無人武裝直升機火力控制系統技術分析

唐鸞

摘 要：該文結合無人武裝直升機的作戰任務，給出其火控系統功能、組成和結構框架，對相關火控關鍵技術進行分析，提出在該領域應重點開展的研究項目，用于支持未來無人武裝直升機火控系統的研制和作戰使用。

關鍵詞：無人武裝直升機 火力控制 關鍵技術

中圖分類號：V 271.4 文獻標識碼：：A 文章編號：1674-098X（2013）03（c）-00-03

軍用無人直升機（VTOL），是指由無線遙控設備或飛行程序控制裝置操縱的非載人軍用直升機。它不僅擁有同“捕食者”、“全球鷹”等固定翼無人機相近的功能，而且由于起降便捷、機動性好，作戰用途更加廣泛，具有非常可觀的發展前景和作戰潛力。目前，全世界約有十幾種無人直升機在軍中服役，廣泛運用于偵察監視、通信中繼、掃雷測繪等方面。隨著技術的發展，火力強、載彈量大、具備對空、對地攻擊能力，可與現役武裝直升機共同參與作戰的無人武裝直升機（又稱無人武裝作戰旋翼飛機，UCAR）正逐漸成為陸軍武器裝備的研究重點之一。

該文通過對國外無人武裝直升機（UCAR）相關研究計劃進行技術分析，給出我國未來發展的無人武裝直升機（UCAR）武器火控系統的設備組成、技術研究內容，可供項目決策使用。

1 國外研究情況

美國非常重視無人武裝直升機（UCAR）研制工作，已引起了世界關注美國陸軍與美國國防部高級預研計劃局（DARPA）于2002年5月啟動了無人武裝直升機（UCAR）項目。按照預想，UCAR要成為美陸軍航空兵自直升機服役以來最革命性的裝備。武裝直升機與無人駕駛旋翼機的聯合作戰已引起軍用直升機作戰理論的重大變革。

1.1 美軍UCAR概念

美軍UCAR系統組成描述如下：UCAR平臺與有人駕駛直升機相近的白天/夜間、復雜氣象條件下的飛行能力（速度、距離、續航時間）；可全球快速部署；模塊化的有效載荷；增強的戰場抗損性；經濟可承受（飛行費用、訓練維護費用）；有一定的擴展能力。指揮與控制：可由地面與空中的多種平臺（包括有人駕駛直升機、車輛、UAV）指揮與控制；平臺自主任務規劃（包含實時重規劃）；自動任務操作（偵察、攻擊）；與有人駕駛直升機協同作戰；低高度自主飛行。傳感器：白天/夜間、復雜氣象條件下完成：多譜目標探測；分布式合作目標探測；BDA、IFF；遠距目標識別；高可靠性。武器分為：導彈、火箭彈、炮致命性武器及非致命性武器。

1.2 用途及功能

UCAR的設計用途及功能如下：目標偵察；空中監視；雷區探查；對敵攻擊；戰損評估；電子對抗。

1.3 用戶需求

美陸軍在UCAR項目中需要弄明白的問題包括：UCAR將把何種能力帶入戰場，該系統將如何管理，滿足攻擊、偵察、瞄準和通信中繼需要的UCAR是多用途平臺還是專門任務平臺等。在項目論證階段，美陸軍首先要求UCAR必須達到的技術完備等級（TRL）為7級。

1.4 發展思路

DARPA認為，UCAR代表著美國無人機未來的發展。UCAR的使用環境設想是在適合于陸軍的低空環境，比UCAV（無人戰斗機）復雜得多。與UCAV相比，UCAR側重于驗證一名操控人員操作多架無人機的概念。結合用戶需求，DAAPA在UCAR項目中，要求驗證：UCAR的戰場生存力，特別是低空執行任務時；要求該機既要買得起也要用得起；與美陸軍其他有人駕駛和無人駕駛裝備的互操作能力；能自主地進行任務規劃和協同作戰；具有實時識別并摧毀目標的能力。

UCAR技術上的挑戰在于自主性。“完全自主”指的是不需要人的輸入就能執行任務并決策，如果環境發生變化，還能根據變化來決定如何行動。但UCAR肯定達不到完全自主，它將是半自主的。出于技術完備性要求的考慮，UCAR項目驗證的只是有人駕駛系統的輔助；在中長期，應能按預先設定的程序半自主地完成任務；而在遠期（2020—2025年以后），則應該能從頭至尾完全自主地完成任務，當然仍需要人員的監控。

1.5 項目要求

UCAR整個項目計劃初步分為概念論證、設計評估、系統研制和系統成熟等四個階段，希望通過8年時間達到預期的技術成熟階段，項目結束時要求技術成熟到可以轉入全尺寸系統的開發與演示（SDD）階段，最終發展成為一種具有垂直起降、自主操作和指揮控制能力的飛行器。

第一階段波音、洛克希德·馬丁/貝爾直升機、諾斯羅普·格魯門及西科斯基/雷神4個小組各獲得一份300萬美元的合同，為期一年。該階段要求開展結構開發、權衡研究、風險降低方案設計和性能定義。第一階段結束時將選出兩個小組進入第二階段。美國陸軍在第一階段合同中沒有給出很詳細的要求，只是提出了最高目標，共有4條：UCAR能全球使用；能在居民區上空安全使用；從空中和地面都能指揮與控制；使用JP8燃油。經評估，洛·馬公司和諾·格公司進入UCAR計劃的第二階段，主要從事設計方案的優化及評估。此時，DARPA對UCAR計劃又增加了一項新的要求，即UCAR必須達到90%或更高的可用度。第二階段將持續9個月，將完成初步設計評估。按照第二階段的合同，合同商必須制造出地面原型機和完成幾項驗證，包括生存性和有人/無人編隊驗證等。最后選出一個競爭小組進入第三階段。第三階段是系統開發階段，約持續兩年，其間將完成關鍵設計評審，有兩架驗證機同時進行試飛計劃。第四階段為系統成熟階段，其間將有第三架驗證機加入試飛。

1.6 技術關鍵

DARPA列出的UCAR的關鍵技術有：

（1）有人機/無人機聯合作戰系統的綜合設計技術。UCAR采用的是一名操控人員（可以在空中，也可以在地面）操作多架UCAR的聯合作戰模式，系統設計必須考慮充分發揮有人機、無人機的性能特點，盡量讓UCAR執行高危險性的任務，盡量降低有人平臺的危險性。

（2）自主地在低空飛行、工作并生存。美陸軍所指的低空是離地150 m，當今的無人機還沒有飛這么低的，由此帶來的難題是如何與其他無人機和有人駕駛飛機聯絡，以及如何規避地面障礙物等。可能解決辦法是采納一組被動的地形和態勢感知輔助措施，并利用現有的主動規避系統技術。

（3）必須在目標識別和時敏目標攻擊方面有大的提高。UCAR的關鍵技術是目標識別，要求其提供的目標圖像的效果要求比目前的無人機系統更好。目標截獲將通過多種類型的傳感器來實現，這些傳感器可能是UCAR本身攜載的，也可以是來自其他系統。DARPA設想UCAR的傳感器系統為模塊式的，可以根據任務需要隨時更換，其攜載的武器包括空射導彈、火箭和槍炮。盡量縮短從“信息鏈”到“火力鏈”的時間，實現時敏打擊。

（4）尋求高智能化的自主任務系統技術，能在執行任務途中改變任務。在UCAR中，人的作用是制訂任務和武器投放，處在監督的位置，但不是中心的位置。完成該項功能要求的核心是以綜合任務計算機為核心的先進而完備的電子系統為依托，通過智能化自主控制技術，實現對直升機任務控制、操縱、維護的自動化，從而大大減輕有人機操作人員的工作負荷，提高操縱功效和作戰能力。例如，在進行偵察時，高智能化的自主任務系統能自動地進行全方位搜索和探測，并自動顯示、記錄、報告；偵察發現高價值目標時，可自動完成綜合飛行/火力控制，實現時敏打擊；任務目標更換時，能夠自動做相應的任務規劃、導航、攻擊操作，包括自主航跡規劃、自主飛行控制、自動資源管理與分配等方面；當有攻擊導彈來襲時，安全系統就會立即報警，同時顯示來襲目標的性質、方位、距離和應采取的對抗方式；故障顯示系統則可自動診斷出電子系統和機械系統的故障，甚至能預報即將發生的故障，并顯示出應采取的防范措施。

（5）技術在采購、使用、支援、作戰損耗等方面都要花費得起。UCAR購機成本要控制在”科曼奇”的20%～40%，使用和支援成本要比”阿帕奇”低50%～80%，初步估測價格在400萬～800萬美元。UCAR還必須留有系統升級的空間，因為該機計劃服役20～30年，比如可能會配裝定向能武器。對隱身性能在UCAR項目中未作專門要求，但要求具有高度的戰場生存力。UCAR的非作戰損耗率必須提高一個數量級。目標是使UCAR的系統可靠性提高到能得到美國聯邦航空局的批準而在民航管制空域飛行。

（6）有條件地尋求隱身化，以保持最低可探測性。除采用傳統雷達隱身技術外，還具有紅外隱身、激光隱身和聲隱身，無疑使其具有獨特的隱身性能。

2 無人武裝直升機（UCAR）武器火控系統技術方案設想

2.1 系統組成

UCAR作戰系統由指揮與控制平臺（可以是有人駕駛直升機、地面控制站）、固定翼無人機（UAV）與無人武裝直升機（UCAR）組成。該系統由有人駕駛直升機或地面控制站來完成作戰指揮控制，一名操控人員可操作多架UCAR，對目標的偵察、定位由一架UCAR或多架UCAR聯合完成，也可由UCAR與UAV聯合完成；對目標的攻擊由操控人員指揮UCAR完成，整個系統所攜帶的武器由操控人員統一管理和控制，指揮與控制平臺可以通過聯合戰術信息分發系統實現對UAV/UCAR指揮引導、控制任務。這其中：

（1）有人機/無人機協同作戰，每一架UCAR都有一定的自主性，可根據戰場態勢和指令調整任務操作計劃，可執行“時敏”打擊任務；

（2）UCAR具備一定自主能力，能夠根據指令有選擇地投入作戰，可以根據戰場態勢做出幾種不同的選擇：一種是保護自身，即UCAR在面對威脅自身的目標時，將能夠選擇躲避或者交戰；一種是保護編隊，即UCAR將與威脅任何一架飛機的目標交戰，甚至犧牲自身來保護有人駕駛飛機；再一種是保護友方，即UCAR將與威脅友方部隊的目標直接交戰。

（3）允許實行傳感器組網探測，其他的有人或無人駕駛作戰單位與UCAR其配合，通過傳感器相互傳輸信息，為指揮者提供審視戰區內作戰地區及鄰近區域的更廣闊視野；

（4）每一架無人直升機都裝備一系列的模塊化傳感器，使它們在執行作戰任務時更容易目標識別，即使是在激烈交戰的情況下，也能識別敵我情況。

2.2 UCAR武器火控系統組成

UCAR武器火控系統由下列設備組成。

（1）智能化的核心任務處理計算機（MC）。MC用于對傳感器信息（機內、機外）和其他系統（如飛控、發動機、環控等）的信息進行融合處理；任務規劃和危險評估；產生編隊控制、火力和飛行控制指令；壓縮加密向控制站傳輸的信息和解壓、解密、解釋控制站的指令；狀態檢測、根據相關任務和當時情況進行機載設備重構。

（2）模塊化的目標探測傳感器。目標探測傳感器包括雷達、多光譜綜合光電傳感器、激光雷達、光電/電子告警設備等，傳感器可單獨使用，也可與其他UCAR傳感器聯合組網使用。

（3）低成本、小型高精度導航定位系統。包括獲得本機信息的捷聯慣性導航系統、GPS和大氣傳感系統。

（4）高可靠、標準化的數據鏈系統。用于UCAR與控制站之間的上傳和下傳信息，以及UCAR之間的信息交換。

（5）外掛物管理系統。管理、快速發射制導、非制導武器。

（6）先進的電傳飛行控制系統。可支持快速任務重規劃的飛行航跡控制和低空飛行的地形規避/跟隨飛行控制，同時可有效地執行綜合火力/飛行控制指令，實現自動機動攻擊。

（7）制導武器/非制導武器。

2.3 UCAR武器火控技術需求分析

UCAR武器火控系統的設備和技術可借鑒有人駕駛武裝直升機和固定翼無人機的相關技術，但UCAR的特定作戰模式和任務需求，給UCAR武器火控系統技術提出了新的課題。

2.3.1 機群編隊協同作戰技術

UCAR火控系統的核心技術之一是一種協同無人/有人駕駛飛機執行任務的技術，即多架UCAR與有人直升機組成編隊來實現探測、發現和攻擊目標的技術。通過UCAR智能化任務管理技術和分布式指揮控制，使UCAR機群具有自主協作能力，允許有人駕駛直升機在執行作戰任務的同時指揮UCAR，并未失去原有的作戰能力。

有人駕駛直升機飛行員擔任了空中任務指揮官的角色（負責如規劃任務、制定限制條件和交戰規則，并把最高級別的任務劃分成幾個部分后分配給每架UCAR，監控UCAR、做出投放武器的決定，同時可以監視自己的傳感器和使用自己的武器），與一個編隊的UCAR相互溝通（UCAR在發現威脅目標后及時發出警告及目標的重要程度級別，這樣操作員可以迅速地獲得頻率、強度和方向的提示，以便加強態勢感知能力）。UCAR編隊推薦一個“領隊”作為與有人飛機之間相互聯系的中心節點，在執行任務過程中，“領隊”角色可以相應改變。如果一架UCAR不得不返回，它將無縫地將所承擔的任務給其他的“伙伴”。同時，編隊的其他成員也承擔起另外一些主導作用，包括與外部信息系統交互作用、為編隊產生可以利用的信息數據。UCAR將具有聯合戰術信息分布系統（包括有人駕駛偵察飛機、UAV的雷達數據）中獲取信息，也能發回信息到信息網中。

指揮官向UCAR發出指令后，UCAR可以及時做出相應的回答。例如，指揮官可以命令UCAR飛向“紅色區域”、進行偵察、除了遭到攻擊否則不要發射武器、在特定時間報告情況、一直在指定空域徘徊等。UCAR將發現和識別一個目標，將信息傳遞給指揮人員，要求重新計劃下一步任務，從指揮人員獲得命令并予以執行。指揮官總是處于決策回路中，但并不是編隊所采取的每一個行動都需要批準。

2.3.2先進機載探測傳感器技術和信息融合技術

為了更加有效地執行作戰任務，UCAR一般在有人直升機的前面飛行，能夠到達飛行員不敢到達的更低高度，從而獲得更好的戰場視野，甚至能更接近于威脅目標。由于要求UCAR必須能夠在距離地面大約5 m的高度以110-180公里/時的速度掠地飛行，因此UCAR面臨著如何自主規避障礙物的關鍵問題，即避免UCAR與諸如山丘、樹木、高壓線之類的低空障礙物相撞，并且又能在探測威脅目標的同時避免被地面武器射中等問題。

為此，UCAR可攜帶5種不同功能的傳感器，包括用于合成孔徑雷達（SAR）對地成像和移動目標指示（MTI）的毫米波雷達，用于發射器識別的電子支援設備，用于瞄準的光電/紅外瞄準裝置，用于目標識別的激光雷達和一個激光測距機/目標指示器。這些傳感器將高度地融合各種信息數據，建立起一個空中環境數據庫，UCAR的自主飛行控制系統采用這些數據對無人機的飛行速度、高度等進行調整，以避免空中碰撞。同時，UCAR可以從地面干擾中識別出各種目標。UCAR的機載核心任務處理機接收到來自障礙規避系統的信息后，發出指令采取相應的躲避行動。

由于每種飛行器都具有同樣的搭載傳感器的能力，無人機編隊可以從多個途徑搜索目標，因此，這不僅是在一架UCAR上進行多傳感器融合，而且還要實現與編隊其他成員之間多數據的融合。通過采用多傳感器融合和自動目標識別技術（ATR），UCAR將把目標圖像“碎片”發送給任務指揮官，組合成為一幅完整的圖像。

2.3.3 高度智能化的UCAR自主任務處理技術

UCAR在編隊作戰時，武器火控系統有一定的自主性，是通過高度智能化的技術來支撐的。用來完成：

首先在指揮員的確認下，完成攻擊/防御決策自動化。包括態勢評估和態勢預測、選擇作戰行動方案，偵察/作戰任務規劃形成引導狀態、最佳化判據、指定攻擊目標、駕駛方法等控制目標。

其次完成戰術和軌跡生成自動化。包括建立、指定、選擇或尋找飛行軌跡，形成作戰航線或飛行程序，選擇引導方法，指定協同作戰UCAR的位置。

最后實現控制自動化/半自動化。包括傳感器控制的自動化；干擾控制的自動化；武器發射控制由指揮員，自動發射；通過火/飛耦合器實現與飛控的耦合以實現飛行控制的自動化。

3 結語

該文研究了無人武裝直升機的作戰任務，設計了其火力控制系統的組成、結構框架，分析其關鍵技術，以期對未來無人武裝直升機火控系統研制提供支持。

參考文獻

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