無人機測控與信息傳輸系統(tǒng)研究

王 娟

（貴陽學院，貴州貴陽550005）

0 引言

“無人機”是無人駕駛飛機的簡稱，是利用無線電遙控設備（遙控器、手機、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[1]。與載人飛機相比，無人機具備體積小、重量輕、便于攜帶、造價低、隱蔽性好、對作戰(zhàn)環(huán)境要求低等優(yōu)點，能夠滿足特殊任務需要，因而得到了廣泛應用。

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

1 無人機測控與信息傳輸系統(tǒng)概述

根據(jù)無人機的特性分析，它屬于空中數(shù)據(jù)采集分析的節(jié)點或者平臺，是一個集數(shù)據(jù)采集、分析和傳輸于一體的智能化系統(tǒng)。無人機還可實現(xiàn)高分辨率影像的采集，為氣象、交通甚至災難預測等多個領域做出巨大貢獻。

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

2 無人機數(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，實現(xiàn)地面控制站與無人機之間的數(shù)據(jù)收發(fā)和跟蹤定位。在無人機系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)包括三個基本組成要素：傳輸通道、消息標準和通信協(xié)議，是無人機最復雜、最關鍵的部分，在一定程度上決定著系統(tǒng)的規(guī)模和水平[5]。

通常，無人機數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)一部分裝在無人機上，稱為機載數(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]。機載部分由天線、收發(fā)信機和終端處理機等組成，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，以及無線電視距內的跟蹤定位。地面控制站也稱指揮控制站或任務規(guī)劃控制站[7]，用于實現(xiàn)所有的任務規(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)等相關功能。

機載設備、數(shù)據(jù)鏈設備、地面監(jiān)控系統(tǒng)三部分組成了空地數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設計框圖

機載設備部分負責收集、整理數(shù)據(jù)，記錄飛機各項參數(shù)，同時將生成的報文傳輸?shù)降孛妫员阍O置無人機的飛行任務，從而控制無人機的飛行狀態(tài)；數(shù)據(jù)鏈設備則負責報文的發(fā)送和接收。

3 無人機傳輸和測量系統(tǒng)

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

無人機數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊笕缦拢嘿|量高、功率低、抗干擾能力強、傳輸距離遠、續(xù)航時間長等。無人機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，這一部分稱為無線遙控，也可稱為無人機的上行通道；另一方面無人機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練使用的要求，但兩套設備會造成機身重量增加、通信距離近等問題，而機身重量又是影響其起飛、空速、續(xù)航時間的一個重要因素。要想降低自重，簡化機載設備和線路的復雜性，遙控遙測可以共用同一套設備，這種方式還能使機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 無人機飛行控制器及地面控制站

導航與控制系統(tǒng)是無人機系統(tǒng)[8]的核心部分，負責無人機在完成整個飛行過程中的控制和任務設備管理。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，以完成整個控制和導航流程。

無人機地面控制站用來完成無人機的指揮控制工作。地面控制站是無人機測控與信息傳輸系統(tǒng)非常關鍵的一個部分，它既是無人機操控者對其進行管理的操控平臺，又是無人機信息系統(tǒng)接入地面應用網(wǎng)絡的鏈接樞紐。

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)、實時子系統(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)絡與無人機應用系統(tǒng)相連，又通過無線數(shù)據(jù)鏈與無人機相連。無人機地面控制站一般設置任務規(guī)劃、飛行導航、載荷管理和鏈路管理等操作控制席位，使無人機操控者能及時有效地跟蹤無人機的飛行情況，從而進一步實施控制，達到預定的飛行效果。其流程如圖2所示。

圖2 監(jiān)視控制基本流程

5 結語

無人機測控與信息傳輸系統(tǒng)具有適應無人機使用的明顯特點，但它并非是要按各個無人機型號配套研制的專用系統(tǒng)，而應該是按其作用距離、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分級選擇使用的通用系統(tǒng)。從無人機系統(tǒng)裝備使用來說，要減少品種，提高效率，節(jié)省費用，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去研究。