民用無人機地面站發展的分析研究

何松儒 周超 葉佳 賈平法

摘要：簡要概括了無人機地面站自產生到現在的發展過程，介紹了國內外典型無人機的結構性能，歸納對比了不同種類的民用無人機地面站的特點，闡述了當今民用無人機地面站的結構框架和核心功能。最后提出了民用無人機地面站發展的一些新思路。

關鍵詞：無人機;地面站;發展;分析

中圖分類號：V11 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）10-0227-03

0 引言

民用無人機因具有功能豐富、機動靈活、成本低廉等諸多優點，已成為諸多領域研究的熱點。目前，幾乎每個國家都在發展自己的無人機產業，這也加速了世界范圍內無人機產業的整體發展。無人機地面站軟件是無人機系統的重要組成部分，可以在無人機系統的指揮控制功能中發揮重要作用[1]。地面站軟件能夠使地面人員實現對無人機的控制與管理，其重要性在其發展和應用過程中逐漸被人們認識和重視。由于當今民用無人機的控制系統、制造生產設置等不同，因此不同的無人機具有自己專用的地面站軟件，以實現和提高對無人機的飛行監測和操控能力。一般來說，地面站系統硬件部分包含地面站計算機、通信數據鏈路和輔助操控設備等，配合相應的軟件系統，從而實現對無人機的遠程控制和操作[2]。無人機執行任務的能力，不僅取決于無人機設備本身的性能，還取決地面人員利用地面站軟件對無人機進行的遙控和指揮。目前，關于無人機地面站系統的研究有很多，先后出現了各種適用于不同無人機的地面站系統。本文簡要地回顧了無人機地面站的發展歷史，并對一些具有代表性的地面站系統進行了分析研究。

1 無人機地面站的發展

無人機最初被應用于軍事領域中，因此最初的無人機地面站也出現在軍事領域中，之后隨著無人機技術在民用領域的發展，逐漸發展出相應的的民用無人機地面站系統。

從1917年，世界上第一架無人機在英國伍爾維奇軍械學院研制成功，到20世紀30年代，由于科技水平的限制，人類尚未發展出能夠在地面對無人機進行監測、遙控的設備系統，只能夠使用簡單設備和儀器實現類似的簡單功能。1918年3月6日，人類歷史上首次無人機飛行由美國海軍研制的“柯蒂斯”完成，該飛機利用陀螺儀指示方向，無液氣壓表指示高度，飛行距離達到900m。1933年1月，英國空軍成功試飛了由標準“費爾雷”ⅢF水上偵察機改裝成“費爾雷·昆士”無線電遙控飛機[3]。早期的無人機用于軍事領域，普遍被視為一種類似飛行炸彈的武器，所以大多利用其自帶的設備進行簡單的控制。

20世紀50至70年代，最初的地面站系統出現在美國軍方的無人機裝備系統，從此地面站系統進入快速發展階段。美國軍方利用地面站系統完成了對無人機的控制，完成了各種作戰任務。例如，在越南戰爭期間，美軍無人機地面站使用預編程技術控制無人機進行電子竊聽、無線電干擾和超低空偵查拍攝等任務。上世紀70年代，美軍開始通過地面站發送控制命令，遠程控制無人機，在夜間執行精確的偵察任務[4]。

20世紀90年代，經過預編程序控制無人偵察機、命令遙控無人偵察機和復合控制多用途無人機等發展階段，軍用無人機技術日趨成熟，性能不斷提高。美國西方國家設計并采用了以“捕食者”無人機地面站為代表的多功能無人機地面站。此時，地面站系統設計開始向集群化、功能智能化發展，技術逐漸成熟[3]。

進入21世紀以后，軍用無人機的微型化設計趨勢催生了民用無人機產業，無人機地面站系統進入了高速發展的時代。2010年8月Michael Oborne發布了Mission Planner開源地面站軟件[5]。另一當前主流的開源地面站軟件QGroundControl在2011年被發布在開源社區。幾乎占據當前全球消費級微型無人機市場的中國DJI公司（大疆創新）、法國Parrort公司、美國3DR公司也陸續發布了與自家無人機匹配的電腦端無人機地面站軟件。隨著便攜智能設備的普及，各大公司也紛紛發布平板電腦端、智能手機端的無人機地面站應用[6]，例如，2014年Parrort公司發布了Windows平板電腦端的無人機地面站應用AR.FreeFlight，2017年大疆公司發布了專業版地面站軟件DJI GS Pro，使用iPad可以自動控制無人機以“區域模式”和“環繞模式”兩種模式進行測繪飛行，并借助3D建模軟件生成3D地圖。

2 無人機地面站現狀

2.1 國內外典型無人機地面站介紹

（1）Mission Planner。Mission Planner地面站是一款基于 Mavlink通信協議協議的開源地面站軟件，由Michael Oborne開發，支持多種類型的自駕儀，如固定翼無人機，多旋翼無人機以及自駕車等。Mission Planner地面站的功能十分全面，既可以讓普通玩家實現簡便地對無人機的操控，也可以供專業人員對飛控的復雜參數進行調試。地面站通過Xbee無線數傳電臺與無人機相連時，控制距離超過1600米[7]，地面站可以實時監測并顯示無人機的飛行參數以及GPS定位信息，采用GMap模塊對無人機進行定位和航跡現實，同時也可以使用地面站想無人機發送控制指令，支持對無人機進行航線規劃，并支持一臺地面站系統控制多架無人機。Mission Planner地面站如圖1所示。

（2）大疆地面站。大疆公司開發的地面站系統是專門供大疆無人機使用的專門配套軟件，如圖2所示，地面站系統使用獨特的3D圖形操作界面，直觀便捷易上手，與其他表現形式單一、重點數據顯示的地面站系統形成鮮明對比。得益于大疆公司在飛控芯片領域的技術優勢，配合獨特的飛行控制算法，地面站可以使飛行器始終保持飛行穩定性、機動性和精準度，實現遇險自動返航、一鍵返航、自主起飛降落等功能。大疆地面站可以按照任務計劃規劃整個飛行航線，預先設置拍照、空投等作業動作點，即使在飛行任務執行期間，仍然可以重新編輯任務，修改飛行航線或航點屬性，實時調整飛行任務目標。與其他地面站平臺相比，大疆地面站大大減少了規劃飛行任務的復雜度，節省了時間，提高了準確率，同時也支持鍵盤或自定義搖桿飛行控制不同的操作方法。