一種小型無(wú)人直升機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡天翔

摘 要：該文介紹了一種小型無(wú)人直升機(jī)測(cè)控系統(tǒng)組成和功能的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，依據(jù)飛行原理和飛控?cái)?shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)了一種小型無(wú)人直升機(jī)測(cè)控系統(tǒng)，并將其應(yīng)用在實(shí)際工作中，為后續(xù)無(wú)人直升機(jī)系統(tǒng)的研究工作提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：無(wú)人直升機(jī) 測(cè)控系統(tǒng) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）07（c）-0018-02

Abstract：In this paper a small unmanned helicopter control system composition and function of the realization process is introduced，according to the principles of flight and flight control mathematical model， design of a small unmanned helicopter control system and its application in the practical work，for subsequent unmanned helicopter system research provides a reference.

Key Words：Unmanned helicopter；Measurement and control system；System design

無(wú)人直升機(jī)是無(wú)人駕駛直升機(jī)的簡(jiǎn)稱(chēng)，是指由無(wú)線電地面遙控飛行或自主控制飛行的不載人的直升機(jī)。無(wú)人直升機(jī)具有垂直起降、空中懸停、全向飛行、低速機(jī)動(dòng)等獨(dú)特飛行能力，以及載荷掛載便捷，準(zhǔn)備時(shí)間短等特點(diǎn)，具有非常廣泛的應(yīng)用前景。民用方面，可用于地理信息測(cè)繪、電力巡線規(guī)劃、地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急，海事應(yīng)用、空中攝影等；軍用方面，可用于空中偵察、警戒、通信中斷、戰(zhàn)果評(píng)估、瞄準(zhǔn)和封鎖打擊等。

無(wú)人直升機(jī)系統(tǒng)一般由直升機(jī)平臺(tái)系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)、機(jī)載任務(wù)設(shè)備系統(tǒng)、地面測(cè)試保障系統(tǒng)等組成，如圖1所示。其中測(cè)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)無(wú)人直升機(jī)及機(jī)載任務(wù)設(shè)備的測(cè)控，以實(shí)現(xiàn)對(duì)直升機(jī)和任務(wù)設(shè)備的控制。測(cè)控技術(shù)的發(fā)展使得無(wú)人直升機(jī)實(shí)現(xiàn)了超視距飛行控制、大容量數(shù)據(jù)傳輸，使無(wú)人直升機(jī)能夠成功應(yīng)用于軍民各種用途上。

1 無(wú)人直升機(jī)系統(tǒng)測(cè)控功能

測(cè)控系統(tǒng)作為無(wú)人直升機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，可完成對(duì)無(wú)人直升機(jī)機(jī)及機(jī)載設(shè)備遙控、遙控?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，其主要功能如下：

①能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)無(wú)人直升機(jī)飛行狀態(tài)及機(jī)載設(shè)備遙控遙測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸；

②能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)無(wú)人直升機(jī)任務(wù)設(shè)備信息的實(shí)時(shí)傳輸、顯示、記錄；

③能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)無(wú)人直升機(jī)跟蹤、測(cè)角；

④能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)無(wú)人直升機(jī)飛行航線和遙控參數(shù)的綜合處理、顯示和記錄；

⑤具有任務(wù)規(guī)劃和鏈路監(jiān)控能力。

2 某型無(wú)人直升機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)控系統(tǒng)組成

無(wú)人直升機(jī)測(cè)控系統(tǒng)由地面測(cè)控站和機(jī)載測(cè)控終端組成，如圖2所示。地面測(cè)控站將各種指令傳輸至機(jī)載設(shè)備，實(shí)施遙控功能；機(jī)載設(shè)備將各種數(shù)據(jù)（遙測(cè)數(shù)據(jù)、任務(wù)設(shè)備信息、遙控指令回報(bào)信息以及定位數(shù)據(jù)等）傳輸至測(cè)控站進(jìn)行處理、顯示與記錄，實(shí)施遙測(cè)功能。地面數(shù)據(jù)終端和機(jī)載數(shù)據(jù)終端組成遙控遙測(cè)鏈路，共同完成無(wú)人直升機(jī)和機(jī)載任務(wù)設(shè)備的測(cè)控與信息傳輸任務(wù)。地面測(cè)控站與無(wú)人直升機(jī)之間的數(shù)據(jù)鏈路包括兩條，即一條C波段主鏈路，一條UHF波段備用鏈路。C波段主鏈路作為無(wú)人直升機(jī)測(cè)控與數(shù)據(jù)傳輸主通道，主要完成對(duì)飛行器的遙控、遙測(cè)、跟蹤定位與任務(wù)載荷數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋HF波段備用鏈路作為備用通道，是主通道測(cè)控鏈路的熱備份，完成對(duì)無(wú)人直升機(jī)的遙控、遙測(cè)功能。

2.2 地面站組成及功能

地面測(cè)控站由方艙車(chē)、任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)、指揮測(cè)控系統(tǒng)、車(chē)載通訊系統(tǒng)組成。地面站能夠規(guī)劃飛行任務(wù)并裝訂任務(wù)參數(shù)，能夠接收和顯示直升機(jī)各系統(tǒng)工作狀態(tài)、位置信息、船路、航跡、背景地圖、視頻等信息，記錄數(shù)據(jù)并可回放。地面測(cè)控站主要功能包括：（1）根據(jù)使用任務(wù)要求，進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃，制定無(wú)人直升機(jī)飛行計(jì)劃；（2）對(duì)無(wú)人直升機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)數(shù)據(jù)裝訂；（3）傳輸?shù)孛嬲局翢o(wú)人機(jī)的上行指令信息；（4）接收并處理無(wú)人直升機(jī)系統(tǒng)回傳的遙測(cè)數(shù)據(jù)和圖像信息；（5）在電子地圖背景上實(shí)時(shí)顯示有關(guān)信息；（6）實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)的跟蹤定位；（7）實(shí)時(shí)記錄遙控和遙測(cè)信息。

2.2.1 任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)

任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)是聯(lián)系無(wú)人機(jī)系統(tǒng)和指揮測(cè)控系統(tǒng)的樞紐，由任務(wù)規(guī)劃軟件完成飛行任務(wù)的規(guī)劃（航線、任務(wù)設(shè)備）、記錄和評(píng)估，并生成航線、配置任務(wù)設(shè)備類(lèi)型、無(wú)人直升機(jī)機(jī)號(hào)、目標(biāo)位置等任務(wù)數(shù)據(jù)加載文件，并將任務(wù)數(shù)據(jù)加載到無(wú)人直升機(jī)控制系統(tǒng)。執(zhí)行任務(wù)時(shí)，根據(jù)任務(wù)臨時(shí)需求實(shí)時(shí)調(diào)整任務(wù)內(nèi)容。

2.2.2 指揮控制系統(tǒng)

指揮控制系統(tǒng)由無(wú)人直升機(jī)控制飛行機(jī)柜、任務(wù)控制機(jī)柜、控制臺(tái)和顯示設(shè)備等組成。指揮控制系統(tǒng)是無(wú)人直升機(jī)系統(tǒng)的綜合控制臺(tái)，實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)o人機(jī)系統(tǒng)的飛行伏態(tài)并將相關(guān)遙測(cè)及語(yǔ)音、視頻信息存貯。指揮控制系統(tǒng)以測(cè)控計(jì)算機(jī)為核心，測(cè)控計(jì)算機(jī)完成遙控信息的采集和組幀，并接收遙測(cè)數(shù)據(jù)，輔助指揮顯控計(jì)算機(jī)處理遙測(cè)顯示無(wú)人機(jī)飛行航跡和飛行姿態(tài)等參數(shù)，圖像監(jiān)控顯示器實(shí)時(shí)播放任務(wù)設(shè)備下傳信息。測(cè)控計(jì)算機(jī)、輔助指揮顯控計(jì)算機(jī)配置相應(yīng)的應(yīng)用軟件完成相應(yīng)側(cè)控?cái)?shù)據(jù)處理、飛行參數(shù)綜合顯示功能。

2.2.3 通訊系統(tǒng)

通訊系統(tǒng)將地面測(cè)控站接收到的無(wú)人機(jī)飛行數(shù)據(jù)、偵測(cè)任務(wù)設(shè)備回傳數(shù)據(jù)、操縱控制數(shù)據(jù)通過(guò)綜合業(yè)務(wù)傳輸設(shè)備發(fā)送給指揮大廳，并完成指揮大廳對(duì)地面測(cè)控站指令傳輸（控制信息和語(yǔ)音信息）。

綜合業(yè)務(wù)傳輸設(shè)備始端和終端通過(guò)光纖傳輸，提供電話(huà)、網(wǎng)絡(luò)、模擬、串行數(shù)據(jù)接口。

2.3 機(jī)載遙測(cè)遙控設(shè)備

機(jī)載遙測(cè)遙控設(shè)備主要由機(jī)載遙測(cè)發(fā)射天線、機(jī)載遙測(cè)終端、機(jī)載遙控終端、機(jī)載遙控接收天線及電源單元等組成，如圖3所示。

機(jī)載遙控天線接收地面站遙控系統(tǒng)發(fā)出的遙控指令信號(hào)，送機(jī)載遙控終端進(jìn)行下變頻、解擴(kuò)、解調(diào)、指令對(duì)比，完成對(duì)無(wú)人直升機(jī)飛控系統(tǒng)及機(jī)載遙測(cè)終端的數(shù)據(jù)發(fā)。機(jī)載遙測(cè)終端接收機(jī)載遙控終端發(fā)的遙控指令，同時(shí)接收無(wú)人直升機(jī)飛控系統(tǒng)的數(shù)字量遙測(cè)信號(hào)，進(jìn)行遙測(cè)數(shù)據(jù)的采集、組幀、擴(kuò)頻卷積，并通過(guò)變頻發(fā)射模塊進(jìn)行調(diào)制、功率放大后送機(jī)載遙測(cè)天線發(fā)給地面站遙測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行接收解調(diào)。完成無(wú)人直升機(jī)的飛行姿態(tài)、飛行高度、位置，以及發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)上設(shè)備的工作狀態(tài)等監(jiān)控。

3 結(jié)語(yǔ)

無(wú)人直升機(jī)測(cè)控系統(tǒng)是無(wú)人直升機(jī)系統(tǒng)重要組成部分之一，其技術(shù)的優(yōu)越性、可靠性決定了無(wú)人直升機(jī)的飛行安全、任務(wù)設(shè)備的控制及任務(wù)成功率。該文從原理上設(shè)計(jì)了某型無(wú)人直升機(jī)測(cè)控系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于后續(xù)項(xiàng)目的建設(shè)。無(wú)人直升機(jī)測(cè)控系統(tǒng)功能的最終實(shí)現(xiàn)還需研發(fā)相應(yīng)的測(cè)控設(shè)備、測(cè)控軟件（包括飛行管控軟件、鏈路管控軟件、態(tài)勢(shì)顯示軟件、任務(wù)管控軟件等），以及人機(jī)界面的開(kāi)發(fā)等，是一項(xiàng)復(fù)雜的工程。

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