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[转帖]UAV

作者:洪兆宇- W( D# Q  _# I; v) |  S1 i
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前        言
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. m5 n# R$ R/ s/ F, o  現代戰爭戰具精良,具破壞力強大、攻擊速度快及準確度高等特性,故不論攻防雙方,均須仰賴有效之指、管、通、情系統,提高應變能力,增加反應速度,以掌握安全與勝算機率。波灣戰爭前,英美聯軍已由各種情報、監視、偵察系統,對伊拉克各個軍事設施與重要目標進行偵蒐,並於戰爭初期對目標實施精準打擊,極力癱瘓伊拉克指管通情系統,使其後續戰力無從發揮。故自古以來歷次戰爭,指揮官為能掌握戰場狀況,必須運用各種手段獲得敵情,期能如孫子兵法所言︰「知彼知己,百戰不殆」;世界各國均投入相當多資源於情資獲得,如運用偵察機、人造衛星、空中預警機、預警雷達等,達成情報、監視、偵察及目標定位(IRST)等任務,但基於人員安全、經費等因素考量,近代戰爭中多已運用無人飛行載具執行戰場情報、監視、偵察、目標定位等任務;本文針對無人飛行載具演進歷程、系統結構、導控原理、情報偵蒐運用及未來發展等作一詳細介紹。
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! b! v. _9 V- Z) ~無人飛行載具演進歷程
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  無人飛行載具(Unmanned Aerial Vehicle,UAV),通常指沒有飛行員於機上導控,藉由其他方法控制飛行,而執行特定任務之飛行器。控制飛行係由控制人員於地面或海上發出持續或間斷指令遙控載具者,稱遠距駕駛載具(Remotely Piloted Vehicle,RPV);另無人駕駛飛機(Drone)係將飛行程序預先於發射前制定,飛行時不受人員干擾,實際上,UAV於執行任務時,是將不同控制飛行方法運用於不同飛行過程中,如發射階段採用RPV方式,抵達任務執行空域前,改以Drone方式,依照設計航路、高度,以載具內控制系統,完成各項任務<1>。3 y: J: [, K: P% k7 R8 H. ?, J

& V8 H: F2 }; P, f7 _. v% W: A  UAV之運用,可溯至一九七三年以阿贖罪日戰爭,以色列成功運用UAV執行情偵及電子戰任務,另越戰時期美國曾使用靶機加裝攝影機進行偵察工作。隨著工藝技術進步,UAV滯空時間大幅增加,另許多籌載模組功能提升或新酬載產生及體積縮小,使得UAV運用領域增加,如砲彈修正、電子干擾、輻射源偵測、通訊中繼、反輻射、反坦克、除雷、發射階段彈道飛彈捕殺等。另外由於紅外線攝影及合成孔徑雷達進步,使得UAV具備全天候作業能力。
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) F/ l# o' l+ p+ M3 `0 T9 J& yUAV系統介紹/ Q. F, q! g& g. ?3 v
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  一組完整之UAV系統,包含飛行載具、地面控制系統、發射及回收設備、地面支援裝備及野戰視訊接收機等五大項(UAV系統,如附圖一),分述如后<2>︰
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一、飛行載具︰無人飛行載具由於不需考慮駕駛員安全,通常設計上結構較為簡單,並可省略部分構件,飛行載具系統包含推進系統、電力系統、飛行控制系統、資料鏈系統等。其中推進系統提供飛機前進所需推力,一般使用渦輪噴射引擎或二、四行程引擎產生續航動力,亦有少數採用火箭;電力系統則提供飛機上所有電子元件工作所需之電力,一般飛機上都設計有由引擎驅動發電機發電,以提供持續且穩定之電源;飛行控制系統包含感測器、自動駕駛儀等,自動駕駛收集感測器、GPS等量測資料後,經由控制邏輯運算,輸出適當的飛行狀態,控制飛行姿態,同時自動駕駛儀內的飛行計算機也負責上╱下遙傳資料處理;有關資料鏈系統則用來接收地面導控系統所發出之命令訊號,並負責將感測器所感測之飛機狀態與酬載所偵蒐情報,下傳給地面╱船艦╱有人飛機上之導控站或野戰接收機,使導控站人員瞭解飛行姿態及情報資料;航電裝備包含飛行導引控制計算機、各式感測儀具、制動裝置、電源及信號交換裝備等;另為執行特定任務,所需安裝於載具上之裝備(任務酬載),由於可安裝之裝備愈來愈多,UAV可執行之任務也愈趨多樣且富彈性。1 a/ T( H3 H5 x0 |# x/ m: A1 x) t
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二、地面導控站︰是構成遙控載具系統的神經中樞,負責飛行前測試、飛行任務規劃、UAV及酬載之導控、飛機下傳資料及偵蒐視訊的接收與儲存、航跡顯示、飛機狀態監控等,並提供情資傳輸介面,可和其他指揮中心通訊。地面導控站皆設計為一獨立車廂,典型之地面導控站一般包含資料鏈操作站臺(Data Link Operator's Station)、遙控載具駕駛站臺(RPV Operator's Station)、任務指揮站臺(Mission Director's Station)、酬載操作站臺(Payload Operator's Station)及天線單元(Antenna unit)五個機組,其中資料鏈操作站臺係提供地面導控站(GCS)與載具間之資料通訊,將導控站之遙控指令上傳,並將載具之遙測信號下傳;遙控載具駕駛站臺係提供駕駛員監視飛機、飛行狀態及飛機飛行導控;任務指揮站臺係提供任務規劃、航道設定及航跡顯示;酬載操作站臺係提供酬載之導控及偵蒐情資的顯示;天線單元為處理偵蒐訊號(如訊號規格轉換、儲存等),並提供傳輸介面。4 u9 p7 |7 Y7 j. z

1 }% n! B- s  H8 @4 [三、發射╱回收裝備:UAV之發射╱回收裝備因載具起飛降落方式不同而異,整體而言,有發射車、加力器、摺傘裝備、車載型吊車等裝備;一般而言,UAV起飛方式可區分為液╱氣壓彈射、火箭彈射及輪式滑行等三種,其特性比較如附表一。
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  另載具回收方式可區分為滑橇降落、降落傘、滑翔傘、回收網及輪式滑行等五種,有關其特性比較如附表二:
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2 y$ T4 Y: v" f3 m5 w四、地面支援裝備︰地面輔助裝備項目繁雜,是系統運作成功不可或缺要件,其包含UAV安裝、功能測試、系統維護檢修之工、儀具設備、加╱洩油裝備、臺車、備份件等。; V7 \3 Z5 q( ^7 |

# O; b' F6 r! M7 L3 y2 F五、野戰視訊接收機:野戰視訊接收機由一或二人即可攜帶,亦可固裝於吉普車、船艇、飛機等機動載具上,用以接收並顯示UAV所下傳之即時偵蒐影像。/ e  V7 [" }* A5 K! v) z5 S# a
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7 Y& u) g5 N7 ~8 R' c. bUAV酬載
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1 a/ k: K7 y) S& u% j6 F8 y; }' M  UAV酬載係用以情報蒐集之工具,依任務需求不同,配備不同酬載,如光電、雷達、中繼、電戰等,其中光電酬載為使用最廣泛的一種,包含可見光、紅外線光、雷射光光電酬載等,可見光感測器就是一般電視攝影機,其成像原理就像透鏡成像,故需要一定的照射亮度才能成像,因此黑夜、雲霧、天候均將影響其成像;紅外線光電感測器是直接感測物體所發出之輻射紅外線,所以不需外在光源亦可成像;雷射光電感測器係運用脈衝式雷射光,測量目標物距離或標定目標物,常見雷射光酬載有雷射測距儀及雷射標定儀兩種,工作範圍由數公尺至數十公里,其精度為正負五至正負十公尺間。4 f, {; ]) _/ R( X6 h

& A( j5 c6 i$ v, b- ?  UAV所使用之光電酬載,除光電感測器外,一般尚包含一穩定環架,用以支撐感測器不受UAV飛行姿態或震動影響,可穩定進行目標搜尋與追蹤。
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UAV導控原理
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7 d  I# F7 z# M2 ]0 M6 V  無人飛行載具導控過程區分發射、導引、回收等三階段<3>;UAV經組裝、加油及起飛前測試成功後,即由起降導控裝備起飛升空,其自動駕駛儀藉由地面導控站來遙控UAV,在無遮障情形下,可直接以微波導控;另可透過中繼站╱中繼機╱人造衛星與載具進行資料上下傳交鏈,可做長遠距離及有遮障時之導控、追蹤載具、接收載具下傳的遙測訊號、顯示載具的飛行軌跡與動作,供遙控駕駛研判,並透過地面導控站對外通訊連絡及資訊傳輸。當UAV飛臨目標物上空執行任務時,其酬載所偵蒐之地╱海面影像,即時透過通訊發射機廣播,而由導控站及野戰視訊接收機之接收裝備接收,並立即顯示於所配備之電視畫面上。載具於完成任務後便回基地降落,有關UAV導控示意如附圖二。! s$ M% ?3 {8 s  j0 c
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+ W( M" d1 f( f6 S+ Q. VUAV優、缺點
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- X  O. K5 }/ x/ C  UAV優點多、用途廣,最重要的是可避免不必要的人員傷亡,故近來世界先進國家積極投入研發,期能以最經濟方式,獲得情報蒐集,以下就UAV優點分述如后:
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+ Q8 J* Y$ W/ s一、避免人員傷亡:由於科技發展日新月異,各種武器效能大為提升,對於執行偵蒐任務之人員、載具造成極大威脅;然UAV係以無線電控制,無需人員駕駛,故對於較危險之任務可交由UAV擔任,減少人員之傷亡。
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二、精巧靈活,隱密性高︰因UAV體積小,雷達波反射截面小,不易為敵偵悉,且其動作靈活,轉彎曲率大,機動能力高,一旦為敵人發現,其逃脫機率高。9 s" P7 M( P7 z

$ v: a$ h8 Q- p, P) L, [' W. A8 K: @三、維護費用少︰可省略因人而設計之安全裝備,零件可大量減少,相對提高UAV可靠度、維護度,後勤依賴性少。
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# I+ X# q6 D2 C四、機動性高︰UAV起降方式眾多且簡易,故能肆應戰場多變條件,而達機動運用目的。於夜間及能見度不良之天候下,亦可依任務之需求,隨時起飛執行任務,受天候之限制小。: V. T, v1 b2 |& Z
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五、具戰術性︰UAV滯空時間長,故其執行任務時間長,且偵蒐範圍廣,並可使用數據鏈路,將戰場上觀察之狀況,即時傳回,運用更具彈性。
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  另由於UAV係由地面導控站控制,無法像有人駕駛飛機一般,於突發狀況時可臨機應變,故UAV之弱點及限制分述如后:; E8 r3 q$ T8 X9 ?

2 [5 t) U- `! C  j. J$ L8 s一、對突發狀況應變不足:由於UAV駕駛係透過地面導控站,瞭解其飛行狀態,對於突發狀況,無法像有人駕駛飛機一般可臨機應變。* O- A2 q  ~6 E0 F

9 t7 w) v. a) t1 L二、易受電子干擾:由於UAV係透過資料上下傳交鏈,做長遠距離之導控,易受電子干擾,影響導引控制站之指揮管制。
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! @. q+ S& [0 d8 E; A三、回收載具困難:UAV降落易受天氣(風速、風向)之限制,尤以船艦上降落者影響較大。
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四、UAV酬載限制:由於UAV體積小,載重重量受限,無法同時執行不同任務酬載。( |( y( f( {8 q4 p9 f/ W2 L7 N
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五、存活率低:由於訓練不足與通信裝備可靠度低,無人飛行載具戰場存活率低,自一九九九年以至阿富汗「持久自由作戰」(Operation Enduring Freedom)之前,美國在科索沃與伊拉克兩場戰爭中,損失了19架無人飛行載具,存活率低。
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' n5 J, x  K3 }9 v) e. [UAV情報偵蒐上運用
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  實戰經驗顯示「掌握情資,才能掌握戰場主控權」,面對今天戰場上瞬息萬變之威脅,指揮官必須在最短時間內瞭解戰場環境、敵我能力,採取最迅速正確反應。因此UAV於戰術運用上,更能發揮其優點,取得戰場優勢,由過去以、敘在黎巴嫩貝卡山谷戰爭至最近美英聯軍攻打伊拉克戰爭,已發展出一套UAV情報獲得之運用方法。3 s. z; [1 `6 p" T
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一、電子戰︰以UAV模擬我方戰機雷達反射波,飛行至目標區上空,引誘敵方防空雷達發射電磁波,以截收敵方雷達訊號,以確定其特性、位置,作為後續攻擊、干擾之用。
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2 O- C2 w; c* @7 P% j, s  以、敘在黎巴嫩貝卡山谷戰爭期間,以色列使用「斥候兵」(Scout)及「猛犬」(Mastiff)兩種UAV,裝載模擬全形F-4戰機之雷達反射器當作誘餌,引誘部署在貝卡山谷之敘利亞薩姆六型飛彈及火砲向其攻擊,此時另兩架UAV對敵方導引系統雷達頻率及導引信號內容進行截收,並精確標定飛彈基地位置,攝取十分清晰目標景象,隨即將這些信息傳送給E-2C預警機,並實施電子反制,癱瘓敘利亞飛彈陣地,獲得該次戰役重大勝利。
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  I' n2 W2 H" D- }9 R) y) @二、戰場監視︰由於UAV滯空時間長,對於戰場上兵力無法監視地區,可運用UAV裝置電視攝影機,至目標區上空環繞飛行,從事戰場監視。
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3 l9 C0 G1 @# A三、偵察、搜索︰對於目標區上空可大範圍日、夜偵察,並將訊息即時傳送給地面部隊使用。美軍於沙漠盾牌及沙漠風暴作戰時,使用「先鋒」型(Pioneer)UAV,總計在西南亞戰區的530次出擊中,該UAV藉由數據鏈路,不斷將即時視訊下傳給控制站,提供聯軍即時戰場資訊。
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四、目標定位、砲彈修正︰海軍艦砲岸轟、地面砲兵射擊前,均極需獲得即時情報,運用UAV擔任目標觀測,即時將目標位置座標傳送給火力單位,以提高攻擊效果。沙漠盾牌及沙漠風暴作戰時,亦運用UAV提供戰艦有關攻擊陸上固定之重要軍事目標參數,使得戰艦得以準確對準目標發射彈藥,並偵測每發彈藥彈著點讓戰艦修正,作戰威力強大。
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  E% a* F8 }( d五、損害評估︰對戰場目標火力射擊後,可運用UAV擔任戰場破壞評估工作,以供指揮官決策之參考。
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UAV發展現況
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  UAV之發展將會有效降低武器製造與維護成本,也能夠具體減輕人員傷亡之沉重負擔。自波灣戰爭後,大規模聯合作戰戰術形成,世界各國皆積極發展UAV系統,且研究重點在於提升UAV整合度、滯空時間、飛行速度、導控性、酬載與匿蹤能力。
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  美國發展成熟之UAV種類繁多,除機型多樣化的戰術型UAV外,尚有中∕高高度、長滯空、遠距離UAV。越戰後美軍更加積極投注經費在UAV之研發上,為UAV機型最多的國家,其在波灣戰爭後不久,展開各種UAV之發展計畫,原以導控距離遠近,規劃近程(作業半徑30浬)、短程(作業半徑80浬)、中程(作業半徑500浬)、遠程(作業半徑3,000浬)UAV;目前改以依任務導向分類,規劃戰術型(TUAV)及中/高高度、長滯空(MAE/HAE)UAV發展計畫,其發展演進如附圖三。' V! ^2 N8 L. v$ o* a2 V4 H

2 ^+ i! R+ S( A4 z1 Q/ d  另有關世界各國不同偵蒐UAV特性比較如附表三。$ J6 M9 T6 R/ V) }( F

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3 x; O# @4 f9 C; hUAV未來發展
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  評估一架好的UAV,除了可飛得遠、滯空時間長外,必須要功能穩定、操作容易、維修容易及操作人力最少。美軍於一九九一年沙漠風暴中使用先鋒型UAV,共損失36架,其中只有一架被敵砲火擊中,21架係載具之陀螺及飛行控制系統發生問題與操作人員操作錯誤所造成,其餘則是資料鏈系統發生問題所造成。因此未來發展UAV技術須考量︰
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. h) y4 C! Q, ^8 b4 v, p: c; d2 n一、載具外型設計及材料技術︰載具外型之設計,應以滯空時間為考量,設計一良好外型可減少飛行阻力,增加滯空時間;另吸波材料技術研究,運用於載具表面,以減少雷達截面積。9 J$ q$ {' J" r$ L) l- U2 P
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二、推進系統設計︰為使UAV達到匿蹤效果,其推進系統設計應以安靜為主,並須滿足省油需求。( ]4 c/ s' [: d: c; L; u* G

2 w4 P& X3 [& e/ [三、導航系統設計︰導航系統設計可大幅減低飛行導控員之負荷,並可於資料鏈路發生問題時,自動設定回航,以增加載具之存活率。
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( J- e! Y6 ~6 `. V四、資料鏈系統設計︰資料鏈系統設計應以安全及可靠性為考量,避免無線電通訊易受干擾或被截收,因此資料加密及使用擴頻之傳輸技術,可增強資料鏈系統安全及可靠性。' r0 r  z# b$ y1 B7 [  ^
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五、酬載設計︰將酬載進行體積縮小或重量減輕,可增加飛機飛行性能,模組化則有助於後勤補保。另增加解析度、自動追蹤等功能提升,將有助於任務之執行與成效提升。
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六、導控站設計︰UAV地面操作人員必須長時間於導控站內,專注執行任務,因此導控站之人機介面設計必須易於使用,以降低操作人員之負荷,並可使新手易於訓練,及加速偵蒐資料之傳播。同時導控站必須設計堅固及耐用,以防止當機。
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七、系統整合技術︰現今工業發達,許多UAV之零組件╱次系統皆由廠商發展,因此大部分UAV製造廠商皆以系統整合方式進行研發,因此許多介面之整合需靠系統工程師解決,另其可靠度、穩定性亦需驗證、提升或修改。" @( ]0 v1 m' z# D  ~- ^
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八、衛星通訊中繼技術︰為能進行導控站與載具間之長遠距離通訊,如何開發強健之衛星通訊技術為一大挑戰。
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  除技術上之精進外,另考量後勤體系支援,未來UAV設計,應降低後勤補保體系及費用,及提升系統可靠度,如使用重油引擎,發展共通型系統及導控站、共通自動回收系統、酬載模組化及標準化;另固態導航系統開發、酬載小型化、空電零組件可靠度提升、通訊鏈路抗干擾及抗截收等,可提升後勤補保效能。
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  近來半導體製程技術日漸成熟,微機電(MEMS: Micro-electromechanical system)產品逐漸開發,微型UAV(如附圖四)因體積小、重量輕,可放置於單兵背袋中,於使用時取出並啟動引擎後,直接手擲起飛,該微型UAV可提供步兵排、工兵排、步兵連及步兵旅等作戰單位,單兵執行近距離敵我對峙或於危險地形環境中,執行偵察、監視等任務,極具戰術價值,已成為未來發展趨勢。* T" K! C. `  _- H0 x0 G; @

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  現代戰場瞬息萬變,戰場指揮官如無法於很短時間內,掌握戰場環境、敵我能力,必無法採取最迅速正確之反應,以最少代價獲致最大成功機率。由於軍事科技日新月異,已使指揮、管制、通信、情報與電腦系統連成一體,運用UAV之隱密、靈活、無人員安全顧慮、作業時間長等優勢,執行目標區之情、監、偵、測及目標定位,整合指、管、通、資、情、監、偵及數據鏈路(C4ISR/DL)工作,乃未來協同作戰任務遂行之必然趨勢。
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