無(wú)人機(jī)遙測(cè)地面站系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

無(wú)人機(jī)（Unmanned Aerial Vehicle，縮寫(xiě)為UAV），是一種靠遙控系統(tǒng)操縱和自備程序控制的非載人飛行器。遙測(cè)系統(tǒng)是把被測(cè)量對(duì)象的參數(shù)傳給遠(yuǎn)端測(cè)量站的一種系統(tǒng)。無(wú)人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)是無(wú)人機(jī)的信息網(wǎng)絡(luò)和控制系統(tǒng)，除實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)的遙控遙測(cè)、跟蹤定位和數(shù)據(jù)信息傳輸功能外，同時(shí)對(duì)飛行狀態(tài)與任務(wù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視和記錄，其性能和規(guī)模在很大程度上決定了整個(gè)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的性能和規(guī)模。

1.無(wú)人機(jī)地面遙測(cè)站系統(tǒng)

1.1 地面遙控系統(tǒng)的工作原理

地面遙控系統(tǒng)包括監(jiān)控臺(tái)、指令編碼器、副載波調(diào)制器、載波調(diào)制器、發(fā)射天線、地面檢測(cè)接收機(jī)等基本設(shè)備和輔助設(shè)備。地面遙控系統(tǒng)在監(jiān)控臺(tái)、PC機(jī)、引導(dǎo)設(shè)備和外部接口設(shè)備等的支持下，完成對(duì)無(wú)人機(jī)的目標(biāo)跟蹤和遙控指令的產(chǎn)生與控制。遙控指令和數(shù)據(jù)的形成在實(shí)施控制前一般要制定好，遙控計(jì)劃在無(wú)人機(jī)經(jīng)過(guò)地面站上空前送往相應(yīng)的監(jiān)控站，當(dāng)無(wú)人機(jī)進(jìn)入地面站的覆蓋區(qū)時(shí)，必須由地面人員發(fā)出遙控指令加以控制，使之做出各種動(dòng)作，完成既定任務(wù)，實(shí)現(xiàn)預(yù)期目的。

1.2 遙控系統(tǒng)差錯(cuò)控制技術(shù)

由于外部干擾和系統(tǒng)內(nèi)部的不穩(wěn)定，任何傳輸手段都存在一定的錯(cuò)誤概率。遙控傳輸信道本身能達(dá)到的碼元誤碼率一般為10-4～10-6，而無(wú)人機(jī)遙控指令的誤碼率要求在10-8以下，這樣除了采用較好的調(diào)制解調(diào)方法外，也要降低相應(yīng)的錯(cuò)誤概率。差錯(cuò)控制是根據(jù)待傳數(shù)據(jù)序列，以一定規(guī)律產(chǎn)生一些多余碼元，使原來(lái)不相關(guān)的數(shù)據(jù)序列變?yōu)橄嚓P(guān)編碼，并把多余碼和信息一起傳送，接收端根據(jù)信息元和多余碼之間的規(guī)則進(jìn)行檢驗(yàn)，從而發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤進(jìn)行更正。

1.3 遙控?cái)?shù)據(jù)保護(hù)

遙控信息的安全是無(wú)人機(jī)遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)和任務(wù)實(shí)施過(guò)程中最重要的問(wèn)題，在日益發(fā)展的電子偵察和電子對(duì)抗技術(shù)中，遙控信息的傳輸經(jīng)過(guò)空間鏈路具有開(kāi)放性，使遙控信息面臨更為復(fù)雜的環(huán)境，面對(duì)更多的威脅，更應(yīng)利用數(shù)據(jù)技術(shù)提高安全性。

2.無(wú)人機(jī)遙測(cè)地面站系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

無(wú)人機(jī)遙測(cè)地面站系統(tǒng)中各個(gè)遙測(cè)終端都對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，各個(gè)終端可以相互通信，以及各個(gè)終端可以和測(cè)控中心進(jìn)行通信，從而保證遙測(cè)任務(wù)的順利完成。

2.1 抗干擾設(shè)計(jì)

隨著電子戰(zhàn)技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)人機(jī)面臨的電子對(duì)抗形勢(shì)日趨嚴(yán)峻，要求一步提高無(wú)人機(jī)測(cè)控鏈路的抗截獲和抗干擾能力。無(wú)人機(jī)測(cè)控地面站與機(jī)載設(shè)備工作距離比較遠(yuǎn)，地面站天線波束輻射仰角很低，地面的干擾信號(hào)容易進(jìn)入地面站天線，這就要求無(wú)人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)應(yīng)具備一定的抗干擾能力。擴(kuò)頻測(cè)控體制是抗干擾、抗截獲的主要技術(shù)體制。在抗干擾性能的設(shè)計(jì)上，無(wú)人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)主要采用偽碼直擴(kuò)技術(shù)和跳頻技術(shù)對(duì)抗寬帶白噪聲的壓制性干擾，同時(shí)采用頻域自適應(yīng)濾波技術(shù)對(duì)抗單載波等窄帶型干擾信號(hào)。當(dāng)系統(tǒng)輸入干擾為單頻或窄帶干擾時(shí)，可以采用頻域自適應(yīng)濾波算法抑制單頻和窄帶干擾，具體方法為：首先利用快速傅立葉變換(FFT)將輸入信號(hào)變換到頻域，然后用一個(gè)干擾抑制模塊對(duì)頻譜進(jìn)行處理以消除窄帶干擾，最后用快速傅立葉反變換(IFFT)將處理過(guò)的信號(hào)從頻域變換到時(shí)域。頻域自適應(yīng)濾波算法的特點(diǎn)是干擾信號(hào)越強(qiáng)，抗干擾的效果越好。

2.2 以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用

無(wú)人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的地面站的數(shù)據(jù)接口復(fù)雜，各個(gè)功能單元的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)星形連接方式，本著對(duì)信息接口設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單可靠的設(shè)計(jì)原則，并充分考慮擴(kuò)展性，最好的選擇就是應(yīng)用以太網(wǎng)接口技術(shù)。以太網(wǎng)技術(shù)在計(jì)算機(jī)上應(yīng)用很成熟，但在非計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基帶單元上卻不容易實(shí)現(xiàn)。以太網(wǎng)絡(luò)協(xié)議采用基于IP地址的UDP通訊協(xié)議，對(duì)廣播類型的數(shù)據(jù)使用UDP組播協(xié)議，同個(gè)設(shè)備送出的不同類型的數(shù)據(jù)，則可用不同的網(wǎng)絡(luò)端口來(lái)實(shí)現(xiàn)。采用以太網(wǎng)協(xié)議構(gòu)建地面站的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)使地面站具備很強(qiáng)的擴(kuò)展性，可以方便實(shí)現(xiàn)多個(gè)地面測(cè)控站的聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)共享。

2.3 定位設(shè)計(jì)

測(cè)控地面站定向天線在無(wú)人機(jī)飛遠(yuǎn)時(shí)使用，工作時(shí)天線波束仰角比較低，故對(duì)天線方向圖設(shè)計(jì)都采用俯仰面上波束很寬，方位面上波束窄的平方余割天線形式。采用這種天線形式簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，無(wú)需對(duì)目標(biāo)進(jìn)行俯仰面上的跟蹤，也無(wú)法得出目標(biāo)俯仰角。故目標(biāo)定位方式采用地面站測(cè)量無(wú)人機(jī)的方位和距離，同時(shí)利用無(wú)人機(jī)平臺(tái)配備的高度計(jì)或GPS導(dǎo)航接收機(jī)定位數(shù)據(jù)等多種方式實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)的組合定位。地面站測(cè)量無(wú)人機(jī)的方位和距離，再結(jié)合無(wú)人機(jī)的高度信息（通過(guò)遙測(cè)下傳），通過(guò)地面數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)解算可得到無(wú)人機(jī)的定位數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)地面站對(duì)無(wú)人機(jī)的主動(dòng)定位。地面站主動(dòng)定位數(shù)據(jù)可通過(guò)遙控方式注入到無(wú)人機(jī)載飛控計(jì)算機(jī)，為無(wú)人機(jī)提供輔助定位數(shù)據(jù)。

2.4 信號(hào)快速捕獲技術(shù)

無(wú)人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的跟蹤對(duì)象飛行速度有快有慢，最快的如美國(guó)的X系列的無(wú)人飛行器，其速度可以達(dá)到幾個(gè)馬赫，慢的如長(zhǎng)航時(shí)的無(wú)人機(jī)，可連續(xù)幾十個(gè)小時(shí)徘徊在目標(biāo)區(qū)域連續(xù)觀察。故信號(hào)的動(dòng)態(tài)高，電平弱，捕獲跟蹤困難。系統(tǒng)為加快接收機(jī)對(duì)信號(hào)的捕獲速度，滿足系統(tǒng)對(duì)信號(hào)捕獲時(shí)間的指標(biāo)要求，使用了信號(hào)快速捕獲技術(shù)。動(dòng)態(tài)信號(hào)的捕獲是一個(gè)在時(shí)間軸和頻率軸上同時(shí)進(jìn)行的二維搜索過(guò)程。其捕獲原理一方面是碼相位搜索，另一方面是載波多普勒頻移引起的頻率搜索。在搜索過(guò)程中，碼相位步進(jìn)量為1/2個(gè)碼片相位，載頻頻差步進(jìn)量為一個(gè)多普勒頻移分槽，它們共同構(gòu)成了二維搜索空間的一個(gè)搜索單元。捕獲過(guò)程從載波中心頻率往兩邊發(fā)散搜索下一個(gè)頻率槽，直至搜索完整個(gè)頻率不確定范圍內(nèi)。捕獲判斷條件則是接收信號(hào)擴(kuò)頻碼和本地偽碼相關(guān)峰值是否大于門限，當(dāng)相關(guān)峰值高于預(yù)設(shè)信號(hào)檢測(cè)門限時(shí)，找出其對(duì)應(yīng)的碼相位，再采用FFT測(cè)頻，求得載波多頻率頻移，至此信號(hào)捕獲完成。

2.5 低仰角高速數(shù)據(jù)接收設(shè)計(jì)

在無(wú)人機(jī)的視距鏈路設(shè)計(jì)中，由于地面站與機(jī)載設(shè)備工作距離一般要求盡量遠(yuǎn)，經(jīng)常工作狀態(tài)是地面設(shè)備天線波束輻射仰角接近0度，系統(tǒng)接收機(jī)接收到的信號(hào)是直射信號(hào)和反射信號(hào)的多徑之和，存在著嚴(yán)重的多徑和衰落現(xiàn)象。普通相關(guān)接收機(jī)的性能惡化很厲害，對(duì)高速數(shù)據(jù)的傳輸影響尤其嚴(yán)重，所以必須采取抗多徑效應(yīng)的措施。消除多徑現(xiàn)象有兩個(gè)途徑，一是合理的天饋和鏈路設(shè)計(jì)，二是設(shè)備本身采取的措施。合理天饋和鏈路設(shè)計(jì)要改善地面天線性能，采用窄波束、低副瓣天線對(duì)抗多徑影響，利用圓極化天線左右旋隔離度減小地面反射影響，圓極化天線其反射波極化方向?qū)⒆優(yōu)橄喾捶较?，由于圓極化天線左右旋隔離度，可減小電平衰落深度。

3.結(jié)束語(yǔ)

測(cè)控地面站的功能強(qiáng)大，邏輯復(fù)雜，需要大量人機(jī)交互設(shè)計(jì)，并能夠完成從任務(wù)規(guī)劃、命令生成到狀態(tài)監(jiān)視、信息共享等大量的任務(wù)流程。隨著無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的大量應(yīng)用，為了實(shí)現(xiàn)多個(gè)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的協(xié)同工作，對(duì)無(wú)人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)通用化和標(biāo)準(zhǔn)化的要求越來(lái)越迫切，需要進(jìn)一步提高無(wú)人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)通用化、系列化和模塊化的程度。

[1]凍偉東,鮮峰,呂曄.實(shí)時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)信源壓縮技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2011(05).

[2]張碧雄,巨蘭.2030年前航天測(cè)控技術(shù)發(fā)展研究[J].飛行器測(cè)控學(xué)報(bào),2010(05)

[3]許書(shū)誠(chéng).無(wú)人機(jī)遙測(cè)系統(tǒng)地面站設(shè)計(jì)與動(dòng)態(tài)任務(wù)分配研究[D].南昌航空大學(xué),2011.