溫亮　孫曉路　衛(wèi)國(guó)華　呂建平　王波

摘要：無(wú)人機(jī)是海上航空偵察的重要手段之一， 是未來(lái)海戰(zhàn)場(chǎng)獲得制信息權(quán)、 制空權(quán)的主要偵察力量。 通過(guò)梳理國(guó)內(nèi)外海上中小型無(wú)人機(jī)的型號(hào)和屬性特點(diǎn)， 對(duì)中小型ISR無(wú)人機(jī)在海戰(zhàn)場(chǎng)的運(yùn)用模式和運(yùn)用優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了研究， 探討了中小型ISR無(wú)人機(jī)應(yīng)用于海戰(zhàn)場(chǎng)所面臨的問(wèn)題， 并分析了發(fā)射與回收、 自主控制、 任務(wù)載荷、 通信鏈路、 平臺(tái)設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)， 展望了中小型ISR無(wú)人機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)， 為中小型無(wú)人機(jī)在海上ISR領(lǐng)域的推廣應(yīng)用和規(guī)劃發(fā)展提供了參考與思路。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)； 情報(bào)偵察監(jiān)視； 海戰(zhàn)場(chǎng)； 發(fā)射與回收; 自主控制; 任務(wù)載荷; 通信鏈路

中圖分類(lèi)號(hào)：? TJ760; V279文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)： 1673-5048（2023）03-0049-07

DOI： 10.12132/ISSN.1673-5048.2022.0149

0引言

現(xiàn)代信息化條件下的高科技海上戰(zhàn)爭(zhēng)， 戰(zhàn)場(chǎng)上的軍事力量較量主要集中在信息權(quán)的爭(zhēng)奪上。 無(wú)人機(jī)作為海上航空偵察的主要手段之一， 可以搭載光電、 雷達(dá)等傳感器執(zhí)行情報(bào)（Intelligence）、 監(jiān)視（Surveillance）、 偵察（Reconnaissance）（ISR）任務(wù)， 為部隊(duì)提供戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知能力， 獲取海戰(zhàn)場(chǎng)情報(bào)， 正逐漸成為海戰(zhàn)奪取制空權(quán)、 制信息權(quán)的主力。

中小型無(wú)人機(jī)作為海上無(wú)人機(jī)偵察力量的重要組成部分， 由于其機(jī)動(dòng)、 靈活、 實(shí)時(shí)、 零傷亡、 效費(fèi)比高等特點(diǎn)， 可以深入相關(guān)敏感海域進(jìn)行全天候、 多方位、 大縱深的持續(xù)偵察與監(jiān)視， 是海上航空偵察力量不可或缺的部分。 本文針對(duì)未來(lái)海戰(zhàn)場(chǎng)信息對(duì)抗中的需求， 研究了中小型無(wú)人機(jī)在海上ISR領(lǐng)域的應(yīng)用， 并對(duì)無(wú)人機(jī)相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析， 從而探究無(wú)人機(jī)海戰(zhàn)場(chǎng)的發(fā)展方向和技術(shù)壁壘， 有效挖掘無(wú)人機(jī)在海戰(zhàn)場(chǎng)的運(yùn)用能力， 為無(wú)人裝備體系的建設(shè)和推動(dòng)無(wú)人機(jī)體系作戰(zhàn)概念的發(fā)展提供智力支撐。

1國(guó)內(nèi)外海上中小型無(wú)人機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

無(wú)人機(jī)在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)、 伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)、 阿富汗戰(zhàn)爭(zhēng)等局部戰(zhàn)爭(zhēng)中的成功運(yùn)用， 展示了其用于軍事斗爭(zhēng)的巨大潛力。 尤其在2020年阿塞拜疆對(duì)抗亞美亞尼的納卡沖突中， 無(wú)人機(jī)大放異彩， 受到各軍事強(qiáng)國(guó)的高度認(rèn)可和重視， 紛紛加快研究無(wú)人機(jī)作戰(zhàn)的步伐［1］。 美國(guó)是世界上較早開(kāi)發(fā)無(wú)人機(jī)作戰(zhàn)研究的國(guó)家， 擁有超過(guò)200個(gè)型號(hào)的軍用無(wú)人機(jī)， 其研發(fā)和采購(gòu)經(jīng)費(fèi)超過(guò)了世界無(wú)人機(jī)領(lǐng)域經(jīng)費(fèi)總支出的三分之二［2］， 無(wú)人機(jī)技術(shù)一直走在世界的前列。 早在2013年， 美國(guó)國(guó)防部就發(fā)布了戰(zhàn)略性綱要文件《無(wú)人系統(tǒng)綜合路線圖（2013-2038）》， 規(guī)劃了美軍各軍種今后25年的無(wú)人機(jī)發(fā)展方向［3］； 2018年美國(guó)國(guó)防部又對(duì)無(wú)人系統(tǒng)綜合路線圖進(jìn)行了更新， 將無(wú)人系統(tǒng)路線的規(guī)劃時(shí)間延長(zhǎng)至2042年， 主要聚焦無(wú)人平臺(tái)的跨域作戰(zhàn)、 互操作性、 自主性以及無(wú)人－有人協(xié)同作戰(zhàn)［4］， 將無(wú)人機(jī)從作戰(zhàn)工具轉(zhuǎn)變?yōu)樽鲬?zhàn)伙伴。

中小型無(wú)人機(jī)作為無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的重要發(fā)展方向， 是目前海戰(zhàn)應(yīng)用最廣、 裝備最多的無(wú)人機(jī)。 以美國(guó)海軍為例， 中小型無(wú)人機(jī)裝備量約占無(wú)人機(jī)總裝備量的90%以上［3］， 而且隨著信息技術(shù)、 人工智能技術(shù)、 傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展和無(wú)人機(jī)平臺(tái)的不斷改善， 數(shù)量還在進(jìn)一步增大。 中小型無(wú)人機(jī)通常是指短近程、 中程固定翼/旋翼無(wú)人機(jī)和無(wú)人直升機(jī)（活動(dòng)半徑小于200 km）， 可執(zhí)行戰(zhàn)術(shù)偵察、 戰(zhàn)術(shù)打擊、 戰(zhàn)前大面積偵察等任務(wù)， 是海上ISR領(lǐng)域備受矚目的偵察力量。 早在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期， 美國(guó)海軍就利用“先鋒”無(wú)人機(jī)為軍艦上的火炮提供火力校正，? 同時(shí)執(zhí)行探測(cè)和搜尋水雷、 反潛、 偵察監(jiān)視與搜救任務(wù)［5］。 在伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)中， 美軍首次使用了“銀狐”、 “陰影”和“龍眼”等小型無(wú)人機(jī)， 主要用于摧毀敵方通信系統(tǒng)、 擾亂對(duì)方通信情報(bào)， 并探測(cè)戰(zhàn)場(chǎng)物理環(huán)境和進(jìn)行通信中繼［6］。 在其他現(xiàn)代局部戰(zhàn)爭(zhēng)中， 美軍還使用了“沙漠鷹”、 “指針”、 “獵人”、 “影子”、 “掃描鷹”、 “整合者”等中小型無(wú)人機(jī)［7］。 目前， 美國(guó)海軍和海軍陸戰(zhàn)隊(duì)已裝備或正在開(kāi)發(fā)的中小型無(wú)人機(jī)包括RQ-12“黃蜂”、 RQ-20“美洲獅”、 RQ-11“渡鴉”、 MQ-11“航空探測(cè)器”、 “狼蛛鷹”、 “掃描鷹”、 RQ-7“影子”、 RQ-21A“黑杰克”、 MQ-8B/C“火力偵察兵”等無(wú)人機(jī)［8］， 預(yù)計(jì)到2035年， 美國(guó)海軍的無(wú)人機(jī)數(shù)量將會(huì)達(dá)到2 500多架［9］。 除美國(guó)之外， 以色列也是無(wú)人機(jī)強(qiáng)國(guó)， 軍用無(wú)人機(jī)技術(shù)僅次于美國(guó)， 不僅供其國(guó)內(nèi)軍隊(duì)使用， 還大量出口國(guó)外， 像納卡沖突中， 阿塞拜疆使用的“赫爾墨斯”長(zhǎng)航程偵察無(wú)人機(jī)、 “哈洛普”自殺無(wú)人機(jī)、 “搜索者”中程偵察無(wú)人機(jī)都出自以色列［10］。 其實(shí)， 在兩次中東戰(zhàn)爭(zhēng)和以黎沖突中， 以軍就已經(jīng)將無(wú)人機(jī)廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)場(chǎng)偵察與監(jiān)視， 并創(chuàng)新了各種無(wú)人機(jī)戰(zhàn)術(shù)。 以色列現(xiàn)在擁有的中小型無(wú)人機(jī)包括“搜索者”、 “航空星”、 “斗牛騎士”、 “云雀”系列、 “競(jìng)技神”系列等無(wú)人機(jī)［11-13］。 英、 法、 俄、 德、 日等國(guó)， 雖然也開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的軍用中小型無(wú)人機(jī)， 但無(wú)人機(jī)技術(shù)相較于美以兩國(guó)有一定距離。 表1對(duì)典型的中小型無(wú)人機(jī)進(jìn)行了歸納。

2中小型ISR無(wú)人機(jī)在海戰(zhàn)場(chǎng)的運(yùn)用

中小型無(wú)人機(jī)因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越受到海上作戰(zhàn)部隊(duì)的重視， 尤其在科學(xué)技術(shù)發(fā)展和海戰(zhàn)軍事應(yīng)用需求的刺激下， 中小型無(wú)人機(jī)性能不斷提高、 功能不斷擴(kuò)展、 作戰(zhàn)能力不斷增強(qiáng)， 逐漸從海上ISR領(lǐng)域的輔助裝備發(fā)展成為不可或缺的必備裝備， 是提升海上信息系統(tǒng)體系作戰(zhàn)能力的關(guān)鍵要素， 將在未來(lái)海戰(zhàn)中發(fā)揮巨大的作用。

2.1海上中小型ISR無(wú)人機(jī)的運(yùn)用特點(diǎn)

相較于大型無(wú)人機(jī)和有人機(jī)， 中小型無(wú)人機(jī)在執(zhí)行海上ISR任務(wù)時(shí)具備以下優(yōu)勢(shì)：

（1） 起降方便。 大部分水面艦艇由于船體空間的約束， 不適合大型無(wú)人機(jī)/有人機(jī)起降， 使得飛機(jī)遠(yuǎn)距離滯空時(shí)間受限。 中小型無(wú)人機(jī)體積小、 拆卸運(yùn)輸方便、 部署機(jī)動(dòng)靈活， 可在條件簡(jiǎn)陋的甲板或島礁等狹小場(chǎng)地起飛和降落。

（2） 隱蔽性好。 中小型無(wú)人機(jī)一般尺寸較小， 雷達(dá)散射面積小， 很難被搜索雷達(dá)探測(cè)到。 而且由于中小型無(wú)人機(jī)都是短近程、 中程無(wú)人機(jī)， 發(fā)動(dòng)機(jī)的功率相對(duì)較小， 使得無(wú)人機(jī)的噪聲小和紅外輻射水平低， 不易被敵方發(fā)覺(jué)， 大大增強(qiáng)了執(zhí)行任務(wù)的隱蔽性。

（3） 效費(fèi)比高。 中小型無(wú)人機(jī)相較于大型無(wú)人機(jī)和有人機(jī)， 制造成本較低， 系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單， 重量較輕、 維修方便、 可靠性好、 使用成本低， 且培訓(xùn)無(wú)人機(jī)駕駛員的時(shí)間和費(fèi)用少， 使其具有較高的效費(fèi)比。

（4） 作戰(zhàn)分布性好。 由于中小型無(wú)人機(jī)機(jī)動(dòng)靈活， 布置方便， 可將具有高價(jià)值、 多用途的平臺(tái)作戰(zhàn)能力， 如光電偵察、 電子信號(hào)獲取、 雷達(dá)偵察、 通信中繼、 電子干擾、 火力打擊等能力分布布置到大量低成本、 效費(fèi)比高的中小型無(wú)人機(jī)上， 通過(guò)合理利用作戰(zhàn)資源， 形成作戰(zhàn)能力協(xié)同倍增效應(yīng)， 實(shí)現(xiàn)分布式作戰(zhàn)效果。

（5） 可集群化作戰(zhàn)。 中小型無(wú)人機(jī)成本低， 可大批量裝備于海上作戰(zhàn)部隊(duì)， 通過(guò)相關(guān)戰(zhàn)術(shù)可形成無(wú)人機(jī)集群作戰(zhàn)能力， 完成ISR、 目標(biāo)定位、 火力指引等任務(wù)。 而且， 由于各無(wú)人機(jī)小而分散， 敵方摧毀困難且攻擊代價(jià)高， 即使被摧毀， 代價(jià)較低， 容易補(bǔ)充。

2.2海上中小型ISR無(wú)人機(jī)的運(yùn)用樣式

傳統(tǒng)的水面艦艇偵察、 艦載直升機(jī)偵察完全滿足不了海上作戰(zhàn)部隊(duì)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)信息獲取的需求， 中小型無(wú)人機(jī)因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)， 可以彌補(bǔ)其他海上情報(bào)搜集、 信息獲取手段的不足， 提升海上情報(bào)體系的有效性、 完整性、 實(shí)時(shí)性， 為指揮員下決心、 做決策和執(zhí)行行動(dòng)計(jì)劃提供強(qiáng)有力的支撐。 中小型無(wú)人機(jī)可以廣泛應(yīng)用于海上ISR領(lǐng)域， 主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1） 隨艦偵察。 海上艦船盡管裝有雷達(dá)、 光電、 水聲探測(cè)等多種艦載偵察裝備， 但由于受到地球曲率半徑的影響及自身探測(cè)設(shè)備的限制， 其探測(cè)范圍存在明顯的局限性。 而中小型無(wú)人機(jī)可搭載相關(guān)傳感器， 發(fā)揮居高臨下的優(yōu)勢(shì)， 實(shí)施多批量、 長(zhǎng)時(shí)間不間斷偵察監(jiān)視， 彌補(bǔ)艦船低空和超低空探測(cè)能力和范圍的不足， 形成多維立體化情報(bào)網(wǎng)。

（2） 島礁巡邏。 海上島礁星羅棋布， 遠(yuǎn)離大陸。 采用傳統(tǒng)艦船或有人機(jī)巡邏的方式對(duì)島礁進(jìn)行常態(tài)化監(jiān)控的成本太高， 可使用中小型無(wú)人機(jī)搭配艦船巡邏的方式， 實(shí)施島礁常態(tài)化巡邏， 從而加強(qiáng)對(duì)島礁的管控能力。 同時(shí)， 可在島礁上布署中小型無(wú)人機(jī)， 對(duì)大面積敏感海域?qū)嵤┏志谩?實(shí)時(shí)的監(jiān)控， 提高相關(guān)海域的監(jiān)控與執(zhí)法能力。

（3） 航空搜潛與探雷。 潛艇隱蔽性較好， 對(duì)艦、 對(duì)岸基軍用設(shè)施威脅較大。 采用中小型無(wú)人機(jī)搭配磁探儀， 可以長(zhǎng)時(shí)間對(duì)海域進(jìn)行航空搜潛作業(yè)， 大大提高艦艇的反潛作戰(zhàn)能力。 同時(shí)， 中小型無(wú)人機(jī)可搭配金屬探測(cè)傳感器， 實(shí)施海域掃雷作業(yè)。 由于探雷無(wú)人機(jī)體積小， 運(yùn)輸方便， 單艘掃雷艦艇可以攜帶多架無(wú)人機(jī)，? 實(shí)施大范圍的海域探雷作業(yè)， 大大提高掃雷效率， 而且可實(shí)現(xiàn)掃雷人員零傷亡。

（4） 艦船跟蹤與定位。 通過(guò)偵察衛(wèi)星等偵察設(shè)備發(fā)現(xiàn)敵方可疑艦船后， 若采用艦船跟隨進(jìn)行跟蹤與定位， 容易暴露我方艦船的位置。 此時(shí)， 可以在超視距范圍外發(fā)射小型無(wú)人機(jī)， 抵達(dá)相關(guān)海域后， 使用可見(jiàn)光、 紅外或雷達(dá)偵察平臺(tái)進(jìn)行偵察與搜索， 發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后將目標(biāo)鎖定并持續(xù)跟蹤， 同時(shí)將目標(biāo)位置與偵察圖像等數(shù)據(jù)傳輸給指揮站， 完成目標(biāo)跟蹤與定位任務(wù)。

（5） 目標(biāo)指示與毀傷評(píng)估。 中小型無(wú)人機(jī)可搭載激光、 雷達(dá)等偵察設(shè)備， 為艦船的艦載火炮和導(dǎo)彈選定攻擊目標(biāo)， 同時(shí)及時(shí)提供目標(biāo)的坐標(biāo)、 方位、 速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)， 協(xié)助艦載火控系統(tǒng)完成目標(biāo)分析和射擊計(jì)算， 并使用激光指示器對(duì)目標(biāo)進(jìn)行指示， 實(shí)現(xiàn)艦載武器對(duì)目標(biāo)的精確打擊。 攻擊過(guò)后， 無(wú)人機(jī)還可以對(duì)目標(biāo)的毀傷效果進(jìn)行評(píng)估， 協(xié)助指揮官?zèng)Q策是否進(jìn)行再次攻擊。

（6） 預(yù)警和通信中繼。 由于大海寬廣無(wú)垠， 海上通信資源較為有限， 而中小型無(wú)人機(jī)滯空能力強(qiáng)、 成本低， 可在海戰(zhàn)場(chǎng)布置大量無(wú)人機(jī)攜帶通信控制系統(tǒng)、 雷達(dá)系統(tǒng)等通信載荷， 形成海上通信網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)， 為戰(zhàn)區(qū)提供不間斷的戰(zhàn)場(chǎng)預(yù)警和通信中繼能力， 提供傳感器到傳感器、 傳感器到信息平臺(tái)的傳輸途徑， 并和衛(wèi)星通訊系統(tǒng)、 艦載無(wú)線電通信系統(tǒng)、 水下通信系統(tǒng)構(gòu)成?？仗煲惑w的立體化信息通信網(wǎng)絡(luò)。

3海上ISR無(wú)人機(jī)關(guān)鍵技術(shù)分析

雖然中小型ISR無(wú)人機(jī)因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)受到世界各國(guó)海上作戰(zhàn)部隊(duì)的青睞， 但海上環(huán)境惡劣， 其存在起降平臺(tái)危險(xiǎn)較大、 智能化程度不夠、 數(shù)據(jù)傳輸較慢、 任務(wù)載荷精度較低和平臺(tái)抗腐蝕能力差等問(wèn)題， 制約了中小型無(wú)人機(jī)在海戰(zhàn)場(chǎng)的應(yīng)用。

3.1發(fā)射與回收技術(shù)

海上大型無(wú)人機(jī)和有人機(jī)， 可在大型艦艇或島礁機(jī)場(chǎng)有專(zhuān)用跑道起飛， 而中小型無(wú)人機(jī)的起飛面臨的是艦艇甲板或島礁的狹小場(chǎng)地， 且更易受到涌浪、 甲板風(fēng)等環(huán)境因素的影響，? 它的起飛一直是個(gè)難題。 而且， 大多數(shù)無(wú)人機(jī)起飛后， 在完成任務(wù)的同時(shí)， 為了實(shí)現(xiàn)其最大利用價(jià)值， 都會(huì)進(jìn)行回收利用。 受平臺(tái)的限制， 海上無(wú)人機(jī)著艦回收的安全性問(wèn)題尤為突出。 有資料表明， 無(wú)人機(jī)回收過(guò)程的故障數(shù)占無(wú)人機(jī)整個(gè)執(zhí)行任務(wù)故障總數(shù)的80%以上［14］。 因此， 海上中小型ISR無(wú)人機(jī)的發(fā)射與回收兩大技術(shù)難題， 成為制約無(wú)人機(jī)海戰(zhàn)運(yùn)用的最主要因素。

目前， 海上中小型無(wú)人機(jī)的起飛方式主要有母機(jī)投放、 彈射起飛、 火箭助推起飛、 垂直起飛和手拋發(fā)射等（如圖1所示）。 其中彈射起飛是利用很強(qiáng)的彈性元件的彈力作為動(dòng)力， 為無(wú)人機(jī)提供起飛所需的加速度， 如美國(guó)“影子200”、 “掃描鷹”、 “黑杰克”， 英國(guó)的“不死鳥(niǎo)”， 以色列的“先鋒”都采用此起飛方式［15-16］； 火箭助推起飛是借助固體火箭助推器， 從發(fā)射架將無(wú)人機(jī)助推起飛， 美國(guó)的“獵人”、 英國(guó)的“小獵鷹”和以色列的“哈比”無(wú)人機(jī)都采用這種起飛方式［17］； 垂直起飛技術(shù)能夠讓無(wú)人機(jī)垂直發(fā)射， 并具備空中懸停能力， 對(duì)跑道和其他發(fā)射裝備無(wú)依賴， 適合各類(lèi)型艦艇使用， 是目前無(wú)人機(jī)發(fā)射技術(shù)的研究重點(diǎn)， 大多數(shù)旋翼無(wú)人機(jī)和無(wú)人直升機(jī)都采用了這種方式， 還有少部分固定翼無(wú)人機(jī)， 如最新的美國(guó)“金眼”和俄羅斯“無(wú)風(fēng)”-3無(wú)人機(jī)［18］。

海上中小型無(wú)人機(jī)的回收方式主要包括垂直降落、 傘降回收、 撞網(wǎng)回收、 天鉤回收（撞繩回收）、 艦面降落和側(cè)臂回收等， 如圖2所示。 其中， 傘降回收是無(wú)人機(jī)通過(guò)降落傘落到海面， 工作人員進(jìn)行打撈回收。 大部分小型無(wú)人機(jī)都適合這種回收方式， 但是需要無(wú)人平臺(tái)具有防水能力， 且打撈過(guò)程較為麻煩［19］； 撞網(wǎng)回收是通過(guò)艦面無(wú)線電引導(dǎo)， 將無(wú)人機(jī)引入阻攔網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行回收的方式， 美國(guó)的“銀狐”、 “美洲獅”和以色列的“先鋒”、 “偵察兵”無(wú)人機(jī)都采用這種回收方式［20］； 天鉤回收又稱為單垂阻攔回收， 是通過(guò)裝在無(wú)人機(jī)上的自鎖掛鉤鎖定在阻攔索上進(jìn)行回收， 2004年首次應(yīng)用于“掃描鷹”無(wú)人機(jī)［21］； 側(cè)臂回收是一種能發(fā)射和回收質(zhì)量達(dá)500 kg無(wú)人機(jī)的小型機(jī)械裝置， 可實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)安全發(fā)射和受控減速回收， 兼容當(dāng)前和未來(lái)的戰(zhàn)術(shù)無(wú)人機(jī)， 特別適合海上平臺(tái)。 2016年12月， 美國(guó)極光科學(xué)公司成功進(jìn)行了回收測(cè)試， 但是此回收技術(shù)還有許多技術(shù)難點(diǎn)尚未完全攻破， 比如回收階段的航跡規(guī)劃與自主控制能力等［22］， 所以側(cè)臂回收技術(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)測(cè)試階段， 目前還未應(yīng)用于現(xiàn)役無(wú)人機(jī)［23］。 需要注意的是， 海上中小型無(wú)人機(jī)的回收特別依賴艦船的無(wú)線電引導(dǎo)系統(tǒng)， 它需要引導(dǎo)系統(tǒng)精確平穩(wěn)地指引無(wú)人機(jī)進(jìn)入設(shè)置好的回收區(qū)域， 實(shí)現(xiàn)成功回收。 表2列舉了幾種典型海上中小型無(wú)人機(jī)的起飛與回收方式。

3.2自主控制技術(shù)

無(wú)人機(jī)系統(tǒng)能夠完成人類(lèi)通過(guò)人機(jī)交互布置給它的任務(wù)， 最核心的技術(shù)是自主控制技術(shù)， 即無(wú)人機(jī)系統(tǒng)具有自主性， 擁有感知、 認(rèn)知、 分析、 通信、 規(guī)劃、 決策以及執(zhí)行的能力。 針對(duì)指定任務(wù)， 無(wú)人機(jī)通過(guò)態(tài)勢(shì)感知與分析、 自主學(xué)習(xí)與決策， 在最小化人為參與的情況下， 優(yōu)質(zhì)高效完成任務(wù)。 自主控制技術(shù)得益于目前蓬勃發(fā)展的人工智能技術(shù)， 主要涉及態(tài)勢(shì)感知技術(shù)、 智能規(guī)劃技術(shù)、 自主決策技術(shù)以及協(xié)同技術(shù)。

態(tài)勢(shì)感知技術(shù)是無(wú)人機(jī)系統(tǒng)理解并適應(yīng)環(huán)境的能力。 為了適應(yīng)復(fù)雜不確定的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境， 無(wú)人機(jī)須具備對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的感知、 認(rèn)知與理解， 這意味著無(wú)人機(jī)能夠融合多種傳感器的數(shù)據(jù)信息， 自主對(duì)周?chē)鷳?zhàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行建模， 并通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)計(jì)算、 分析與處理， 完成環(huán)境特征提取、 目標(biāo)識(shí)別、 態(tài)勢(shì)評(píng)估、 狀態(tài)估計(jì)等， 將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成有用的情報(bào)， 服務(wù)于后期的決策過(guò)程。 2021年， Yamanouchi等人提出了一個(gè)3D懸垂系統(tǒng)， 該系統(tǒng)可以使無(wú)人機(jī)基于著陸場(chǎng)景和飛行經(jīng)驗(yàn)， 實(shí)現(xiàn)對(duì)周?chē)h(huán)境的智能感知［24］。

智能規(guī)劃技術(shù)是無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)智能飛行的關(guān)鍵技術(shù)。 無(wú)人機(jī)在執(zhí)行任務(wù)時(shí)， 可以根據(jù)任務(wù)的地點(diǎn)， 智能規(guī)劃最適合的飛行航線， 并能有效避開(kāi)威脅， 防止碰撞， 而且可以根據(jù)作業(yè)環(huán)境態(tài)勢(shì)的變化以及任務(wù)的改變， 實(shí)時(shí)或近實(shí)時(shí)地修改與重新制定系統(tǒng)的任務(wù)路徑， 智能完成任務(wù)的航跡規(guī)劃和重規(guī)劃。 例如， 采用離線訓(xùn)練-在線規(guī)劃框架的基于DDPG智能規(guī)劃技術(shù)的無(wú)人機(jī)， 可高效穩(wěn)定運(yùn)行， 能適應(yīng)未知連續(xù)高維的環(huán)境態(tài)勢(shì)， 具有較強(qiáng)的智能規(guī)劃性能［25］。 2021年， Liu等人提出了基于蟻群算法的無(wú)人機(jī)自主規(guī)劃技術(shù)， 有效提高了無(wú)人機(jī)智能路線規(guī)劃和飛行的能力［26］。

自主決策技術(shù)是無(wú)人機(jī)系統(tǒng)能夠自主做決定、 下決心的技術(shù)， 可以使無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)更高的自主性。 但目前該技術(shù)僅限于無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的任務(wù)設(shè)定及任務(wù)分配、 處理、 利用和分發(fā)等過(guò)程。 例如， 2021年， 針對(duì)多無(wú)人機(jī)協(xié)同的自主決策問(wèn)題， Ma等人結(jié)合雙甲骨文與臨近搜索算法， 提出DO-NS算法， 加快了數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)間并提高了系統(tǒng)決策質(zhì)量， 從而有效改善了無(wú)人機(jī)的自主決策能力［27］。 但是， 對(duì)于指揮過(guò)程中是否放開(kāi)機(jī)器自主決策存在諸多風(fēng)險(xiǎn)， 爭(zhēng)議較大， 鑒于目前的智能技術(shù)， 需要慎重考慮。

協(xié)同技術(shù)是無(wú)人機(jī)系統(tǒng)與其他有人/無(wú)人系統(tǒng)協(xié)作的能力。 無(wú)人機(jī)在與其他系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同作戰(zhàn)、 集群作戰(zhàn)時(shí)， 需要通過(guò)信息共享、 任務(wù)沖突消解、 任務(wù)分配來(lái)提供相互協(xié)作能力， 使無(wú)人機(jī)系統(tǒng)編隊(duì)協(xié)調(diào)其活動(dòng)， 在不需要人類(lèi)的監(jiān)督下， 實(shí)現(xiàn)共同的目標(biāo)。 這種協(xié)同技術(shù)將帶來(lái)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)控制方式的轉(zhuǎn)變， 即從以前直接對(duì)單個(gè)無(wú)人機(jī)的控制轉(zhuǎn)變?yōu)榫庩?duì)制定戰(zhàn)略決策， 是未來(lái)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)重要的發(fā)展技術(shù)之一［28-29］。

雖然隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展， 無(wú)人機(jī)的智能化程度越來(lái)越高， 但距離獨(dú)立于操作者的管理和自我管理的真正自主性還很遠(yuǎn)。

3.3任務(wù)載荷技術(shù)

無(wú)人機(jī)系統(tǒng)能執(zhí)行偵察、 監(jiān)視、 電子對(duì)抗、 目標(biāo)跟蹤、 作戰(zhàn)效能評(píng)估等任務(wù)很大程度得益于無(wú)人機(jī)的任務(wù)載荷， 主要是各類(lèi)通用的傳感器， 如光電、 雷達(dá)、 信號(hào)、 生化、 氣象傳感器等。 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能不僅取決于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的性能， 更多的是取決于任務(wù)載荷技術(shù)。 任務(wù)載荷除了必須滿足無(wú)人機(jī)尺寸、 重量、 能耗、 隱身等裝機(jī)要素約束外， 還必須具備成本低、 分辨率高、 探測(cè)遠(yuǎn)、 應(yīng)用靈活方便等屬性要求。 無(wú)人機(jī)的任務(wù)載荷技術(shù)主要包括以下幾類(lèi)。

（1） 可見(jiàn)光探測(cè)技術(shù)。 其主要涉及電磁波的可見(jiàn)光波段， 此類(lèi)探測(cè)技術(shù)成像分辨率高， 提供的圖像直觀、 清晰， 是其他傳感器技術(shù)無(wú)法比擬的， 而且以被動(dòng)探測(cè)為主， 隱蔽性好， 抗電磁干擾性強(qiáng)。 但在傳播過(guò)程中易受到雨、 雪、 霧、 風(fēng)等不良天氣的形象。 所以， 在氣象環(huán)境比較好的情況下， 可見(jiàn)光探測(cè)是無(wú)人機(jī)執(zhí)行近距離偵察、 監(jiān)視的最佳選擇。 如采用光學(xué)透霧與電子透霧兩種方法相結(jié)合， 可以增強(qiáng)圖像成像質(zhì)量和增大作用距離， 實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的超視距觀測(cè)［30］。

（2） 紅外探測(cè)技術(shù)。 其主要涉及電磁波的紅外波段， 此類(lèi)探測(cè)技術(shù)探測(cè)距離較近， 成像模糊， 且極易受環(huán)境溫差的影響， 但不受惡劣天氣影響， 且可以探測(cè)隱身目標(biāo)， 特別適合無(wú)人機(jī)夜間執(zhí)行ISR任務(wù)。 紅外探測(cè)技術(shù)通常會(huì)和可見(jiàn)光、 激光探測(cè)技術(shù)組合成光電綜合探測(cè)設(shè)備。 例如， 2020年， 以色列拉斐爾公司推出了微晶（Microlite） 輕型緊湊式光電/紅外成像系統(tǒng)， 可執(zhí)行全天候廣域持續(xù)監(jiān)視任務(wù)［31］。

（3） 雷達(dá)成像技術(shù)。 其主要是指合成孔徑雷達(dá)（SAR）技術(shù)， 涉及電磁波的微波波段。 相較于光電探測(cè)技術(shù)， SAR雷達(dá)能在夜間或能見(jiàn)度極低的天氣條件下工作， 以高分辨率進(jìn)行大面積成像偵察， 但是重量大、 功率高， 只適合大型無(wú)人機(jī)裝載使用。 隨著無(wú)線電天線技術(shù)和信號(hào)處理裝備的小型化發(fā)展， SAR雷達(dá)可裝備于中小型無(wú)人機(jī)。 例如， 2022年， Khosravi等人提出了基于無(wú)人機(jī)SAR圖像的分類(lèi)數(shù)據(jù)處理技術(shù)， 有效改善了SAR雷達(dá)的成像質(zhì)量［32］。

無(wú)人機(jī)任務(wù)載荷種類(lèi)較多， 有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。 為了適應(yīng)未來(lái)海戰(zhàn)的多樣化作戰(zhàn)需求， 無(wú)人機(jī)的任務(wù)載荷需進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)， 即無(wú)人機(jī)可根據(jù)執(zhí)行任務(wù)的不同， 選擇不同、 最適合的任務(wù)載荷， 實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的“一機(jī)多用”， 任務(wù)載荷的“即插即用”。

3.4通信鏈路技術(shù)

無(wú)人機(jī)通信鏈路技術(shù)是無(wú)人機(jī)開(kāi)發(fā)的重要技術(shù)之一， 其是連接無(wú)人機(jī)與各類(lèi)作戰(zhàn)平臺(tái)的紐帶， 是無(wú)人機(jī)成功完成任務(wù)的保障。 無(wú)人機(jī)在執(zhí)行任務(wù)時(shí)， 各類(lèi)任務(wù)載荷產(chǎn)生大量的圖像情報(bào)、 聲像情報(bào)和信號(hào)情報(bào)， 此時(shí)需要通信網(wǎng)絡(luò)將這些情報(bào)信息實(shí)時(shí)、 快速、 安全地傳回?cái)?shù)據(jù)中心， 以便形成有用的綜合情報(bào)， 供指揮員決策使用。 在無(wú)人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)、 集群作戰(zhàn)中， 無(wú)人機(jī)與有人機(jī)之間、 無(wú)人機(jī)之間、 無(wú)人機(jī)與水面作戰(zhàn)系統(tǒng)之間、 無(wú)人機(jī)與陸地作戰(zhàn)系統(tǒng)之間必須進(jìn)行有機(jī)協(xié)調(diào)， 實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)與各作戰(zhàn)平臺(tái)、 指揮系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通互操作， 此時(shí)同樣需要高帶寬、 大容量、 快速的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與通訊。 可以說(shuō)， 通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是無(wú)人作戰(zhàn)系統(tǒng)的血脈， 其的好壞直接決定了整個(gè)作戰(zhàn)系統(tǒng)的運(yùn)行暢通與否。

為了應(yīng)對(duì)無(wú)人機(jī)多樣化的作戰(zhàn)， 提高通信鏈路的帶寬與容量， 各類(lèi)新技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生， 包括分布式動(dòng)態(tài)多址技術(shù)、 實(shí)時(shí)魯棒寬帶傳輸技術(shù)、 多跳網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息交換傳輸策略等。 其中， 針對(duì)無(wú)人機(jī)集群作戰(zhàn)通信， 研究者提出了一種無(wú)人機(jī)集群自組網(wǎng)通信技術(shù)， 其是一種動(dòng)態(tài)自組織無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)， 具有網(wǎng)狀分布、 無(wú)中心、 自組織、 遠(yuǎn)距離、 準(zhǔn)定位等技術(shù)優(yōu)勢(shì)［33-35］。 可以支持群內(nèi)任意節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)加入和退出， 滿足無(wú)人機(jī)集群在大規(guī)模、 高移動(dòng)動(dòng)態(tài)情況下的協(xié)同通信需求。

3.5平臺(tái)設(shè)計(jì)技術(shù)

海上作戰(zhàn)環(huán)境不同于陸地，? 海上無(wú)人機(jī)平臺(tái)的設(shè)計(jì)也不同于陸基無(wú)人機(jī)， 設(shè)計(jì)時(shí)還需要注意以下幾方面。

（1） 抗腐蝕設(shè)計(jì)。 海洋環(huán)境高溫、 高濕、 高鹽霧， 容易導(dǎo)致機(jī)械部件生銹破壞以及電子電器短路失效， 從而影響無(wú)人機(jī)的可靠性和使用壽命。 因此， 在設(shè)計(jì)海上無(wú)人機(jī)時(shí)需考慮無(wú)人機(jī)的抗腐蝕性。 目前常用的防腐蝕措施是為無(wú)人機(jī)部件噴涂耐腐蝕材料或加裝防護(hù)裝置［36］， 當(dāng)然這也會(huì)帶來(lái)重量增加、 散熱不暢等問(wèn)題。

（2） 氣動(dòng)載荷設(shè)計(jì)。 海上環(huán)境風(fēng)大且頻繁。 中小型無(wú)人機(jī)速度低、 質(zhì)量輕、 翼展小、 升力大， 飛行易受到陣風(fēng)的影響。 海上無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)， 需要考慮無(wú)人機(jī)的氣動(dòng)載荷能力， 以結(jié)構(gòu)輕量化為目標(biāo)， 綜合無(wú)人機(jī)的氣動(dòng)特性、 設(shè)計(jì)壽命、 控制操作方式等進(jìn)行氣動(dòng)載荷設(shè)計(jì)， 從而達(dá)到最優(yōu)的無(wú)人機(jī)綜合性能。

（3） 抗沉沒(méi)設(shè)計(jì)。 無(wú)人機(jī)在海上作業(yè)時(shí)存在一定程度的落水可能性， 而且有些海上無(wú)人機(jī)是通過(guò)海面降落進(jìn)行回收的。 為了最大程度地提高無(wú)人機(jī)的生存力、 使用壽命， 確保任務(wù)設(shè)備安全， 海上無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮抗沉沒(méi)設(shè)計(jì)， 如采用閉孔泡沫夾心結(jié)構(gòu)、 獨(dú)立水密艙設(shè)計(jì)等［37］。

綜合分析可知， 未來(lái)海上中小型ISR無(wú)人機(jī)的發(fā)展方向更多強(qiáng)調(diào)無(wú)人平臺(tái)設(shè)計(jì)的可靠性以及發(fā)射與回收的可行性， 以便適應(yīng)海上戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境； 重點(diǎn)開(kāi)發(fā)無(wú)人機(jī)自主性、 數(shù)據(jù)鏈路魯棒性， 實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通互操作性， 以便發(fā)展有人－無(wú)人與無(wú)人－無(wú)人協(xié)同作戰(zhàn)、 集群化作戰(zhàn)； 重視提升無(wú)人機(jī)任務(wù)載荷能力， 以便滿足海上多樣化作戰(zhàn)的需求。

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Application and Key Technology Analysis of Small and Medium－Sized ISR

UAVs in the Field of Maritime

Wen Liang*， Sun Xiaolu， Wei Guohua， Lü Jianping， Wang Bo

（China Coast Guard Academy， Ningbo 315801， China）

Abstract： Unmanned aerial vehicle （UAV） ， which is one of the significant means of maritime and aviation reconnaissance， is recognized as the main reconnaissance force to obtain information control and air control in the future sea battlefield. By combing the models and attribute characteristics of foreign small and medium－sized UAVs on the sea， this paper studies the application mode and application advantages of small and medium－sized ISR UAVs in the sea battlefield， and discusses their problems faced by the application， then analyzes the key technologies， such as launch and recovery， autonomous control， mission load， communication link， platform design， finally looks forward to their development trend. This paper provides reference and ideas for the popularization， application and planning development of small and medium－sized ISR UAVs in the field of maritime.

Key words： UAV; ISR; sea battlefield; launch and recovery; autonomous control; mission load; communication link

收稿日期： 2022-07-16

基金項(xiàng)目：? 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61871244）

*作者簡(jiǎn)介： 溫亮（1984-）， 男， 江西贛州人， 副教授。