“无人机”的前世今生

2014-10-24 TMT行业研究

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  无人机(unmannedaerialvehicle或drone)简称无人驾驶飞机,英文缩写为“UAV”,是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。它最早出现于20世纪20年代,当时是作为训练用的靶机使用的。是一个许多国家用于描述最新一代无人驾驶飞机的术语。从字面上讲,这个术语可以描述从风筝,无线电遥控飞机,到V-1飞弹从发展来的巡航导弹,但是在军方的术语中仅限于可重复使用的比空气重的飞行器。
  无人机用途广泛,成本低,效费比好;无人员伤亡风险;生存能力强,机动性能好,使用方便,在现代战争中有极其重要的作用,在民用领域更有广阔的前景。
  无人机的飞速发展和广泛运用是在海湾战争后。以美国为首的西方国家充分认识到无人机在战争中的作用,竞相把高新技术应用到无人机的研制与发展上:新翼型和轻型材料大大增加了无人机的续航时间;采用先进的信号处理与通信技术提高了无人机的图像传递速度和数字化传输速度;先进的自动驾驶仪使无人机不再需要陆基电视屏幕领航,而是按程序飞往盘旋点,改变高度和飞往下一个目标。新一代的无人机能从多种平台上发射和回收,例如从地面车辆、舰船、航空器、亚轨道飞行器和卫星进行发射和回收。地面操纵员可以通过计算机检验它的程序并根据需要改变无人机的航向。而其他一些更先进的技术装备、如高级窃听装置、穿透树叶的雷达、提供化学能力的微型分光计设备等,也将被安装到无人机上。
  在越南战争,海湾战争乃至北约空袭南斯拉夫的过程中,无人机都被频繁地用于执行军事任务。无人机虽然不是战场上空执行空中任务的主力,但也成为不可缺少的重要组成部分。由于无人机是无人驾驶,因而可以把它送到危险的环境执行任务而无须担心人员伤亡,所以世界上各主要军事国家对无人机在军事上的用途十分青睐。
  无人机分为侦察机和靶机:
  侦察机用于完成战场侦察和监视、定位校射、毁伤评估、电子战等;也可民用,如边境巡逻、核辐射探测、航空摄影、航空探矿、灾情监视、交通巡逻、治安监控等;
  靶机可作为火炮、导弹的靶标。
  无人机最早的开发是在一战后,并在二战中无人靶机用于训练防空炮手。
  第二次世界大战之後将多於或者是退役的飞机改装成为特殊研究或者是靶机,成为近代无人机使用趋势的先河。随著电子技术的进步,无人机在担任侦查任务的角色上开始展露他的弹性与重要性。譬如在越战期间,美国曾经使用大量的无人机对高价值或者是防御严密的目标进行侦查的工作,如此一来可以减少人员的伤亡或是被俘虏的风险。
  1982年以色列航空工业公司(IAI)首创以无人机担任其他角色的军事任务。在加利利和平行动(黎巴嫩战争)时期,侦察者无人机无人机系统曾经在以色列陆军和以色列空军的服役中担任重要战斗角色。以色列国防军主要用无人机进行侦察兵,情报收集,跟踪和通讯。1991年的沙漠风暴作战当中,美军曾经发射专门设计欺骗雷达系统的小型无人机作为诱饵,这种诱饵也成为其他国家效彷的对象。
  但在20世纪晚期之前,他们不过是比全尺寸的遥控飞机小一些而已。美国军方在这类飞行器上的兴趣不断增长,因为他们提供了成本低廉,极富任务弹性的战斗机器,这些战斗机器可以被使用而不存在机组人员死亡的风险。最初的一代主要以侦察机为大宗,一些无人机已经装备了武器(例如RQ-1捕食者装备AGM-114地狱火空对地导弹)。由无人机担任更多角色的军事预想,最初是轰炸和对地攻击,空对空战斗,飞行员最后一块领域。装备有武器的无人机被称为无人战斗机飞机(UCAV)。
  美国军队曾经购买和自制先锋无人机在对伊拉克的第二次和第三次海湾战争中作为可靠的系统。
无人机可实现高分辨率影像的采集,在弥补卫星遥感经常因云层遮挡获取不到影像缺点的同时,解决了传统卫星遥感重访周期过长,应急不及时等问题。无人机飞行的分类及特点如图所示。
无人机系统由飞机平台系统、信息采集系统和地面控制系统组成,如图所示。
  无人机的系统工作流程可分为五大步骤:
  (1)开始界面:快捷实现任务的规划,进入任务监控界面,实现航拍任务的快速自动归档,
  各功能划分开来,实现软件运行的专一而稳定。
  (2)航前检查:为保证任务的安全进行,起飞前结合飞行控制软件进行自动检测,确保飞机的GPS、罗盘、空速管及其俯仰翻滚等状态良好,避免在航拍中危险情况的发生。
  (3)飞行任务规划:在区域空照、导航、混合三种模式下进行飞行任务的规划。
  (4)航飞监控:实时掌握飞机的姿态、方位、空速、位置、电池电压、即时风速风向、任务时间等重要状态,便于操作人员实时判断任务的可执行性,进一步保证任务的安全。
  (5)影像拼接:航拍任务完成后,导航航拍影像进行研究区域的影像拼接。
  美国研制和发展无人机的主要国家之一。美军认为无人机适合冷战后的“地区防务战略”和监视地区冲突的需要。为了提高战场实时侦察能力,美军研制和装备了以下无人机。
  “先锋”无人机
  已经在波黑、海地、索马里以及海湾参加过作战。动力为19千瓦,作战半径约为185公里,留这5小时,45公斤的负载包括红外或电子光学图像设备。“先锋”无人机常与E-8C探测到潜在的高等级目标,然后“先锋”无人机进入目标区实施侦察。
  “捕食者”无人机
  前额突出的“捕食者”中空续航无人机在未来相当一段时间内仍是美军远程无人机,主要用于前线部队,为陆军旅和陆战队特遣部队提供电子光学和红外情报。1997年1月31日,美空军驻内利斯空军基地第11侦察机中队装备了首批“捕食者”无人机。它长约8米,翼展约14米,最大升限7600米,作战半径926公里,最长续航时间为40小时,全重204公斤。机上载有综合孔径雷达、电子光学和红外传感器,能从简易机场或舰船甲板上起飞,不需要降落伞或拦阻索。这种飞机在波黑参加过作战,飞行记录为2620任务小时,证明了其作战的价值和能力。“捕食者”能识破地面伪装的装备和伪装行动,适干监视大面积重要场地和侦察任何敌对行动。无人机通过卫星系统向联合空中作战中心或联合情报中心传输实时侦察情况。美国空军准备购买50架“捕食者”无人机。
  “环球鹰”无人机
  又名“蒂尔”II,将成为21世纪初美军远程无人机的中坚,是一种适用于在低等至中等威胁环境下执行侦察任务的远程长航时无人机。无人机重3.5吨,机长14米,翼展35米,留空时间42小时,最大不加油航程为2.25万公里,能在2万米飞行高度昼夜侦察。“环球鹰”无人机将装备综合孔径雷达、红外和电子光学传感器。搜索方式时的分辨能力为0.9米,定点分辨侦察能力为0.3米。“环球鹰”无人机每秒能发回50兆位数据,它可以近实时向地面站发送视频图像,也能将综合孔径雷达数据直接发往前线地面部队。“环球鹰”无人机用于执行远程和长时间的任务。包括连续在大面积地区侦察机动导弹发射架。无人机能通过卫星与地面站进行联络,使唤远离前线的怀念部也能指挥作战,无人机侦察期间能过行规避机动并能利用雷达干扰机实施干扰和进行电子欺骗。
  “暗星”无人机
  又名“蒂尔”III,是一种适用于大威胁环境下侦察用的高空续航隐形无人机。计划少量生产,仅用于在重点防御地区上空飞行。隐形“暗星”无人机不具备“环球鹰”无人机的性能和负载,但具有突破最好防空系统的能力和最佳生存能力。“暗星”无人机的机体较薄,机翼又长又窄,作战半径为926公里,续航时间8小时,最大升限1.4万米,使用FJ44型涡轮风扇发动机。“暗星”无人机每秒钟的通信能力限制在1.5兆位,飞行中主要传送固定框架图像。“暗星”无人机的特点是:隐形、生存能力强,活动范围和续航时间都比“环球鹰”更大更长。两者的主要区别在于“环球鹰”主要任务是担负低威胁度或中等威胁度地区上空的执行高度胁度区域上空的侦察任务,而“暗星”主要用来执行高威胁区域上空的侦察任务。
  袖珍无人机
  美国防部高级研究计划局正在研制一种机长和翼展都不足15厘米的微型无人机。它续航时间为1小时,航程16公里。它既可飞入建筑物内进行侦察,又可作为视听监视哨附着在建筑物或装备上。美国防部准备将这种飞机用于执行特殊情况下的监视任务。
  无人战斗机
  航速将是音速的12倍,它既可以从大型有人驾驶飞机上发射,也可由飞行员在地面进行摇控去执行各种作战任务。1996年3月,美国国家航空航天局研制出两架试验机:X-36试验型无尾无人战斗机。该机长5.7米,重88公斤,其大小相当于普通战斗机的28%。该机使用的分列式副翼和转向推力系统比常规战斗机更具有灵活性。水平垂直的机尾既减轻了重量和拉力,也缩小了雷达反射截面。无人驾驶战斗机将执行的理想任务是压制敌防空、遮断、战斗损失评估、战区导弹防御以及超高空攻击,特别适合在政治敏感区执行任务。高级机动无人驾驶战斗机能用激光摧毁目标。
  无人隐形攻击机
  这种飞机的速度为5倍音速。可使用微型高精确制导炸弹,能在几分钟之内摧毁各种移动目标。美空军计划在未来10-30年内,用无人战斗机和无人隐形攻击机取代现有飞机来执行危险性较大的作战任务。
  无人机是通过无线电遥控设备或机载计算机程控系统进行操控的不载人飞行器。无人机结构简单、使用成本低,不但能完成有人驾驶飞机执行的任务,更适用于有人飞机不宜执行的任务,如危险区域的地质灾害调查、空中救援指挥和环境遥感监测。
  无人机为空中遥感平台的微型遥感技术,其特点是:以无人机为空中平台,遥感传感器获取信息,用计算机对图像信息进行处理,并按照一定精度要求制作成图像。
  无人机遥感(Unmanned Aerial Vehicle Remote Sensing)技术,既是利用先进的无人驾驶飞行器技术、遥感传感器技术、遥测遥控技术、通讯技术、GPS差分定位技术和遥感应用技术,具有自动化、智能化、专用化快速获取国土、资源、环境等空间遥感信息,完成遥感数据处理、建模和应用分析的应用技术。无人机遥感系统由于具有机动、快速、经济等优势,已经成为世界各国争相研究的热点课题,现已逐步从研究开发发展到实际应用阶段,成为未来的主要航空遥感技术之一。
  遥感传感器是根据不同类型的遥感任务,使用相应的机载遥感设备,如高分辨率CCD数码相机、轻型光学相机、多光谱成像仪、红外扫描仪,激光扫描仪、磁测仪、合成孔径雷达等。使用的遥感传感器应具备数字化、体积小、重量轻、精度高、存储量大、性能优异等特点。
  无人机遥感航空技术以低速无人驾驶飞机为空中遥感平台,用彩色、黑白、红外、摄像技术拍摄空中影像数据;并用计算机对图像信息加工处理。全系统在设计和最优化组合方面具有突出的特点,是集成了遥感、遥控、遥测技术与计算机技术的新型应用技术。
  传感器的不断面世,无人机的性能不断提高,应用范围和应用领域迅速拓展。世界范围内的各种用途、各种性能指标的无人机的类型已达数百种之多。续航时间从一小时延长到几十个小时,任务载荷从几公斤到几百公斤,这为长时间、大范围的遥感监测提供了保障,也为搭载多种传感器和执行多种任务创造了有利条件。
  传感器由早期的胶片相机向大面阵数字化发展,2011年国内制造的数字航空测量相机拥有8000多万像素,能够同时拍摄彩色、红外、全色的高精度航片;中国测绘科学研究院使用多台哈苏相机组合照相,利用开发的软件再进行拼接,有效地提高了遥感飞行效率;德国禄来公司推出的2200万像素专业相机,配备了自动保持水平和改正旋偏的相机云台,开发了相应的成图软件。另外激光三维扫描仪、红外扫描仪等小型高精度遥感器为无人机遥感的应用提供了发展的余地。
  无人机遥感技术可快速对地质环境信息和过时的GIS数据库进行更新、修正、和升级。为政府和相关部门的行政管理、土地、地质环境治理,提供及时的技术保证。
  我们来盘点一下高大上的无人机制造公司:
  深圳市大疆创新科技有限公司
  深圳市大疆创新科技有限公司(DJI-Innovations,简称DJI),创始人汪滔,2006年成立于广东省深圳市。大疆创新科技是一家位于中国深圳的私有无人机制造厂商,该公司生产的DJI无人机被用于航空摄影摄像,很受业余和专业摄影师的欢迎。DJI无人机既有售价420美元的Phantom基本款,也有售价高达11000美元的S1000Ready to Fly Octocopter专业款,应用范围非常大。位于宾夕法尼亚州马纳杨克的马纳杨克洗衣公司就使用大疆制造的DJI无人机递送干洗
  的衣物。而在旧金山,一名男子曾在求婚时别出心裁的使用DJI无人机递送戒指。网址http://www.dji.com/cn/
  ParrotEPA
  成立于1994年的ParrotEPA是一家总部位于法国巴黎的无线产品制造商。创始人玛莎·斯图沃特(MarthaStewart)。2011年,ParrotEPA发布首款无人机产品ParrotAR.Drone,之后该公司继续拓展无人机产品线,推出了Mini-Drone、ARDrone3.0Bebop等多款产品。ParrotEPA的产品颇受业余玩家和黑客的欢迎。美国家政女王玛莎-斯图尔特(MathaStewart)接受《名利场》采访时就曾自曝拥有一家AR2.0无人机,用于在她的农场拍摄照片。网址http://www.parrot.com/
  GoPro
  GoPro是加州伍德曼实验公司推出的一个品牌,成立于2002年,原名为“伍德曼实验室公司”(WoodmanLabs,Inc.),创始人是尼克伍德曼(NickWoodman),其主要业务是开发、生产和出售口袋大小的高清摄像机,这种产品经常都被用于拍摄极限运动的视频。GoPro的轻型摄像机通常都会被安装在消费者级别的无人机上使用。网址:中文版http://gopro-cn.tap.cn/,英文版http://zh.gopro.com/
  Airware
  Airware是一家为商用无人机开发内部元件的公司,其总部位于旧金山。成立于2011年,创始人是乔纳森唐尼JonathanDowney。Airware已经开发出了使用灵活且颇具成本效益的自动驾驶仪,可作为无人机的“大脑”使用。这种自动驾驶仪已被用于向东南亚偏远地区送递疫苗的无人机,此外还被用于飞越肯尼亚野生动物保护区的无人机,后者可对濒临灭绝的白犀牛的行踪进行追踪,并发现入侵保护区的偷猎者。该公司从KPCB(全称KleinerPerkinsCaufield&Byers,美国最大的风险基金)的一轮融资中融得2500万美元,KPCB公司的合伙人在B轮的融资中加入Airware董事会,此次融得的款项将被该公司用在其正在研发的“航空信息平台”上。这个平台包括软件和硬件两部分,可以让公司客户打造自己的定制无人机应用、分析收集到的飞行数据、实现飞行器的自主飞行。谷歌公司风险投资1070万美元给美国一家为商用无人机开发内部元件的公司Airware。作为融资的条件,AndreessenHorowitz的合伙人克里斯迪克逊(ChrisDixon)将加入Airware董事会。网址:http://www.airware.com/
  Matternet
  Matternet,脱胎于奇点大学(SingularityUniversity)2011年的一个团队项目,这所大学是位于硅谷的一个教育机构。安德里斯·拉普托普洛斯(AdreasRaptopoulos)作为该公司的公司的联合创始人兼CEO,公司利用无人机(最可能的是四旋翼飞行器)为偏远地区的人们运送医疗用品、食品和其他材料。它可以帮助保障那些根本没有道路,或在雨季道路无法通行的地方获得基本必需品。当然,它可以有效地规避军阀和其他障碍,让需要得到援助的人及时拿到救助物资。网址:http://matternet.us/
  Skycatch
  Skycatch的创始人兼首席执行官是克里斯蒂安桑斯(ChristianSanz),该公司利用小型无人机来获取数据,供业主通过这些数据来追踪大面积的地理区域。第一太阳能(FirstSolar)和太阳城(SolarCity)都曾对Skycatch无人机进行过测试,后者是美国最大的太阳能面板安装公司之一,是在特斯拉汽车公司的创始人埃隆·马斯克(ElonMusk)的帮助下成立的一家公司。据Skycatch向美国证券交易委员会(SEC)提交的一份文件显示,该公司已经筹集了大约1320万美元的股权融资。出资方包括谷歌风险投资公司(GoogleVentures)、Zappos的联合创始人托尼谢(TonyHsieh)和其他几位高知名度人士。网址http://www.skycatch.com/
  DenelDynamics
  DenelDynamics是南非最大国防设备生产商旗下的一家子公司,主要生产无人机和一体化防空设备。这家公司生产的DenelDynamicsSeeker可履行战术侦查任务,同时还可从事日夜监视工作。网址:<http://www.deneldynamics.co.za/>
  Facebook
  公司创始人暨现任首席执行官马克扎克伯格(MarkZuckerberg)。Facebook正计划开发一个无人机系统,这个系统中的无人机将可“以尽可能接近地面的高度飞行,以便最大化信号强度”,同时又可在“足够高的高度巡航,以便降低强风所将带来的影响,从而使其耐久度变得最大化”。网址:http://www.facebook.com/
  谷歌
  谷歌在今年4月份宣布,该公司将收购无人机生产商TitanAerospace(泰坦航空),后者是一家总部位于新墨西哥州的小型公司,仅拥有20名员工。Titan所生产的无人机能不间断地飞行数年时间。TitanAerospaceCEO韦恩-拉本(VernRaburn)是日蚀飞机公司创始人、前CEO。2012年,现任CTO马克思-亚尼(MaxYaney)创办TitanAerospace。网址:http://titanaerospace.com/
  波音
  波音公司成立于1916年7月1日,由威廉爱德华波音创建,并于1917年改名波音公司。波音公司是全球航空航天业的领袖公司,也是世界上最大的民用和军用飞机制造商。此外,波音公司设计并制造旋翼飞机、电子和防御系统、导弹、卫星、发射装置、以及先进的信息和通讯系统。波音已经开发了包括Condor在内的多种无人机,这种飞机在1988年首飞,创下了67028英尺(约合20千米)的飞行高度纪录,可在高空停留近两天半时间。网址:http://www.boeing.com/
  洛克希德马丁
  洛克希德马丁公司,全称洛克希德马丁空间系统公司(英语:LockheedMartinSpaceSystemsCompany)前身是洛克西德公司(LockheedCorporation),创建于1912年,是一家美国航空航天制造商。公司在1995年与马丁玛丽埃塔合并,并更名为洛克希德马丁公司。洛克希德公司创始人是:阿伦洛克西德和马尔科姆洛克西德,马丁公司创始人是:格林路德马丁目前洛克希德马丁的总部位于马里兰州蒙哥马利县的贝塞斯达。洛克希德马丁生产的无人机广泛应用于多种军事及民用活动,如为作战基地供应物资,或是减少危险路面上的载重汽车队数量等。这家国防行业巨头开发的DesertHawkIII可被士兵用来侦察山脉背面的情况,而包括ISIS在内的监测平台则可追踪射程远超1080海里(约合2000千米)的弹道目标。
  AeroVironment
  AeroVironment公司,成立于1971年7月。创始人是保罗麦克瑞(PaulMacCready)。AeroVironment所开发的先进无人机被美国国防部用来执行实时的空中侦察、监测和通信任务。这家公司以蜂鸟为原型而设计生产的一种无人机仅有6.5英寸(约合16.51厘米)高,是第一种仅利用扑翼来提供推进力和进行控制的无人机。这种飞机的重量只有0.67盎司(约合17克)左右,可朝任何方向飞行,适用于任何紧凑的空间。网址:http://www.avinc.com/
  亚马逊
  在去年12月份,电商巨头亚马逊的首席执行官杰夫贝索斯(JeffBezos)在接受采访时展示了该公司花费多年时间设计开发的一种投递无人机,称其将提供所谓的“PrimeAir”服务,目标是在30分钟或更短时间里送货上门。
  武汉智能鸟无人机有限公司
  智能鸟公司成立于2010年,公司致力于智能化无人机飞行器的研制开发、生产和服务。是智能无人驾驶飞行器专业航测航摄空中巡查设备等产品专业生产加工的公司,拥有完整、科学的质量管理体系。网址:http://www.aibirduav.com/
  辽宁飞狮通用航空科技有限公司
  辽宁飞狮通用航空科技有限公司(其前身为沈阳通飞航空科技有限公司)。公司始运营于1996年。拥有"小型油动多用途直升机"、"流线运动型直升机外观设计"、"仿生学直升机""复合式共轴反桨直升机"等多项国家发明专利,同时与空军装备部、航空装备研究所、空军第三飞行学院、海军航空工程学院、中国科学院等单位在技术上建立了良好的合作关系。我们的产品得到社会各企事业单位的认可,现已广泛应用于军事系统、电力巡线、通信、航拍航测、交通监测、农业植保等诸多领域。


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