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全面了解无人机一

 一、无人机是什么

       无人机是无人驾驶飞机的简称(Unmanned Aerial Vehicle),是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置的不载人飞机,包括无人直升机、固定翼机、多旋翼飞行器、无人飞艇、无人伞翼机。广义地看也包括临近空间飞行器(20-100公里空域),如平流层飞艇、高空气球、太阳能无人机等。从某种角度来看,无人机可以在无人驾驶的条件下完成复杂空中飞行任务和各种负载任务,可以被看做是“空中机器人”。

       按照不同平台构型来分类,无人机可主要有固定翼无人机、无人直升机和多旋翼无人机三大平台,其它小种类无人机平台还包括伞翼无人机、扑翼无人机和无人飞船等。固定翼无人机是军用和多数民用无人机的主流平台,最大特点是飞行速度较快;无人直升机是灵活性最强的无人机平台,可以原地垂直起飞和悬停;多旋翼(多轴)无人机是消费级和部分民用用途的首选平台,灵活性介于固定翼和直升机中间(起降需要推力),但操纵简单、成本较低。

按不同使用领域来划分,无人机可分为军用、民用和消费级三大类,对于无人机的性能要求各有偏重:

       1)军用无人机对于灵敏度、飞行高度速度、智能化等有着更高的要求,是技术水平最高的无人机,包括侦察、诱饵、电子对抗、通信中继、靶机和无人战斗机等机型;

       2)民用无人机一般对于速度、升限和航程等要求都较低,但对于人员操作培训、综合成本有较高的要求,因此需要形成成熟的产业链提供尽可能低廉的零部件和支持服务,目前来看民用无人机最大的市场在于政府公共服务的提供,如警用、消防、气象等,占到总需求的约70%,而我们认为未来无人机潜力最大的市场可能就在民用,新增市场需求可能出现在农业植保、货物速度、空中无线网络、数据获取等领域;

       3)消费级无人机一般采用成本较低的多旋翼平台,用于航拍、游戏等休闲用途。

 

直升机活动

图:世界民用无人机使用领域构成

 

二、无人机技术难点

  1、飞控系统是无人机的“驾驶员”更精确、更清晰

       飞控子系统是无人机完成起飞、空中飞行、执行任务和返场回收等整个飞行过程的核心系统,飞控对于无人机相当于驾驶员对于有人机的作用,我们认为是无人机最核心的技术之一。飞控一般包括传感器、机载计算机和伺服作动设备三大部分,实现的功能主要有无人机姿态稳定和控制、无人机任务设备管理和应急控制三大类。

直升机飞行

图:飞机架构

       其中,机身大量装配的各种传感器(包括角速率、姿态、位置、加速度、高度和空速等)是飞控系统的基础,是保证飞机控制精度的关键,在不同飞行环境下、不同用途的无人机对传感器的配置要求也不同。未来对无人机态势感知、战场上识别敌我、防区外交战能力等方面的需求,要求无人机传感器具有更高的探测精度、更高的分辨率,因此国外无人机传感器中大量应用了超光谱成像、合成孔径雷达、超高频穿透等新技术。

       2、导航系统是无人机的“眼睛”,多技术结合是未来方向

       导航系统向无人机提供参考坐标系的位置、速度、飞行姿态,引导无人机按照指定航线飞行,相当于有人机系统中的领航员。无人机载导航系统主要分非自主(GPS等)和自主(惯性制导)两种,但分别有易受干扰和误差积累增大的缺点,而未来无人机的发展要求障碍回避、物资或武器投放、自动进场着陆等功能,需要高精度、高可靠性、高抗干扰性能,因此多种导航技术结合的“惯性+多传感器+GPS+光电导航系统”将是未来发展的方向。

       3、动力系统-涡轮有望逐步取代活塞,新能源发动机提升续航能力

       不同用途的无人机对动力装置的要求不同,但都希望发动机体积小、成本低、工作可靠:1)无人机目前广泛采用的动力装置为活塞式发动机,但活塞式只适用于低速低空小型无人机;2)对于一次性使用的靶机、自杀式无人机或导弹,要求推重比高但寿命可以短(1-2h),一般使用涡喷式发动机;3)低空无人直升机一般使用涡轴发动机,高空长航时的大型无人机一般使用涡扇发动机(美国全球鹰重达12t);4)消费级微型无人机(多旋翼)一般使用电池驱动的电动机,起飞质量不到100克、续航时间小于一小时。

       往前看,我们认为随着涡轮发动机推重比、寿命不断提高、油耗降低,涡轮将取代活塞成为无人机的主力动力机型,太阳能、氢能等新能源电动机也有望为小型无人机提供更持久的生存力。

       4、数据链是“放风筝的线”–从独立专用系统向全球信息格栅(GIG)过渡

       数据链传输系统是无人机的重要技术组成,负责完成对无人机遥控、遥测、跟踪定位和传感器传输,上行数据链实现对无人机遥控、下行数据链执行遥测、数据传输功能。普通无人机大多采用定制视距数据链,而中高空、长航时无人机则都会采用视距和超视距卫通数据链。

       现代数据链技术的发展推动者无人机数据链向着高速、宽带、保密、抗干扰的方向发展,无人机实用化能力将越来越强。往前看,随着机载传感器、定位的精细程度和执行任务的复杂程度不断上升,对数据链的贷款提出了很强的要求,未来随着机载高速处理器的突飞猛进,预计几年后现有射频数据链的传输速率将翻倍,未来在全天候要求低的领域可能还将出现激光通讯方式。

 

       从美国制定的无人机通信网络发展战略上看,数据链系统从最初IP化的传输、多机互连网络,正在向卫星网络转换传输,以及最终的完全全球信息格栅(GIG)配置过渡,为授权用户提供无缝全球信息资源交互能力,既支持固定用户、又支持移动用户。

 

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