宋玉华，张利萍，林淑明
(北京理工大学计算机系，北京 100081)
摘 要：无人机因其独特而优异的战术性能，在近几次现代局部战争中得到了越来越广泛的应用，执行的任务也越来越多。从未来无人机的军事需求及其战术性能入手，结合技术发展趋势和发展可行性，对未来无人机发展需要的一些关键技术进行了分析研究，这些关键技术对提高未来无人机的战术性能具有重要作用。 石墨舟
关键词：无人机；光学技术；声电荷转移(AC T)技术；高分辨率传感器；知识系统；单片集成；智能蒙皮中图分类号:V11;V279 文献标识码:A 文章编号:1009-086X(2004)05-0030-06
Key technology for UAVs in the 21st century
SONG Yu -hua,ZHANG L-i ping,LIN Shu -ming
(Beijing Institute of Technology,Department of Computer T echnology,Beijing 100081,China)
Abstract:For its unique and outstanding tactical performance,Unmanned Aerial Vehicles(UAVs)have been widely used in recent modern local wars on various purposes.Starting with the military requirement and its tactical performance for future UAVs,based on the UAVs developing trend and feasibility,the research on those key techniques which are essential to tactical performance of UAVs is made.
Key words:UAV;Optical technology;Ac oustic charge transport technology;High resolution sensor;Kno wledge -based technology;Wafer -scale integration;Smart skin
1 引 言
无人机先后经历了无人靶机、预编程序控制无人侦察机、指令遥控无人侦察机和复合控制多用途无人机等发展阶段，目前正在向无人作战飞机系统方向发展。无人机在越南战争、中东战争、海湾战争、科索沃战争和美国打击阿富汗、伊拉克战争中卓有成效地执行了多种军事任务，包括照相侦察、撒传单、信号情报搜集、布撒雷达干扰箔条、防空火力诱饵、防空阵地位置标识、目标动态监视、目标毁伤评 估、直接投放武器攻击地面目标等。在世纪之交的几次高技术局部战争中，特别是美国打击阿富汗战争中，无人机得到了广泛使用并且表现优异，在国际上掀起了新的无人机研究热潮，许多国家的军事
部门都把无人机的发展置于优先地位
[1]
。
与其他航空武器系统相比，无人机具有许多独特而优异的战术技术性能，存在着巨大的作战潜能。在未来的高技术战争中，无人机将和其他航空武器系统一起构成综合作战力量，优势互补，共同夺取未来高技术战争的胜利。
收稿日期:2003-08-30；修回日期:2003-12-05
作者简介：宋玉华(1974-)，女，江苏丰县人，工程师，工学学士，研究方向为空军装备发展。通信地址:100076 北京9236信箱一室 电话:67952063-802(O) E -mail:ice9311@sina
2004年10月第32卷 第5期
现代防御技术
MOD ERN DEFENCE
TECHNOLOGY Oct.2004
Vol.32 No.5
21世纪的无人机以某种作战方式执行特定的作战任务时，必须具备一定的战术性能，而这些战术性能的基础是一些关键技术。本文根据军事需求以及技术发展趋势和可行性等因素，讨论了未来无人机需要的一些关键技术。
2 军事需求及战术性能
在未来的高技术战争中，无人机将执行下列作战任务:
(1)侦察任务。包括战略、战术、战场和电子等情报侦察任务。要求无人机具有较高的生存能力和隐身能力，具备全天候、全天时实时侦察能力，具有强抗干扰的超视距远程测控与信息传输能力等。
(2)电子战任务。能否夺取制电磁权将影响未来战争的进程和结局，无人机可以执行电子干扰、诱饵和反辐射攻击等电子战任务。要求无人机具备较强的负载适应性能力(可根据需要换装雷达、通信以及光电等干扰设备)。
(3)通信中继。一是在多兵种协同作战时，为相互不在视距通信范围内的部队提供通信链路；二是在地
面控制站和前方无人机间进行中继通信，以提高作战半径和地面控制站的安全性。要求无人机具有较高的生存能力和强抗干扰的通信链路。氨基硅油乳液
(4)预警任务。一是与预警机一起组成双基地预警雷达系统(预警机负责发射信号而无人机负责接收信号回波)，以扩大预警机覆盖范围，探测隐身目标；二是研制专门的无人预警机。要求无人机具备很强的信号处理能力。
(5)辅助攻击。一是在作战飞机前面飞行，探测和照射目标；二是对远程攻击武器进行超视距制导；三是装备激光照射源，在目标上空照射目标，为激光制导的导弹或提供稳定的照射源；四是进行炮位校正。要求无人机具备很强的目标探测能力。
(6)攻击任务。该任务由无人作战飞机执行，包括压制敌防空系统、纵深打击敌固定和活动目标、导弹防御、空中遮断和夺取制空权等。要求无人作战飞机具有优异的隐身性能，精确目标探测定位能力，实时、高动态、高速率、高可靠性、强抗干扰能力的数据链网，基于网络和情景遥显的实时智能控制能力等。
未来无人机必须具备的能力可能受以下关键技术发展情况的影响：光学技术、声电荷转移技术、全频谱高分辨率传感器技术、基于知识系统的技术、不同技术的单片集成技术、智能蒙皮技术等。
3 一些关键技术
离合器摩擦片结构图3.1 光学技术
光子(光波)通信系统与电子系统相比有很大优势，主要体现在以下几个方面：信息传输能力高(高4个数量级)、信号传输能量损失低(低2个数量级)、误码率低(低1个数量级)。专门为光纤系统设计的半导体激光器技术的发展可以进一步提高信息传输能力。
光子计算是一种并行处理结构，光子设备切换速度快，可以大幅度提高数据吞吐量，所以光子计算与电子计算相比具有更高的计算速度。光子计算机用光束代替导线传输信息，其内部各组件之间不需要物理连接。此外，由于光纤和激光技术的不断发展以及无线传输技术的不断突破等，光子计算机还可以采用新的分布式处理体系结构。
光学传感器，特别是采用主动照射技术以及自适应光学技术的传感器，能够提供高分辨率的目标识别信息，同时很难被敌方探测和干扰。还可以对来自多个传感器(有源和无源)的数据进行融合处理，以获取目标更多信息。例如，未来的战术激光雷达系统由二元光学器件以及激光二极管相关相位阵列组成，能提供同步距离、距离/多普勒、被动红外图像和可见光图像信息。光学信号处理器与多光谱传感器数据耦合处理，能够识别固定的和快速运动的目标。
未来的无人机机载光学系统应能抗电磁干扰和电磁脉冲破坏。该系统电磁辐射较弱，即使有所泄漏，也很难被截获和干扰。与电子设备相比，光学系统可能在先进战场管理以及武器系统的通信、计算和
信号处理等方面具有数量级的优势。与当前的低频系统相比，不管是处理动目标还是静目标，光子传感器都能以更高的分辨率、更高的精度、更快的速度
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探测、识别和分类目标。未来的无人机广泛采用光学技术，大量的连接设备就不再需要，而在电子系统中这些连接设备是造成系统失效的主要原因。
光学技术不仅普遍应用于无人机负载，而且在一定程度上还可以应用于无人机机体(智能蒙皮和结构)。光学技术的应用范围包括传感器、通信、飞机导航和计算。光学技术在未来无人机系统中的具体应用情况见表1[2]。
表1 光学技术在未来的应用
Table1 The use of optic technology in future 应用领域具体应用
光学通信
保密的光学局域网
(无人机作为机的低高度中继卫星)激光通信(非常安全的空天、
空空、空面高带宽数据链路)
C3I应用
光波引导
超过地球曲率的紫外通信
光学传感器
战术激光雷达(目标识别)
多光谱成像(在不利条件下的目标识别)飞机监控/感知(无人机自我感知/反馈、疲劳情况、状态信息)
敌我识别
光学计算数字光子计算机(无人机飞行控制、机上图像处理、专家系统)人工智能(实时智能航路规划)
宽带实时频谱分析(目标识别)
简便的实时SAR处理器
EC M/ES M信号处理器
3.2 ACT技术
未来无人机应该能够自主地执行更多的任务，能够处理更高分辨率传感器获取的海量数据，为了避免采用高带宽数据链路，要求无人机具备机上实时智能信息处理能力,AC T技术可以在这方面发挥重要作用。
AC T技术是信号处理领域的一项重大变革，与现有技术相比,AC T设备处理能力更强，组件尺寸更小，质量更轻，能耗更低，可靠性更高。它能够完成大动态范围、高时宽带宽积的高宽带信号处理任务，而且,AC T设备所用的GaAs具有较高的辐射电阻，这些能力对于宽带截获系统来说必不可少。
AC T技术可以应用于图像传感器，以满足高速、高动态范围图像输出要求，这种图像传感器利用ACT的高速和高动态范围特性作为模拟移位寄存器使用。AC T设备还可以作为具有高抗干扰能力和低截获概率通信系统的匹配滤波器，它们可以应用于反跳频、跳频和扩频通信系统。大时宽带宽积、固定抽头设备可以应用于宽带和信号截获系统的压缩接收机。AC T设备的模拟存储能力可以截获敌方的雷达脉冲，对其再调制，然后转发，从而实施欺骗干扰[3]。
ACT技术最可能的应用之一是雷达/通信/截获，它具有前置、高速、预处理数据压缩和单片、高速、400MHz采样率的A/D转换能力。这种能力可以在射频(RF)或者合适的中频(MF)级上直接处理具有几百兆带宽的模拟或数字信号。将宽带输入信号处理成低兆赫或高千赫数字信号可以降低成本，可以利用微处理器进行事后处理。
ACT技术可广泛应用于无人机通信(比如带宽压缩、加密、抗干扰)、图像处理(比如目标识别)以及远距探测(比如杂波抑制、低截获概率(隐蔽询问)、性能增强(脉冲压缩))、电子战等领域。
未来无人机应用AC T技术时，其最终性能取决于所采用的体系结构。对于数字信号处理器或者任何其他的进行信号处理的数字计算机来说，表示其性能的一个重要指标是每秒完成的乘法和加法次数(MACs/s)。目前的实时数字PTF信号相关处理速度达到450亿次MACs/s(358MHz的采样率乘以延迟抽头号(128))。表2比较了几种采用不同技术的IC信号处理器和计算机的情况[2]。
表2 不同处理器的处理能力比较
Table2 Comparision of some processors capacity
设 备处理器大约MACs/s
Comliner AC T hybrid IC450亿
Connection machine(主机)50亿
Cray2(主机)8.5亿
高速数字FIR filter ICs 4.8亿
典型的数字处理器ICs0.2亿~0.3亿
典型的RISC IC处理器0.2亿~0.3亿
1486处理器IC50万
表3对未来AC T设备可能达到的性能进行了预测(采样窗宽度可达到20ps，但在预测时取100
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现代防御技术2004年第32卷第5期
ps)。
表3 ACT设备的性能预测
火焰检测
Table3 Prediction of the ACT s performance
项 目性 能
带宽5GHz
采样率10GHz(并行处理)
采样窗宽度20ps
传输效率0.99995
动态范围40dB加上6.5lg(抽头数)
抽头号1000
卷帘门锁用10GHz的采样率乘以1000就可以得到期望的1013次MACs/s。
AC T技术在未来无人机系统中的应用最初只能是子系统级的，典型的子系统见表4。
表4 几种典型的子系统
Table4 A few typical sub-system s
领 域子系统
可编程的延迟线变压器
可变的延迟线模拟存储
多路调制器/解调器噪声白化
时间压缩/扩展脉冲处理器
频率转换器A/D转换器
自适应矢量处理器同步器
自适应波束发生器合成器
焦平面多路转接器跟踪和保持
跳频发生器梳状滤波器激光/雷达距离采样器相关器
3.3 全频谱高分辨率传感器技术
未来无人机系统必须具备很强的目标探测能力，这就对雷达、集成红外(IR)焦平面阵列、紫外(UV)焦平面阵列、低温惯导、激光雷达(LIDARs)和微波探测仪等的传感器在分辨率、精度、覆盖范围和实时性等方面提出了更高的要求。
集成红外焦平面阵列具有103~106个阵元和较宽的频谱覆盖范围(2~25 m)，这将极大提高监视系统的分辨率；同时，采用新的半导体材料的器件可以降低低温冷却要求。精密的低温冷却惯性测量组件可以非常准确地测量线加速度、角加速度和飞行器敏感到的重力梯度。安装了新的传感器的激光雷达和微波着陆设备将可以监测海洋环境，拓宽了传感器的覆盖范围。数字射频存储、数字波束生成电路和自适应宽带、阵列电子控制技术的发展将促进同步发射和接收等技术的发展。
紫外图像传感器不仅可以探测地面和机载目标的辐射/反射，而且可以对大气层和电离层的电子密度成像。对于利用电离层反射以及通过电离层的通信或雷达发射系统来说，电子密度高的区域将干扰信号的传输，所以对于超视距雷达和高频通信系统来说，有必要对电子密度进行精确、实时的成像处理，以到最适合信号传输的区域。
未来无人机系统应在单平台上集成主动和被动传感器。被动传感器在大气条件允许的情况下使用，这类传感器可以获取目标数据信息而不会被敌方探测到。如果大气条件使被动传感器无效，则可以使用
主动传感器。
3.4 基于知识系统的技术
顾婷婷是什么梗未来的无人机系统必须具有智能，可以接受人类语音命令(对于远程战场指挥官来说就像有人驾驶侦察机一样)，可以通过模拟人类决策过程来 思考 并采取行动。专家系统允许无人机根据任务执行情况做出现场决定，或者运用推理的方法来执行其他的任务。不仅无人机系统具有智能，而且各种传感器也能通过数据融合和图像理解技术来确定可能的潜在目标。最终飞机和传感器都能够基于已知的知识进行学习，并在遇到新的情况时应用这些自我生成的经验(要完成这些功能必须具有一定的可靠性，而可靠性取决于容错、自修复硬件和先进的自我故障诊断技术)。
基于知识系统的技术还可以降低未来无人机系统的寿命周期费用，当在系统采购、设计和制造中运用基于知识系统的技术时将减少费用50%，维修费用(主要是人力)也将减少一半。通过提高任务管理和目标获取效能，基于知识系统的技术在不减小系统性能的情况下(与现有系统相当)，能有效地减少未来无人机系统的数量。与现有无人机系统相比，未来的无人机系统费用将减少，而效能将提高2倍。
由于采用更先进的训练和维修方法，基于知识系统的另一个好处是可以获得较好的武装力量准备。无人机采购辅助系统也将减少采购费用。可以更快地获取先进的硬件和软件。嵌入软件智能辅助
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宋玉华，张利萍，林淑明:21世纪无人机关键技术
系统将缩短研制周期、提高维修性以及降低费用。
在未来的无人机任务和负载中，知识系统将和计算机一样广泛应用。对于特定的算法，如果不存在合适的(例如最佳的)解法，则不能使用知识系统。尽管这样，知识系统仍然可以在某些方面降低程序设计费用、执行时间、计算费用或者计算机的尺寸/质量。下面列出了未来无人机可能应用的一些技术，并根据它们在未来25年中相对的发展风险进行分组，具体情况如下[2]。
(1)低风险:
基于知识系统的无人机维修技术;
无人机采购/设计/制造智能辅助技术;
更智能化的计算机辅助训练系统;
更灵巧的机内测试技术。
(2)中度风险:
战术或后勤任务规划;
自主目标获取;
智能数据融合;
鲁棒性自转换、抗干扰传感器和数据链;
现实的未来无人机飞行器 任务模拟。
(3)高风险:
完全自主的、实时的任务执行，包括飞行中重规划;
嵌入式软件发展和支持智能辅助系统。3.5 片级集成技术
未来无人机的一个重要发展方向就是小型化，其负载子系统应能集成为单片集成电路，这样不仅可以降低尺寸和质量，还可以提高可靠性，从而以较低的费用工作更长时间，片级集成技术将为无人机的小型化作出贡献[4]。
片级集成是一项新兴技术，它可以将信号产生、信号控制、信息处理、化学和物理敏感元件、液压和
机械传动机构以及辐射的产生和探测等集成在一片3/8in的薄片上。按照目前的技术水平，这些元器件只能分别集成在分离的、绝缘的、互不兼容的光、磁、声和电子基片上。在目前的雷达和通信系统中，电子材料和先进的固态电子器件可以直接处理各种数字或模拟信号，但这种处理能力是有限的。如果某种技术可以将不同的器件集成在一个小薄片上，则可以降低制造成本和组装复杂性。
片级集成就是研究如何在单片芯片上集成各种不同信号处理设备的技术。首先需要发展一套可兼容的电子材料和专门的制造技术。将不同技术高水平地集成在单一芯片上，可以为新型雷达和通信系统提供有效的、自适应的、用户可以定制的电路，与现有设备相比，其费用更低，功能更强。这种技术以及应用这种技术的组件可以实现宽带光学、毫米波信号的分布式连接和可变的光学互联相互兼容，这样在共形天线阵和信号处理体系结构中就可以应用这些技术和组件。
片级集成技术的困难在于，电子、光学、声学和磁技术在很大程度上是互相分离的，要想集成高速的光子、磁和电子器件，就必须到一种参数和特性对所有的器件都合适的共有的基片，各种元器件必须有机结合而不能互相干扰，也不能破坏基片的完整性。
就目前情况来看，国外正在研究压力、加速度、阻抗、湿度、应变、温度、酸碱度、化学特性和方位传感器，如果将微电子模拟、数字处理和光纤信号相结合，那么探测器和传感器将使小型无人机侦察系统发生革命性的变化。
单片集成技术可以极大提高各种传感器和控制器的性能，并且大大降低其尺寸和费用。集成的模拟、数字、声、磁、电磁、光电和机械电路系统将在未来的无人机系统中得到广泛应用。单片集成技术主要应用在高数据吞吐量(模数转换、傅氏变换和图像处理)、体积受限(如微型传感器、导航和控制模块、小型相控阵雷达模块)等领域[2]。
3.6 智能蒙皮技术
未来的无人机一方面要求小型化，另一方面要求应具有很强的任务适应性，能够携带不同的负载执行不同的任务，智能蒙皮技术可以很好地解决这一问题。
在传统的设计概念中，飞机蒙皮是一种满足气动外形、强度和刚度要求的构造结构，当需要在飞行器上安装天线和传感器时，就在飞机蒙皮上凿孔，这种安装方法会带来不必要的结构、气动力、温度和费用损失问题。负载和飞机机体低水平集成的结果是
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现代防御技术2004年第32卷第5期
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