測控系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計與研究

周晨，張大高

航空工業(yè)直升機設(shè)計研究所

本文介紹了現(xiàn)代無人機測控系統(tǒng)的基本構(gòu)成和通過引入新技術(shù)對現(xiàn)有無人機測控系統(tǒng)存在的不足進行優(yōu)化，通過引入智能技術(shù)減輕操作人員的負擔，使無人機測控系統(tǒng)更加穩(wěn)定。通過使用AR技術(shù)和輔助控制系統(tǒng)，使操作人員對整個測控系統(tǒng)的狀態(tài)進行全面掌控。

隨著航天航空技術(shù)、無人控制技術(shù)以及智能技術(shù)的不斷發(fā)展，測控系統(tǒng)從20世紀的人工控制逐漸向智能控制方向轉(zhuǎn)化，電子設(shè)備高度集成化，使各類設(shè)備體積減小，所以21世紀的測控系統(tǒng)都是往高集成化和小型化發(fā)展。隨著人工智能機器學(xué)習(xí)的普及，很多新興技術(shù)都能提高測控系統(tǒng)的能力，使21世紀設(shè)計出的測控系統(tǒng)更具備競爭力。

地面測控站國內(nèi)外發(fā)展研究及改進設(shè)計

測控系統(tǒng)是中大型無人機系統(tǒng)中較為關(guān)鍵的子系統(tǒng)之一，是集遙測、遙控、測距、測速、數(shù)傳、圖傳等測控業(yè)務(wù)功能于一體的綜合控制系統(tǒng)，具有多體制測控功能，其運行的可靠性和保障性決定了無人機飛行任務(wù)的成敗，機載收集到的所有載荷設(shè)備的數(shù)據(jù)都由測控系統(tǒng)集中處理和反饋給操作人員。因此測控系統(tǒng)具有功能多、數(shù)據(jù)交互格式多、傳輸數(shù)據(jù)量大、傳輸頻率高的特點。

測控系統(tǒng)主要由三個子系統(tǒng)組成，分別為地面測控站、便攜式指控終端和地面機載鏈路系統(tǒng)。便攜式指控終端主要控制無人直升機起降過程及近地面任務(wù)，地面測控站主要輔助對無人直升機狀態(tài)進行監(jiān)控、機載載荷數(shù)據(jù)顯示和無人機任務(wù)規(guī)劃，地面機載鏈路系統(tǒng)主要輔助地面測控站與機載間的數(shù)據(jù)傳輸和測距測向。

近年來的測控系統(tǒng)設(shè)計差別不大，基本沿用十年前的成熟技術(shù)，國內(nèi)外測控系統(tǒng)基本都存在空間利用率低，線路復(fù)雜等問題。且現(xiàn)在通信技術(shù)急速發(fā)展，鏈路設(shè)備現(xiàn)也容易被民用設(shè)備污染頻段，造成連接不穩(wěn)定現(xiàn)象，故需使用新興技術(shù)對現(xiàn)有測控系統(tǒng)進行改進。

傳統(tǒng)無人機測控系統(tǒng)中的地面測控站體積龐大、維護性難、維護成本較高，其中使用的一體化地面通用控制臺為了保障設(shè)備穩(wěn)定，使用鋼鐵外殼進行加固，以巨大的體積換來使用過程中的穩(wěn)定性，設(shè)計時未考慮空間利用率重復(fù)浪費空間。因此可以在之前測控站設(shè)計的基礎(chǔ)上對其進行進一步優(yōu)化，優(yōu)化方案如圖4所示，將各控制臺的工作計算機集中放置在設(shè)備艙中，控制艙只需放置鍵鼠、控制屏和顯示屏等交互設(shè)備，交互設(shè)備通過數(shù)據(jù)線與設(shè)備艙的工作計算機相連，這樣就能極大的通高了空間利用率。

圖1 測控系統(tǒng)是中大型無人機系統(tǒng)中較為關(guān)鍵的子系統(tǒng)之一。

圖2 測控系統(tǒng)具有功能多、數(shù)據(jù)交互格式多、傳輸數(shù)據(jù)量大、傳輸頻率高的特點。

圖3 測控系統(tǒng)主要由三個子系統(tǒng)組成，分別為地面測控站、便攜式指控終端和地面機載鏈路系統(tǒng)。

圖4 地面測控站改進設(shè)計圖。

便攜式指控終端設(shè)計及主流通信技術(shù)研究

便攜式指控終端是測控系統(tǒng)的重要組成部分，通過有線或者無線的方式與地面測控站相練。當今大部分便攜式指控終端為了連接的穩(wěn)定性都是使用的有線連接的方式，但這種方式也帶來了缺陷，使操作人員無法自由移動，視野受到限制，便攜式指控終端與地面測控站之間的連接線也不易維護，十分影響部署速度。使用無線連接方式的便攜式指控終端，例如Futaba之類的設(shè)備，也存在遠距離連接時斷流問題，使控制指令斷斷續(xù)續(xù)，導(dǎo)致飛行任務(wù)存在風(fēng)險。

為了改變當前設(shè)備的缺陷，可以在現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上將無線通信模塊更換為新型無線模塊，例如：2.4GHzWIFI、5GHzWiFi、ZigBee、Z-Wave、移 動4G、移動5G、NB-loT和LoRa等。常用無線通信技術(shù)參數(shù)如表1和表2所示。

表1 常用無線通信技術(shù)參數(shù)表。

在表1和表2中可以發(fā)現(xiàn)，在進行無人機飛行任務(wù)過程中，環(huán)境一般是空曠地帶，遮擋較少，而且操作人員為了更方便觀察無人機的運行狀態(tài)，會與機載距離更近，與地面測控站距離較遠，因此在此使用場景下，藍牙技術(shù)和Z-Wave技術(shù)不適用。且在無人機飛行試驗過程中，便攜式指控終端與地面測控站之間的連接要求穩(wěn)定，因此容易受到干擾的2.4GWiFi技術(shù)、5GWiFi技術(shù)、移動4G技術(shù)和移動5G技術(shù)不能滿足穩(wěn)定性要求。綜上所述，符合場景使用要求的為ZigBee技術(shù)、LoRa技術(shù)和NBloT技術(shù)，且這三種技術(shù)皆為物聯(lián)網(wǎng)中常用技術(shù)，在符合使用要求的同時也滿足了普遍性的要求。

表2 常用無線通信技術(shù)參數(shù)表。

ZigBee無線通信技術(shù)是一種新興的短距離無線通信技術(shù)，ZigBee組網(wǎng)是一種高可靠的無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，類似于CDMA和GSM網(wǎng)絡(luò)。ZigBee數(shù)傳模塊類似于移動網(wǎng)絡(luò)基站。通訊距離從標準的75m到幾百米、幾公里，并且支持無限擴展。ZigBee技術(shù)特點主要有低功耗、低成本、時延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、工作頻段靈活、低速率、安全的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。其中低功耗是ZigBee技術(shù)最重要的特點。由于 ZigBee的傳輸速率相對較低發(fā)射功率較小，使得 ZigBee設(shè)備很省電，這是 ZigBee技術(shù)能夠廣泛應(yīng)用的基石。但ZigBee無線通信技術(shù)使用2.4GHz頻段，因較多技術(shù)使用該頻段，如藍牙、WiFi、移動4G等，故ZigBee信號容易受到干擾，且ZigBee相 比NBloT和LoRa使用的頻段較高，在有遮擋物的情況下傳輸距離較短，故ZigBee技術(shù)不適用于便攜式指控終端。

NB-IoT無線通信技術(shù)即窄帶物聯(lián)網(wǎng)，是一種非常新穎的低功耗廣域(LPWA)蜂窩通信技術(shù)，它允許在低成本和低功耗的環(huán)境下于廣域范圍內(nèi)創(chuàng)建一張連接設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)。NB-IoT只消耗大約180KHz的頻段，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)支持待機時間短、對網(wǎng)絡(luò)連接要求較高設(shè)備的高效連接。其主要特點是覆蓋廣、連接多、速率低、成本低、功耗少、架構(gòu)優(yōu)等特點。NB-IoT使用License頻段，可采取帶內(nèi)、保護帶或獨立載波等三種部署方式，NB-IoT無線通信模塊工作方式如圖5所示。

圖5 NB-loT通信技術(shù)模塊工作原理圖。

由圖6所示，NB-IoT無線通信在傳輸數(shù)據(jù)過程中，必須通過NB-IoT基站中轉(zhuǎn)，NB-IoT基站都是國內(nèi)三大運營商負責(zé)，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可能會經(jīng)過一段公共網(wǎng)絡(luò)，這就導(dǎo)致數(shù)據(jù)出現(xiàn)安全隱患，所以NB-IoT技術(shù)不適合便攜式指控終端。

圖6 NB-loT通信技術(shù)模塊工作原理圖。

LoRa無線通信技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)新興技術(shù)之一，是semtech公司創(chuàng)建的低功耗局域網(wǎng)無線標準，最大特點就是在同樣的功耗條件下比其他無線方式傳播的距離更遠，實現(xiàn)了低功耗和遠距離的統(tǒng)一，它在同樣的功耗下比傳統(tǒng)的無線射頻通信距離擴大3-5倍。LoRa無線通信模塊工作原理如圖7所示。

圖7 LoRa通信技術(shù)模塊工作原理圖。

由圖8所知，使用LoRa無線通信模塊進行數(shù)據(jù)傳輸時為點對點通信方式，沒有中轉(zhuǎn)設(shè)備，可保障傳輸數(shù)據(jù)安全性。

圖8 LoRa通信技術(shù)應(yīng)用圖。

綜上所述，在地面測控站與便攜式指控終端之間使用LoRa通信技術(shù)，相比ZigBee通信技術(shù)和NB-loT通信技術(shù)來說，LoRa通信技術(shù)在滿足數(shù)據(jù)安全性的同時也滿足了穩(wěn)定性，適合在測控系統(tǒng)中使用，解決便攜式指控終端存在的使用范圍問題。

輔助控制系統(tǒng)研究及設(shè)計

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無人機系統(tǒng)越來越復(fù)雜，操作人員需要關(guān)注的數(shù)據(jù)大量增加，導(dǎo)致操作人員出現(xiàn)看漏和錯看等現(xiàn)象。為了能彌補人類操作出現(xiàn)的不穩(wěn)定因素，輔助決策系統(tǒng)可以及時給出決策建議。輔助控制系統(tǒng)可以通過AR技術(shù)及設(shè)備輔助操作人員快速判斷當前情況和選擇，并引導(dǎo)操作人員快速解決突發(fā)情況，保障飛行任務(wù)的成功。

AR技術(shù)即增強現(xiàn)實技術(shù)，是一種實時地計算攝影機影像的位置及角度并加上相應(yīng)圖像、視頻、3D模型的技術(shù)，這種技術(shù)的目標是在屏幕上把虛擬世界套在現(xiàn)實世界并進行互動。通過頭戴式顯示裝置在原有實景的基礎(chǔ)上添加虛擬景物，讓操作人員及時注意到輔助控制系統(tǒng)給出的決策建議。

圖9 為了能彌補人類操作出現(xiàn)的不穩(wěn)定因素，輔助決策系統(tǒng)可以及時給出決策建議，具體可通過AR技術(shù)手段得以實現(xiàn)。

圖10 測控系統(tǒng)的優(yōu)化流程。

圖11 測試系統(tǒng)要隨時代不斷改進。

輔助決策系統(tǒng)通過輸入的以往類似情況的案例，以及預(yù)先制定好的解決方案，在飛行任務(wù)中出現(xiàn)多個緊急情況時，及時向操作人員反饋其解決方案，引導(dǎo)操作人員按情況的緊急程度依次解決各類問題。通過智能識別語音技術(shù)，當操作人員說出問題關(guān)鍵詞時，也能反饋解決方案，可起到訓(xùn)練操作人員的問題處理能力。

總結(jié)

科技時時刻刻都在更新改進，我們設(shè)計測控系統(tǒng)也要跟上時代的腳步才能不落后其他國家，新技術(shù)帶來新變化，設(shè)計測控系統(tǒng)需要按實際應(yīng)用場景需求采用相對應(yīng)的技術(shù)，使整個測控系統(tǒng)在之前的設(shè)計上更加人性化和穩(wěn)定。