無人機的飛行控制與導航

形形色色的無人機已經成為未來信息化、網絡化戰爭基礎性的作戰裝備，各國對于無人機系統的發展也不遺余力。然而很多人對于無人機系統及其技術全貌卻并不一定有著清晰的了解。航空專家傅前哨將通過一系列文章，向你闡述無人機的相關技術及最新發展。

Q無人駕駛飛行器系統都有些什么樣的裝備和設施?

A無人駕駛飛行器的使用需要一套專門的裝置和設備。整個系統包括若干架無人駕駛飛機(或其它航空器)、地面控制系統(如遙控站)、地面支援保障設備以及起飛、回收裝置等。例如，“獵人”軍用無人機系統，共含8架可攜帶偵察設備的無人機、兩個地面控制站、1個任務規劃站、4個分離式接收站、1個發射回收裝置等。無人駕駛的飛機、直升機、飛艇等主要由機體、動力裝置、機載導航定位系統、飛行控制系統、起飛和回收裝置以及有效載荷(如偵察設備、電子對抗設備、信息傳輸設備、機載武器等)組成。無人駕駛飛行器上沒有乘員，因此領航員、駕駛員的任務需要由導航定位系統、飛行控制系統、自動駕駛儀等設備來完成。

Q無人駕駛飛行器的控制方法有幾種，各有什么優缺點?

A無人機的飛行控制方式較多，目前采用的主要有線控、有線電遙控、無線電遙控，程控等幾種。

所謂線控，就是用手持的鋼絲線對動力無人機進行操縱，此法多用于競技航模。

有線電遙控是一種相對簡單，且成本較低的操縱方式。地面站人員通過電纜或光纜將各種控制信號傳輸給無人機，操縱其飛行和工作，而無人機則通過電纜將偵測到的信息送回地面站。其缺點是受電纜長度，重量的限制，飛行器的航程和升限都不大，活動區域和觀察范圍較小。

一些小型的，微型的無人偵察機也采用目視遙控的方式進行操縱。這類無人機上大都安裝有一部與手持式遙控器配套的小型多通道無線電接收機。機載接收機收到由地面遙控發射機發來的操縱指令后，將控制信號分配給各舵機，由其完成翼面，油門的控制，開啟，關閉某些設備，完成對無人機的操縱。

超視距遙控的工作原理是，地面遙控站的人員通過目視、光學設備、雷達系統等，實時獲取無人機的姿態，方位，距離，速度、高度等信息，并對其進行跟蹤，定位和控制。當發現無人機偏離預定航線，空中姿態出現偏差或需要人為地改變其飛行狀況時，地面站發出無線電遙控指令，操縱無人機恢復或調整其飛行軌跡，這種方式可稱之為單向無線電遙控。某些無人機上裝有機載數據采集與傳輸系統或專用的前視攝像裝置，可通過數傳電臺或數據鏈向地面無線電測控站發送無人機自身的飛行數據等，并在地面站計算機上模擬顯示出相關的儀表顯示、飛機姿態、飛行航跡等。如果通過電視圖像傳輸系統向地面遙控站發送現場的前視圖像和座艙圖像，地面站的人員還可根據無人機傳回的圖像和數據，監視、判斷它的飛行情況，并通過遙控裝置操縱其飛行，這種遙控方式被稱為雙向無線電遙控。現代無人機有許多機型都采用后一種遙控方式。而美國在20世紀70年代研制的F－15縮比自由飛模型和HiMAT無人駕駛研究機則采用了前一種遙控方式。

采用無線電遙控方式時，無人機的活動半徑和飛行自由度主要受機載和地面遙控設備的發射功率、無線電波的傳輸距離以及飛行器本身性能的限制。受地球曲率、遙控設備發射功率等因素的影響，地面站的作用距離一般較短，往往只能用于較近距離(250千米以內)的飛行控制。如果采用中繼平臺或衛星通信，也可進行遠距離甚至洲際范圍(上萬千米)的操控，但費用將大大增加，使用上也較復雜。另外，采用無線電遙控容易受到電磁干擾，在此種情況下，不但難以完成任務，甚至有可能導致無人機無法返回。

所謂程控，是指無人機依靠機載飛行控制系統和機上的設備實現按程序、沿預定航線的飛行控制。機載飛控系統主要由自動駕駛儀、計算機以及導航系統和各種飛行參數傳感器等組成。在飛行過程中，該系統利用各類傳感器，實時獲取無人機的方向、位置、高度、速度、過載、加速度、角位移，角速度、角加速度和發動機轉速等信息，經飛控管理計算機對相關參數推演和計算后，通過自動駕駛儀去控制各活動翼面、調整油門，以適時修正無人機的姿態、航跡等，使之能夠按照事先設置好的任務剖面飛行。與無線電遙控方式相比，采用程序控制的無人機的活動范圍較大。其活動半徑主要受飛行器本身性能的影響。一些新型的無人機甚至能夠跨大洋飛行，可在5000多千米外執行偵察、監視等任務。其缺點是，在巡航狀態，它一般都按照事先選定的軌跡飛行，即使被敵方發現，也不能自主機動，一旦暴露行蹤，就很容易被對手攔截。為了克服這一缺點，有的無人機的控制采用預儲程序和遙控組合的方式或通過衛星向其發送更改程序的命令。

Q遠距離飛行時，精確導航、定位比較困難，對無人駕駛飛行器的導航系統都有什么要求?

A一般來說，無人駕駛飛行器的導航。定位裝置大致可分為自主式與非自主式兩類。采用線控和遙控方式的無人機，基本上都是在目視或無線電測控系統能夠“觀察”到的范圍內飛行，可以不裝專門的機載導航，定位設備，其航線和飛行狀態的修正由地面操縱員適時控制。遠程無人機在執行任務時，其活動半徑往往已超出地面站觀察和測控的范圍(使用衛星通信和中繼通信的除外)，所以，需要采用自主導航方式，由機載導航設備(如慣導、GPS導航系統等)獨立完成精確導航任務。

Q遠程無人機的機載導航、定位系統都有哪些類型?

A遠程無人機的機載導航系統主要有如下幾類：慣性導航系統、無線電導航系統，衛星導航系統、組合式導航系統等等。

慣性導航系統(INS)是最常用的導航、定位系統。這種自主式導航設備主要通過測量加速度來推算飛行器的速度、位置等數據。慣導系統的核心部件為慣性測量裝置——陀螺儀和加速度計。陀螺儀是一種測量物體相對慣性空間轉角或角速度的裝置，航空、航天與航海使用的陀螺儀的種類很多，如剛體轉子陀螺儀，液浮陀螺儀、磁懸浮陀螺儀、靜電陀螺儀、撓性陀螺儀。激光陀螺儀、光纖陀螺儀、壓電陀螺儀等等。

按實現參考坐標系的方式，慣導系統可分為三大類：幾何式慣性導航系統、半解析式慣性導航系統、解析式慣性導航系統。前兩類可統稱為平臺式慣導系統，而第三類則稱為無平臺式慣導系統或捷聯式慣導系統(sINS)。SINS系統的陀螺儀和加速度計都直接安裝在機體(或彈體)上，加速度計的測量是沿機體坐標軸的。SINS借助于計算機、微電子學等新技術，由計算機將測量信號變換為導航參數。與平臺式系統相比，SINS系統的體積小，重量輕、成本低，并且可利用慣性元件斜置布局實現多余度，以提高可靠性。

慣性導航定位系統工作時不依賴外界信息，不向外界輻射電磁波，不受機動飛行的影響，也不受航行地區和氣象條件的限

制，具有自主能力強、隱蔽性好、不易受干擾，可全天候工作等優點。但多數陀螺儀的制造工藝復雜，生產成本和維修費用較高：使用前需進行初始校準；航行時，平臺位置的測量誤差會隨時間的增加而積累，需要定時加以修正。

無線電導航是一種依靠無線電引導飛行器沿預定航線、在規定的時間內到達目的地的航行技術。該系統主要利用無線電波來測定飛行器的方位、距離、速度等導航參量，算出與規定航線問的偏差，然后通過機載飛控系統和自動駕駛儀操縱無人機消除偏差，保持正確的航線。著名的多普勒導航系統、戰術空中導航系統(“塔康”系統)、甚高頻全向方位導航系統(“伏爾”系統)、低頻脈相雙曲線遠程導航系統(“羅蘭-C”導航系統)、“奧米加”導航系統等均屬于無線電導航系統的范疇。

Q多普勒導航系統是現代飛行器使用得比較多的一種無線電導航系統，能否簡單介紹一下它的工作原理。

A多普勒導航系統(DNS)是一種機載自備式航位推算系統，它主要是利用多普勒效應來實現無線電導航的，現代大型遠程無人機一般都配備有該系統。DNS主要由多普勒雷達、航向姿態陀螺，多普勒導航計算機等組成。飛行時，將機載多普勒雷達測得的飛機速度信息，航向姿態系統測得的飛機航向，俯仰、橫滾信息，送入導航計算機，完成坐標轉換，得到在地面坐標系中的速度矢量。然后，通過對速度進行連續積分等運算，得到無人機的即時位置。再由即時位置算出航線，求出目標相對于無人機的方位、距離以及無人機的偏航角、偏航距等導航參數，并對機載系統實施修正操縱。

多普勒導航系統重量輕、體積小、成本低、使用維護方便；能連續提供各種導航參數：適用于全天候的遠、中、近程導航；無需地面設備配合工作，能夠獨立完成導航任務；飛機速度和偏流角的測量精度較高，與自動駕駛儀交聯可實現自動領航。其主要缺點是：飛行姿態超過限度時，多普勒雷達有可能收不到回波信號，從而影響系統的正常工作；導航定位誤差隨時間和飛行距離的增加而積累。

QGPS導航系統精度如何，有什么優缺點?

A從原理上講，全球衛星導航定位系統(GPS)也是一種無線電導航系統。與其它無線電導航系統相比，GPS可實現全球導航。同時，與DNS系統相比，其導航精度是比較高的。美軍的無人機以及部分精確制導彈藥都喜歡采用這種簡單、實用、廉價的制導方式。GPS系統的主要優點是：體積小、重量輕、價格低、導航精度高、使用維護方便j能實現全球導航和全天候導航，它的導航定位設備不向外界發射電磁波，隱蔽性比較好。該系統的缺點是：只有接收到GPS衛星發射的無線電波才能進行導航、定位，受到外界干擾時，就無法正常工作了；GPS的動態刷新率較慢(大約每秒1次)，因此，不適用于作高速機動飛行的無人機；由于它無法給出飛行器的姿態角，也難以和自動駕駛儀實施緊密交聯；在某些飛行狀態下，GPS信號可能會被無人機的機身、機翼、機內設備等遮擋，從而丟失數據，使導航，定位工作處于間斷狀態。

Q上述幾種導航系統似乎都有不足之處，那么能否把它們組合在一起，構成一個更為完善的系統?

A把兩種或兩種以上的導航系統有機地結合起來，構成新的組合式系統，在技術上是完全可行的。這么做，雖然整個系統較為復雜，制造成本和使用維護費用也更高一些，但好處很多。組合后的導航系統可以綜合利用來自不同傳感器、不同渠道的多種信息源，使其自主能力、抗干擾能力等大大增強。各系統取長補短，互為余度，還有助于改善它們的工作可靠性，提高無人機的導航、定位精度。

無人機使用的組合式導航系統種類很多，比較典型的有：INS／DNS組合式導航系統、GPS／INS組合式導航系統、GPS／DNS組合式導航系統、GPS／INS／DNS組合式導航系統等等。在新型組合式導航系統中，各種機載導航系統與GPS組合的方案最多，因為這樣做，比較容易實現，且相對成本較低。組合式導航系統的余度大、可靠性好、綜合效能高。GPS、INS、DNS等系統既能夠“聯手”合作，為無人機提供更為精確的導航、定位服務，也可以獨立工作，以保證當其中之一(或之二)發生故障時，整個系統仍能完成導航任務。

Q組合式系統的成本如何，無人機用得起嗎，如何才能解決這一問題呢?

A組合式導航系統的設備比較多，其成本和維護費用相對較高。我們知道，軍用航空電子系統都是比較昂貴的，無人機的機載設備購置費往往要超過機體和發動機的造價之和。對于這一問題，個人認為，解決辦法有二：一是依靠技術的進步；二是開展有序競爭，以降低成本。目前有一種發展趨勢值得我們關注；從國際市場的情況看，隨著生產廠家的增多、生產規模的擴大，商業競爭的加劇，大多數的民用電子產品已進入“微利”的時代。而隨著航空工業集團壟斷程度的提高、研發費用的上升、生產數量的下降，航空電子產品則呈現出“暴利”的傾向!顯然，要想解決機載電子設備的設計與生產費用居高不下的問題就必須打破壟斷，另辟蹊徑，引進競爭機制，讓民用電子開發商進入軍工行業。目前，隨著越來越多的民營企業介入航空，許多軍民通用的小型飛行控制系統，導航定位系統、探測系統、設備云臺等由于采用了先進，成熟的貨架產品，其技術水平在不斷升級，機載電子設備硬、軟件的價格則因產量增大而在持續下調。這與電視機、電腦、手機、數碼相機等民用電子產品的市場走勢是相一致的。可以預言，隨著技術水平的提高和購置費用的降低，無人機應用組合式飛行控制與導航系統將是未來的發展方向。

Q無人機飛行控制系統的組成、功能與運作方式是怎樣的?

A就以現代的輕小型無人機為例，談談這一問題。此類飛行器多采用成熟的商用產品，來實現遙控和程控飛行。早期的遙控飛行設備是脈沖式的，后來發展出了比例式的，并且已更新了好幾代。老式的程控飛行系統又大又貴，輕型無人機用不了也用不起，隨著微電子技術的進步，體積小、重量輕、功能多、價格低的程控設備已經問世，被越來越多地配備在無人機上。

輕小型無人機的起降速度較低、滑跑距離很短，一般可由地面控制人員采用目視遙控的方式起降，當無人機達到一定的高度、速度，并穩定平飛后，便通過無線電指令，將遙控方式切換為程控方式。當然，也可以采用全程程序控制飛行。程控飛行主要由機載自動駕駛儀完成。它與遙控接收機并聯，從而構成2-3種飛行控制模式，如近距遙控模式(PIC或RC)、遠距遙控模式(RPV)和自主飛行模式(UAV)等。飛行過程中，遙控狀態與程控狀態可以在地面人員的操縱下，相互切換。

供輕小型無人機使用的自動駕駛儀實際上是一種低成本的飛行控制系統，它集成了超小型GPs衛星導航、簡易慣性導航、飛行穩定控制和任務控制等功能。其傳感器包括陀螺、加速度計、傾斜傳感器，空速傳感器、氣壓高度計、GPS接收機等。無人機飛行控制系統的核心部件是“導航及任務控制計算機”和“飛行穩定控制計算機”(單板機)。導航與任務控制計算機主要用于導航、執行指令、接通視頻覆蓋發生器(VID)和任務舵機的定位等。飛行穩定控制計算機的主要工作是：依據導航與任務控制計算機傳送來的指令以及通過自備傳感器測得的信息，按照要求，控制無人機的副翼、襟翼、升降舵、方向舵等舵面和發動機油門，以保持穩定的速度、高度和航向，或根據指令改變飛行狀態和航跡。

Q無人機的供電系統是如何保證設備用電的?

A大部分的無人機可以說是“全電飛機”，其機載飛行控制系統、導航定位系統、任務系統、信息傳輸與接收系統等設備都要用電。某些以電動機作為動力裝置的輕型無人機更是離不開電源。一旦斷電，不要說無人機的任務完不成，其本身也必毀無疑。因此，需要為其配備非常可靠的電源系統，無人機起飛前，地面的維修保障人員一定要嚴格查看機上的供電情況。當然，地面控制系統的供電系統也需要認真進行檢查。

無人機一般使用什么樣的電源系統?

A無人機的電源系統主要分為充電電池、燃料電池、太陽能電池、發電機等幾類。如單純采用固體電池供電，無人機需承受較大的電池重量，而且受電池容量和任務設備用電量的限制，其供電時間較短，一般不能用于長航時無人機。利用發動機帶動發電機發電，可保證長時間的供電和充電，但發動機的功率將因此而下降、油耗也會增加，無人機的飛行性能(航程、速度，高度。載重能力等)都將受到影響。到底選擇哪種電源系統為好，需根據實際機型而定。從現狀看，電源系統(尤其是重量輕，容量大的高性能電池)已成為無人機技術發展的瓶徑之一，需要認真攻關。