任星宇，張明闖，溫 泉，馬 瑞

（1.北京航天控制儀器研究所，北京 100089；2.北京航天長(zhǎng)征飛行器研究所，北京 100076）

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)體系中，信息技術(shù)和裝備技術(shù)的高低已成為決定戰(zhàn)爭(zhēng)結(jié)果的關(guān)鍵因素之一。在此情況下，戰(zhàn)爭(zhēng)的概念和形態(tài)已從冷兵器和單兵作戰(zhàn)轉(zhuǎn)向信息化體系下的聯(lián)合作戰(zhàn)，使作戰(zhàn)更加高效和協(xié)同。無人機(jī)系統(tǒng)作為當(dāng)前戰(zhàn)爭(zhēng)體系中的主力軍，其技術(shù)的發(fā)展對(duì)戰(zhàn)爭(zhēng)的勝敗至關(guān)重要。

無人機(jī)系統(tǒng)的核心設(shè)備是光電偵察吊艙。在軍事偵察任務(wù)中，通常要求吊艙能偵察到盡可能遠(yuǎn)距離的目標(biāo)，這就要求吊艙具有極高的視軸穩(wěn)定精度。為了提高吊艙的視軸穩(wěn)定精度，從結(jié)構(gòu)上可采用提升吊艙框架數(shù)目來提升吊艙的視軸穩(wěn)定精度，例如采用兩軸四框架構(gòu)型可有效隔離外界風(fēng)阻力矩[1-2]，使內(nèi)框架受到的擾動(dòng)更小。但兩軸四框架構(gòu)型會(huì)使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，并使有效載荷空間減小。此外，還要考慮電機(jī)的體積、力矩波動(dòng)、力矩儲(chǔ)備等[3]。

為兼顧經(jīng)濟(jì)性和高穩(wěn)定精度的要求，基于快速反射鏡的二級(jí)穩(wěn)定光電吊艙應(yīng)運(yùn)而生。該類型的光電吊艙采用兩軸兩框架構(gòu)型，在載荷視軸的入射端增加了快速反射鏡，通過快速反射鏡補(bǔ)償載荷視軸經(jīng)框架一級(jí)穩(wěn)定后的角位置偏移量，實(shí)現(xiàn)光學(xué)視軸的二級(jí)穩(wěn)定，進(jìn)一步提高載荷視軸的穩(wěn)定精度[4-7]。采用基于快速反射鏡的二級(jí)穩(wěn)定光電吊艙通過增加載荷器件來提升吊艙視軸的穩(wěn)定精度，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、有效載荷空間大、視軸穩(wěn)定精度高等優(yōu)點(diǎn)。因此，研究該類型光電吊艙對(duì)吊艙的發(fā)展具有重大意義。

1 機(jī)載光電偵察吊艙的結(jié)構(gòu)組成與穩(wěn)定方式

光電吊艙通常由光電載荷、受控回轉(zhuǎn)框架、陀螺、電機(jī)等構(gòu)成。按照其受控框架類型可分為兩軸兩框架吊艙、三軸三框架吊艙、兩軸四框架吊艙等[8]。以上結(jié)構(gòu)的光電吊艙通過陀螺敏感框架擾動(dòng)，使電機(jī)運(yùn)動(dòng)以抵消干擾，減小光電吊艙中光學(xué)載荷的視軸抖動(dòng)，滿足遠(yuǎn)距離偵察任務(wù)所要求的圖像清晰度和目標(biāo)跟蹤定位精度。圖1 所示為光電吊艙框架類型示意圖。

圖1 光電吊艙框架類型示意圖Fig.1 Schematic diagram of frame type of photoelectric pod

無人機(jī)載光電偵察吊艙根據(jù)內(nèi)部有效載荷的功能不同，可分為偵察吊艙、導(dǎo)航吊艙、察打一體吊艙、測(cè)量吊艙等，并根據(jù)功能的不同執(zhí)行輔助導(dǎo)航、偵察與監(jiān)視、光電探測(cè)等任務(wù)。為滿足氣動(dòng)和隱身需求，吊艙外形通常設(shè)計(jì)成球狀或柱筒狀。圖2 所示為“彩虹”系列無人機(jī)及其搭載的光電偵察吊艙示意圖。

圖2 無人機(jī)及其光電穩(wěn)定平臺(tái)安裝示意圖Fig.2 Installation diagram of UAV and its photoelectric stabilization platform

目前光電吊艙實(shí)現(xiàn)視軸穩(wěn)定或圖像穩(wěn)定的方法主要包括基于陀螺的受控框架穩(wěn)定技術(shù)（一級(jí)穩(wěn)定）、電子學(xué)圖像增穩(wěn)等。其中，基于陀螺的受控框架穩(wěn)定可分為①平臺(tái)式穩(wěn)定：陀螺與載荷安裝在同一平臺(tái)上，由陀螺敏感平臺(tái)的擾動(dòng)，之后將擾動(dòng)以角度變化率的形式傳輸至控制回路中，通過控制回路驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)使平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，用以補(bǔ)償擾動(dòng)對(duì)視軸的影響，使載荷光軸在空間內(nèi)保持穩(wěn)定；②捷聯(lián)式穩(wěn)定：將陀螺與載荷分開安裝，一般將陀螺安裝在平臺(tái)外部，載荷安裝在平臺(tái)上，通過2 個(gè)正交的陀螺分別感應(yīng)出平臺(tái)在陀螺安裝軸方向上的旋轉(zhuǎn)量和在垂直于安裝軸方向的旋轉(zhuǎn)量，之后驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的空間穩(wěn)定[9-11]。

隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)的飛行高度更高，飛行速度更快，需要偵察的場(chǎng)景更多變復(fù)雜，從而對(duì)光電偵察吊艙的性能提出了更高的要求。因此需研制載荷數(shù)量更多、作用距離更遠(yuǎn)、視軸穩(wěn)定精度更高的先進(jìn)光電偵察吊艙。然而采用基于陀螺與受控框架的視軸穩(wěn)定技術(shù)的光電偵察平臺(tái)，即使是可達(dá)到同類最高精度的兩軸四框架構(gòu)型，也由于受到摩擦力、大慣量及框架形式等因素影響，其視軸穩(wěn)定精度的上限為10～20 μrad，很難進(jìn)一步提高。為實(shí)現(xiàn)更高穩(wěn)定精度的要求，必須研究新的穩(wěn)定控制方式。光學(xué)快速反射鏡穩(wěn)定，也稱二級(jí)穩(wěn)定，是在框架穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，利用快速反射鏡高精度和大帶寬特性對(duì)殘余的視軸抖動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)光電吊艙10 μrad 以內(nèi)的高精度視軸穩(wěn)定。

2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)無人機(jī)載光電吊艙技術(shù)的研究起步較早。目前，基于傳統(tǒng)框架穩(wěn)定平臺(tái)的一級(jí)穩(wěn)定光電吊艙技術(shù)已相當(dāng)成熟。加拿大L3-WESCAM 公司生產(chǎn)的MX 系列光電吊艙可攜帶多種類型的光電載荷，并執(zhí)行多種任務(wù)，其中最先進(jìn)的MX-25D 型光電吊艙重量為90.75 kg，采用6 軸減振技術(shù)，使其穩(wěn)定精度可以達(dá)到3 μrad。美國(guó)FLIR 公司設(shè)計(jì)的Star SAFIRE-380HD 系列吊艙擁有六軸交叉穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定精度優(yōu)于5 μrad，高穩(wěn)定精度使得內(nèi)部載荷的識(shí)別距離超過20 km。法國(guó)Safran 公司設(shè)計(jì)的EUROFLIR-410 系列吊艙采用高度集成模塊化設(shè)計(jì)理念，可為不同任務(wù)配置不同的載荷，穩(wěn)定精度優(yōu)于20 μrad。此外，以色列的Elbit-System 公司、美國(guó)Lockheed-Martin 公司以及英國(guó)Roll-Royce 公司等也設(shè)計(jì)并生產(chǎn)了一系列基于傳統(tǒng)框架穩(wěn)定平臺(tái)的光電吊艙。圖3 所示為不同公司生產(chǎn)的光電偵察吊艙。

圖3 不同類型的光電偵察吊艙Fig.3 Different types of photoelectric reconnaissance pods

二級(jí)穩(wěn)定技術(shù)是在框架一級(jí)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上采用快速反射鏡對(duì)載荷視軸入射端的擾動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，進(jìn)一步提高視軸的穩(wěn)定精度?；诳焖俜瓷溏R的二級(jí)穩(wěn)定光電吊艙具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、有效載荷空間大、視軸穩(wěn)定精度高等優(yōu)點(diǎn)，在近十年的時(shí)間內(nèi)發(fā)展迅猛。目前，國(guó)外已有成熟產(chǎn)品并運(yùn)用在軍事偵察中。美國(guó)雷神公司生產(chǎn)的MTS-B 和MTS-C 系列吊艙在兩軸兩框架光電吊艙上采用基于快速反射鏡的二級(jí)穩(wěn)定技術(shù)，使其視軸穩(wěn)定精度達(dá)到10 μrad 以內(nèi)?？梢詫?shí)現(xiàn)高分辨率目標(biāo)捕捉和處理，具有瞄準(zhǔn)、偵察和標(biāo)記等多種功能，并可以在飛行中探測(cè)、跟蹤和識(shí)別各種目標(biāo)。美國(guó)Lockheed-Martin 公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的電光火控系統(tǒng)（electro-optical targeting system，EOTS）系列吊艙，采用2 個(gè)擺鏡代替?zhèn)鹘y(tǒng)框架的俯仰軸和方位軸，光線經(jīng)擺鏡進(jìn)入快速反射鏡，通過快速反射鏡進(jìn)行二級(jí)視軸穩(wěn)定控制。此外，EOTS 系列吊艙外形不同于傳統(tǒng)吊艙，整個(gè)吊艙鑲嵌在機(jī)體內(nèi)部，采用經(jīng)特殊加工的藍(lán)寶石玻璃窗口作為吊艙的透鏡，使吊艙具有隱身特性，且能保證在自身隱身效果的前提下檢測(cè)周圍的雷達(dá)信號(hào)。圖4 所示為MTS 系列光電吊艙和EOTS 系列光電吊艙[12]。

圖4 基于快速反射鏡的光電偵察吊艙Fig.4 Photoelectric reconnaissance pod based on fast steering mirror

2.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)的光電吊艙技術(shù)研發(fā)起步較晚，但隨著國(guó)力的不斷增強(qiáng)和科研人員的不斷投入，我國(guó)在光電吊艙領(lǐng)域的研發(fā)水平也取得了階段性的成就。截止2022 年，我國(guó)的光電吊艙需求總量超過3000 臺(tái)，市場(chǎng)規(guī)模超30 億元。隨著規(guī)模的擴(kuò)大，國(guó)內(nèi)基于框架的一級(jí)穩(wěn)定光電吊艙產(chǎn)品日趨成熟，航天科工威海公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的P60 系列吊艙，重量約為38 kg，穩(wěn)定精度優(yōu)于50 μrad，該光電吊艙可實(shí)現(xiàn)4 倍光學(xué)變焦，最大探測(cè)距離為8 km，廣泛應(yīng)用于無人機(jī)、飛艇、固定翼和直升機(jī)等載體上。星網(wǎng)宇達(dá)公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的SCC2000 系列光電吊艙，重量約為45 kg，穩(wěn)定精度小于50 μrad，目前已廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外無人機(jī)市場(chǎng)。洛陽凱邁測(cè)控公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的PLY-11 系列光電吊艙，重量約為35 kg，穩(wěn)定精度優(yōu)于40 μrad，具有穩(wěn)定精度高、光學(xué)性能優(yōu)良、低重量設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。圖5 所示為PLY-11 系列光電吊艙示意圖。此外，中航無人系統(tǒng)公司、南通華瑞航空光電儀器股份有限公司、中科院長(zhǎng)春光機(jī)所、中科院西安光電所、航天九院十三所[13]都已經(jīng)具備研制和生產(chǎn)重量低于35 kg，穩(wěn)定精度優(yōu)于30 μrad 光電吊艙的能力。

圖5 PLY-11 型光電吊艙Fig.5 PLY-11 photoelectric pod

國(guó)內(nèi)基于快速反射鏡的二級(jí)穩(wěn)定技術(shù)研發(fā)處于樣機(jī)研究或小規(guī)模研制階段，國(guó)內(nèi)還未見成熟的應(yīng)用產(chǎn)品。中科院長(zhǎng)春光機(jī)所從上個(gè)世紀(jì)九十年代開始對(duì)快速反射鏡在光電吊艙領(lǐng)域的應(yīng)用展開研究，于1994 年成功研制出快速反射鏡裝置并將其應(yīng)用于大型精密跟瞄光學(xué)系統(tǒng)中；1997 年，中科院西安光機(jī)所成功研制基于快速反射鏡的二級(jí)穩(wěn)定機(jī)載光電偵察平臺(tái)樣機(jī)。近年來，中電十一所將快反鏡應(yīng)用于紅外相機(jī)中，實(shí)現(xiàn)“步進(jìn)-凝視”功能；中科院長(zhǎng)春光機(jī)所設(shè)計(jì)出基于快速反射鏡的二級(jí)穩(wěn)定控制樣機(jī)，并與傳統(tǒng)的框架穩(wěn)定產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比對(duì)，試驗(yàn)結(jié)果表明，二級(jí)穩(wěn)定控制樣機(jī)的穩(wěn)定精度相較于一級(jí)穩(wěn)定提升了近9 倍。

3 國(guó)內(nèi)外主要差距

機(jī)載光電吊艙作為一種高效的偵察、跟蹤設(shè)備，裝備于世界各國(guó)的先進(jìn)軍隊(duì)中。相較于美國(guó)、以色列、加拿大等軍事強(qiáng)國(guó)，我國(guó)在此領(lǐng)域的研究起步較晚，與國(guó)外先進(jìn)設(shè)備存在一定的差距。主要體現(xiàn)在以下3 個(gè)方面：

（1）光電吊艙的視軸穩(wěn)定精度

國(guó)外基于框架的一級(jí)穩(wěn)定光電吊艙，穩(wěn)定精度最高可達(dá)5 μrad，而國(guó)內(nèi)最高為20 μrad。穩(wěn)定精度相差3 倍以上[14]。低穩(wěn)定精度會(huì)對(duì)吊艙載荷在遠(yuǎn)距離成像時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

（2）快速反射鏡在光電吊艙中的應(yīng)用

國(guó)外已有基于快速反射鏡的二級(jí)穩(wěn)定光電吊艙產(chǎn)品，例如美國(guó)雷神公司研制的MTS 系列機(jī)載光電吊艙、美國(guó)Lockheed-Martin 公司生產(chǎn)的EOTS光電吊艙等。而國(guó)內(nèi)基于快速反射鏡的二級(jí)穩(wěn)定光電吊艙產(chǎn)品尚處于樣機(jī)研發(fā)階段，相關(guān)技術(shù)差距較大。

（3）載荷的光學(xué)性能

載荷的光學(xué)性能很大程度上決定了光電吊艙的成像質(zhì)量。國(guó)外光電吊艙的載荷對(duì)目標(biāo)的識(shí)別距離超過了20 km，國(guó)內(nèi)僅為8 km 左右，相差2.5 倍以上。國(guó)外吊艙的可見光焦距觀測(cè)值最大超過1000 mm，且可實(shí)現(xiàn)8 mm～1000 mm 連續(xù)變焦，國(guó)內(nèi)可見光焦距觀測(cè)最大值小于500 mm，變焦范圍為20 mm～500 mm。

4 結(jié)語

未來軍事作戰(zhàn)將以信息化、網(wǎng)絡(luò)化為核心，實(shí)現(xiàn)“地、海、空、天”一體化作戰(zhàn)。作為情報(bào)收集任務(wù)節(jié)點(diǎn)的機(jī)載光電偵察吊艙，要求具備“遠(yuǎn)程觀察、高清晰度、精確瞄準(zhǔn)”的作戰(zhàn)特征，同時(shí)不能影響載機(jī)的武器運(yùn)載能力。因此，機(jī)載光電偵察吊艙正朝著“遠(yuǎn)程、精準(zhǔn)、智能、輕便”方向不斷發(fā)展。近年來，國(guó)內(nèi)吊艙產(chǎn)品發(fā)展迅速，但相較國(guó)外產(chǎn)品仍有差距，需從以下3 個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)和升級(jí)，提升國(guó)內(nèi)光電吊艙競(jìng)爭(zhēng)力[15]：①提升產(chǎn)品可靠性及性能，當(dāng)前產(chǎn)品存在穩(wěn)定精度不高、產(chǎn)品性能不穩(wěn)定、機(jī)械諧振明顯等問題，針對(duì)此類問題，需開展專項(xiàng)研究，力爭(zhēng)早日突破關(guān)鍵技術(shù)，提升產(chǎn)品性能指標(biāo)，增強(qiáng)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力；②加速吊艙技術(shù)迭代升級(jí)，當(dāng)前產(chǎn)品技術(shù)仍為第三代吊艙技術(shù)，為把握產(chǎn)品研發(fā)重點(diǎn)、搶占有利市場(chǎng)，需加速吊艙技術(shù)的迭代升級(jí)，盡快開展第四、第五代吊艙技術(shù)的項(xiàng)目預(yù)研，在開展項(xiàng)目預(yù)研的同時(shí)，還要著力培養(yǎng)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，為后續(xù)吊艙產(chǎn)品提供技術(shù)支持和保障；③科研生產(chǎn)團(tuán)隊(duì)的科學(xué)管理，在科研生產(chǎn)過程中，應(yīng)遵循“定義明確、準(zhǔn)備充分、管理嚴(yán)格、遵守規(guī)范、改進(jìn)不斷”的原則，即明確團(tuán)隊(duì)任務(wù)，充分準(zhǔn)備資源，落實(shí)責(zé)任追究，避免重復(fù)工作，及時(shí)溝通和改進(jìn)，以此提升團(tuán)隊(duì)效率，進(jìn)而提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，形成良性循環(huán)。