào)主導(dǎo)警務(wù)”。

小型無人機(jī)可實(shí)現(xiàn)高空無人偵察，提高邊防工作的效率，更好地維護(hù)邊境地區(qū)安全與穩(wěn)定?？傊?，加快對(duì)適用于邊防部隊(duì)的小型無人機(jī)的開發(fā)利用既是“科技強(qiáng)警”對(duì)我們提出的要求，也是適應(yīng)邊境地區(qū)更加復(fù)雜、多變的斗爭(zhēng)形勢(shì)的迫切需要。

代替人力邊境巡邏、確保國(guó)土安全的需要

邊境地區(qū)多地形條件復(fù)雜，氣候環(huán)境惡劣，特別是在偏僻地帶難以或不可能建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施。邊防官兵常需要在高原、山地、叢林、沙漠、積雪中巡邏偵察，或高寒缺氧，或炎熱難耐，不僅效率低，不安全，且普通人力偵察監(jiān)視面積小，不能連續(xù)獲取信息，甚至?xí)斐汕閳?bào)“盲區(qū)”，不適應(yīng)現(xiàn)代邊境地區(qū)完整、大量情報(bào)的需求。

小型無人機(jī)可代替人力巡邏，無人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)，機(jī)動(dòng)性能好，偵察面積大，速度快，減少視野“死角”，更好的維護(hù)邊境安全。

獲取突發(fā)事件中動(dòng)態(tài)情報(bào)、科學(xué)決策的需要

邊防部隊(duì)承擔(dān)著反恐、緝毒、處置各種突發(fā)事件等重要使命，針對(duì)當(dāng)前所發(fā)生的眾多劫持人質(zhì)、復(fù)雜背景處置突發(fā)事件等多種案件類型，幾年來實(shí)踐證明，邊防部隊(duì)在處置某些場(chǎng)合的突發(fā)事件時(shí)在獲取現(xiàn)場(chǎng)信息的手段上存在一定局限性和靈活性，而且缺乏一定的果斷、及時(shí)的處置方法。如何高效、快速、科學(xué)地處置，成為了一個(gè)迫在眉睫的問題。

小型無人機(jī)可以深入現(xiàn)場(chǎng)觀察整體發(fā)展態(tài)勢(shì)，并根據(jù)需要進(jìn)行偵察、監(jiān)控，固定相關(guān)證據(jù)，使整個(gè)行動(dòng)始終處于隱蔽、安全、信息明了和快捷狀態(tài)，以高效率解決危機(jī)，改進(jìn)傳統(tǒng)的處置手段許多局限性問題。

建立、補(bǔ)充邊防地理信息系統(tǒng)的需要

由于邊境地區(qū)獨(dú)特的地理?xiàng)l件、戰(zhàn)略地位等，及時(shí)獲取、掌握其區(qū)域位置、地形地貌、河流水文、氣候植被等信息的特點(diǎn)也是邊防部門的工作之一。準(zhǔn)確、快速的了解邊境的地理信息數(shù)據(jù)，可為建立、補(bǔ)充邊防地理信息系統(tǒng)提供依據(jù)，是邊防管理和輔助決策的需要，也是戰(zhàn)時(shí)整合警力、科學(xué)部署兵力、迅速制定指揮方案的保障。

緊急條件下補(bǔ)給重要物資的需要

2008年5.12汶川大地震及6.11南方水災(zāi)等重大自然災(zāi)害中，小型無人機(jī)及相關(guān)高空偵察設(shè)備發(fā)揮了重大作用，其實(shí)時(shí)傳回的視頻對(duì)于指揮、決策提供了寶貴依據(jù)，而載荷量大的設(shè)備更是深入災(zāi)區(qū)運(yùn)輸了藥品等重要物資，為挽救人民生命安全做出了不可忽視的貢獻(xiàn)。

邊境小型無人機(jī)的主要研究?jī)?nèi)容

小型無人機(jī)具有輕巧、靈活、可操控性強(qiáng)、造價(jià)低的特點(diǎn)，在功能上可使邊防部隊(duì)便于觀察邊境整體情況，特別是在沒有制高點(diǎn)的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)邊境地區(qū)的監(jiān)控，以適應(yīng)邊防工作在邊境高空信息獲取的實(shí)際需要。其部分重點(diǎn)研究問題分析如下：

空氣動(dòng)力學(xué)方面

無人機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)問題主要是線性的問題,特別是氣動(dòng)彈性和控制。設(shè)計(jì)小型無人機(jī)主要涉及在很低雷諾數(shù)流場(chǎng)中使用等相關(guān)問題帶來的約束,包括升阻比很低、最大升力系數(shù)很低及控制困難等。如若要提高設(shè)備的最大飛行高度，可能就要應(yīng)用非定?？諝鈩?dòng)力學(xué)或者全層流流動(dòng)理論以產(chǎn)生能維持有效飛行的升力系數(shù)。開發(fā)研制適用于邊境地區(qū)的小型無人機(jī),在空氣動(dòng)力學(xué)方面主要還是依賴于對(duì)于低雷諾數(shù)流場(chǎng)且更深入地了解和增強(qiáng)對(duì)這種流場(chǎng)的模擬能力,同時(shí)也需要一些特殊的空氣動(dòng)力學(xué)技術(shù)。

飛行力學(xué)方面

小型無人機(jī)需要設(shè)備載體與控制系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合。從設(shè)備載體出發(fā)進(jìn)行控制就要涉及到飛行力學(xué)的相關(guān)方面。分析設(shè)備載體特性,計(jì)算載體各操縱舵面效能, 從而對(duì)其進(jìn)行良好改型。

飛行力學(xué)的許多關(guān)鍵技術(shù)都可用于邊境小型無人機(jī)的研制。具有代表性的如直接力操縱技術(shù)、垂直起落技術(shù)、大迎角下機(jī)動(dòng)飛行及主動(dòng)控制技術(shù)驗(yàn)證等。無人機(jī)的控制指令是通過計(jì)算機(jī)直接進(jìn)行輸出的,因此可以考慮模仿無人機(jī)通過預(yù)編程控制舵面輸出關(guān)系, 從而可實(shí)現(xiàn)多種飛行功能。

無線視頻傳輸方面

無線視頻傳輸就是指不用布線（線纜）利用無線電波來傳輸視頻、聲音、數(shù)據(jù)等信號(hào)的監(jiān)控系統(tǒng)。無線視頻傳輸分為：模擬微波傳輸和數(shù)字微波傳輸。無線視頻傳輸具有很多優(yōu)勢(shì)：綜合成本低，性能穩(wěn)定；組網(wǎng)靈活，可擴(kuò)展性好，即插即用；維護(hù)費(fèi)用低；可以將不同地點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)信息實(shí)時(shí)通過無線通訊手段傳送到無線監(jiān)控中心，并且自動(dòng)形成視頻數(shù)據(jù)庫(kù)便于日后的檢索。

在無線視頻傳輸方面需重點(diǎn)解決的問題是：無線視頻傳輸?shù)奈募仨毲逦⑦B續(xù)，分辨率高，抗干擾性能強(qiáng)，延遲性小。

邊境小型無人機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成與功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)構(gòu)成

適用于邊境地區(qū)的中短程監(jiān)視的小型無人機(jī)系統(tǒng)需具有小巧，輕便，易攜帶和操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，可進(jìn)行邊境偵察、監(jiān)控、預(yù)警。能夠根據(jù)任務(wù)規(guī)劃進(jìn)入預(yù)定偵察地域上空，完成空中遙控飛行與實(shí)時(shí)圖像和雙向數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。通過對(duì)對(duì)邊境突發(fā)現(xiàn)場(chǎng)或復(fù)雜場(chǎng)所實(shí)施空中無人偵察，利于地面指揮部獲得及時(shí)、動(dòng)態(tài)、準(zhǔn)確的情報(bào)，以便對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行決策。

邊境小型無人機(jī)系統(tǒng)具體可分為無人機(jī)平臺(tái)系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)、地面站系統(tǒng)。

（1）無人機(jī)平臺(tái)系統(tǒng)。

無人機(jī)平臺(tái)系統(tǒng)主要包括機(jī)體、飛行控制子系統(tǒng)、動(dòng)力子系統(tǒng)、發(fā)射與回收子系統(tǒng)。

①機(jī)體。

②飛行控制子系統(tǒng)。

飛行控制系統(tǒng)又被稱為自動(dòng)駕駛儀，其能夠完成自主導(dǎo)航飛行、姿態(tài)穩(wěn)定控制、任務(wù)控制等多種功能。一般具有兩軸加速度計(jì)、三軸速率陀螺、空速傳感器、氣壓高度計(jì)和GPS接收機(jī)等傳感器。

常用飛控系統(tǒng)如“慣導(dǎo)OSD”飛控系統(tǒng)，其集成了三軸陀螺儀和三軸加速度傳感器，以及一個(gè)數(shù)字氣壓高度計(jì)，能夠解算出飛行器的相對(duì)姿態(tài)，并驅(qū)動(dòng)副翼、升降和方向舵，進(jìn)行姿態(tài)“增穩(wěn)”，不受光線、氣候的影響。OSD系統(tǒng)，可顯示豐富飛行數(shù)據(jù)：飛行姿態(tài)、飛行高度、經(jīng)緯度、飛行方向、速度、距離、電壓、電流等等。并有自動(dòng)返航功能，可實(shí)現(xiàn)“一鍵返航”“失控返航”。其能在苛刻條件下進(jìn)行高性能導(dǎo)航、在低于GPS衛(wèi)星可見度環(huán)境下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、快速定位。

③動(dòng)力子系統(tǒng)。

小型無人機(jī)一般選擇采用電池供電和燃油供電兩種。電池供電較適合于5 kg 以下的小型無人機(jī)，進(jìn)行短時(shí)間內(nèi)的偵察（0.5-1h）。燃油供電則更適合較重一點(diǎn)的小型無人機(jī)，且能夠提供較長(zhǎng)的飛行時(shí)間（1-2 h）。

④發(fā)射與回收子系統(tǒng)。

小型無人機(jī)可采用手拋式或彈射式發(fā)射。單兵使用時(shí)，手拋式發(fā)射相對(duì)更為簡(jiǎn)便，不需輔助裝置。當(dāng)無人機(jī)質(zhì)量超過 10 kg 時(shí)，可利用彈射發(fā)射使無人機(jī)獲得較大起飛速度，但相應(yīng)的，彈射裝置也加大了單兵作戰(zhàn)時(shí)的攜帶重量?；厥諘r(shí)可采用傘降或自動(dòng)返回等其他方式。

（2）圖像采集系統(tǒng)。

機(jī)載光電/紅外載荷是小型無人機(jī)最常見的基本任務(wù)執(zhí)行單元，典型設(shè)備包括光電變焦和定點(diǎn)攝像機(jī)，彩色CCD 和非制冷紅外攝像機(jī)等。

1994年，移動(dòng)學(xué)習(xí)的初步探究始于美國(guó)，隨后，德國(guó)、英國(guó)等諸多國(guó)家開始對(duì)移動(dòng)學(xué)習(xí)展開了研究。［1］近年來，許多國(guó)家對(duì)移動(dòng)學(xué)習(xí)展開研究，涉及基礎(chǔ)教育、高等教育、職業(yè)培訓(xùn)、遠(yuǎn)程教育、成人教育等多個(gè)方面。我國(guó)移動(dòng)學(xué)習(xí)研究雖然起步較晚，但卻有強(qiáng)大的發(fā)展勢(shì)頭。2001年，教育部加強(qiáng)對(duì)移動(dòng)學(xué)習(xí)的重視，并構(gòu)建移動(dòng)學(xué)習(xí)平臺(tái)，展開試點(diǎn)項(xiàng)目研究。

航拍專用高清迷你攝像機(jī)，可實(shí)時(shí)將圖像信息傳回地面站，并可錄制高清信號(hào)，支持1080 30p以及760 60p等模式的錄制拍攝。同時(shí)，具備最大500萬像素（2592*1944pix）的拍照，可由遙控器操作進(jìn)行遠(yuǎn)程卡機(jī)并停止錄制。此種攝像機(jī)可在夜晚和惡劣的天氣條件下進(jìn)行拍照，并可轉(zhuǎn)成數(shù)字信號(hào)，通過數(shù)據(jù)鏈及時(shí)傳遞給地面，完成監(jiān)視、目標(biāo)捕獲等任務(wù)，不易被發(fā)現(xiàn)。將其固定在電動(dòng)云臺(tái)上，可利用遙控器對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行水平和俯仰角度的調(diào)整，擴(kuò)大偵察范圍，滿足大范圍掃描監(jiān)視的要求。在控制信號(hào)作用下，既可自動(dòng)掃描監(jiān)視區(qū)域，也可在指揮者的操縱下跟蹤監(jiān)視對(duì)象。

（3）數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)鏈路包括機(jī)載天線和地面天線、以及數(shù)據(jù)接收/發(fā)送模塊。針對(duì)邊境小型無人機(jī)體積小、質(zhì)量輕、實(shí)時(shí)性要求高等特點(diǎn)，數(shù)據(jù)鏈路的設(shè)計(jì)遵循以下原則：

①機(jī)載通信設(shè)備、數(shù)據(jù)鏈設(shè)備盡可能簡(jiǎn)單、輕便；

②抗干擾能力強(qiáng)，誤碼率低；

③圖像傳輸速率快。

數(shù)據(jù)鏈路是一種測(cè)控與信息傳輸系統(tǒng)，是無人機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，用于對(duì)無人機(jī)的遙控、遙測(cè)、跟蹤定位以及視頻信息的傳輸。數(shù)據(jù)鏈路分上行線路和下行線路，上行線路主要傳輸數(shù)字式遙控信號(hào)、任務(wù)載荷的命令信號(hào)、飛行路線控制信號(hào)。下行線路主要傳送無人機(jī)狀態(tài)信號(hào)和視頻信號(hào)。

（4）地面站系統(tǒng)。

地面站主要進(jìn)行飛行狀態(tài)監(jiān)控和實(shí)時(shí)的視頻處理，包含圖像接收模塊、圖像顯示器、地面站工作電池和電源管理器等。

地面站主要系統(tǒng)功能由兩部分組成，一部分進(jìn)行飛行狀態(tài)監(jiān)控，一部分進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻處理。飛行狀態(tài)監(jiān)控可以實(shí)時(shí)檢測(cè)無人機(jī)高度、速度、位置、航向、飛控系統(tǒng)主電源電壓、飛行控制模式、GPS 衛(wèi)星鎖定狀態(tài)等數(shù)據(jù)，還能查詢航點(diǎn)數(shù)據(jù)及設(shè)置等，并能夠?qū)崟r(shí)更改導(dǎo)航系統(tǒng)的航路設(shè)置，控制飛機(jī)的高度、航向等飛行參數(shù)。

實(shí)時(shí)視頻處理部分包括視頻數(shù)據(jù)的解碼、顯示和目標(biāo)搜索等。接收到的視頻圖像，不僅可以顯示供監(jiān)控使用，同時(shí)可通過實(shí)時(shí)處理進(jìn)行目標(biāo)搜索，標(biāo)定位置，與飛行狀態(tài)監(jiān)控部分同步接收飛控系統(tǒng)下傳的數(shù)據(jù)，并與接收到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行同步，標(biāo)記在圖像上。此外，可利用地面站計(jì)算機(jī)的USB口（或無線WIFI）與手持終端進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)傳輸。

邊境小型無人機(jī)功能設(shè)計(jì)與特點(diǎn)

根據(jù)邊防實(shí)戰(zhàn)，邊境小型無人機(jī)需其具有操作簡(jiǎn)單、圖像實(shí)時(shí)回傳、OSD視頻疊加顯示、1小時(shí)長(zhǎng)航時(shí)、GPS定位、飛行距離遠(yuǎn)、高度高、飛行穩(wěn)定等多種功能與特點(diǎn)，具體如下：

（1）輕巧便攜，適合單兵攜帶。

（2）機(jī)體結(jié)實(shí)穩(wěn)固優(yōu)點(diǎn)、受損后易修復(fù)、無電磁波反射。

（3）使用操作簡(jiǎn)單方便，培訓(xùn)時(shí)間短。

（4）OSD視頻疊加顯示，雙向無線數(shù)據(jù)通信，實(shí)時(shí)顯示無人機(jī)飛行高度、速度、坐標(biāo)、姿態(tài)、航向、距離等，并能隨時(shí)更改設(shè)置飛機(jī)航向和各項(xiàng)參數(shù)。

（5）機(jī)載相機(jī)可通過地面站指令或按程序?qū)崿F(xiàn)定點(diǎn)視頻實(shí)時(shí)傳輸，并在地面站的液晶屏上顯示拍攝的圖像。

（6）無人機(jī)實(shí)時(shí)回傳的偵察圖像可記錄儲(chǔ)存在地面站圖像數(shù)據(jù)盒內(nèi)，供事后回放分析。

（7）具備一鍵返回、失控返回功能，無場(chǎng)地限制，在野外、繁華市區(qū)樓頂及開闊地域輕松起飛、自動(dòng)返航。

（8）抗風(fēng)飛行，可在小雨及7級(jí)風(fēng)速以下飛行。

（9）系統(tǒng)維護(hù)簡(jiǎn)單，操作方便，硬件連接簡(jiǎn)單，軟件操作方便，整套系統(tǒng)操作一人可操作完成。

（10）起飛條件要求低。無需起飛場(chǎng)地，樓頂、山峰、河邊、山谷、狹窄地帶等均可起飛。

（12）飛行高度高，有效控制半徑長(zhǎng)，飛行穩(wěn)定、速度快，偵察區(qū)域廣。

（13）長(zhǎng)航時(shí)。

應(yīng)用前景

目前，小型無人機(jī)還沒有在邊境安全防衛(wèi)中發(fā)揮其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但在未來的工作中，隨著科學(xué)技術(shù)越來越廣泛的應(yīng)用，小型無人機(jī)必會(huì)在邊防戰(zhàn)場(chǎng)中凸顯作用。它的利用將能夠幫助邊防部隊(duì)以最小的工作量來完成邊境巡邏等工作，同時(shí)更加全面的掌握邊境地區(qū)的動(dòng)態(tài)，符合邊防部隊(duì)未來邊境地區(qū)管控的需求。可用于邊境巡邏、戰(zhàn)術(shù)偵察、治安監(jiān)控、反恐、緝私、緝毒、災(zāi)情監(jiān)視、森林防火、通訊中繼、氣象監(jiān)測(cè)、地理信息勘察等。因此，結(jié)合實(shí)際，小型無人機(jī)在邊境安全防衛(wèi)中的應(yīng)用前景較為廣闊。