DARPA的研究成果(二)：無人駕駛飛行器，情報、監視和偵察技術

無人駕駛飛行器（UAV）

需求和發展前景

無論任務是情報、監視和偵查（ISR）、戰鬥傷亡評估、陸軍或者海軍支援還是空襲，空中領域在維護國家安全方面發揮了不可或缺的作用。但是飛行本身就具有很高的風險性，尤其是對於在戰區執行任務的戰機而言，風險性將進一步增加。針對這一情況，國防部數十年來一直致力於更先進威力更大功能更強的無人駕駛飛機（UAV）的研發來擴充美軍空軍的戰機設備，提高空軍戰鬥力。

隨著相關技術的不斷進步和成熟，無人機可執行的任務範圍越來越廣，操縱無人機的操作系統功能也越來越豐富。然而，雖然無人機的系統功能已經有所增強，但是空軍部隊對無人機執行任務的能力的要求也越來越高。如今無人機面臨著一個緊迫的任務，那就是要提高穩定性和飛行時間、擴大任務範圍、增加有效負載、提高戰區通訊能力及加強採用複雜系統構架執行多種戰術作戰任務的能力。

DARPA的解決方案

早在20世紀60年代，DARPA就開始了對無人機的研究，當時使用無人機這一提議在軍事領域引起了軒然大波，大家紛紛對這一計劃的可行性表示懷疑。這些質疑並未影響DARPA對無人機這一設想的濃烈興趣，DARPA始終堅信無人機這一設計理念具有巨大的研究價值並最終將取得顛覆性的巨大成功。DARPA推出了一整套有關無人機研究方案，所涉及的研究項目包括無人機構造、引擎、燃料、導航、感測器、通訊設備和自動操控系統等。

在1962年，DARPA首次研發了早期的無人機垂直起飛和降落（VTOL）技術，並與美國海軍合作共同研製出了QH-50號反潛無人直升機（DASH）。QH-50號反潛無人直升機可以裝載反潛魚雷，搭載有該型直升機的驅逐艦，可以在其反潛火箭射程範圍以外，向敵軍潛艇發動攻擊。之後，DARPA又在QH-50號反潛無人直升機上裝配了電視攝像機，用於執行在越南的情報、監視和偵察工作，駐越南的美軍士兵們將該無人直升機親切地稱為「史努比」。

圖1 QH-50A無人直升機

在20世紀70年代，DARPA啟動了名為「Teal Rain」的研究計劃，主要目的是為了提高無人機的引擎動力和設計。與此同時，DARPA還開展了「Praeire和Calere」項目，展示了無人機在執行任務期間攜帶重型負載的能力。在此期間，DARPA在海軍的要求下，開始了其首次對小型、低可偵測性遠程遙控飛行器（RPV）的研究。在70年代末期，DARPA出資贊助了對可用於無人機的微型機載感測器的研發，其中包括微型抗震穩定系統、移動目標識別器、雷達以及抗干擾數據中繼器——所有這些技術在提高感測器的抗擊能力和穩定運行能力以及適用範圍方面都起到了積極的作用。

在20世紀80年代，在DARPA的支持下，琥珀號長航時無人機誕生了，琥珀號長航時無人機的部分技術後來被用於製造Gnat和MQ-1掠奪者號無人機，DARPA在20世紀80年代對長航時無人機的研究促進了MQ-9死神號機載情報收集和偵查以及攻擊系統的出世。

圖2 「琥珀I」偵察無人機，機鼻下方有光電感測器

這也促進了MQ-9死神號機載情報偵查和收集系統以及目標攻擊系統的研發。在此期間， DARPA還出資贊助了CONDOR飛機測試項目，該項目成功展示了無人機更加強大的情報收集和偵查功能。

圖3 RQ-4「全球鷹」無人機

在20世紀90年代，DARPA啟動了RQ-4號全球鷹研製計劃，研究取得了巨大成功。RQ-4號全球鷹是世界上第一架配備機載情報收集和偵查系統的高空長航時無人機，被廣泛用於伊拉克戰爭、阿富汗戰爭以及美國在世界其他地區的軍事行動。在1996年，DARPA啟動了微型飛行器 （MAV） 計劃，研究用於偵查當地地形的體積更小的無人機機載系統。在該計劃取得的多項研究成果中，其中之一就是T鷹無人機，這是一架垂直起降機，機身帶有直徑為13英寸的單旋翼帶尾槳，配備攝像機和紅外感測器，主要用於在伊拉克探測路邊炸彈和執行其他情報收集和偵查任務。

圖4 美國俄亥俄州賴特·帕特森空軍基地實驗室

微型飛行器（MAV）研製小組研製的微型飛行器

DARPA的微型飛行器項目的其他研究成果還包括黃蜂號無人機的誕生。黃蜂號的固定翼展長不到16英寸，機身總體重量不超過一磅，航速可達20至40英里每小時。黃蜂號機身迷你，可裝入背包中，且便於手動安裝。除此之外，黃蜂號的動力推進系統在工作時較為安靜，不會產生大量噪音，這也使得黃蜂號成為在開放環境和城市中執行小班級別的靈活實時偵查任務的絕佳選擇。

在21世紀初期，DARPA啟動了無人駕駛戰鬥機的驗證項目，提高了無人戰機對合作任務進行規劃能力以及自主決策力，同時提出完善了無人機和有人機合作執行任務的概念。在海軍和空軍的大力支持下，該項目逐漸演變為對聯合無人戰鬥機系統的研究，並研製出了海軍X-47B號艦載無人戰鬥航空器試驗機，這也是第一架能夠從航空母艦上起飛並自行回落的隱形無人轟炸機。

在2005年, DARPA在新項目中進一步擴大了對無人機的研究範疇，致力於開發納米飛行器。納米飛行器為形似蜂鳥的微型撲翼飛行器，可用於執行室內以及室外的情報收集和偵查任務。納米飛行器翼展僅有6英寸，機身重量不足一盎司，這是第一款通過安裝在其單翼上的一個微型化學火箭提供動力的飛行器，另外納米飛行器的機翼上還可以安裝電池以及飛行控制裝置。

圖5 A-160蜂鳥無人機

在此期間，DARPA 還在積極籌備長航程垂直起降無人機的研發計劃，同時開展了對另一型號的「蜂鳥」——A-160蜂鳥無人機的研究。A-160蜂鳥無人機為長航程高速無人直升機，可以連續飛行18.7個小時, 其前所未有的強大續航能力和超輕機身刷新了此類無人機系統的歷史記錄，成為無人機發展史上的一座里程碑 。

所產生的影響

DARPA所推動的無人機技術創新和應用徹底顛覆了傳統的情報收集和偵查的方式，無人機以更強大更隱秘的情報收集和偵查能力為鞏固美國的絕對空中優勢和國防部以及其他部門的信息優勢提供了重要保障。DARPA這類研究所取得的最明顯的成效之一就是現在裝載了情報收集和偵查系統的無人機可以在全世界任何地區執行任務，續航功能更加強大，飛行高度也有顯著提高，同時收集到的情報信息量和清晰程度也是其他傳統方法無法比擬的。與此同時，DARPA還積極研發了可以極大簡化操縱這類無人機執行戰區任務的新技術。例如，黃蜂號配有尖端全球定位系統以及超微型自動駕駛導航儀，是歷史上首款無需人工操縱可以獨立自主飛行的微型飛機，這樣一來操作人員就可以把精力集中在執行任務和收集戰區信息和圖像上。在2008年，美國武裝部隊在一項官方軍事行動中正式啟用了黃蜂號無人機，這也是美軍首次啟用無人機執行正式軍事行動。

無人機的誕生離不開DARPA多年長期不懈的努力，這一里程碑式的技術突破不僅改寫了人類歷史，還將對人類未來發展產生深遠的影響。無人機早期被用于越南戰役，後來隨著無人機技術的不斷成熟，無人機在20世紀90年代聯合國在波斯尼亞的維和行動中為聯合國維和部隊提供了大量寶貴的情報和信息，並在摧毀維吉尼亞大炮的行動中發揮了重要作用。在最近的伊拉克戰爭和阿富汗戰爭中，無人機出色完成了情報偵察和收集、發現瞄準攻擊目標、以及傷亡評估等多項任務。這些都充分說明了無人機在維護國家安全以及加強軍事實力方面無可取代的重要性。

除了軍事領域外，無人機也逐漸成為很多企業界人士投資的重點，為民事商業市場的發展做出了貢獻。事實上，今天無人機是航空業發展最快的領域，充分說明了DARPA的研究的巨大影響力和現實意義。

除了執法部門和公安局外，各大企業也紛紛制定計劃，採用無人機來加強在輸電線路監測、作物評估、火災測定、採礦、伐木和提供遠程通信連接裝置等方面的工作，另外在無人機技術剛剛起步階段早期就已經被應用於好萊塢及相關娛樂行業。

技術成果的轉化和應用

DARPA研發的無人機以及無人機相關技術在美國海陸空三軍中都得到了廣泛的應用，並且正如上文所介紹的，無人機已成為國防部必不可少的軍備之一。

下一步計劃

未來在軍事領域以及國家安全方面對無人機的需求將會越來越大，對無人機功能的要求也會越來越高。隨著無人機應用範圍的迅速擴大，今後人們將需要能夠獨立執行任務的無人機系統。DARPA正在積極開展一系列在這方面的相關項目，以圖擴大無人機的功能範圍，其中包括對吸氣式和非吸氣式推進技術、旋翼式機身設計、溫度和散熱管理、制導和導航系統、航行管理、感測器以及先進機載系統等領域的研究。

同時，鑒於無人機所收集到的信息量巨大以及為了滿足現代情報收集和偵查的需求，DARPA還同步開展了可以加強對無人機所收集的信息的處理、管理分類和分析的技術研究。

目前，很多用于軍事用途的無人駕駛飛行器都需要航空母艦或者配有長跑道的陸地基地來幫助起飛和降落，這對經濟、財政、外交以及安全等方面的要求都很高，需要投入巨大的人力和物力，嚴重製約了無人機系統的部署速度。對於這一問題，DARPA也在積極研究解決方案。DARPA的戰術利用偵查節點項目（Tern）計劃使用小型艦艇作為長航時中等體積固定翼的無人機的活動發收站。目前，海軍部隊正與DARPA緊密合作，在DARPA前期所取得的成果上, 進一步研究戰術利用偵查節點項目的全方位海上展示平台。

此外，DARPA的空中可重構嵌入式系統（ARES，戰神）研究項目旨在開發出一種緊湊的、可垂直起降的、能夠高速飛行的無人駕駛投送系統，能夠執行物資供應、空中偵察以及傷員運輸等任務。「戰神」無人機的一大特點就是可以像直升機一樣垂直起降，而不需要依賴飛行跑道。因此，它可以無障礙降落到任何熱點地區，例如地面部隊難以抵達的戰區或雷區，卸載物資或搭載救援士兵。「戰神」無人機的另一大特點是「模塊化」，其配備有可拆卸的有效載荷艙，因此可根據不同需求迅速「變形」為運兵飛機、貨運飛機、偵察機或醫療救助飛機，甚至還具備打擊能力。

情報、監視和偵察技術

需求和發展前景

了解敵軍的最新動向以及隨時隨地掌握確定目標所在位置對維護國家安全至關重要，但是這些能力離不開情報、監視和偵察（ISR）技術的幫助。在冷戰時期，由於蘇聯軍隊所擁有的大炮、坦克武器等先進軍備和武裝部隊在數量上遠遠超過美軍和北大西洋公約組織聯軍，面對這一情況，美軍以及其盟友希望在情報收集和偵查方面取得絕對優勢。

作為抗衡蘇聯軍隊的實力優勢，彌合與蘇聯之間的巨大軍事懸殊的突破口。儘管後來蘇聯解體，但是對尖端情報收集和偵查技術的需求卻有增無減——不僅為了消除來自其他國家的威脅，還為了更好地應對日益猖獗叛亂分子和恐怖組織的破壞活動（尤其是考慮到這些叛亂和恐怖分子極有可能混雜隱藏在平民大眾之中因而難以被發現）。聯合監視目標攻擊雷達系統（JSTARS）代號E-8的戰機於2009年飛過加尼福尼亞州愛德華茲空軍基地上空。

DARPA的解決方案

自冷戰時期以來，DARPA取得了一系列的科技突破，為鞏固美國在國際上情報、監視和偵察方面的絕對領導地位做出了巨大貢獻。舉例來說，在20世紀70年代，為了抵抗蘇聯的軍事威脅，DARPA 啟動了「鋪路機」目標捕獲武器運輸雷達系統項目。「鋪路機」系統是一種機載雷達系統，用來監視、探測和攻擊陸軍前沿部隊縱深地帶的敵方的面活動目標。在1978年，DARPA在其「突擊破壞者」項目中採用了「鋪路機」系統和其他相關技術，突擊破壞者可以讓美軍利用DARPA研發的空載偵查和導航技術，例如，尖端光電感應器以及空載雷達，外加綜合目標截獲、數據傳輸和攻擊的通信、指揮和控制網路，對敵軍縱深裝甲目標發動遠程攻擊。

後來，這些技術經過不斷的升級更新，多被用於研發新型現代軍事武器系統，其中最著名的例子就是誕生於20世紀80年代的聯合監視目標攻擊雷達系統（JSTARS），一種被空軍用於管理、指揮和控制戰役同時追蹤地面車輛，將截獲的圖像和數據傳送回中央指揮部的先進的遠距空地監視飛機，可在任何氣象條件下對地面目標進行定位、探測與跟蹤。

在那之後誕生的車輛及散兵探測雷達（VADER）無人機機載系統 不僅可追蹤敵區地面車輛還能追蹤下車人員。

為了發揮突擊破壞者的機載雷達系統、聯合監視目標攻擊雷達系統以及車輛及散兵探測雷達系統的最大軍事價值，DARPA開展了三個研發項目，分別為：移動目標監視項目、低成本移動面目標交戰項目和NetTrack項目，研製出了可以發射精確制導彈藥以及可以大面積地區範圍有效識別敵人不顯著的活動模式，例如發射機動導彈一類的小規模隱秘軍事行動。

DARPA最近在探測諸如裝甲車輛一類的小型目標方面也取得了重大突破，最新的感測器和雷達系統可以有效地識破敵方為逃過美軍偵查和探測而利用惡劣的天氣大面積隱藏目標或者採用其他偽裝和欺騙手段隱藏軍隊、車輛或武器系統的伎倆，可以在可視度較低的環境下迅速識別敵方偽裝。舉例來說，DARPA的「七巧板」項目研發出了新型的三維立體激光成像雷達系統，利用激光穿透樹葉植被或其他偽裝的空隙，從多個角度收集三維圖像，幫助作戰人員準確地識別出隱藏目標。同時，DARPA所研發的植被穿透偵察、監視、跟蹤和作戰雷達（FORESTER）可以準確識別隱藏在障礙物之下的目標，大大增強了美軍反偽裝、反隱藏和反欺騙的能力。另外，DARPA與20世紀90年代末期啟動的「發現者II」項目整合了「鋪路機」系統和其他相關技術，研發了一系列空間雷達系統，最終成功在近地軌道上安裝了先進的情報收集、偵查和監測技術系統，用於實行太空監測。

前不久， DARPA研發出了世界上首款機載高清實時成像感測器——自動實時地面覆蓋偵察成像系統 （ARGUS-IS），該系統可自動跟蹤包括車輛、行人在內的任何移動物體，同時將拍攝到的具有高解析度的實時圖像資料傳輸到與之相連的地面指揮部操控界面上。

所產生的影響

DARPA在提高美國情報、監視和偵察能力方面作出了巨大的貢獻，大大增強了美軍的軍事優勢，便於美軍執行軍事行動搶佔先機。最新的情報、監視和偵察不僅改革了美軍的作戰方式，還大大提升了美軍整體戰鬥力和攻擊力。

在伊拉克的沙漠風暴行動中，DARPA所研發的機載情報、監視和偵察系統（例如聯合監視目標攻擊雷達系統）為美軍作戰人員提供了大量寶貴的戰術情報和信息，幫助美軍在最大程度上減少了行動所造成的附帶傷害和意外傷亡。此外，在伊拉克自由行動中，這些DARPA所研發的機載情報、監視和偵察系統捕獲拍攝了大量寶貴的戰場實況圖像和信息，圖像的清晰程度和信息的詳細度都是前所未有的，讓美軍可以實時監控戰場上的一切動態發展。聯合監視目標攻擊雷達系統可以準確識別敵軍地面戰車和直升機的行動方向和速度，同時將拍攝到的實時圖像資料通過安全加密的數據傳輸器傳輸空軍指揮部、陸軍機動地面控制站以及遠在千里之外的軍事情報分析中心與之相連的操控界面上。在另一方面，DARPA在雷達成像和廣域視頻等領域的技術突破可以有效地發現並識別隱藏或者潛伏的叛亂分子和恐怖組織活動網路。

DARPA被應用於持久自由軍事行動 的ARGUS系統（OEF）以及DARPA的高空光學雷達運行實驗（HALOE）項目為在阿富汗作戰的美軍部隊提供了大量實時三維、高解析度戰區實況測繪圖像和情報，所採集的數據不僅範圍更廣、像素和清晰度更高而且速度更快，同時還突破了傳統情報收集手段的局限，能夠突破敵方強大的防空系統，深入敵軍後方進行偵查。在2012年，DARPA 負責開展管理高空光學雷達運行實驗項目（HALOE）和維德項目（VADER）的前鋒小編隊由於在為美軍在其他地區開展的持久自由行動提供情報信息支持方面做出巨大貢獻而榮獲傑出集體功績獎。

大多數在情報、監視和偵察方面的技術都被廣泛用於無人機，反過來，無人機也極大地推動了美國情報收集和偵查技術的發展，這一切都離不開DARPA長期以來的不懈努力。配備了DARPA最新研發的情報、監視和偵察系統的無人機可以戰勝惡劣環境所帶來的挑戰，大大提高了任務的成功率和精確度，這兩種技術的完美結合極大程度上提升了美軍的戰略行動和情報優勢。

DARPA的高空光學雷達運行實驗（HALOE）項目為在阿富汗作戰的美軍部隊提供了大量三維、高解析度戰區實況測繪圖像和情報，所採集的數據突破了傳統情報收集手段的局限不僅範圍更廣、像素和清晰度更高而且速度也更快。

技術成果的轉化和應用

DARPA所研發的情報、監視和偵察技術已被廣泛用於美國海陸空三軍國家偵查局、國家地理空間情報局、中央情報局和國防部聯合簡易爆炸裝置對抗組織等機構。

與此同時，DARPA所研發的情報、監視和偵察技術在許多關鍵的民事領域也有廣泛的應用。原本為執行軍事領域的情報收集工作而開發的相控陣雷達系統，其應用現已擴展到蜂窩移動通信等民用領域。此外，由DARPA部分研發的先進雷達信號處理技術一開始主要用於支持軍事情報收集，而如今也被廣泛應用於民用航空空中交通管制系統，極大地提升了空域管理的效率。與此同時，現在很多的智能手機攝像頭都裝配了DARPA項目所研發的固體探測器和高速光電感測器，這掀起了商業攝影和攝像和視頻領域的改革的浪潮。

下一步計劃

今天， DARPA還在進一步研發可加強戰區情報收集和偵查工作的新型技術。與此同時，鑒於如今依靠強大尖端的情報收集和偵查技術所收集到的數據信息量的增長速度已遠遠超過人類可以處理和分析的能力範圍，因此DARPA正在積極研發新的信息處理和分析技術，這些技術可以幫助整合來自多個負責監測不同目標的感測器所採集的信息數據，同時自動化對目標和目標活動的檢測工作，大大降低信息分析員的工作量。DARPA還計劃通過使用先進的模式分析、發現和預測程序來識別潛在威脅，加強對具有高時效性的緊急軍事行動的情報支持。

本文節選自《國家安全突破性技術》

來源：信息與電子前沿