無人機(jī)綜合監(jiān)測相關(guān)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢研究

李昊遠(yuǎn)

（太原市第五中學(xué)校，山西 太原 030012）

隨著科技的進(jìn)步，人類將探索領(lǐng)域擴(kuò)展到了航空航天，無人機(jī)應(yīng)運而生。無人機(jī)（Unmanned Aerial Vehicle）是指無人駕駛，利用無線電遙控或者自主控制的飛行器。高端的無人機(jī)具有人工智能，可以通過自身攜帶的多種傳感器獲取外界的各種信息，在沒有人類干預(yù)的情況下，利用智能算法自主決策，完成規(guī)定的任務(wù)。目前，無人機(jī)已經(jīng)全面的滲透到了人類的生活當(dāng)中。它可以代替人類高空作業(yè)，完成高風(fēng)險、高強度的任務(wù)。生活上可以用于影視拍攝、電力巡檢、氣象監(jiān)測、森林火災(zāi)探測、快遞運輸、農(nóng)林植保、救援任務(wù)等。軍事上可以用于情報偵察、空中作戰(zhàn)、目標(biāo)定位摧毀等。

無人機(jī)在民用和軍用的迅速發(fā)展，對無人機(jī)的測控系統(tǒng)提出了更高要求。無人機(jī)測控系統(tǒng)是無人機(jī)的核心技術(shù)，可以讓無人機(jī)適用于復(fù)雜的工作環(huán)境。我國無人機(jī)測控技術(shù)經(jīng)歷近30年的發(fā)展歷史，初步獲得了一定的研究進(jìn)展，基本實現(xiàn)了近、中、遠(yuǎn)程的飛行測控要求。但仍與國外的無人機(jī)發(fā)展有一定的差距，國內(nèi)無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈路帶寬指標(biāo)上可以體現(xiàn)，除在復(fù)雜電磁換件條件下工作的可靠性不夠，再者頻率的使用效率低。本文概述了國內(nèi)外無人機(jī)測控系統(tǒng)相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)展，分析了當(dāng)前測控系統(tǒng)的研究難點和瓶頸，提出了將來測控系統(tǒng)的發(fā)展方向，為無人機(jī)測控系統(tǒng)的發(fā)展提供了一定的研究思路。

1 無人機(jī)測控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

地面控制站和數(shù)據(jù)鏈路的研究是無人機(jī)測控系統(tǒng)的主要研究方向。地面控制站的作用是制定任務(wù)計劃、飛行計劃。根據(jù)飛行任務(wù)的需要在地面發(fā)送飛行指令，控制無人機(jī)。同時對飛行過程中偵察測量的信息、飛行參數(shù)、設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)、導(dǎo)航定位信息、無人機(jī)和目標(biāo)的定位信息等進(jìn)行實時處理，作為反饋信息不斷的重新調(diào)整飛行指令。在對控制站相關(guān)技術(shù)的研究中，測控系統(tǒng)通用化及互操作技術(shù)、一站多機(jī)控制、無人機(jī)任務(wù)規(guī)劃與監(jiān)控技術(shù)、地面設(shè)備的機(jī)動、便攜結(jié)構(gòu)設(shè)計和裝車技術(shù)等是研究重點。無人機(jī)機(jī)體和控制站相當(dāng)于人體的肌肉骨骼和大腦，那么數(shù)據(jù)鏈路則相當(dāng)于人體的神經(jīng)脈絡(luò)。數(shù)據(jù)鏈路數(shù)據(jù)信息的傳輸能力決定著無人機(jī)的性能。它的關(guān)鍵技術(shù)則集中體現(xiàn)在：跟蹤、測控、通信和信息傳輸四合一一體化技術(shù)、無人機(jī)視頻壓縮編碼技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊抗干擾傳輸技術(shù)、一站多機(jī)數(shù)據(jù)鏈技術(shù)和自組網(wǎng)測控通信技術(shù)。

1.1 控制站

（1）測控系統(tǒng)通用化及互操作技術(shù)。不同的工作任務(wù)，則可能會選用不同種類的無人機(jī)。這就對控制站提出了系統(tǒng)兼容性的要求，使得無人機(jī)通用化和可以互操作。因此，控制站的控制方式、控制指令的格式、處理方式等需要有一定的標(biāo)準(zhǔn)。同時數(shù)據(jù)鏈路中，數(shù)據(jù)通信的頻段、信號格式也要求有一定的通用性。這是當(dāng)前在無人機(jī)多元化市場里需要迫切解決的問題，也是難點之一。

（2）一站多機(jī)控制。一站多機(jī)控制指的是通過一個控制站，可以同時操作多架同種類型或者不同種類型的無人機(jī)技術(shù)。該技術(shù)可以簡化操作人員的工作復(fù)雜度，減少人力成本，活化了多個無人機(jī)之間形成的協(xié)同合作，可靈活替換，相輔相成。一站多機(jī)技術(shù)的實現(xiàn)，首先解決的是界面優(yōu)化和硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計，界面的優(yōu)化可以很好的幫助操作人員了解多個無人機(jī)的運行狀態(tài)，讓操作變得容易并節(jié)省時間。同時對于多個無人機(jī)的控制，還需要更加高速的數(shù)據(jù)鏈路傳輸速率。

（3）無人機(jī)任務(wù)規(guī)劃與監(jiān)控技術(shù)。無人機(jī)的任務(wù)規(guī)劃是其作業(yè)過程中必要且關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，包括任務(wù)分配、航路規(guī)劃、鏈路使用規(guī)劃等。且無人機(jī)的作業(yè)過程會需要控制站實時發(fā)布指令信息，指導(dǎo)無人機(jī)作業(yè)，而且無人機(jī)的留空監(jiān)控系統(tǒng)反饋回的大量數(shù)據(jù)也需要控制站進(jìn)行實時處理。因此，信息同步性高的實時動態(tài)監(jiān)控，數(shù)據(jù)的綜合顯示、高速處理速度可以幫助任務(wù)更好地完成。

（4）便攜結(jié)構(gòu)設(shè)計和裝車技術(shù)。無人機(jī)的設(shè)計要求之一就是需要無人機(jī)具有靈活快速的反應(yīng)能力。因此控制站往往為了配合無人機(jī)的工作要求，需要進(jìn)行實時的移動。但隨著任務(wù)復(fù)雜度的提高，對無人機(jī)功能的要求越來越多，控制站裝備增多致使其體積和重量增大，不便于移動。因此，對控制站結(jié)構(gòu)的精簡設(shè)計和裝車技術(shù)成為研究重點，用以適應(yīng)實時移動的要求。

1.2 數(shù)據(jù)鏈路

（1）跟蹤、遙測、遙控和信息傳輸四合一一體化技術(shù)。早期的無人機(jī)跟蹤、遙測、遙控和信息傳輸都有各自的獨立信道，這使得無人機(jī)設(shè)備復(fù)雜。隨著發(fā)展“三合一”和“四合一”綜合信道技術(shù)的投入使用，大大減少了無人機(jī)設(shè)備的復(fù)雜度。四合一綜合信道技術(shù)更是將四者綜合為一體進(jìn)行傳輸。

（2）無人機(jī)視頻壓縮編碼技術(shù)。無人機(jī)監(jiān)測的視頻信息是無人機(jī)測控系統(tǒng)功能的重要體現(xiàn)，視頻信息的傳輸好壞，可以用于對無人機(jī)性能的評估。數(shù)據(jù)鏈路技術(shù)決定著無人機(jī)視頻信息的傳輸規(guī)模，而圖像的壓縮編碼技術(shù)可以減少對傳輸帶寬的占用，增加傳輸規(guī)模。

（3）數(shù)據(jù)通訊抗干擾傳輸技術(shù)?，F(xiàn)代電子化高度集中的社會中，電子干擾不可避免，因此，無人機(jī)在工作過程中對于電子干擾的抵抗程度，體現(xiàn)著無人機(jī)性能的優(yōu)劣。目前抗干擾的方式主要有抗干擾編碼、直接序列擴(kuò)頻、跳頻等。

（4）一站多機(jī)數(shù)據(jù)鏈路技術(shù)。一站多機(jī)數(shù)據(jù)鏈路技術(shù)是指一個控制站與多架無人機(jī)的數(shù)據(jù)通信，與一站多機(jī)控制技術(shù)相對應(yīng)。為了讓無人機(jī)可以對不同指令信號進(jìn)行區(qū)分，識別出自身的控制指令，控制站采用了分頻、分時或者碼分多址的方式進(jìn)行了信號的傳輸和編碼。一站多機(jī)數(shù)據(jù)鏈技術(shù)減少了控制站的數(shù)量，實現(xiàn)了無人機(jī)多機(jī)多系統(tǒng)的協(xié)作共享，提高了無人機(jī)測控系統(tǒng)的工作效率。

（5）無人機(jī)自組網(wǎng)測控通信技術(shù)。在無人機(jī)自組織網(wǎng)絡(luò)中，無人機(jī)完成任務(wù)時通過無線信道而形成的多種時刻變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，是無人機(jī)完成指定任務(wù)的基礎(chǔ)。為了使控制平臺與信息傳輸和指定任務(wù)相匹配，形成系統(tǒng)，需要使用多跳組網(wǎng)的方式，由多個節(jié)點協(xié)作完成任務(wù)。因此，需要各類信息網(wǎng)絡(luò)包括自組織、路由端進(jìn)行相互的聯(lián)通。

2 研究難點和發(fā)展趨勢

世界各國都高度重視對無人機(jī)的發(fā)展研究，每年投入大量的人力和物力開發(fā)高端無人機(jī)。但由于缺乏系統(tǒng)的管理，導(dǎo)致無人機(jī)系統(tǒng)個體差異性大、頻譜使用混亂、系統(tǒng)兼容性差、協(xié)同作戰(zhàn)能力不理想。由于通用性差，導(dǎo)致技術(shù)支持和保障出現(xiàn)困難。數(shù)據(jù)鏈路帶寬的有限性限制了無人機(jī)的發(fā)展，新的壓縮技術(shù)或者通信手段是當(dāng)前無人機(jī)的研究難點。美國《無人機(jī)路線圖2005～2030》指出，激光通信可以提高2～5個數(shù)據(jù)量級的數(shù)據(jù)傳輸率，但存在安全隱患和難以維持。同時，將無人機(jī)與云計算平臺相關(guān)聯(lián)，將云平臺作為擁有高精度計算能力的大腦，可以高速處理收集的信息，精確調(diào)度無人機(jī)的運轉(zhuǎn)，還可以提高數(shù)據(jù)處理能力，幫助無人機(jī)更好的完成決策任務(wù)，但實時性有待提高。因此，未來對無人數(shù)據(jù)鏈路數(shù)據(jù)的傳輸速率、抗干擾、多機(jī)協(xié)同工作技術(shù)改進(jìn)與云平臺相關(guān)聯(lián)是今后無人機(jī)的發(fā)展方向。

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