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持久监视 占尽先机
发布时间:2016-03-15 17:47:00| 浏览次数:

目前情报、监视和侦察(ISR)正在成为一种世界范围的全天候工作,由此对传感器的尺寸、重量和功耗、成本以及信号处理技术提出了新的挑战。


执行广域情报、监视和侦察(ISR)任务的“Aeroscraft 40D Sky Dragon”飞艇


自史前人类首次交战以来,对敌方的持久监视成为每个军队指挥官的目标、要求和主要难题。几千年来,ISR大多是这样的组合: (1)秘密团队潜伏在敌营;(2)士兵偷偷靠近敌区;(3)一些士兵爬上制高点观察下面敌人的行动。


第一和第三种方式的组合就是持久ISR的“始祖”。19世纪的监视技术增加了利用气球进行监视以及首个视线之外近乎瞬时通信的方式——电报。20世纪有了侦察机、无线通讯,第一代无人传感器——雷达、声纳、红外、光电(EO)——无人机(UAV)、卫星、计算机和数据融合系统。


21世纪商用和军用技术迅猛发展,在持久ISR理念上出现了演变。并且出现了一种早期技术的复兴——以飞艇形式出现的系留气球和软式飞船,以及海上ISR技术的拓展。


此外还有一项重要发展就是传感器融合,尤其是在数据源将不同渠道的数据实时网络化并转换为对终端用户,无论是指挥官还是单兵有用的信息。这种情况让业界和军方看到了将所有域和传感器进行集成和联网带来的效益。


“我来做个比喻:它是时间和距离的转换精灵。在太空,它们每小时覆盖数千米;在空中,数百米;海上,几十米;陆上,相同或更少。因此在那些区域的操作在传感和监视过程中视角不同。”洛马公司防务专项整合因特解决方案负责人MikeWorden解释道。


“一个步兵的关注区域就是一门迫击炮或间接的火力范围;在船上,最好是地平线以上可视;在空中,你可能要应付整个战区,”Worden说, “所以当了解了客户要在他们关注的监视区域内完成任务,看到空军和海军想要更广泛使用网络传感器来覆盖广域就不足为奇了。”


洛马公司研制的“持久威胁探测系统”已经完成了超过100万小时的24/7持久监视时间,用于监视战区的联合武装部队。


“来到地上和地表/地下时,因为影响任务的事物范围(计算机控制,导弹范围等等)变化,自然不能只拥有一个空间网络或空中传感器;它们还与地表和地下传感器相连形成了一个3D全域网络、互相关解决方案,” Worden继续说,“必须可以进行全方位观察,因为地表下的状况可能会影响到地面甚至是空中。跨域工作是一项伟大的技术挑战,它将带来监视的3D持久性,这也正是我们未来的探究方向。”


“Aeroscraft 3200”中型飞艇及浮动地面系留站


飞艇的威力


泰科电子宇航公司防务和船舶分部快速协议方案商务研发经理EarleOlson表示,飞艇和无人机已经成为升值的ISR配置。


“它们的视场(FOV)在全动态视频和红外中有点小,但是目前前进了一大步,达到了16公里,视场非常精确且保留了长时感知。”Olson说,“做到在操作中无须因尺寸、重量和功耗而影响性能,已经成为一种挑战,我们正在尝试寻找好的方案来满足上述需求,并促成这些技术为战斗者提供所需性能。”


不管是基于航空还是航天,美国空军在整个ISR几代技术中一直处于领军地位。陆军依靠的是空军数据加上自有的更小更短距离的无人机,以及发展中的地面传感器网络;海军除了P-3“猎户座”反潜涡轮飞机和海上侦察机以及反潜声呐浮标外,近年来还投入了相当数额的资金和研发精力用于拓展短期和持久ISR传感器、信号处理、平台和数据融合技术,范围从新的海神P-8多任务海上飞机(代替P-3)到无人机,这些无人机用来操作从运输机、小型舰艇到舷边系留飞艇以及新一代软式飞船。


洛马公司信息系统&全球方案丹佛分部的防务&情报战略计划负责人DaveWeddel表示:“海军将无人空中系统看成是有着数种性能的卡车,但关键是要足够灵活,有一套互换性传感器,这些传感器独立于平台本身,平台的尺寸、重量及功耗(SWaP)不像传感器那样变换迅速,”


“P-8的海上能力提升惊人,它拥有有效数量的站上停留时间,能够迅速抵达站点。”Weddel在谈话中提到了目前和研发中的海军无人机如“火力侦察兵”,“海王星”(一个“全球鹰”陆地基衍生海军产品),重型舰载隐身无人机(UCLASS),目前正服役于小型舰船的“扫描鹰”,以及小型战术无人机系统(STUAS)。


“拥有了多样系统,可以根据任务和耐久性扩展舰船性能,”Weddel接着说,“海军不是前线,它们贯穿全程。海军还在做大量的水下无人工作,这项工作同样是通过原型开发来扩展研究并应用于潜艇。”


 Weddel表示“海军已经用P-3和P-8进行了多年的声信监测,”“它不是一个网状网络,而是由飞机监控所有升起的浮标,一直持续。环网在水下和空中出现迁移,有关网的范围和尺寸以及相关的通信还存在一些难题,但它仍然是一个服务愿景。”


Areoscraft Sky Cobra 战术飞艇协助填补ISR多项角色


地上ISR


从地面透视图来看,海军陆战队的持久ISR的类别范围与空军或海军的包括桅杆式传感器、小型无人值守地面传感器和飞艇相比有所不同。


柯蒂斯-怀特防务方案公司的小封装产品部经理MikeSouthworth表示:“我们正在寻求更多的传感器小封装处理技术,用做某些定点处理,”“小尺寸、轻重量、低功耗需求迫切,因此我们一直在缩小Intel和ARM处理器,降低功耗,提升性能。当我们将尺寸降低25%时,处理器的每次换代带来直接效益。当我们组合基于ARM的系统时那些结构甚至更小。”


“在网络层面存在对高速连接的诉求,以便在传感器和平台上具备态势感知,包括10-吉比特,并正移植到更高的密度1吉比特和10吉比特。我们还需要使用传统系统来管理IP网络交通。为达到这个目的,我们采用了植入的、工业化的和基于Cicso的系统并为陆军空中飞船和地面系统加固它们。”


Aeros航空公司建造了“比空气还轻(LTA)”的产品,即用于完成ISR任务的空中飞船和飞艇。该公司的工程项目经理JohnWertz以及电气工程经理LouisPu称公司正致力开发携带EO摄像机或小型雷达为主的系留及自由飞行平台。


该公司的“40D SkyDragon”是一个模仿Goodyear软式飞船的常规飞船,使用了线传飞控等先进技术。2015年1月,公司开始生产40E系列产品,该产品的负载更高。飞艇被增压,没有内部结构,使用标准引擎和高辛烷航空燃油运行。


将40E转换为无人操作仍在考虑之中。制造出2个载人操作飞艇,最低机组人数为1人,最多可以载7人(包括传感器操作员,副驾驶和乘客),人数取决于任务。两种型号均可在一个大平面舰艇上操作, 范围约200米,标准操作高度为2000-3000英尺, 极限值10000英尺。“40D上面的主传感器是一个万向架摄像机,例如FLIR系统公司的StarSaphire,SDS公司以及Wescam公司产品。 40E准负荷为1000kg, 对于信号处理、雷达和下行链路已经足够。我们已经将筛选雷达集成到一些飞艇中,也可以在40E上这么做。” Wertz说道。


“飞艇有稳定的结构,其海拔高度依赖于平台尺寸,3200型是我们最大的:长39m, 容积20300m3,海拔高度约5000英尺。”Wertz继续说,“1170型的上限约为4000英尺。“SkyCrow”飞艇为美国快速武装部队而研发,目前已在阿富汗使用。它在海拔1000英尺(地表上)是第二小的。最近3200型飞艇上集成了一个500磅的多模式电子扫描阵列雷达用于空空、地面移动靶标、海上监视等等。


为了收集和融合情报,洛马公司研发了一种软件技术试验台用来演示各种情报、监视和侦察性能的实现速度


ISR的经济性


退役的空军首席司令官和空中作战指挥部前指挥官Worden表示,根据任务选择地上雷达、空间传感器或飞行器完成持久ISR,可能比选择无人机或有人机更加经济。


“如果它们是系留型或是离地面更近,似乎价点更好。飞船不是很快,其中一些面临气候挑战,也没有固定翼飞机的相应速度,因此存在每小时费用和速度上的折衷,”Worden说。


“柴油动力,尤其是固定翼,包括一些旋转翼无人机更加灵活,可以处理更多气候。固定翼正变得越来越持久,但与飞艇/飞船相比,在一些应用上陷入费用负担。” Worden补充表示,要让上述那些转折性方案在ISR中发挥更大作用仍需解决大量问题。


Aeros航空公司发言人说他们同样相信飞船可以重返海军,扮回1961年以前它们的角色。海军于1961年淘汰了曾是反潜战(ASW)舰队主力的最后一批飞船。


Aeros航空公司的Pu说:“我认为海军重新关注这项曾非常实用有效的技术非常有益。在海军的任何一个舰队周边随时需要空中监视,其中一些负载可以由从小型舰船的甲板起飞的飞艇(1000-2000英尺)携带,这样可以提供更好的瞄线,更快地辨识威胁。”


“我们还看到海军提出的扩展早期预警保护的请求,尤其是对抗海上浮沫反舰威胁的扩散。”Pu继续说道,“公海内驶出的舰队所用的飞船,其所采用的是用于早期探测或是扩展通讯网络的新型无人技术——易于研发,耐力持久,对于港口监视而言,一个悬空的飞船或是飞艇可以持久地大范围跟踪入港船只。还可以监控港口的基础设施。”


洛马公司的Worden认同这些形式各异的多样平台可以满足未来美国军方对于持久ISR的需要,但是他强调,平台仅是解决方案的一部分,至少与之同样重要的是打破“烟囱罩”式系统,这种方式使得传感器数据分离,将海量增加的原始数据实时转换为有用信息变得异常困难。


“如果你谈到试图达成传感器之间的连贯关系——越过传统“烟囱罩”式系统的构造去工作并不容易——你可以定位它们的用途来完成特定任务,”Worden说,“那么这个异质环境要求相关者能够使用一个通用语言,还可以使用优选法指挥和控制那些设备以更快准地完成任务。”


Worden又补充道:“将一切网络化说起来很简单,但仍需漫长的过程以及大量的费用用于包括取代“烟囱罩”式系统,让所有设备使用同一种语言——尤其是当存在一些需要解决的,还有一些受保护的专利因素,以及创设真正的网络持续环境的标准化接口。”


监视无处不在


现今的持久监视覆盖了五大军事领域:空中,陆地,海上,太空和计算机。并且不是独家服务独家行动,而是联合网络系统,使用实时和数据库融合。随着由更多更好的传感器在一个现存限定带宽的作战空间收集的数据量不断提升,新一代的持久ISR要求更多的信号处理,传感器平台要实现数据融合,但是要有接近人工智能(AI)的精确度。


Worden还谈到那些新标准的持久ISR对原有、目前和未来技术的兼容要求:“你拥有传统设备,比如一个用于瞄准的飞机吊舱,当它在那个平台上不作为较高优先级使用时,可以用来提供监视性能。”他说,“那么你如何在不妨碍构建一个更好蓝图的情况下利用它们,然后在有限的带宽上加工那个数据?当收集所有传感器上传数据整合并为终端用户创造更好的态势感知时,确认有一个平衡有效区,能做到离传感器自身多近去加工某些信息以使下行链路最小化?”


“新一代产品可能不仅仅处理‘烟囱罩’问题和通用语言问题,还有如何管理多终端性能引进、管理带宽和进行有效处理,空间战会发生什么因此而一目了然。”Worden又说,“毫无疑问,构建这个网络所需的调制率和多接口以及相关性和带宽适用性、计算机安全以及接口都需要日臻成熟,任何新的传感器或接口将必须遵从相应标准才能达成沟通合作。在工业界和政府之间有大量的技术工作及协作要做。”


随着传感器尺寸缩小性能增强,单平台上可以安装更多的传感器,在下行数据成为主要数据之前完成尽量多的数据处理。柯蒂斯-怀特防务方案公司的数字信号处理(DSP)、图形处理器(GPU)以及VPX嵌入式计算的产品经理MarcCouture称,持久监视项目以前非常简单,以百万像素测量,而在目前的空间战中已看不到传感器数据的巨大入口或处理器,未来还会更小。


 “你经常收集数据,将其中一些下传至一个通用数据链(CDL)—通常很有限——然后由一个地面操作人员寻找有用目标;试图在平台上找出哪个像是一个坦克或SAM发射器,” Couture解释说,“近几年,由于处理方法很多且传感器为多频和千兆像素,大量的处理是在平台上实时进行。处理、开发和分配(PED)有一些灵巧的算法,可以发现芯片脱层和正交整改,这比以前更加重要,因为可以安排2或3个无人机在广域盘旋,比较它们之间的数据,即使它们从未飞过完全相同的地点。”


传感器的处理加工


正交整改是校正一个图像几何形状的过程,使用标高数据来校正航空或卫星图像的地域变形。


Couture又说:“你可以在空中有多个“准服务器”负责数据的分发,这样当其他人想要其他信息时地面服务器可以针对地图上某一地区提出请求。”“也有固态存储,就像TiVo,所以如果一个IED关闭,你可以回溯一些数据用以判断它是何时和被谁设置的。所有那些需要大量的处理系统,通常不是一种可以完成——Intel处理器、GPUs、 FPGAs(现场可编程门阵列)、光学和红外阵列。将这个非均匀混合体放在一块面板上,但是受空间和功耗限制,需要更多燃料和减少任务时间,因此希望每个单元在尺寸、重量和功耗方面有更好提升。”


据柯蒂斯-怀特公司COTS方案分部的多层单元闪存技术的技术总监DavidJedynak介绍,存储器是持久监视的一个重头戏,使用闪存的需求持续增加,并要求高密度。存在问题是就可靠性而言,用于闪存固态记忆的单层单元(SLC)技术是一项硬性要求,不同于通常所见到的商业闪存。多层单元(MLC)闪存技术通常见于商业级别的运算,比单层单元(SLC)的成本低得多。


现今的数据核心市场看到了eMLC(企业级多层存储单元)的先进性,它采用了低成本技术的优势,通过修正使它更适用于长期监视,这样一来MLC和eMLC需求量增大。


泰科公司生产的高密度光学接口是依靠高密度物理接触和拉伸的光束接口来保护纤芯。


计算机安全问题


“另一个问题是安全,”Jedynak说道,“监视本身可以是良性的,但在某种程度上,有些获取的观察结果需要分类,这就出现了哪个需要分类,哪个不需要,以及如何去辨别安全与不安全的问题。如果在平台上无法分流这些问题,就必须建造更加安全的平台,在安全范围内构建信号通道、处理器以及存储器。无人平台可以放在某地,我们不再对它进行控制,这样一来收集到的数据包括它的系统安全性显得尤为重要。有了系统监视,我们还必须保证系统本身和操作图上其他的‘家族成员’连通良好,这其中挑战很多。”


柯蒂斯-怀特公司的Southworth接着补充说,用于基于平台的信息保障和安全的一个手段是借用Cisco技术。


“在许多Cisco基路由器里的数据有商业甚至是美国国土安全局(NSA)加密编码,因此它能够在中转时被加密。待它抵达存储器时,使用相似方法FIOPs(每秒合理输入\输出量)甚至是TypeOne(1型语言)来加密数据,并且保证那些结构安全。 Southworth说,“针对平台内用于简化系统集成的多项LRU(近期最少使用算法)的固化有另一种可能:一旦专注于单项功能,空间会塞得更多。”   


 已经有5种通用规范用于衡量持久ISR:时间站,传感器容量和分辨率,传感器功耗,传感器和信号处理相关平台的尺寸,以及范围。


未来的挑战包括在对抗技术的投入增长、技术的先进性、变换的操作环境以及实力相当的对手。


Worden说道:“那些排序取决于任务需求,说空间站比分辨率更重要是愚蠢的。举个例子,一旦你为任务选择了最好的传感器,就可以考虑在其他方面进行调整,空间站重要,范围对于持久性重要,功率也重要。平台尺寸也在其中,但是序列可以根据任务进行调整。无论现在或是未来,传感器和分辨率最为重要,然后考虑尺寸重量和能耗、空间站以及范围。随着传感器越来越小越来越轻,你可以调整平台尺寸或传感器数量。”  


泰科电子公司的系列射频互连线在ISR中作用重大


传感器和平台


传感器尺寸与平台匹配依旧是一个设计难题。“机体换代后,你得考虑传感器要适用于F-35,并且仍要确保完成飞机的首要任务。”洛·马公司的信号侦察项目经理LouiseDoyon说,“将传感器和基站联网,开放式比“烟囱罩”式要好,在平台上有了更加开放的结构、地面站和固定监视点,你可以驾驭持久性而不会经常性在范围内消失。”


“实验室目前致力于新型更小更强的传感器技术开发,可以更好地获取入侵威胁。”Doyon继续说道,“但是他们没有忽视下一次战争很可能与过去15年大不一样的事实。大多数传感器已有的技术确保你具备机上处理能力来最大化带宽并仅传输所需数据。但如果你有更大的带宽,相同的传感器可以将它们所有的下行数据传到下一级以更好地分析,因此正在尝试将要求置于上述两种环境的传感器上,为它们和它们的平台提供更好的灵活性。”


未来将看到在传感器、信号处理、平台、任务、数据融合、以及持久ISR其他各个方面的主要变化及先进性。


洛·马公司Weddel预言:“目前的ISR在性能,态势汇报上有所提升,但下一代产品将这些与链接分析组合,”


“下一个环节是无人系统的自主,不管是空中、地面或水面上下,探索无人系统离开指挥者之后使用自主或半自主系统继续执行任务的可靠度已有进展。”Weddel继续说道。


“水下功耗比起其他区域问题更大,尤其是持久性,”“你得知道停止网络功耗的一种方法是停止数据流。当指令下传到自主系统启动的地方,平台可以继续工作一段时间直到链接重建。这方面我们有经验;问题是如何应对更加复杂的环境。”Wedden总结道。

(西安应用光学研究所    徐航  王润荣)


转载自新光电

 
 
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