李寧 馬順南(91550部隊,遼寧大連 116023)

?

多用途無人機在靶場中的應用

李寧 馬順南
(91550部隊,遼寧大連 116023)

【摘 要】傳統(tǒng)測控模式在低空大航程飛行器測控、常態(tài)化校飛、空中通信中繼、試驗的全程可視化、目標特性測量等方面存在著不足,如能建設一套多用途無人機將極大程度的提高靶場對測控系統(tǒng)試驗的保障能力。本文分析了傳統(tǒng)測控模式存在的不足,提出了靶場建設多用途無人機用于測控系統(tǒng)的構想,并分析了建設效益。

【關鍵詞】靶場 多用途 無人機

1 引言

傳統(tǒng)測控模式可以理解為測控裝備布設于地面，對航天飛行器進行測控，主要包括對飛行器回傳的遙測信號進行接收與解調(diào)、對飛行器進行外測和實施實時必要的安控。隨著武器裝備的發(fā)展，對現(xiàn)代測控系統(tǒng)提出了更多的要求。例如除了傳統(tǒng)的遙測、外測和安控功能外，還期望獲取飛行器的紅外目標特性、電磁散射特性，并對反電子干擾、電子欺騙和電子對抗能力等進行評估。此外，傳統(tǒng)測控系統(tǒng)在低空大航程測控試驗、常態(tài)化校飛試驗保障，遠海試驗通信保障、試驗全程可視化等方面存在著不足。

綜上所述，靶場若能建設一套具備空基測控、常態(tài)化校飛、通信空中中繼、空中實況攝錄和目標特性測量等能力的飛機平臺，可以有效解決制約靶場試驗的多項技術問題，并大幅度提升靶場的綜合試驗能力。截至目前，我國已有各型號無人機1000多款，載重從幾千克到幾百千克、飛行高度從幾十米到十幾千米、續(xù)航從幾千米到幾千千米、航時從幾十分鐘到幾十小時、速度從幾十千米/小時到亞音速應有盡有，且在使用適應性與安全性方面有了很大進步，關鍵技術指標已能滿足靶場實際需求。本文從靶場的實際需求與實際能力差距出發(fā)，論述多用途無人機在靶場的應用。

2 多用途無人機建設的必要性

對于現(xiàn)代測控系統(tǒng)而言，傳統(tǒng)測控模式主要在以下幾方面存在著不足，其中某些方面已經(jīng)成為制約現(xiàn)代海軍靶場試驗鑒定能力的瓶頸。

2.1 低空大航程目標測控能力不足

傳統(tǒng)的地基測控在對低空大航程飛行器測控能力方面存在著嚴重不足。由于目標飛行高度低，很容易超出視距，要完成目標的全程測控，需要在整個測控區(qū)域布設大量的地面站及相應的測控裝備，投入大量的人力物力和財力。若測控站點數(shù)量不足，測控系統(tǒng)在部分段落不能完全覆蓋航區(qū)。在不進行大量布設地面測控站點的條件下，一種折中的辦法是提高飛行器的飛行高度來完成測控系統(tǒng)全程覆蓋。但該試驗條件與被鑒定對象的實際需求狀態(tài)不相符，無法真實的考核飛行器的性能。如采用天鏈數(shù)據(jù)中繼，由于同步衛(wèi)星軌道高度高，飛行器遙測信號發(fā)射功率低，天線增益較小，不具備實時傳輸高碼率測控數(shù)據(jù)的能力，實時僅能傳輸較低碼率的測控數(shù)據(jù)，不滿足實際測控需求。如能采用空基測控模式，利用飛機對目標進行伴飛，則可利用飛機“站的高、看的遠”的特點，擴大測控系統(tǒng)的覆蓋范圍，具備相應測控保障能力。

2.2 常態(tài)化校飛保障能力不足

校飛目前仍是驗收高精度測量裝備和測控系統(tǒng)精度鑒定的主要手段。在新研裝備出場驗收或測控系統(tǒng)精度鑒定時，需要將測控合作設備加裝到飛機上，通過校飛試驗考核裝備或測控系統(tǒng)的技術狀態(tài)和整體性能，發(fā)現(xiàn)并解決存在的技術問題。

靶場校飛試驗通常需協(xié)調(diào)調(diào)用外單位飛機，在實際使用中存在諸多不足：一是協(xié)調(diào)動用難度大。飛機作戰(zhàn)訓練戰(zhàn)備任務繁重，調(diào)動使用困難，特別是在國家未來重點發(fā)展高精度武器裝備的背景條件下，后續(xù)校飛試驗需求量加大，協(xié)調(diào)調(diào)用外單位飛機無法支持靶場常態(tài)化校飛試驗；二是校飛試驗效率低。由于飛機轉(zhuǎn)場距離遠導致轉(zhuǎn)場難度大、周期長，受起降風力等氣象因素制約，通常需要一個星期或更長時間，才能完成1個架次的飛行，長周期的校飛試驗嚴重影響任務進度；三是飛機加改裝頻繁。更換飛機即需重新選擇飛機進行加改裝，根據(jù)需求的不同，加裝不同的機載設備也需要對飛機進行相應的改裝，改造周期較長；四是任務消耗大，由于校飛試驗效率低，造成飛機保障消耗費用較高，同時，測控系統(tǒng)長時間的待命準備、飛機的頻繁加改裝也造成地面設備、人員的消耗較大。如采用高效便捷的無人機平臺進行校飛，能更便于靶場完成裝備或測控系統(tǒng)的精度鑒定工作，提高試驗效率。

2.3 遠海試驗通信保障能力不足

以往海軍靶場試驗主要集中于近海區(qū)域，海面通信保障較大程度依賴于岸站微波系統(tǒng)，對海通信保障能力僅限于近海有岸站微波系統(tǒng)保障的區(qū)域。受到視距限制和海面多徑效應的影響，岸站微波系統(tǒng)作用距離較近，能夠保障的通信帶寬較小，對測控系統(tǒng)試驗指揮保障而言，僅具備保障部分關鍵數(shù)據(jù)的實時傳輸能力。

在海軍從淺藍走向深藍的大背景下，仍延續(xù)使用低帶寬小范圍的岸站微波對海通信保障模式已經(jīng)無法滿足后續(xù)試驗任務需求。當試驗區(qū)域遠離陸地，艦載船載通信裝備不能與岸上通信設備通視，會造成指揮信息、測量數(shù)據(jù)無法實時傳送到指揮所，給試驗的指揮、協(xié)同帶來很大難度，甚至成為試驗方案能否成立的瓶頸。如果采用無人機進行空中通信中繼，利用無人機飛行高度高的特點，可大大增加岸站微波通信裝備的視距，減小海面多徑效應的影響，提高通信保障范圍和保障能力，有效解決遠海試驗通信能力受限的問題。

2.4 試驗全程可視化保障能力不足

視頻圖像是測控試驗中的一種重要信息，其對試驗指揮、試驗結(jié)果評定，特別是故障彈的分析判斷具有重要意義。由于海軍武器裝備試驗的任務特點，試驗航區(qū)一般遠離陸地，受地理位置限制，通常只能在發(fā)射區(qū)和落區(qū)布設少量的實況攝錄設備，獲取部分段落的實況信息，無法獲取目標飛行關鍵動作(如助推器分離、發(fā)動機級間分離、航路拐點、爬升及俯沖等)的清晰實況。依托直升機的便攜式廣角攝錄裝備，由于試驗現(xiàn)場條件所限很難穩(wěn)定跟蹤目標，獲取圖像清晰度不夠，且存在一定安全隱患。

如在無人機上加裝實況攝錄裝備，采用飛機與目標伴飛攝錄的方式，則可以獲取目標起飛、巡航直至下落的各飛行段落的實況信息，多角度的獲取試驗任務圖像數(shù)據(jù)，形成測控系統(tǒng)試驗全程可視化的保障能力。

2.5 目標特性測量保障能力不足

目標特性是測控目標本身的一種屬性，主要包括目標的紅外特性與電磁散射特性，是武器生存和突防的關鍵因素。為提升武器的生存和突防能力，新一代的武器系統(tǒng)鑒定必須考慮武器本身的目標特性，武器的目標特性測量將會是靶場今后的一項重要試驗內(nèi)容。

對于目標特性的鑒定，僅僅依靠靜態(tài)測試不能對其進行客觀測量，需進行動態(tài)條件下的多方位的測量與統(tǒng)計分析，例如在試驗時，實時測量目標在動態(tài)條件下不同方位、俯仰角度的目標的紅外特性和電磁散射特性。為滿足今后大量的目標特性測量任務需求，提升靶場自主保障能力，有必要建設靶場自主的飛機系統(tǒng)，進行目標特性測量。

3 靶場無人機的主要應用

3.1 空基轉(zhuǎn)發(fā)測控系統(tǒng)

空基轉(zhuǎn)發(fā)測控系統(tǒng)適用于含遙測、BD/GPS(接收機方式)、安控信息的武器飛行試驗。空基轉(zhuǎn)發(fā)測控系統(tǒng)安裝在飛機上，伴隨目標飛行，由相控陣天線跟蹤并接收遙測、BD/GPS測量信息。接收到信號分為兩路，一路信號經(jīng)遙測轉(zhuǎn)發(fā)器后轉(zhuǎn)發(fā)給地面或艦船上的測控設備，由測控設備完成對遙測信號的接收解調(diào)，處理后傳輸給指控中心；另一路信號經(jīng)機載遙測接收解調(diào)設備進行解調(diào)處理后通過機載衛(wèi)通天線經(jīng)衛(wèi)星傳給地面衛(wèi)通設備，再由衛(wèi)通設備傳送給指控中心。

在試驗出現(xiàn)問題需要對目標采取安全控制措施時，可通過兩種方式發(fā)送按控指令。一種方式是由測控設備向空基轉(zhuǎn)發(fā)測控系統(tǒng)發(fā)送安控指令，系統(tǒng)經(jīng)相應處理后，轉(zhuǎn)發(fā)給目標，完成航區(qū)安全控制任務；另一種方式是由測控設備發(fā)送安控指令到衛(wèi)通設備，由衛(wèi)通設備將安控指令信息經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)至空基轉(zhuǎn)發(fā)測控系統(tǒng)，再發(fā)送給測控目標，完成航區(qū)安全控制任務。這樣，通過無人機的“中繼”，可完成對目標的遙測、BD/GPS測量和安全控制任務。

當飛機加裝空間、載重和供電等因素受限不能加裝機載遙測解調(diào)設備時，可使用地面裝備接力測控，由于飛機飛行高度高，與地面裝備通視距離遠，對低空大航程目標測控可大大減少所需布設的地面站數(shù)量。當飛機加裝了機載遙測解調(diào)設備時，測控試驗可不依賴于地面測控站，僅利用無人機的衛(wèi)通鏈路完成全部航程的測控任務。

3.2 常態(tài)化校飛試驗系統(tǒng)

測控系統(tǒng)需要通過專項試驗考核系統(tǒng)的功能、協(xié)調(diào)性，發(fā)現(xiàn)并解決裝備存在的技術問題，考核系統(tǒng)的可靠性和測量精度等戰(zhàn)術技術指標，為完成試驗測控任務打下基礎，也為試驗決策提供依據(jù)。對于新研或改造的大型裝備，也需要通過專項試驗進行靶場驗收。從國內(nèi)靶場的通用作法來看，校飛試驗是最有效的方法。

靶場校飛試驗對測量設備或測控系統(tǒng)的動態(tài)跟蹤性能、工作的協(xié)調(diào)性、測量元素的精度鑒定，目前常用的方法是攜帶合作目標(應答機、信標機、遙測信號源、發(fā)射機和目標模擬器等)的飛機，在預定航路上按照一定的飛行工況飛行，被鑒定的設備和作為比較標準的設備同時跟蹤飛機，事后通過對被鑒定設備跟蹤參數(shù)的分析及測量元素的數(shù)據(jù)處理，評價其動態(tài)跟蹤性能和測量精度。可以檢驗測量設備的技術性能；鑒定設備的綜合測量精度；同時檢驗設備的工作狀態(tài)、數(shù)據(jù)傳輸、錄取、處理及軟件設計的正確性和可靠性。

采用無人機校飛具有如下優(yōu)勢：一是利于飛機改裝，便于加裝所需的應答機、信標機、發(fā)射機及天線等任務載荷；二是可以多次飛行，獲取足夠的測試結(jié)果和測量數(shù)據(jù)，提高對設備或系統(tǒng)的性能評估、精度鑒定的可信度；三是自主性強，可以大大提高校飛試驗效率。

3.3 無人機空中通信中繼系統(tǒng)

隨著武器性能的提升、航程的增大，要求試驗航區(qū)進行拓展，由近海逐步向遠海和陸地縱深發(fā)展，測控系統(tǒng)對通信保障的要求也相應提高，主要表現(xiàn)為：遠距離、大帶寬。

無人機空中中繼通信利用無人機裝載無線電中繼通信設備，能實現(xiàn)地面大覆蓋范圍的通信，是一種非常有前景的通信方式。無人機是可以重復使用的平臺，該方式與地面微波中繼通信方式類似，與地面微波中繼相比，通信保障距離更遠，經(jīng)濟效益優(yōu)勢明顯。采用無人機空中通信中繼具有以下幾個方面的優(yōu)點：一是適用于特殊地形，飛機飛行高度高，減小了地形、建筑物、樹林和海面等引起的多徑衰落影響，電波傳播路徑開闊，減少了阻擋和反射；二是通信距離遠，無人機在高空飛行，可以減少地球曲率對電波視距傳播造成的影響，增大通信距離，例如無人機的飛行高度為10km時，通信覆蓋半徑可達357km，與機載衛(wèi)通設備聯(lián)合使用，通信保障范圍可達數(shù)千公里；三是機動性強，高空高速無人機飛行速度可達亞音速，應急反應速度快，配合便攜式微波通信設備，可作為通信保障的重要應急手段，經(jīng)過事先演練和準備，可迅速抵達幾百公里外的目標，對其進行應急通信保障。

3.4 無人機空中實況攝錄系統(tǒng)

在無人機上加裝實況攝錄裝備，測控時伴隨目標飛行，并實時根據(jù)光測圖像數(shù)據(jù)對目標進行跟蹤，可形成測控試驗全程的可視化能力，特別是能夠獲取目標飛行關鍵動作(如助推器分離、發(fā)動機級間分離、航路拐點、爬升及俯沖等)的清晰實況。在飛機與地面通信裝備通視時，實時圖像數(shù)據(jù)可通過地面通信裝備接收，然后回傳至指控中心；在飛機與地面通信裝備不通視時，實時圖像數(shù)據(jù)可利用機載衛(wèi)通系統(tǒng)將圖像發(fā)送至衛(wèi)星，由地面衛(wèi)通系統(tǒng)接收后回傳至指控中心，當飛機不具備衛(wèi)星通信能力時，可采用地面通信裝備接力的方式回傳圖像數(shù)據(jù)，以飛機飛行高度10km為例，適當選擇通信裝備布設位置，兩個地面通信站便可實現(xiàn)長達1400km范圍測控帶的覆蓋。

3.5 無人機目標特性測量系統(tǒng)

將目標特性測量裝備加裝于無人機平臺上，可以實現(xiàn)對目標靜態(tài)或動態(tài)的多角度的特性測量，主要包括紅外特性和電磁散射特性測量。紅外特性測量可以獲取目標的紅外特性數(shù)據(jù)，特別目標高速運動條件下的紅外目標特性，對于武器的生存與突防能力的提升具有重要意義。單架飛機進行電磁特性測量可以獲取目標的后向散射特性，例如目標的RCS測量、極化特性測量，還可以測量目標的角閃爍特性和多普勒微動特性等；兩架或多架飛機協(xié)同進行電磁特性測量時，還可以獲取目標的非后向散射特性，這對于研究目標的反隱身具有重要意義。對目標電磁特性測量數(shù)據(jù)進行特征提取和特征識別方面的研究，對目標識別和武器精確制導具有特別重大的意義。

4 結(jié)語

多用途無人機系統(tǒng)建成后，將大大提升海軍靶場的試驗保障能力，具有較高的軍事效益。主要表現(xiàn)在以下幾方面：一是提升對低空大航程飛行目標的測控能力。二是具備校飛常態(tài)化的保障能力，特別是高精度測控系統(tǒng)校飛試驗的保障能力。三是大大提高遠海試驗的通信保障能力。四是形成試驗的全程可視化能力。五是形成目標特性測量的自主保障能力，提高靶場試驗效率。

參考文獻:

[1]鐘德安.航天測量船測控通信設備標校與校飛技術[M].北京:國防工業(yè)出版社,2009.

[2]黃學德.導彈測控系統(tǒng)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2000.

[3]邊居廉,王惠連.試驗通信技術[M].北京:國防工業(yè)出版社,2000.

[4]黃培康,殷紅成,許小劍.雷達目標特性[M].北京:電子工業(yè)出版社, 2005.

作者簡介:李寧(1981—),男,博士,工程師,研究方向:測控總體技術。