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(最多只允许输入30个字)多螺旋桨太阳能无人机横航向操稳特性研究
【摘要】：首先分析了大型高空长航时太阳能无人机由于超大展弦比和高效多螺旋桨带来的航向阻尼增量和航向操纵导数,接着分析了由此带来的横航向动态特性变化,并结合多螺旋桨的操纵特性,提出了多桨航向控制方法,最后进行了仿真验证。结果表明,分布式多桨布局对提高该类无人机的横航向稳定性有较大作用,以多桨的转速变化量最小为目标的最优化航向控制分配方法对超长航时飞行很有利。
【作者单位】：
西北工业大学无人机特种技术国家重点实验室;西北工业大学无人机研究所;
【关键词】：
太阳能无人机
最优航向控制
【基金】：国防基础科研基金资助(A)
中国博士后科学基金资助()
【分类号】：V279【正文快照】：
引言太阳能无人机由于不受能源的限制,理论上可以实现“永久飞行”,特别适合执行超长时间的侦察、监视和通信中继等任务,因此是未来无人机的一个重要发展方向。国外已经出现了多种型号的高空长航时太阳能无人机,而国内正处于快速起步阶段[1]。对于大型高空长航时太阳能无人机
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无人值守地面传感器成为探测时敏目标的重要手段
：所以请你告诉我，特朗普不是中国的代理人吗？(作者托马斯&弗里德曼，伊文译)
作为一个网络节点，潜艇可以接收、处理及共享关键任务分布式传感器数据。除此，潜艇可作为潜艇战术无人机（SubmarineTactical Unmanned aerial Vehicles, STUAVs）的部署平台。STUAVs能传输关键数据并部署船外传感器系统。作为无人值守地面传感器（Unattended GroundSensors, UGS）的&系统管理员&，潜艇将其支持范围拓展到了特种作战部队（Special Operating Forces,SOF)及拒绝访问区域的隐秘情报、监视与侦察（ISR）。潜艇长期隐秘在站，可通过无人值守地面传感器系统（针对关注目标进行探测、监测与通信）在陆地上对敌方活动进行非挑衅性观测。本文旨在探讨最大化无人值守地面传感器性能且最小化其体积所需的能力。潜艇战术无人机部署的无人值守地面传感器系统必须进行封装，以保证无人值守地面传感器系统是潜艇战术无人机的可用负载，而且会部署为网格的一部分，嵌入到地面中，保障任务周期并进行伪装以实现低探测率（Low Probabilityof Detection, LPD）与低拦截概率（Low Probability of Interception, LPI)。一经部署，无人值守地面传感器的探测、监视与传递信息能力会为情报、监视、侦察与目标定位（intelligence,surveillance, reconnaissance and targeting, ISRT)提供一种新的方式。
图1& 潜艇时敏目标探测与监测
本文描述了一种用于时敏目标（Time Critical Targets, TCT）探测的网络中心系统级概念。时敏目标包括&飞毛腿&导弹发射器、坦克、装甲输送车（APC）及军队。目标是探测、识别、监测及向指控中心实时传送信息。潜艇战术无人机传感器系统与船下无人值守地面传感器成为探测时敏目标的重要手段，且能提供打击（对抗）时敏目标后的战场损害评估（BDA）。
探测时敏目标依赖于传感器的位置，信息到指挥控制通信与计算机情报（Command ControlCommunication and Computer Intelligent C4I）站的传输以及数据分析。我们提出了一个以网络为中心的概念，其中传输与接收站被视为作战网中的一个节点。这一分布式方法的优势即信息会自动按路线发送到相关节点且如有节点发生故障时系统操作不中断。时敏目标可使用装有声敏、地震及磁性传感器的无人值守地面传感器进行探测。这些测量与信号情报（Measurement andSignal Intelligence, MASINT）传感器系统可以从潜艇战术无人机进行部署。潜艇作为&系统管理员&，可部署带测量与信号情报系统负载的无人机并在ISRT期间接收、处理并共享关键任务分布式传感器数据。
如下列出了图1-1中所示的本概念时敏目标探测与监测涉及的所有组件：
潜艇：无人机部署、网络节点接收、处理与共享传感器分布式传感器数据。
STUAV：传感器部署、传感器与潜艇间信息传输。
UGS：将传感器特征分类为TCT，持续监测TCT并采用中介平台（如STUAV）通过长途通信或炮目线（Lineof site, LOS）将数据传给潜艇。
无人机载激光技术：对敌方活动进行探测与数据通信。
目前的技术已经用于设计与研发可以测量、处理及与TCT进行声敏、地震及磁性数据通信的UGS。无人值守地面传感器可以融合低功耗电路、实时信号处理单元、长寿命电源以及耐用封装。使用商业成品技术，空中投放的传感器系统可以在全部作战周期内对目标进行探测、监测与数据传输。
在智能战场准备（IPB）阶段，STUAV上的传感系统可协助探测潜在威胁区域以保障连续的情报监视与侦查。激光技术与其他ISR设备识别出潜在区域后供STUAV部署UGS。
本文在随后节中详细讨论了TCT探测与监测。第二节讨论了STUAV作为如MASINT UGS这样传感器系统的部署平台。第三节描述了MASINT UGS用于探测与监测TCT。第四节描述了该数据从传感器到指挥控制节点的双向链路通信。第五节给出了结论与未来工作的建议。
潜艇战术无人机
现在，能够获得海岸区域信息的传感器平台不是都能够适用于潜艇，即使适用也不是直接由潜艇控制。&有机无人机&能大大扩展潜艇的行驶范围与其监视能力。潜艇的隐蔽性允许在近海区域发射小型无人机，执行一些ISRT操作（能够深入敌方领地）获取并保持空中优势的风险。这些操作包括以负载的形式采用激光技术对地面进行扫描和/或部署MASINT UGS。现在已可以采用改进的或新技术来提升无人机系统的航时、航程、生存力、容量以及任务保障能力，且仍将成本保持在可接受范围内。
潜艇部署无人机的一个最大问题就是要进行水下无人机发射。当今的攻击型潜艇利用多种发射器系统部署大量不同类型的负载，范围覆盖环境传感设备到例如鱼雷和巡航导弹的大型武器。发射器系统尺寸从3英寸对抗管到25英寸直径的垂直发射系统（Vertical LaunchSystem, VLS）不等。部署大量UGS所必需的负载能力很可能会使无人机的尺寸对于现有发射系统过大（鱼雷管和VLS例外）。其他可能的发射器包括用于将要部署在弗吉尼亚级潜艇上的先进风帆的垂直发射管。
盘旋电子战杀手（Loitering Electronic Warfare Killer, LEWK)是一个未来潜艇发射无人机的例子，图2-1显示了这个使用可充气螺旋桨技术的可变型大机翼飞机。LEWK先进概念技术演示（Advance ConceptTechnology Demonstration, ACTD）呈现了一个低成本的飞行&卡车&，也可称作盘旋无人机。这个可回收无人机系统能够携带约200磅负载执行任务8航时，飞行高度100-15000英尺，航速100-150节。LEWK通过采用独特的可充气螺旋桨技术将一个高度紧凑的弹药状物体转换成了一个大机翼长航时飞机。在它的装载配置下，LEWK高度紧凑的弹药状外形和通用炸弹的尺寸与重量相仿。发射后，该紧凑体变成一个无人机。通过降落伞进行回收。无人机通过标准任务航电集进行指控，GPS/惯性导航航电系统负责接收动态飞行中的再次任务分配。预编程与飞行中再次任务分配支持对传统与低可视系统进行干扰，发送联合效应集束弹药至GPS坐标或机载光电/红外传感器指向的目标，且支持信号中继与战斗管理。成本与性能目标通过集成大量新近研发的商业与军事技术来实现。这包括低成本传感器、GPS与惯性导航航电系统、高速计算机、支持雷达干扰的负载、现有弹药和重油活塞引擎。LEWK是一个无人驾驶、长航时、可回收，能用于所有威胁环境下的干扰平台，它能携带足够精度的负载并能与威胁指控架构协同作战。
LEWK ACTD由美国空军指控，参与者包括美国陆军、美国海军及美国海军陆战队。欧洲司令部是4年期ACTD的用户赞助商。LEWK技术管理由海军陆战队系统司令部负责。欧洲司令部为作战管理者，运输管理由空军航空系统中心负责。整体ACTD监管由五角大楼里的OSD官员负责。
图2 & 盘旋电子战杀手（LEWK）
需要对无人机进行封装保护，使其能够承受流体动力与水下发射的深度压力。当全备弹（All Up Round, AUR）（包括封装体与无人机）从发射器系统发出并安全离开潜艇外壳体，AUR的正浮力会将其带到水面。需要采用例如火箭发动机或气体发生器这样的方式将无人机发送到足够的高度以维持飞行。
无人机和潜艇间的通信由射频链路完成。这个链路可针对无人机任务计划做出改变，并且能够接收无人机工作状态、任务状态及传感器数据信息。无人机内部的高度自主性可省去与潜艇间的持续通信。这可以削减潜艇的易损性，因为不需要在整个任务期间一直有通信桅杆。也可以采用光声方法，其中无人机将一束激光束打向水面以产生水内声音通信信号，用于水下潜艇探测。由于采用了窄激光束，这一方法在空中是隐蔽的，它很难被拦截且允许潜艇在通信接收阶段高速深水行进。相似地，无人机可以接收来自潜艇无人水下航行器（UnmannedUnderwater Vehicle, UUV）的高频率声通信，通过在潜艇附近探测水面获得飞行指令或激活信号以维持水下隐蔽。
激光技术不仅可以生成并探测水面振动，还可以穿透并分析固体表面，例如地面，探测掩埋设施、矿或军队移动。低功耗探测激光束可探测人体和周边结构的声音振动，以此对军队进行被动的秘密监测。探测技术可用作智能引信，用于监控特定目标的振动瞬变或光谱；或用于对物体内外部扫描以定位其空间时间的振动信号。应用于沿海区域的激光技术支持港口防御与探测自由移向潜在威胁区域的部队。
当无人机完成自身任务后，它的任务计划会指引它飞到一个恰当的地方，潜入海洋或降在远处陆地或近水飞行到舰队航空母舰。
采用MASINT UGS进行探测与监测
由于平台间需要以网络为中心的传感器通信，因此演示了极速电子感测网（Expeditionary Sensor Grid,ESG）和端对端至传感器网关节点的连接。ESG可将小型、远程及廉价的ISR设备以这样的方式接入网络中，使所有服务可以共享作战空间内的分布式传感器数据。这样的ISR TCT探测与监测设备包括UGS（如图3-1所示）及其他STUAV传感器负载，例如激光系统。
图3-1& ESG内的UGS
目前的技术能够通过采用传感器系统实时识别TCT，这样的传感器系统包括声敏、地震及磁性传感器、低功耗数字信号处理器、低剖面天线通信链路和隐秘卫星链路。空中部署的MASINT系统可以根据目标引擎类型与气缸数、GPS定位及运行方向识别平台，通过确定车辆质量和目标距离识别运载体，该系统还可以识别军队。目标的声敏、震动及磁性特征可以存储为&特性向量&，供数据信号处理（DSP)单元进行精确探测。由于采用内部传感器处理，只有一小部分数据需要传输，如目标识别与位置。
车辆发动机的声音与振动光谱与在地面上的运动为MASINT传感器系统提供了特征，使其能在特定的距离识别车辆类型。即使是在地面有大风的情况下也可以进行TCT精确探测。通过对预放大器（控制麦克风）应用一个低噪声电源，噪声源对收集的采样数据的影响就可以减小。下一代电路板采取的降低工作电压的方式也可以减小系统前端的噪声。虽然声音信号会受到天气与地形的影响，但传感系统可以在强暴风雨条件下探测高价值地面车辆。
在空中部署指挥控制与通信处理器后就可以执行初始子系统检测，并将传感器状态报告给基站。传感器位置、内部时钟设置和北向参考可以存储于内存并当潜在目标被感测到后由DSP调用。
顶级的传感器处理器可以将远距离高性能声敏与地震传感器的数据进行相关，并将数据转变为特征特性向量与车辆识别库进行比较。传感器系统可以确定车辆的状态是未知、忽视还是识别。传感器系统通过对未知目标分类，从而实现指挥与控制分析并识别潜在新目标。新目标向量特性又可由传感器接收再加到车辆特性向量库里。对上文描述的特性向量架构进行的改进包括对带机械问题的TCT声音表现的改进，它能允许车辆运行，但会改变声音信号。
采用防水外壳、低功耗信号处理电子器件和系统控制电路板，无人值守UGS外场寿命可达12月之久。加装防水外壳并连接好的传感器可在&40℃到85℃下工作。关于节约电池电量，在低功耗指挥控制及通信微处理器（控制所有子系统）发出触发事件之前，传感器系统会一直保持惰性。指挥控制及通信处理器通过关闭提供初始内存存储数据的控制系统节省电量，这些控制系统包括GPS接收器和用于获取传感器位置与方向的磁性电路。未来还可能通过飞机初始分类来避免当任务为探测地面车辆目标时，识别飞机而耗费电能。
由于采用内部传感器处理，仅传输了少部分目标数据用于网络中心战。低拦截率（LPI）与LPD通信链路可能会耦合一个低剖面天线以将用于隐秘作战的探测减至最少。嵌入式抗干扰与反欺骗设备也能够使用关闭模式减少无关信号与目标电源故障。
战场图像实时显示能使潜艇具有执行系统管理的能力。基于PC的映射与地形软件包（如图3-2所示）可以集成于潜艇内部或网络中心平台，提供传感器信息（车辆识别、位置、到达时间与相对方位）的地理显示。这种UGS数据实时显示不仅能用于测试系统，还可添加到通用态势图以支持战斗群和联合作战。
图3-2 士兵战术决策辅助
潜艇保持隐身及长期停靠（位置相对固定）的能力有力地支撑了其指挥节点的作用，无论是在隐秘长期ISR作战，还是在短期任务例如IPB和预攻击/跨越攻击中。作为指挥控制作战平台，潜艇具有以下特色：
能在收集与报告战斗群设备信息时保持潜望深度。
提供一个非挑衅性环境，使其中的ISR和IPB操作可以进入到一个高级阶段。
在采用低可见性桅杆与天线保持隐身时允许有效双向通信。
将传感器数据传输到防区外作战中心或指挥控制节点是该系统级概念的一个重要组成部分。由于远程部署的传感器区域通常无法访问且这些传感器的功率与天线增益有限，因此需要一些链路与中继。通信数据链路包括：
UGS到无人机/卫星
无人机/卫星到潜艇/防区外作战中心（SOOC）
无人机载光电声传输到潜艇
潜艇/防区外作战中心到其他威胁网络节点
嵌入在UGS中的双向通信为&系统管理者&接收状态检测、识别与分析MASINT数据和使用所关注的新&特性向量&更新传感器识别库提供了途径。必须选择LPD或LPI通信方法以保障传感器使用过程中的通信可靠性。
UGS到无人机/卫星
为了与无人机/卫星进行通信，通信天线传输/接收模式必须有半球（最高点为原点）功能。空投的传感器系统可以设计成与轨道通信卫星VHF、军用二代UHF或L波段扩展频谱卫星通信系统进行通信。低数据速率与窄带宽与相对低功耗的UGS一致，保障了LPD/LPI。在UGS内处理中间数据降低了数据速率。窄带宽允许到卫星的上行链路为低频（VHF/UHF）。这也与UGS天线需要弱聚焦波束图样的需求是一致的。使用按需分配多址接入（Demand AssignmentMultiple Access, DAMA）协议，卫星下行链路通常会处于较高频段，如X波段，因其拥有极大的带宽以处理使用各种数据速率以及地面覆盖波束，或甚至点波束的多个用户。
卫星通信允许连续数月至一年的长期ISR操作（包含UGS）。UGS连续长期执行任务会受到电源与数据传输量的限制，通过自动或双向通信控制。战术无人机收发器传输的UGS数据可实现短期中间通信。这通常意味着对UGS电源限制更小。对于给定的UGS，如果无人机在任务期间&不可见&（接收器的信噪比超过阈值），有效占空比就难保证。
无人机/卫星到潜艇
目前，&高速深水下通信&项目正考虑进行转化并集成来自工业界、DARPA与国外浮力电缆系统、拖体与绳索系统的技术。GEC马可尼公司生产的AVXD天线，其频率范围覆盖了VHF、UHF LoS、UHF DAMA SATCOM、JTIDS、IFF、GPS与手机的频谱。目前海军水下作战中心对AVXD的评估会对现有SSN-688中的AN/BR-34s或OE-538天线提供一个备案。DARPA要求麻省理工林肯实验室演示UHF先进浮力电缆天线能够给潜艇提供收发器功能，其尺寸要能满足OE-315 BCA天线要求。可回收系留光纤（RetrievableTethered Optical Fiber, RTOF）浮标是另一种双向实时通信系统，它由英国开发，带有满足美国海军对潜艇速度与深度要求的UHF、SHF、电子保障措施和视频负载能力。可回收系留光纤必须满足美国海军其他要求以用于实战。短期增强当前双向卫星通信能力可使潜艇同UGS持续进行非挑衅性通信，为联合特遣部队提供关键TCT数据更新。
无人机光学双向传感器或通信到潜艇
空中隐秘宽频水面振动激光探测与声音信号激光生成可以位于无人机内部，用于探测水面或地面声音或振动，报告TCT用于UGS部署。将这两种独立的技术结合起来可以获得一个高功率红外激光，激发声音压力波，还可以获得一个激光多普勒振动计的低功率可见激光束，用于水面振动探测。
这些技术可被动测量空气与水交界面的振动，用于探测水下声音与生成主动光电声传输，以保障空中与水下平台通信。这些技术可以与特殊设计的光电声浮标一起使用，浮标联合了光与声音的传输与接收，保障了无人机与高速深水行进的潜艇间的持续通信。空中隐蔽作战通过窄激光束实现，声呐浮标很难探测或拦截反向于明显射频信号的传输。
激光传输与探测免去了由特种部队提供遥感、水下与空中平台及无人系统间通信的需求。初始实验室研究已经完成，演示了该概念的可行性。需要设计最佳的原型传感器以满足真实环境条件与测试。
本文阐述了一个TCT探测与监测的系统级概念。探测TCT的传感器可采用潜艇发射的无人机部署。STUAV可作为数据中继、可选部署载体及传感器平台。作为文中描述的数据与通信网络焦点，潜艇可向特种作战部队提供关键保障并执行隐秘ISRT任务。潜艇的隐秘性与长期在站支持采用MASINT系统（针对关注目标进行探测、监测与通信）在地面非挑衅性观测敌方活动。本系统的目的是要获取信息以实现精准快速的资源部署来对抗敌方目标。
传感器分阶段部署能增加瞄准点精度。由ISR确定的初始搜索区域和来自STUAV的激光负载系统共用于备战并协助战场损伤评估。
该概念的整体价值在于它提供了优化战斗中军事设备部署所必须的MASINT数据。了解敌方武器的位置与状态就能进行精准响应，这能减少响应所需的资源数量与响应威胁的成本，更重要的是，它能提供由隐秘防区外平台（如潜艇）部署并控制的ISR设备来降低人员伤亡风险。
原文标题：【第104期】无人值守地面传感器—新型潜艇情报、监视与侦察手段
文章出处：【微信号：eofrontiers，微信公众号：新光电】欢迎添加关注！文章转载请注明出处。
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