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开云彩票:无人机行业深度报告自主控制飞行的控制原理图

  无人驾驶飞机(UAV)是指以空气动力为升力来源、无人员搭载的空中飞行器,可 重复使用并可携带任务载荷。除无人机和任务载荷外,飞行任务的完成还需要控制、、维护、发射、回收设备等。随着系统概念的发展,无人机与以上设备组成的完 整系统被称为无人机系统(UAS)。相比于有人驾驶,无人机系统因消除了驾驶员 生存、安全及舒适的限制,成为长时间停留、进入有害环境或高危作战任务的更优 选择,因减少人员训练成本与相应装置配备,具备降低全寿命周期成本的潜能。

  根据用途划分,无人机可以分为军用与民用两类,民用无人机又可进一步划分为消 费级与工业级。无人侦察机/监视机、无人战斗机、通信中继无人机、电子干扰无人 机和靶机是军用无人机的代表类型,不同载荷塑造杀伤性差异。无人侦察/监视机能 够利用光学照相机等电子侦察设备对目标进行信息采集;无人战斗机配备兼具小体 积与强攻击能力属性的硬杀伤武器实施空中对抗或对地轰炸;通信中继无人机为军 机提供通信服务,扩展通信数据的传输范围;电子干扰无人机采用有源或无源干扰 方式,诱导敌方雷达等电子设备暴露并实施破坏;靶机通过模拟飞机、火炮及导弹 成为地面防空兵器效能鉴别及相关作战人员训练的辅助装备。除上述单一用途外, 多用途军用无人机同样为重要组成部分,如随轻型精确制导武器、自动目标识别等 技术的发展而日益丰富其谱系的察打一体无人机。依据面向用户群体的不同,民用 无人机可以分为消费级无人机和工业级无人机。消费级无人机关注拍摄效果与操作 简易性,以影视拍摄、日常拍摄等航拍娱乐类为主。工业级无人机致力于经济效益的创造和行业问题的解决,主要包括用于国土资源调查、气象探测等遥感探测类;用于搜捕营救、反恐除暴、边境巡检等的公共安全类;用于农业植保、林业防护的生 产作业类,以及用于短途快递投放、长途物资运输的物流运输类等。

  平台构型、大小、飞行性能等均为无人机的分类维度。按照飞行平台构型,无人机可以细分为固 定翼无人机、无人直升机、多旋翼无人机、无人飞艇等。按照质量及外形尺寸,无人 机可分为大型无人机(质量大于500~800kg)、中型无人机(质量为200~500kg)、 轻型无人机(质量为100~200kg)、小型无人机(质量为1~100kg)、微型无人机(质 量小于1kg)。速度、航程、实用升限既为性能的衡量指标,又为分类尺度。具体来 看,按照速度,无人机可分为低速无人机(Ma小于0.4)、亚声速无人机(Ma为 0.4~0.85)、跨声速无人机(Ma为0.85~1.3)、超声速无人机(Ma为1.3~5)、高超 声速无人机(Ma大于5)。按照航程,无人机可分为超短程无人机(活动半径为5- 15km)、近程无人机(活动半径为15-50km)、短程无人机(活动半径为50~200km)、 中程无人机(活动半径为200~800km)、远程无人机(活动半径大于800km)。按 照实用升限,无人机可分为超低空无人机(实用升限为0~100m)、低空无人机(实 用升限为100~1000m)、中空无人机(实用升限为1000~7000m)、高空无人机(实 用升限为7000~20000m)、超高空无人机(实用升限超20000m)。

  无人机系统通常由飞行平台系统、任务载荷系统、地面系统与综合保障系统构成。飞行平台系统是无人机的主体,整合动力装置、飞控系统、导航系统等部件后携带 载荷实现空中飞行与任务执行。任务载荷系统是决定无人机不同用途的关键,所涉 及任务设备包含侦察搜索设备、测绘设备、军用专用设备、民用专用设备等多种类 型。除执行任务的直接载体之外,地面系统作为无人机系统的指挥中心,控制飞行 过程与航迹、飞行平台的起降以及通信链路的工作,综合保障系统对各分系统进行 维护保障、人员调配等,亦为无人机系统正常运转不可或缺的组成部分。

  飞控系统是无人机飞行过程中的核心系统,可类比为有人机中的飞行员。飞控系统 主要具备飞行控制和飞行管理两大功能,前者保障飞机运行的平稳性,兼顾无人机 姿态和航迹的稳定及按指令或预设转变;后者指代数据设备管理和特定情景响应, 包括采集飞行状态参数、处理故障及应急场景、计算导航路径等。自主控制、半自主 控制、指令控制与人工控制是常见的无人机控制方式。其中,自主控制是飞控系统 利用传感器新获信息、预设航路信息及任务规划信息自动控制飞行,具体过程为飞 控系统中的敏感元件确定当前飞行路线,飞控计算机系统运行处理所获信息并发出指令,执行装置接收指令后带动舵面偏转,进而改变无人机航行路线。指令控制是 由飞控系统接收由地面控制站的操作员所发送的遥控、遥测指令。而半自主控制恰 好为自主控制与指令控制的融合,此时飞控系统同步响应传感器信息与地面指令, 使无人机达到应有姿态,完成航线规划。

  数据链路为无人机与地面系统双向数据传输的通道。无人机数据链路的功能主要为 实现地面控制站对无人机的遥控、遥测以及信息传输。数据链路分为机载部分和地 面部分,两部分均由射频接收机、发射机、调制解调器等数据终端及天线共同构成。依据空地间传输方向的差异,数据链路可以分为上行链路和下行链路。上行链路主 要负责地面站发送遥控指令、无人机对其进行接收的过程;下行链路主要负责无人 机发送遥测数据、红外或电视图像,地面站对其进行接收的过程。借助定位信息在 上下链路的传输,测距也得以实现。

  民用无人机领域,上游多为零部件制造商和分系统制造商,无人机主机厂承担系统 集成及服务提供的职能。上游环节,一般可分为零部件、任务载荷件、分系统研制 商。零部件制造环节,一般包括芯片、电池、电机、发动机、结构件等;任务载荷件 环节,一般包含航摄相机、激光雷达、航摄仪、高光谱成像仪等专业任务载荷;分系 统研制商一般分为飞控导航、飞行器、任务载荷、地面指控等分系统。中游环节,一 般包含系统集成商和服务提供商,系统集成商多单指只包含无人机系统集成,不涉 及服务提供,但目前多数企业均已涉及;但存在部分企业以提供服务为主,包含无 人机航飞数据整合、飞行培训、技术支持、售后维修、租赁等。民用无人机下游应用 广泛,包含娱乐、测绘、巡检、安防、应急、农林牧渔等。

  军用无人机系统产业链构成与有人机类似,使用环境差异及对抗性特征下,产业链 复杂程度高于民用无人机。一般而言,与军用有人机相比,军用无人机系统在机体 平台缺乏飞行员控制,所以减少了包括制氧系统等与维持飞行员生命体征的相关设 备系统;同时,由于军用无人机系统实际上是人-无人系统装备构成的,且系统复杂 程度远高于民用无人机,所以一般含有地面站等,需要地面站人员对无人机进行控 制。由于军用无人机系统的使用环境、对抗性特征与民用存在较大差异,所以一般 而言军用的产业链复杂程度高于民用。例如,对于察打一体无人机,上游环节与有 人机没有较大差异,但由于信息化程度相对较高,因此对电子类产品占比或有一定 提升;中游环节多为机载成品,主机厂一般采购发动机、挂架、飞机管理计算机、光 电监视/瞄准装置、地面站、综合保障设备等。同时,据中航无人机《发行人及保荐 机构关于中航(成都)无人机系统股份有限公司首次公开发行股票并在科创板上市 申请文件的第一轮审核问询函的回复》,用户会结合自身任务区域、作战场景、是否 搭配卫通链路地面站使用等实际情况,去考虑是否采购地面站,即定制化特征更为 突出;下游环节为执行各类任务的无人机系统,客户一般为国内外的军队客户等。

  直接材料为军用无人机业务的主要构成。以中航无人机为例,公司业务包括平台、 地面站、载荷等无人机系统及相关产品,以及总装试验试飞等无人机技术服务。无 人机系统产品端, 2018年公司主要为航空工业成都所提供技术服务,无人机生产所 需原材料由航空工业成都所提供,试飞等其他直接成本由航空工业成都所承担,因 此公司未发生直接材料成本以及其他直接成本。2019年起公司开始自行生产销售无 人机系统。除无人机平台外,其他产品均为不在公司内部加工制造的采购成品,故 成本由原材料构成。无人机平台的成本构成以直接材料为主,翼龙-1、翼龙-2无人机 平台直接材料占比约为80%。

  无人机平台为构成军用无人机营业成本的主要分系统,机载武器贡献较高成本占比。依据中航无人机所披露的无人机系统的各组成部分关联交易采购额,计算出翼龙系 列无人机平台、地面站、任务载荷及综合保障系统所需采购金额占比。其中无人机 平台由机体、飞机管理、动力、机械电器和机载数据链各系统组成。由于2018年中 航无人机与航空工业成都关系的特殊性,当年分系统采购金额比例较之后差别明显。2019年~21年Q3四个报告期间,无人机平台始终为翼龙系列无人机采购金额占比最 高的部分,均超65%;地面站与载荷占比相近。依据中航无人机原材料采购类别的 划分,2020年机载成品(包括发动机、合成孔径雷达、挂架、飞机管理计算机、卫 通天线组合、光电监视/瞄准装置等)在原材料采购金额中占比达57.91%。

  美用无人机的成本主体依然为飞行平台和任务载荷。依据美国国防部披露的MQ 收割者成本明细,将“飞机采购”项指定为飞行平台与任务载荷,将“固定地面控制 站”、“移动地面控制站”、“双向地面控制站”、“地面数据终端”、“卫星链路” 统一划入地面系统。经计算,2016-2018年间地面系统在系统成本中占比分别为 19.59%、20.93%、26.96%,所占成本比重虽逐年提升,但相对较低,飞行平台与 任务载荷始终是无人机系统成本的主体。地面系统中,相比于卫星链路与地面数据 终端,地面控制站贡献主要成本。参考美国总审计署披露的最初的和最新的前10架 全球鹰 和第11至20架黑暗之星 平均单位飞行价格的估计,截至1998年7月,单 位飞行中,飞行平台(包括机体结构、航空电子设备、推进系统等)的成本均高于任 务载荷。将飞行平台各项做具体划分,全球鹰中机体结构价格约达610万美元,占比 最高;黑暗之星中,机体结构与航空电子设备价格均较高,且航空电子设备为1994- 1998年间价格增长最高的部分。

  直接材料为民用无人机业务营业成本的主要构成。公共安全领域,以供应多款无人 机系统、从事无人机禁毒服务的观典防务为例,观典防务2018~2021年H1四个报告 期内直接材料占营业成本的比重分别为60.94%、55.55%、64.61%和71.27%,制造 费用占营业成本的比重约为20%。工业领域,以在国内垂直起降固定翼无人机领域 规模领先的工业无人机企业纵横股份为例,其2017~2020年H1原材料成本占主营业 务成本的比例分别为84.95%、69.92%、74.26%和73.41%。

  民用无人机数据服务成本的主要组成为外购服务成本和制造费。

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