無人機載光電吊艙技術發展現狀

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.北京航天長征飛行器研究所，北京 100076）

在現代戰爭體系中，信息技術和裝備技術的高低已成為決定戰爭結果的關鍵因素之一。在此情況下，戰爭的概念和形態已從冷兵器和單兵作戰轉向信息化體系下的聯合作戰，使作戰更加高效和協同。無人機系統作為當前戰爭體系中的主力軍，其技術的發展對戰爭的勝敗至關重要。

無人機系統的核心設備是光電偵察吊艙。在軍事偵察任務中，通常要求吊艙能偵察到盡可能遠距離的目標，這就要求吊艙具有極高的視軸穩定精度。為了提高吊艙的視軸穩定精度，從結構上可采用提升吊艙框架數目來提升吊艙的視軸穩定精度，例如采用兩軸四框架構型可有效隔離外界風阻力矩[1-2]，使內框架受到的擾動更小。但兩軸四框架構型會使得系統結構更加復雜，并使有效載荷空間減小。此外，還要考慮電機的體積、力矩波動、力矩儲備等[3]。

為兼顧經濟性和高穩定精度的要求，基于快速反射鏡的二級穩定光電吊艙應運而生。該類型的光電吊艙采用兩軸兩框架構型，在載荷視軸的入射端增加了快速反射鏡，通過快速反射鏡補償載荷視軸經框架一級穩定后的角位置偏移量，實現光學視軸的二級穩定，進一步提高載荷視軸的穩定精度[4-7]。采用基于快速反射鏡的二級穩定光電吊艙通過增加載荷器件來提升吊艙視軸的穩定精度，具有結構簡單、有效載荷空間大、視軸穩定精度高等優點。因此，研究該類型光電吊艙對吊艙的發展具有重大意義。

1 機載光電偵察吊艙的結構組成與穩定方式

光電吊艙通常由光電載荷、受控回轉框架、陀螺、電機等構成。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]。以上結構的光電吊艙通過陀螺敏感框架擾動，使電機運動以抵消干擾，減小光電吊艙中光學載荷的視軸抖動，滿足遠距離偵察任務所要求的圖像清晰度和目標跟蹤定位精度。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

無人機載光電偵察吊艙根據內部有效載荷的功能不同，可分為偵察吊艙、導航吊艙、察打一體吊艙、測量吊艙等，并根據功能的不同執行輔助導航、偵察與監視、光電探測等任務。為滿足氣動和隱身需求，吊艙外形通常設計成球狀或柱筒狀。圖2 所示為“彩虹”系列無人機及其搭載的光電偵察吊艙示意圖。

圖2 無人機及其光電穩定平臺安裝示意圖Fig.2 Installation diagram of UAV and its photoelectric stabilization platform

目前光電吊艙實現視軸穩定或圖像穩定的方法主要包括基于陀螺的受控框架穩定技術（一級穩定）、電子學圖像增穩等。其中，基于陀螺的受控框架穩定可分為①平臺式穩定：陀螺與載荷安裝在同一平臺上，由陀螺敏感平臺的擾動，之后將擾動以角度變化率的形式傳輸至控制回路中，通過控制回路驅動永磁同步電機使平臺轉動，用以補償擾動對視軸的影響，使載荷光軸在空間內保持穩定；②捷聯式穩定：將陀螺與載荷分開安裝，一般將陀螺安裝在平臺外部，載荷安裝在平臺上，通過2 個正交的陀螺分別感應出平臺在陀螺安裝軸方向上的旋轉量和在垂直于安裝軸方向的旋轉量，之后驅動永磁同步電機實現平臺的空間穩定[9-11]。

隨著無人機技術的發展，無人機的飛行高度更高，飛行速度更快，需要偵察的場景更多變復雜，從而對光電偵察吊艙的性能提出了更高的要求。因此需研制載荷數量更多、作用距離更遠、視軸穩定精度更高的先進光電偵察吊艙。然而采用基于陀螺與受控框架的視軸穩定技術的光電偵察平臺，即使是可達到同類最高精度的兩軸四框架構型，也由于受到摩擦力、大慣量及框架形式等因素影響，其視軸穩定精度的上限為10～20 μrad，很難進一步提高。為實現更高穩定精度的要求，必須研究新的穩定控制方式。光學快速反射鏡穩定，也稱二級穩定，是在框架穩定的基礎上，利用快速反射鏡高精度和大帶寬特性對殘余的視軸抖動進行補償，從而實現光電吊艙10 μrad 以內的高精度視軸穩定。

2 國內外發展現狀

2.1 國外發展現狀

國外對無人機載光電吊艙技術的研究起步較早。目前，基于傳統框架穩定平臺的一級穩定光電吊艙技術已相當成熟。加拿大L3-WESCAM 公司生產的MX 系列光電吊艙可攜帶多種類型的光電載荷，并執行多種任務，其中最先進的MX-25D 型光電吊艙重量為90.75 kg，采用6 軸減振技術，使其穩定精度可以達到3 μrad。美國FLIR 公司設計的Star SAFIRE-380HD 系列吊艙擁有六軸交叉穩定結構，穩定精度優于5 μrad，高穩定精度使得內部載荷的識別距離超過20 km。法國Safran 公司設計的EUROFLIR-410 系列吊艙采用高度集成模塊化設計理念，可為不同任務配置不同的載荷，穩定精度優于20 μrad。此外，以色列的Elbit-System 公司、美國Lockheed-Martin 公司以及英國Roll-Royce 公司等也設計并生產了一系列基于傳統框架穩定平臺的光電吊艙。圖3 所示為不同公司生產的光電偵察吊艙。

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

二級穩定技術是在框架一級穩定的基礎上采用快速反射鏡對載荷視軸入射端的擾動進行補償，進一步提高視軸的穩定精度?；诳焖俜瓷溏R的二級穩定光電吊艙具有結構簡單、有效載荷空間大、視軸穩定精度高等優點，在近十年的時間內發展迅猛。目前，國外已有成熟產品并運用在軍事偵察中。美國雷神公司生產的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穩定技術，使其視軸穩定精度達到10 μrad 以內?？梢詫崿F高分辨率目標捕捉和處理，具有瞄準、偵察和標記等多種功能，并可以在飛行中探測、跟蹤和識別各種目標。美國Lockheed-Martin 公司設計生產的電光火控系統（electro-optical targeting system，EOTS）系列吊艙，采用2 個擺鏡代替傳統框架的俯仰軸和方位軸，光線經擺鏡進入快速反射鏡，通過快速反射鏡進行二級視軸穩定控制。此外，EOTS 系列吊艙外形不同于傳統吊艙，整個吊艙鑲嵌在機體內部，采用經特殊加工的藍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周圍的雷達信號。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 國內發展現狀

與國外相比，國內的光電吊艙技術研發起步較晚，但隨著國力的不斷增強和科研人員的不斷投入，我國在光電吊艙領域的研發水平也取得了階段性的成就。截止2022 年，我國的光電吊艙需求總量超過3000 臺，市場規模超30 億元。隨著規模的擴大，國內基于框架的一級穩定光電吊艙產品日趨成熟，航天科工威海公司設計生產的P60 系列吊艙，重量約為38 kg，穩定精度優于50 μrad，該光電吊艙可實現4 倍光學變焦，最大探測距離為8 km，廣泛應用于無人機、飛艇、固定翼和直升機等載體上。星網宇達公司設計生產的SCC2000 系列光電吊艙，重量約為45 kg，穩定精度小于50 μrad，目前已廣泛應用于國內外無人機市場。洛陽凱邁測控公司設計生產的PLY-11 系列光電吊艙，重量約為35 kg，穩定精度優于40 μrad，具有穩定精度高、光學性能優良、低重量設計、數據傳輸穩定等優點。圖5 所示為PLY-11 系列光電吊艙示意圖。此外，中航無人系統公司、南通華瑞航空光電儀器股份有限公司、中科院長春光機所、中科院西安光電所、航天九院十三所[13]都已經具備研制和生產重量低于35 kg，穩定精度優于30 μrad 光電吊艙的能力。

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

國內基于快速反射鏡的二級穩定技術研發處于樣機研究或小規模研制階段，國內還未見成熟的應用產品。中科院長春光機所從上個世紀九十年代開始對快速反射鏡在光電吊艙領域的應用展開研究，于1994 年成功研制出快速反射鏡裝置并將其應用于大型精密跟瞄光學系統中；1997 年，中科院西安光機所成功研制基于快速反射鏡的二級穩定機載光電偵察平臺樣機。近年來，中電十一所將快反鏡應用于紅外相機中，實現“步進-凝視”功能；中科院長春光機所設計出基于快速反射鏡的二級穩定控制樣機，并與傳統的框架穩定產品進行實驗比對，試驗結果表明，二級穩定控制樣機的穩定精度相較于一級穩定提升了近9 倍。

3 國內外主要差距

機載光電吊艙作為一種高效的偵察、跟蹤設備，裝備于世界各國的先進軍隊中。相較于美國、以色列、加拿大等軍事強國，我國在此領域的研究起步較晚，與國外先進設備存在一定的差距。主要體現在以下3 個方面：

（1）光電吊艙的視軸穩定精度

國外基于框架的一級穩定光電吊艙，穩定精度最高可達5 μrad，而國內最高為20 μrad。穩定精度相差3 倍以上[14]。低穩定精度會對吊艙載荷在遠距離成像時產生嚴重影響。

（2）快速反射鏡在光電吊艙中的應用

國外已有基于快速反射鏡的二級穩定光電吊艙產品，例如美國雷神公司研制的MTS 系列機載光電吊艙、美國Lockheed-Martin 公司生產的EOTS光電吊艙等。而國內基于快速反射鏡的二級穩定光電吊艙產品尚處于樣機研發階段，相關技術差距較大。

（3）載荷的光學性能

載荷的光學性能很大程度上決定了光電吊艙的成像質量。國外光電吊艙的載荷對目標的識別距離超過了20 km，國內僅為8 km 左右，相差2.5 倍以上。國外吊艙的可見光焦距觀測值最大超過1000 mm，且可實現8 mm～1000 mm 連續變焦，國內可見光焦距觀測最大值小于500 mm，變焦范圍為20 mm～500 mm。

4 結語

未來軍事作戰將以信息化、網絡化為核心，實現“地、海、空、天”一體化作戰。作為情報收集任務節點的機載光電偵察吊艙，要求具備“遠程觀察、高清晰度、精確瞄準”的作戰特征，同時不能影響載機的武器運載能力。因此，機載光電偵察吊艙正朝著“遠程、精準、智能、輕便”方向不斷發展。近年來，國內吊艙產品發展迅速，但相較國外產品仍有差距，需從以下3 個方面進行改進和升級，提升國內光電吊艙競爭力[15]：①提升產品可靠性及性能，當前產品存在穩定精度不高、產品性能不穩定、機械諧振明顯等問題，針對此類問題，需開展專項研究，力爭早日突破關鍵技術，提升產品性能指標，增強產品競爭力；②加速吊艙技術迭代升級，當前產品技術仍為第三代吊艙技術，為把握產品研發重點、搶占有利市場，需加速吊艙技術的迭代升級，盡快開展第四、第五代吊艙技術的項目預研，在開展項目預研的同時，還要著力培養項目團隊，為后續吊艙產品提供技術支持和保障；③科研生產團隊的科學管理，在科研生產過程中，應遵循“定義明確、準備充分、管理嚴格、遵守規范、改進不斷”的原則，即明確團隊任務，充分準備資源，落實責任追究，避免重復工作，及時溝通和改進，以此提升團隊效率，進而提升產品競爭力，形成良性循環。