無人機(jī)測控與信息傳輸系統(tǒng)研究

王 娟

（貴陽學(xué)院，貴州貴陽550005）

0 引言

“無人機(jī)”是無人駕駛飛機(jī)的簡稱，是利用無線電遙控設(shè)備（遙控器、手機(jī)、平板電腦等）或者其自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機(jī)[1]。與載人飛機(jī)相比，無人機(jī)具備體積小、重量輕、便于攜帶、造價(jià)低、隱蔽性好、對作戰(zhàn)環(huán)境要求低等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足特殊任務(wù)需要，因而得到了廣泛應(yīng)用。

無人機(jī)上裝有自動駕駛儀、程序控制系統(tǒng)、遙控與遙測系統(tǒng)、自動導(dǎo)航系統(tǒng)、自動著陸系統(tǒng)等，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離作業(yè)。其中遙控與遙測系統(tǒng)由機(jī)載和地面兩部分組成[2]。機(jī)載部分包括遙控與遙測發(fā)射系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、飛行控制器、GPS接收機(jī)、定位系統(tǒng)等構(gòu)成；地面上則需要設(shè)置包括天線、電臺在內(nèi)的完成監(jiān)測控制的平臺，例如主站、副站、控制器（遙控器、手機(jī)或平板電腦）等部分。

1 無人機(jī)測控與信息傳輸系統(tǒng)概述

根據(jù)無人機(jī)的特性分析，它屬于空中數(shù)據(jù)采集分析的節(jié)點(diǎn)或者平臺，是一個(gè)集數(shù)據(jù)采集、分析和傳輸于一體的智能化系統(tǒng)。無人機(jī)還可實(shí)現(xiàn)高分辨率影像的采集，為氣象、交通甚至災(zāi)難預(yù)測等多個(gè)領(lǐng)域做出巨大貢獻(xiàn)。

無人機(jī)系統(tǒng)一般由7大部分組成，包括飛行器平臺、導(dǎo)航飛控、發(fā)射回收、測控與信息傳輸、任務(wù)載荷、情報(bào)處理、綜合保障等[3]，以實(shí)現(xiàn)地面測控站和無人機(jī)之間的信息交換[4]。

2 無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)

數(shù)據(jù)鏈分為視距數(shù)據(jù)鏈和衛(wèi)星中繼數(shù)據(jù)鏈。用于完成遙控、遙測、數(shù)據(jù)傳輸功能的上令下達(dá)，實(shí)現(xiàn)地面控制站與無人機(jī)之間的數(shù)據(jù)收發(fā)和跟蹤定位。在無人機(jī)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)包括三個(gè)基本組成要素：傳輸通道、消息標(biāo)準(zhǔn)和通信協(xié)議，是無人機(jī)最復(fù)雜、最關(guān)鍵的部分，在一定程度上決定著系統(tǒng)的規(guī)模和水平[5]。

通常，無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)一部分裝在無人機(jī)上，稱為機(jī)載數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)；另一部分裝在控制站上，稱為地面控制站系統(tǒng)[6]。機(jī)載部分由天線、收發(fā)信機(jī)和終端處理機(jī)等組成，用于接收地面控制站發(fā)來的遙控指令，往地面控制站發(fā)送遙測數(shù)據(jù)和任務(wù)載荷傳感器信息。地面測控站分為地面數(shù)據(jù)終端和地面控制站。地面數(shù)據(jù)終端完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，以及無線電視距內(nèi)的跟蹤定位。地面控制站也稱指揮控制站或任務(wù)規(guī)劃控制站[7]，用于實(shí)現(xiàn)所有的任務(wù)規(guī)劃、飛行控制、航跡記錄與顯示、鏈路控制、參數(shù)及圖像顯示、信息記錄和分發(fā)等相關(guān)功能。

機(jī)載設(shè)備、數(shù)據(jù)鏈設(shè)備、地面監(jiān)控系統(tǒng)三部分組成了空地?cái)?shù)據(jù)鏈系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

機(jī)載設(shè)備部分負(fù)責(zé)收集、整理數(shù)據(jù)，記錄飛機(jī)各項(xiàng)參數(shù)，同時(shí)將生成的報(bào)文傳輸?shù)降孛妫员阍O(shè)置無人機(jī)的飛行任務(wù)，從而控制無人機(jī)的飛行狀態(tài)；數(shù)據(jù)鏈設(shè)備則負(fù)責(zé)報(bào)文的發(fā)送和接收。

3 無人機(jī)傳輸和測量系統(tǒng)

在無人機(jī)測控與信息傳輸系統(tǒng)中，需要完成的任務(wù)有三類：對無人機(jī)平臺和任務(wù)載荷的遙控遙測、任務(wù)載荷的偵察或其他信息下傳、對飛機(jī)平臺的無線電測量定位。

無人機(jī)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊笕缦拢嘿|(zhì)量高、功率低、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、續(xù)航時(shí)間長等。無人機(jī)一律通過無線通信方式將遙控器發(fā)出的指令、數(shù)據(jù)信號等地面數(shù)據(jù)由地面數(shù)據(jù)站傳輸?shù)綗o人機(jī)，這一部分稱為無線遙控，也可稱為無人機(jī)的上行通道；另一方面無人機(jī)將飛行中采集到的各種數(shù)據(jù)同樣通過通信方式傳回給地面站[2]。遙控遙測采用雙通道無線遙控遙測雖能滿足一般訓(xùn)練使用的要求，但兩套設(shè)備會造成機(jī)身重量增加、通信距離近等問題，而機(jī)身重量又是影響其起飛、空速、續(xù)航時(shí)間的一個(gè)重要因素。要想降低自重，簡化機(jī)載設(shè)備和線路的復(fù)雜性，遙控遙測可以共用同一套設(shè)備，這種方式還能使機(jī)上天線與地面天線極化方向相同，從而大大增加了通信距離。

4 無人機(jī)飛行控制器及地面控制站

導(dǎo)航與控制系統(tǒng)是無人機(jī)系統(tǒng)[8]的核心部分，負(fù)責(zé)無人機(jī)在完成整個(gè)飛行過程中的控制和任務(wù)設(shè)備管理。控制器利用獲取的信息數(shù)據(jù)，經(jīng)過解算將控制情況傳送到執(zhí)行單位，以完成整個(gè)控制和導(dǎo)航流程。

無人機(jī)地面控制站用來完成無人機(jī)的指揮控制工作。地面控制站是無人機(jī)測控與信息傳輸系統(tǒng)非常關(guān)鍵的一個(gè)部分，它既是無人機(jī)操控者對其進(jìn)行管理的操控平臺，又是無人機(jī)信息系統(tǒng)接入地面應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)的鏈接樞紐。

地面控制站由硬件和軟件組件組成，包括平臺通信子系統(tǒng)、起飛著陸子系統(tǒng)、實(shí)時(shí)子系統(tǒng)、載荷子系統(tǒng)、操作平臺子系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)、電力分配子系統(tǒng)。該控制站通過指揮控制網(wǎng)絡(luò)與無人機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)相連，又通過無線數(shù)據(jù)鏈與無人機(jī)相連。無人機(jī)地面控制站一般設(shè)置任務(wù)規(guī)劃、飛行導(dǎo)航、載荷管理和鏈路管理等操作控制席位，使無人機(jī)操控者能及時(shí)有效地跟蹤無人機(jī)的飛行情況，從而進(jìn)一步實(shí)施控制，達(dá)到預(yù)定的飛行效果。其流程如圖2所示。

圖2 監(jiān)視控制基本流程

5 結(jié)語

無人機(jī)測控與信息傳輸系統(tǒng)具有適應(yīng)無人機(jī)使用的明顯特點(diǎn)，但它并非是要按各個(gè)無人機(jī)型號配套研制的專用系統(tǒng)，而應(yīng)該是按其作用距離、數(shù)據(jù)速率、跟蹤定位精度以及抗干擾性和可靠性等主要性能指標(biāo)分級選擇使用的通用系統(tǒng)。從無人機(jī)系統(tǒng)裝備使用來說，要減少品種，提高效率，節(jié)省費(fèi)用，以及滿足可能的互通互聯(lián)的需求。因此，在以后的研究工作中，還有很多問題值得我們?nèi)パ芯俊?/p>