無(wú)人操作軍用系統需要性能較高的電子系統

引言

現代無(wú)人操作軍用系統已經(jīng)成為全世界武裝部隊不可或缺的組成部分，國防行業(yè)不斷對這類(lèi)系統進(jìn)行密集的開(kāi)發(fā)，以使其能夠發(fā)揮大范圍攻擊、監視和作戰支持的作用。無(wú)人操作系統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(guò) 55 億美元，到 2024 年，預計這一數字將接近 100 億美元[1].

無(wú)人駕駛航空器 (Unmanned Aerial Vehicle, UAV) 領(lǐng)域令人吃驚的一面是，系統種類(lèi)極其豐富，從有些重量不到 20 克的纖巧納米無(wú)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(guò) 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(lèi)之多令人嘆為觀(guān)止。

UAV 無(wú)論大小，在平衡其性能和任務(wù)續航時(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。有大量電子系統可以采用，但是在本文中，考慮電子系統時(shí)的關(guān)注點(diǎn)將落在以下幾個(gè)方面：

· 空中運行安全性和自主運行

· 傳感器和數據處理

· 通信和信息安全

· 電源系統

早期無(wú)人操作系統簡(jiǎn)介

現代 UAV 的起源可以追溯到 100 多年前，不過(guò)人們可能將 1930 年代用作空中目標打擊練習的無(wú)線(xiàn)電控制無(wú)人駕駛飛機視作最知名的 UAV 鼻祖。英國制造了 400 多架這種飛機，當時(shí)以“蜂王”這個(gè)名字聞名于世，據說(shuō)由于這種飛機而誕生了“無(wú)人駕駛飛機”這個(gè)術(shù)語(yǔ)。這種飛機要求，飛行時(shí)始終處于遙控飛機的飛行員的視線(xiàn)之內。不過(guò)沒(méi)過(guò)多久，人們就開(kāi)始嘗試超出視距范圍的自主飛行了。在 1940 年，愛(ài)德華·索倫森 (Edward M. Sorensen) 為他的地面站發(fā)明申請了專(zhuān)利，在這項發(fā)明中，使用頻率調制技術(shù)控制飛機，并讀回視距范圍以外的飛行信息。之所以有了這項專(zhuān)利，是因為人們認識到，需要一種自動(dòng)防止故障的模式，保持飛機平飛，并同時(shí)建立一個(gè)備份控制系統。

隨著(zhù)戰時(shí)武器有效載荷的發(fā)展，以及后來(lái)在 1950 年代和 1960 年代偵查平臺的發(fā)展，無(wú)人操作軍用系統的復雜性也提高了。1960 年代早期的瑞恩 (Ryan) 無(wú)人駕駛飛機采用了基本的制導系統，該系統由可編程定時(shí)器、回轉羅盤(pán)和高度表組成，決定著(zhù)離港飛行高度層、航向和飛行時(shí)間，這種飛機還提供倒轉和降落傘輔助著(zhù)陸功能。盡管這些都是相當基本的功能，但是用膠片相機獲得影像的戰略意義以及半自主系統的優(yōu)勢是很容易看到的，因此人們想更加齊心協(xié)力地進(jìn)行進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)。

空中飛行安全性和自主運行

顯然，飛行安全問(wèn)題是至關(guān)重要的，人們已經(jīng)就此問(wèn)題展開(kāi)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 )影響到現有空中交通的安全性，同時(shí)使軍用和民用 UAV 的應用開(kāi)發(fā)不受制約。

在視線(xiàn)范圍內飛行的小型 UAV 依靠遙控飛機的飛行員來(lái)判斷是否會(huì )發(fā)生碰撞，而自主或半自主運行的較大型 UAV 要想躲避空中碰撞，則需要復雜的檢測和躲避系統。人們正在為此開(kāi)發(fā)多種傳感器，例如修改傳統飛機應答器、可視和紅外攝像機、激光探測與測距 (Light Detection and Ranging，LiDAR) 系統以及常規雷達系統。將來(lái)自這些傳感器系統的數據轉換成能夠反映所處環(huán)境的圖片，然后自主做出飛行決定，這需要非常復雜的軟件和硬件資源，而且對于分享民用空域的 UAV 而言，還需要在滿(mǎn)足現有協(xié)議要求的前提下運行。在友好空域中飛行時(shí)，使用地面雷達和交通繪圖資源降低機載系統復雜性、擴大監測范圍，也許是一種選擇，不過(guò)采用這種方式時(shí)，在數據鏈路可靠性、延遲等其他問(wèn)題上要做出折中。ASTREA 計劃顯示，可以采用自主檢測和躲避技術(shù)，但是這種技術(shù)是在 Jetstream 飛機上采用的，這種飛機沒(méi)有 UAV 的功耗、尺寸和重量限制。調整這種技術(shù)以使其能夠用于大部分 UAV 是個(gè)很大的挑戰，不過(guò)采用先進(jìn)的現場(chǎng)可編程門(mén)陣列 (FPGA)、數字信號處理 (DSP) 和高性能模擬電子器件，可以使這種技術(shù)實(shí)現微型化。給這類(lèi)電子系統供電也不是個(gè)簡(jiǎn)單任務(wù)，FPGA 需要嚴格的電源準確度以及低壓和大電流，這就要求仔細設計電源鏈，以最大限度降低功耗、減少產(chǎn)生的熱量。一種方法是使用數字電源系統管理 (PSM) 技術(shù)，這種技術(shù)通過(guò)動(dòng)態(tài)調節電壓和頻率，可以降低功耗，從而有助于延長(cháng)較小型 UAV 的任務(wù)續航時(shí)間。PSM 還提高了可靠性，并提供遙控和監視功能，以及能量使用記錄和“黑匣子”故障記錄功能。

圖 1：數字電源系統管理

傳感器和數據處理

即使最小型的、手動(dòng)啟動(dòng)的 NUAV 也可以攜帶多個(gè)攝像機和照相機完成監視任務(wù)，而多種版本的 MQ-9 收割者能夠滿(mǎn)足各種不同的獵殺及監視需求。攜帶武器的版本可能載有攝像機、紅外夜視攝像機以及在有云或煙霧時(shí)使用的合成孔徑雷達 (SAR)，還有用于制導彈藥的激光測距儀和目標照明系統。提供誘餌和干擾功能的版本也已開(kāi)發(fā)出來(lái)，同時(shí)戰術(shù)數據鏈路系統能夠直接向有人駕駛飛機發(fā)送目標信息及影像數據。在信號情報 (SIGINT) 領(lǐng)域預計將進(jìn)行更多開(kāi)發(fā)工作，隨著(zhù)信號情報系統的進(jìn)步，航程更長(cháng)的版本將提供超過(guò) 40 小時(shí)的任務(wù)續航時(shí)間。由于機載傳感器的迅速增加以及任務(wù)續航時(shí)間的延長(cháng)而產(chǎn)生了大量數據，這些數據必須壓縮和存儲或通過(guò)實(shí)時(shí)數據鏈路發(fā)送，這勢必導致某些方面的折中，例如帶寬、質(zhì)量和可能的影像數據損失。

每增加一種新的有效載荷能力，都會(huì )增大電源系統的負擔。不過(guò)幸運的是，印刷電路板級電源解決方案的開(kāi)發(fā)也取得了進(jìn)步，最近幾年功率密度得到了顯著(zhù)改進(jìn)，凌力爾特公司的 µModule^® (微型模塊) 穩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，其外形尺寸適合對尺寸要求很?chē)栏竦膽?，而且可靠性非常高。圖 2 顯示了一個(gè)例子。

圖 2：LTM4644 µModule 穩壓器

通信與信息安全

UAV 的通信鏈路可以分為兩部分：

· 飛行控制數據鏈路 - 用于遠程命令 (上行鏈路) 和遙測 (下行鏈路) 信息，以在 UAV 響應操作人員指令或按照 GPS 坐標自主飛行執行任務(wù)計劃時(shí)，對 UAV 進(jìn)行監控。一般情況下，采用擴展頻譜技術(shù)的 56kbps 鏈路可以滿(mǎn)足飛行控制數據鏈路的需求，上行鏈路可以用 128 位加密算法和前向糾錯加以保護。

· 傳送有效載荷傳感器信息的通信鏈路 – 被看作是單獨的通信鏈路，高清視頻可能要求高達 10Mbps 的帶寬，同時(shí)運行 COFDM、MPEG-4 或類(lèi)似調制方案。諸如收割者等大型 UAV 一般會(huì )結合使用租用的專(zhuān)用衛星中繼線(xiàn)路 (Ku 頻段) 和地面 (C 頻段) 通信線(xiàn)路，有充足的空間放置大型天線(xiàn)，而其他類(lèi)型的無(wú)人機也許在工業(yè)、科研和醫療 (ISM) 頻段運行，例如 2.4GHz (WLAN) 和 5.8GHz 頻段。

與空中交通控制系統及協(xié)議的集成是實(shí)現 UAV 完全自主運行的另一個(gè)障礙，因為 UAV 需要響應語(yǔ)音命令，提供航向和飛行高度層信息，并通過(guò) VHF 無(wú)線(xiàn)電頻道及合成語(yǔ)音確認系統，確認已接受命令。

信息安全風(fēng)險包括故意或偶然的干擾;假冒或攔截命令及控制信號;通信通道衰減。在常規的有人駕駛飛行中，為了避開(kāi)任何非?？拷目罩酗w行物，飛行員可以立即動(dòng)手控制飛機，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載傳感器的穩定運行。

風(fēng)險總是可以減輕的，即使是非常小和按照一套設定 GPS 坐標飛行的 UAV，也可以升高飛行高度，以恢復丟失的 GPS 信號，在達到離港續航時(shí)間限制時(shí)自動(dòng)返回基站。作為應變措施，防欺詐 GPS 系統結合使用 GPS 接收器和慣性測量單元，對接收到的 GPS 信號進(jìn)行統計分析也有助于確定是否有人嘗試欺騙系統。

當然，所有這些通信系統都需要電源，而且敏感的無(wú)線(xiàn)電接收器需要一些噪聲非常低的電源，這樣無(wú)線(xiàn)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 設計方法已經(jīng)導致出現了一系列開(kāi)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(xiàn)性穩壓器。

圖 3：LT8640 Silent Switcher 穩壓器

電源系統

本文之前已經(jīng)強調過(guò)，一些 IC 級電源技術(shù)進(jìn)步支持了 UAV 及傳感器有效載荷的持續變化，不過(guò)，機載動(dòng)力源的選擇也是影響總體性能的核心因素。隨著(zhù)人們日益專(zhuān)注于開(kāi)發(fā)成本更低、尺寸更小、重量更輕的 UAV，內燃型動(dòng)力源的吸引力下降了，燃料電池技術(shù)成為可能的選擇，尤其是對續航時(shí)間長(cháng)、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(cháng)到將近 5 小時(shí)，整個(gè)燃料電池系統重約 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燃機解決方案之間，具備環(huán)保優(yōu)勢，但確實(shí)面臨一些燃料處理和存儲問(wèn)題，不過(guò)通過(guò)在可更換燃料盒中存儲顆粒狀氫，可以克服這類(lèi)問(wèn)題。

小型 UAV 和 NUAV 最有可能繼續使用鋰離子電池，視配置不同而不同，用單節電池就能使 NUAV 飛行大約 30 分鐘。較長(cháng)續航時(shí)間和較大型的型號將需要多節電池設計，這類(lèi)設計可受益于用 LTC3300 等 IC 實(shí)現的電池容量平衡技術(shù)，這種技術(shù)可最大限度延長(cháng)系統運行時(shí)間。飛行高度很高、充當偽衛星的 UAV，例如谷歌以及其他公司正在開(kāi)發(fā)、將來(lái)擬用于提供互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的 UAV，也可以用太陽(yáng)能動(dòng)力取代電池。這類(lèi)系統需要在因輻射作用增強可能導致單粒子翻轉的環(huán)境中保持可靠運行，因此復雜性會(huì )提高，而且也許需要專(zhuān)門(mén)規定所使用 IC 的特性，并對這些 IC 進(jìn)行專(zhuān)門(mén)測試。

結論

現在，無(wú)人操作系統在武裝部隊中起著(zhù)不可或缺的作用，軍方提供的大量資金促進(jìn)了這類(lèi)系統的快速開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)焦點(diǎn)尤其集中在較小型、價(jià)格較低的 UAV 系統上。

隨著(zhù)傳感器有效載荷和 UAV 平臺電子系統變得越來(lái)越復雜，電源鏈和機載動(dòng)力源的效率對于提供足夠高的運行性能變得至關(guān)重要了，新型 IC 電源解決方案正在幫助實(shí)現 SWaP 目標。

飛行高度很高的 UAV 和續航時(shí)間非常長(cháng)的任務(wù)正在推進(jìn)對太陽(yáng)能、燃料電池等新型電源的需求，而使用新型電源又意味著(zhù)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