淺談無(wú)人機(jī)系統(tǒng)

摘 要：本文主要介紹無(wú)人機(jī)系統(tǒng)組成，并對(duì)各組成分系統(tǒng)的功能進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)；系統(tǒng)；導(dǎo)航；載荷；通信；控制站；發(fā)射與回收；通信鏈路

中圖分類號(hào)：V279

什么是無(wú)人機(jī)？通常人們認(rèn)為無(wú)人機(jī)是一種用計(jì)算機(jī)和無(wú)線電鏈路取代駕駛員的飛機(jī)。實(shí)際上，無(wú)人機(jī)要比該定義復(fù)雜得多，飛機(jī)只是整個(gè)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)中重要的組成部分。無(wú)人機(jī)系統(tǒng)通常包括飛機(jī)、任務(wù)載荷、控制站、飛機(jī)發(fā)射與回收分系統(tǒng)、保障分系統(tǒng)、通信分系統(tǒng)運(yùn)輸分系統(tǒng)等。

1 控制站

控制站是系統(tǒng)操縱人員的工作環(huán)境、人機(jī)接口。飛機(jī)攜帶載荷任務(wù)，它通?？赡芫哂卸喾N類型?？刂普九c飛機(jī)通過(guò)通信系統(tǒng)連接，通信系統(tǒng)能夠完成從控制站到飛機(jī)的控制輸入的傳輸，從飛機(jī)到控制站回傳任務(wù)載荷及其它數(shù)據(jù)信息（通常利用無(wú)線電方式傳輸）。保障設(shè)備包括維修和運(yùn)輸?shù)仍O(shè)備。

控制站是飛行操控中心，通常也是無(wú)人機(jī)任務(wù)預(yù)規(guī)劃中心。通過(guò)控制站，操控人員利用上行通信鏈路給飛機(jī)發(fā)送指令，控制飛機(jī)飛行、操控所攜帶的各種任務(wù)荷載。同樣，通過(guò)下行通信鏈路，飛機(jī)回傳信息和圖像給控制站。信息包括載荷數(shù)據(jù)、機(jī)上各分系統(tǒng)的狀態(tài)信息、位置信息等?？刂普就ǔＲ布捎信c外界聯(lián)系的通信系統(tǒng)，主要用于獲取天氣信息、各系統(tǒng)間的網(wǎng)絡(luò)信息傳輸，接收上級(jí)下達(dá)的任務(wù)以及給上級(jí)回報(bào)信息等。

2 任務(wù)載荷

任務(wù)荷載的類型和性能是由所完成的任務(wù)決定的，包括：（1）簡(jiǎn)單的荷載子系統(tǒng)，它由固定焦距無(wú)穩(wěn)定平臺(tái)的攝像機(jī)構(gòu)成；（2）視頻成像系統(tǒng)，它的焦距較長(zhǎng)，具有局部放大能力，可搖擺傾斜、帶有陀螺儀穩(wěn)定轉(zhuǎn)臺(tái)；（3）高功率雷達(dá)，包括供電單元。

一些功能更強(qiáng)的無(wú)人機(jī)在一個(gè)任務(wù)荷載單元中或多個(gè)任務(wù)荷載單元中可攜帶多個(gè)不同類型的荷載。通過(guò)對(duì)來(lái)自不同傳感器數(shù)據(jù)的處理和融合，提高信息獲取能力，或者得到單從一個(gè)傳感器不能獲取的信息。

3 無(wú)人飛機(jī)

飛機(jī)的類型和性能主要由其承擔(dān)的任務(wù)決定，飛機(jī)的主要功能是承載任務(wù)載荷到達(dá)工作地點(diǎn)，同時(shí)也搭載飛機(jī)飛行所需的子系統(tǒng)。這些子系統(tǒng)包括通信鏈路、增穩(wěn)與控制設(shè)備、發(fā)動(dòng)機(jī)，以及燃油、發(fā)供電設(shè)備、飛機(jī)機(jī)體，還有用于發(fā)射、任務(wù)裝載、回收等裝置。

飛行速度要求決定了采用哪種類型的飛機(jī)，包括輕于空氣的飛行器，重于空氣的固定翼飛機(jī)、旋翼飛機(jī)、可變形飛機(jī)。如軍事上的長(zhǎng)航時(shí)、遠(yuǎn)程監(jiān)視任務(wù)決定了要選用大展弦比固定翼、工作在高空的飛機(jī)。它要求從較長(zhǎng)跑道起飛，以獲得起飛所需的較高起飛速度，這個(gè)速度是由低空氣阻力、高機(jī)翼載荷所要求的。

4 導(dǎo)航系統(tǒng)

對(duì)于操控人員來(lái)說(shuō)，需要實(shí)時(shí)地知道飛機(jī)在任何時(shí)刻的位置。對(duì)于飛機(jī)來(lái)說(shuō)，當(dāng)自主飛行時(shí)，也需要飛機(jī)在飛行過(guò)程中在任何時(shí)刻知道自己的位置。這是任務(wù)預(yù)規(guī)劃時(shí)的內(nèi)容，也是系統(tǒng)性能惡化后，飛機(jī)能夠緊急返回的基礎(chǔ)。對(duì)于全自主飛行模式，即無(wú)需進(jìn)行控制站與飛機(jī)之間的任何通信，飛機(jī)上必須搭載足夠數(shù)量的導(dǎo)航設(shè)備。

過(guò)去的飛機(jī)需要攜帶高性能、復(fù)雜、笨重、昂貴的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，或者是低成本一般性能的導(dǎo)航系統(tǒng)，但是都需要通過(guò)傳輸鏈路由地面站對(duì)導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)行頻繁更新。這些更新數(shù)據(jù)來(lái)源于無(wú)線電跟蹤或者是地理特征的識(shí)別定位。而現(xiàn)在，可以利用全球定位系統(tǒng)進(jìn)行衛(wèi)星定位，大大減輕了導(dǎo)航定位的復(fù)雜性。GPS接收機(jī)可以連續(xù)更新定位信息，利用差分GPS還可以改進(jìn)GPS的精度。

對(duì)于非自主飛行模式，或者GPS系統(tǒng)被阻斷的情況，飛機(jī)與地面控制站之間的連續(xù)通信就很重要了，其它后備導(dǎo)航手段有：（1）雷達(dá)跟蹤。飛機(jī)上安裝有異頻雷達(dá)收發(fā)機(jī)，可以響應(yīng)控制站上的掃描雷達(dá)發(fā)射的信息，這樣飛機(jī)的方位和距離就可以顯示在控制站雷達(dá)顯示器上；（2）無(wú)線電跟蹤。帶有數(shù)據(jù)的無(wú)線電信號(hào)從飛機(jī)上發(fā)送給地面控制站，地面控制站在方位上跟蹤這個(gè)信號(hào)，就可以確定方位。同時(shí)，距離是根據(jù)編碼信號(hào)從飛機(jī)到控制站之間傳輸所需時(shí)間來(lái)確定；（3）直接估計(jì)。計(jì)算機(jī)獲取速度矢量和飛行時(shí)間，就可以計(jì)算出飛機(jī)的位置。如果飛機(jī)攜帶電視攝像機(jī)搜索地面，可以根據(jù)圖像中地理特征信息和地圖上已知位置，確定飛機(jī)的位置。

5 發(fā)射、回收和吊裝設(shè)備

5.1 發(fā)射設(shè)備。對(duì)于不能垂直起飛，也沒(méi)有合適跑道可供使用的無(wú)人飛機(jī)來(lái)說(shuō)，該設(shè)備是必須的。通常是將無(wú)人機(jī)鎖定在傾斜滑道上，通過(guò)推力使無(wú)人機(jī)在滑道上加速，直到無(wú)人機(jī)獲得飛行所需達(dá)到的速度。推力產(chǎn)生系統(tǒng)可能時(shí)橡皮筋彈射、壓縮氣體、火箭等。

5.2 回收設(shè)備。不具備垂直飛行能力的無(wú)人機(jī)通常需要回收設(shè)備，除非利用輪式或滑橇進(jìn)行滑降著陸。該設(shè)備通常采用回收傘形式，該傘安置在無(wú)人機(jī)上，在著陸地域上空的指定高度打開(kāi)。為了回收安全，需要有效的著陸緩沖手段，通常采用氣囊、可換的易碎材料等。有時(shí)還利用其它的回收方式，如回收網(wǎng)、旋轉(zhuǎn)條帶裝置，無(wú)人機(jī)可向該設(shè)備內(nèi)飛行并被捕獲。

5.3 吊裝設(shè)備。除非是可以由人便攜的輕型飛機(jī)，一般無(wú)人機(jī)都需要一種手段將飛機(jī)運(yùn)送到發(fā)射車上。

6 通信鏈路

通信系統(tǒng)主要的、也是最重要的需求是提供控制站與飛機(jī)之間的數(shù)據(jù)鏈路（上行和下行）。傳輸媒介通常是無(wú)線電波，也可以是激光束，或光纖傳輸?shù)墓獠?。?shù)據(jù)鏈路的主要功能是：

6.1 上行（從控制站到無(wú)人機(jī)）。（1）發(fā)送飛行路徑數(shù)據(jù)，然后儲(chǔ)存到飛機(jī)自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)中；（2）當(dāng)人在飛行控制環(huán)路中時(shí)，實(shí)時(shí)發(fā)送飛行控制指令到飛行控制系統(tǒng)；（3）發(fā)送控制指令到機(jī)載任務(wù)載荷和附屬設(shè)備；（4）發(fā)送相關(guān)的位置更新信息到飛機(jī)慣導(dǎo)/自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)中。

6.2 下行（從飛機(jī)到控制站）。（1）發(fā)送有關(guān)飛機(jī)的位置信息到控制站。（2）發(fā)送任務(wù)載荷圖像和數(shù)據(jù)到控制站；（3）發(fā)送飛機(jī)狀態(tài)信息（如油量、發(fā)送機(jī)溫度等）到控制站。

7 接口

盡管無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的部分單元或分系統(tǒng)在其它應(yīng)用中能夠獨(dú)立工作，但這些單元和子系統(tǒng)需要有機(jī)協(xié)調(diào)，才能使全系統(tǒng)獲得較好的性能。在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)，分系統(tǒng)必須集成工作，各分系統(tǒng)之間的接口功能需要給予較大關(guān)注。

8 與其它系統(tǒng)接口

無(wú)人機(jī)系統(tǒng)之所以能夠存在是因?yàn)樗芡瓿扇蝿?wù)，這些任務(wù)并不是孤立的，而是來(lái)自其它部門(mén)，并把任務(wù)完成情況和結(jié)果反饋給相關(guān)部門(mén)。

典型的例子是戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視應(yīng)用，無(wú)人機(jī)可能由旅級(jí)部隊(duì)操控，對(duì)特定區(qū)域進(jìn)行偵查，但是任務(wù)是來(lái)自集團(tuán)軍一級(jí)的部門(mén)，并將獲得的情報(bào)信息通過(guò)軍用信息網(wǎng)絡(luò)傳送給集團(tuán)軍或其它用戶。軍事信息網(wǎng)絡(luò)中包含不同作戰(zhàn)單元發(fā)送或需求的各種信息，如路基、?；?、空基以及衛(wèi)星，甚至包括其它無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的信息。整個(gè)系統(tǒng)稱為“系統(tǒng)中的系統(tǒng)”，也稱為“網(wǎng)絡(luò)中心操控”。

無(wú)人機(jī)系統(tǒng)獨(dú)自工作通常被稱為“煙囪系統(tǒng)”，“系統(tǒng)中的系統(tǒng)”典型結(jié)構(gòu)。它不僅包括各種類型的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，還包括其它作戰(zhàn)單元，如軍艦、地面機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)單元、有人級(jí)等，它們可提供戰(zhàn)場(chǎng)信息或執(zhí)行攻擊任務(wù)等。

同樣，在民用領(lǐng)域如防火，控制站中的操控人員接收來(lái)之防火總部下達(dá)的任務(wù)，操控飛機(jī)駛向著火地點(diǎn)。因此要求控制站中安置與外界通信的相關(guān)設(shè)備，記錄/顯示接收的數(shù)據(jù)信息，并向外界發(fā)送這些信息。

9 保障設(shè)備

無(wú)人機(jī)系統(tǒng)作為一種特定系統(tǒng)，其保障設(shè)備不容忽視。保障設(shè)備包括使用維護(hù)手冊(cè)、工具、備件和測(cè)試設(shè)備、電源等。

10 運(yùn)輸設(shè)備

無(wú)人機(jī)系統(tǒng)經(jīng)常需要機(jī)動(dòng)，運(yùn)輸方法要適應(yīng)所有子系統(tǒng)運(yùn)輸?shù)男枰?/p>

11 結(jié)束語(yǔ)

本文主要對(duì)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)組成進(jìn)行說(shuō)明，使技術(shù)人員對(duì)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)有初步的了解。通過(guò)對(duì)組成無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的各組成分系統(tǒng)功能的介紹，為以后無(wú)人機(jī)系統(tǒng)測(cè)試提供思路。

參考文獻(xiàn)：

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作者單位：中航西飛西安飛機(jī)分公司，西安 710089