军用无人机载紧凑型光电吊舱发展及作战运用

吴依伦,孙春生

(1.海军工程大学 兵器工程学院,湖北 武汉 430000;2.中国人民解放军92038部队,山东 青岛 266000)

1 引 言

光电载荷是伴随着无人系统的军事用途而产生的,按照作战功能,机载光电载荷主要分为凝视观瞄、情报侦察、红外搜索与跟踪、告警与对抗四类[1],载机通过光电载荷能够掌握态势的演变和瞬息万变的情报信息,并为制导武器提供指引和毁伤评估。国外代表性的机载光电载荷有美国的“阻击手”光电瞄准吊舱、LITENING 瞄准吊舱、EOTS光电瞄准系统、MTS多光谱瞄准转塔、Star SAFIRE系列产品,以色列的ESP-600C、MOSP、POP300 系列产品,加拿大的MX系列和Sonoma系列产品等[2-4],以上装备虽然技术成熟、性能卓越,但是广泛用于战斗机、直升机、大型无人机等平台,重量和体积很大。早期小微型无人机受载荷能力限制,挂载的光电吊舱能力通常较为单一,多执行抵近侦察及监视任务,随着对机载光电系统性能要求的提高以及尺寸、重量和功率(Size、Weight and Power,SWaP)的限制,机载光电载荷向着精准化、小型化、智能化、多任务综合化发展[5]。

2022年,美国相继推出了多款配备可见光、红外、激光指示、激光照射等光电载荷的紧凑型光电吊舱,不仅具备全天候侦察、监视、目标定位跟踪能力,还能引导精确制导武器实施打击,作战功能较为完备。随着美国陆军“多域战”概念的提出[6],将此类光电吊舱搭载于传统防空系统难以拦截的小微型无人机[7-8],配合微型制导弹药,将打破传统作战领域的界限,在战术末端对未来战场的作战样式产生重大影响。

2 国内外典型多功能紧凑型光电吊舱

美国陆军无人机系统卓越中心根据起飞重量、飞行高度和飞行速度等要素,将ISR无人机划分为五类[9],如表1所示。本文将第Ⅰ、Ⅱ类无人机及起飞重量小于50 kg的第Ⅲ类无人机称作小微型无人机,能够搭载于小微型无人机且重量不超过8 kg的光电载荷定义为紧凑型光电吊舱。

表1 美军无人机分类标准

2.1 StormCaster系列光电吊舱

美国Teledyne FLIR公司有着先进的传感器技术,为包括大疆在内的世界各大无人机制造商提供传感器支持。2019年,推出Ⅰ类无人机载光电载荷Storm Caster系列,旨在为单兵或小型作战单元提供多功能、高性能ISR能力。第一代产品有连续变焦长波红外成像的Storm Caster-T,以及具备微光成像、跟踪和测绘能力的Storm Caster-L光电吊舱。2022年5月,发布该系列最新型号Storm Caster-DX[10],这是一款具有突破性的多功能激光目标指示光电载荷,能够提供符合STANAG 3733标准的指示激光,引导北约成员国激光制导弹药末端制导,重量仅有1250 g,它的出现使激光指示能力首次由第Ⅰ类无人机实现。此外,Storm Caster-DX还配备了两台FLIRBoson 640长波红外热像仪,支持画中画,内置用于辅助定位的人工智能/计算机视觉系统,并具备非合作激光检测、解码及定位能力。

2.2 Alticam 11EOIR系列光电吊舱

美国HoodTech Vision公司,是全球稳定成像系统的领先供应商,其设计具有低SWaP的特点,与加拿大L3公司的MX-10相比,在拥有更高探测能力的同时其产品的重量减少了10 kg。Alticam 11EOIR系列是其典型的多功能紧凑型光电吊舱,最新型号Alticam 11EOIR5由Hood Federal研发[11]。Alticam 11EOIR5具备小巧、轻便、低功耗的优点,重6200 g,直径254 mm,配备可见光、中波红外、激光指示和激光照射光电载荷,具备全天候侦察、定位、跟踪能力,两个同时的视频流允许同步开展宽视场的态势感知和窄视场的目标识别,激光目标指示器可为激光制导弹药提供符合北约标准的指示激光。

2.3 Orion HD系列光电吊舱

美国Trillium Engineering公司是为小型无人机系统战术行动开发光电载荷的领先者,其尖端成像技术已被整合到各种领先的无人机平台中,包括在美国陆军现役的德事隆系统Aerosonde、量子系统Vector和马丁无人机V-BAT。Trillium Engineering公司和Martin UAV公司建立了密切的关系,为其机身开发特殊的集成,2021年6月,Trillium宣布向Martin UAV公司提供Orion HD80光电载荷系统,同年与美国海军签订原型设计合同。Orion HD系列光电吊舱从2014年开始生产[12],全系提供720 p高清数字监控功能,配备可见光和红外摄像头,用户可根据需求选装中波红外和前视红外相机,具备850 nm激光照射和数字测距功能。其最新型号Orion HD95专门为美国陆军设计制造,安装在Aerosonde Mk.4.8 Hybrid Quad小型无人机系统上,来满足美国陆军对未来垂直升降机的要求。配备0.9 FOV中波红外摄像机,可在更远的距离提供更高的分辨率,以及发散角400 μrad的符合STANAG 3733标准的激光目标指示器。

2.4 STAMP系列光电吊舱

以色列Controp精密技术公司的 STAMP系列是专为小型无人机系统设计的一类稳定微型光电载荷[13],装配了独特的机械陀螺稳定系统,能够提供高质量图像和视觉融合惯性导航系统。该系列型号繁多,且已搭载于“云雀”、“鸟眼”和Skylite等小型无人机服役多年,主要用于执行侦察任务,成像质量堪比大型无人机光电载荷。2016年,Controp发布T-STAMP三重传感(可见光/红外/0.8 μm激光照射)微型载荷,被色列国防部门及其他国际客户采购使用。2017年和2019年,相继推出了T-STAMP-XR和T-STAMP-XD光电吊舱,XR是该系列首款具备激光指示功能的产品,重3.5 kg,XD在XR基础上提升了指示激光的功率并增加了激光测距模块。

2.5 Epsilon系列光电吊舱

美国UAV Factory公司是小型无人机领域的领导者,旗下Octopus ISR 系统公司设计的Epsilon系列陀螺稳定双传感器吊舱可用于监视、侦察和军事保护[14]。2015年,发布该系列第一款产品Epsilon 135,目前最新型号为Epsilon 180,集成全高清电视,中波红外,激光测距仪和激光照射器4种光学传感器,对人类目标(1.7 m×0.5 m)的探测、识别距离分别为8.6 km,2.9 km,对北约标准目标(2.3 m×2.3 m)的探测、识别距离分别为12.4 km,7.0 km。产品技术参数如表2所示。

表2 国外典型紧凑型光电吊舱主要技术参数

2.6 国内紧凑型光电吊舱

我国对光电载荷的研究与发达国家相比起步较晚,现役军用光电吊舱技术指标处于美国上世纪90年代初的水准[15],小型化光电吊舱的差距更为明显。近年来,随着军民融合程度不断加深和无人化智能化技术的推广,国内紧凑型光电吊舱的发展也逐步成熟。

大疆致力于成为全球飞行影像的开拓者,其行业级光电载荷在国内处于行业领先水平。禅思H20系列是大疆推出的首个混合传感器云台,H20T配备23倍混合光学变焦系统,2000万像素变焦相机,1200万像素广角相机,30帧红外热成像相机,1200 m激光测距仪,H20N配备具备夜视能力的可见光相机和长焦、广角双热成像相机。搭配大疆经纬M300 RTK无人机能够实现目标跟踪和定位。除此之外,贯中精仪、浮浩科技、深圳品灵、中科立德等公司的产品也具有较强竞争力。国内典型紧凑型光电吊舱的主要技术参数如表3所示。

表3 国内典型紧凑型光电吊舱主要技术参数

通过对比表3和表2列举的参数指标,不难看出,我国紧凑型光电吊舱与国外先进型号的差距是全方位的。主要体现在:(1)载荷集成度——国外小型吊舱标配可见光、红外、激光测距三光传感器,基本都能选装激光照射器,部分型号可以集成激光指示器,且普遍集成IMU/GPS导航模块,国内目前多集成三光传感器,具备激光照射和指示功能的光电吊舱体积和重量都大大增加,紧凑型吊舱集成难度大;(2)载荷性能——国外红外相机焦距长、灵敏度高,激光测距最大量程达15 km,而国产传感器综合性能和国外相比依然存在差距,紧凑型光电吊舱激光测距可查资料最远约5 km。

3 紧凑型光电吊舱作战运用

在实力悬殊的非对称战争中,拥有绝对空中优势的一方能够建立近距离空中支援,然而在面对具有先进拒止能力的作战对手时,能够携带高性能光电载荷的大型作战飞机容易被敌方雷达锁定攻击,很难抵近作战空域提供支援[16-17]。随着智能化、无人化技术的不断进步,小微型无人机凭借其目标特征微弱、灵活机动性强、作战效费比高、传统防空系统难以拦截的优势,在军事作战领域发挥重要作用[18]。光电吊舱作为无人机关键核心载荷,其性能指标在很大程度上影响着无人机能够担负的作战任务以及任务执行效果。紧凑型光电吊舱的发展,使小微型无人机从单纯的情报搜集、侦察监视设备转变为集情报侦察、目标引导、毁伤评估等于一体的作战平台[19-21]。

3.1 开展情报搜集

实时可靠的战场情报信息是制胜关键,从全球近几次武装冲突和局部战争来看,传统无人机作为战场情报搜集、侦察监视的主要手段,只能执行日常环境侦察、战时中低威胁环境侦察及高威胁环境防区外远距侦察任务,执行高威胁环境隐蔽抵近侦察难度大、风险高,导致高对抗条件下情报搜集能力不足[22]。紧凑型光电载荷性能的提升,使得隐身性能好、生存能力强的小微型无人机有效弥补了该能力的缺失。在俄乌冲突中,俄炮兵部队广泛使用携带全天候光学相机的“海雕-10”无人机进行目标搜索和定位,乌克兰则通过美国援助的“美洲狮”、“量子侦察”等小型无人机快速侦察抵近困难的作战区域,地面部队的态势感知能力得到有效保障。

3.2 提供目标引导

3.2.1 提供目标位置信息引导攻击

2018年,美国宇航环境公司对“传感器—射手”一体化系统进行了展示,通过操控搭载了Mantis i45三光载荷的“美洲狮”小型无人机进行巡航侦察,发现并跟踪目标后,将持续传输目标位置给“弹簧刀”巡飞弹,直至目标进入巡飞弹自身传感器视野,操作人员通过观察巡飞弹实时传送的视频画面,判定目标敌我信息,从而决定是否锁定目标实施打击。这种“无人机+巡飞弹”的组合,通过无人机提前寻找圈定攻击目标,使得巡飞弹缩短了锁定时间、拓展了攻击距离、提高了命中精度,打通了“射手到传感器”的杀伤链条[23]。“美洲狮”无人机和“弹簧刀”巡飞弹在俄乌冲突中被美国大批量援助给乌克兰,取得显著战果。

类似的作战样式其实早就得到运用,2014年俄罗斯军队通过无人机发现并引导火箭炮对乌克兰的营级、旅级作战部队实施打击,我国也在国际军事比赛中演示了无人机引导远程火箭炮精确打击科目,达到米级末端命中精度。

无论是“无人机+巡飞弹”组合还是“无人机+火箭炮”组合,都是利用小微型无人机抵近目标空域,通过光电吊舱搜索、识别打击目标,结合吊舱IMU/GPS模块解算目标坐标位置,引导精确制导武器实施打击,然而这种作战方式存在其不足,GPS制导在打击移动目标时精度不足,电视/红外制导效费比较低。

3.2.2 提供激光指示信号引导攻击

半主动激光制导武器有着高精度、低成本、适合打击动态目标的优势[24],随着吊舱小型化和多功能化的深入发展,紧凑型吊舱能够集成的传感器种类逐渐增多,使其为半主动激光制导武器提供引导成为可能。

2019年,以色列Controp公司推出T-STAMP-XD的同时,同步推出了新型小型化光电载荷STAMP-VMD,并引入了一个完整的作战概念。使用搭载STAMP-VMD的Ⅰ类无人机接近侦察区域,获取目标区域清晰的实施图像并识别打击目标,VMD将目标精确坐标发送给搭载T-STAMP-XD的Ⅱ类无人机,引导激光制导弹药实施精准打击,甚至可以直接击中移动目标,从而提高任务效率[25]。

2022年3月,乌克兰军队发布了一段在俄乌冲突中使用民用小型多旋翼无人机加装RGK-1600小型航弹对俄罗斯装甲部队实施攻击的视频,虽然此类弹药无制导,但是证明了小型无人机投放弹药的实战能力。同年10月,美国宇航环境公司参加美国陆军未来司令部主导的“会聚工程2022”(Project Convergence 2022,PC22)项目实验,通过搭载了Alticam 11EOIR5紧凑型光电吊舱的Jump20固定翼垂直起降无人机为“短柄斧”微型半主动激光制导弹药提供目标指示,验证了“小型无人机+微型制导弹药”察打一体杀伤链的可能性。

2022年,Teledyne FLIR推出的首款能够搭载于第Ⅰ类无人机的多功能激光目标指示光电载荷StormCaster-DX,将对未来小型作战单元的作战样式产生重要影响。由于其体积非常小,重量特别轻,作战人员可随身携带并安装于小型旋翼式无人机上执行任务,同时StormCaster-DX还能对敌方激光威胁信号进行探测解码,并锁定敌激光发射器位置,便于己方优先打击。

在常规作战中,激光目标指示器需要较大的空中载具携带,在目标空域盘旋并持续照射打击目标,陆地版本也需要作战人员于前线部署操作,无论哪种方式都易暴露位置、遭受攻击。紧凑型激光目标指示光电吊舱的出现,将提升载机的隐蔽性和生存力,改善激光制导武器使用限制,配合微型激光制导武器或强大的后方远程火力,作战任务成功率将大大增加。

3.3 实施毁伤评估

无人机载光电吊舱能够协助后方评估目标毁伤效果。在引导武器对目标实施精确打击后,吊舱将现场视频同步发送给攻击号手和前线指挥机构,通过轰炸后的画面判断是否再次攻击,以避免重复杀伤。俄乌冲突中,俄军展示的对乌军和亚速营据点实施精确打击的画面以及乌军无人机摧毁俄罗斯防空系统的视频,皆为近距离无人机视角,小微型无人机凭借自身优势,在打击空域悬停,待爆炸烟尘消散后观察打击效果。

4 结 语

光电吊舱作为各种空中平台的关键载荷,面对未来多域作战,其运用也将打破军种和领域之间的界限。目前国内紧凑型光电吊舱与国外先进产品依然存在较大差距,为适应快速发展的武器装备和不断变化的战场形势,综合分析国外典型产品现状及发展趋势,我国军用无人机载紧凑型光电吊舱应着力于以下几个方面:(1)自主可控的高性能传感器。目前国内消费级光电载荷的传感器多为进口产品,国产器件性能相对落后,用于国防军事领域必须实现自主可控,努力提升研发能力,开展高性能传感器研究。(2)多集成与小型化设计。将光电侦察、跟踪、观瞄、指示、告警等作战能力以及高精度IMU/GPS定位能力集成于一体的同时完成小型化和轻量化设计,降低载机使用门槛,提高作战任务执行能力。(3)通用化与模块化标准。开展吊舱型号统计及标准化规定,统一传感器接口,采用即插即用的模块化设计,缩短研发周期,降低研制与维护成本。