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浅谈无人机四大系统的作用和发展趋势

浅谈无人机四大系统的作用和发展趋势

无人机是无人驾驶飞机的简称(Unmanned Aerial Vehicle),是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置的不载人飞机,包括无人直升机、固定翼机、多旋翼飞行器、无人飞艇、无人伞翼机。
广义地看也包括临近空间飞行器(20-100公里空域),如平流层飞艇、高空气球、太阳能无人机等。
从某种角度来看,无人机可以在无人驾驶的条件下完成复杂空中飞行任务和各种负载任务,可以被看做是“空中机器人”。其中飞控系统、导航系统、动力系统、通链路均是无人机系统的核心技术,是现阶段无人机厂商获取核心竞争力的因素。

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下面我们重点介绍下四大系统的作用和发展趋势。
1、飞控系统是无人机的“驾驶员”——更精确、更清晰
飞控子系统是无人机完成起飞、空中飞行、执行任务和返场回收等整个飞行过程的核心系统,飞控对于无人机相当于驾驶员对于有人机的作用,是无人机最核心的技术之一。飞控一般包括传感器、机载计算机和伺服作动设备三大部分,实现的功能主要有无人机姿态稳定和控制、无人机任务设备管理和应急控制三大类。
其中机体大量装配的各种传感器(包括角速率、姿态、位置、加速度、高度和空速等)是飞控系统的基础,是保证飞机控制精度的关键。在不同飞行环境下,不同用途的无人机对传感器的配置要求也不同。未来对无人机态势感知、战场上识别敌我、防区外交战能力等方面的需求,要求无人机传感器具有更高的探测精度、更高的分辨率,因此国内外无人机传感器中大量应用了超光谱成像、合成孔径雷达、超高频穿透等新技术。
2、导航系统是无人机的“眼睛”——多技术融合是发展方向
导航系统向无人机提供参考坐标系的位置、速度、飞行姿态,引导无人机按照指定航线飞行,相当于有人机系统中的领航员。无人机载导航系统主要分非自主(GPS等)和自主(惯性制导)两种,但分别有易受干扰和误差积累增大的缺点,而未来无人机的发展要求障碍回避、物资或武器投放、自动进场着陆等功能,需要高精度、高可靠性、高抗干扰性能,因此多种导航技术结合的“惯性+多传感器+GPS+光电导航系统”将是未来发展的方向。
3、动力系统——涡轮有望逐步取代活塞,新能源发动机提升续航能力
不同用途的无人机对动力装置的要求不同,但都希望发动机体积小、成本低、工作可靠:
无人机目前广泛采用的动力装置为活塞式发动机,但活塞式只适用于低速低空小型无人机;
对于一次性使用的靶机、自杀式无人机或导弹,要求推重比高但寿命可以短(1-2h),一般使用涡喷式发动机;
低空无人直升机一般使用涡轴发动机,高空长航时的大型无人机一般使用涡扇发动机(美国全球鹰重达12t);
微型无人机(多旋翼)一般使用电池驱动的电动机,一般起飞质量小于10Kg、续航时间小于一小时。
随着涡轮发动机推重比、寿命不断提高、油耗降低,涡轮将取代活塞成为无人机的主力动力机型,太阳能、氢能等新能源电动机也有望为小型无人机提供更持久的生存力。
4、数据链是“放风筝的线”——向高速率高带宽发展
无人机数据链是无人机系统的重要组成部分,是飞行器与地面系统联系的纽带。数据链负责完成对无人机遥控、遥测、跟踪定位和传感器传输,上行数据链实现对无人机遥控、下行数据链执行遥测、数据传输功能。普通无人机大多采用定制视距数据链,而中高空、长航时无人机则都会采用视距和超视距卫通数据链。

随着无线通信、卫星通信和无线网络技术的发展,无人机数据链的性能也得到了大幅提高。当今,无人机数据链也面临着一些挑战。首先,无人机数据链在复杂电磁环境条件下可靠工作的能力还不足;其次, 频率使用效率低。无人机数据链带宽、通信频率通常采用预分配方式,长期占用频率资源,而无人机飞行架次不多,频率使用次数有限,造成频率资源的浪费。
无人机数据链的定义 
无人机数据链是一个多模式的智能通信系统,能够感知其工作区域的电磁环境特征,并根据环境特征和通讯要求,实时动态的调整通信系统工作参数(包括,通信协议、工作频率、调制特性和网络结构等)达到可靠通信或节省通信资源的目的。
无人机数据链按照传输方向可以分为:上行链路和下行链路。上行链路主要完成地面站到无人机遥控指令的发送和接受,下行链路主要完成无人机到地面站的遥测数据以及红外或电视图像的发送和接收,并根据定位信息的传输利用上下行链路进行测距。
数据链性能直接影响到无人机性能的优劣。
无人机数据链的选择
衡量无人机数据链是否健壮的几个特征:
1、具有跳频扩频功能。
跳频组合越高,抗干扰能力越强,一般的设备能做到几十、几百个跳频组合,性能优异的设备能做到6万个跳频组合。
2、具有存储转发功能。
3、具有数据加密功能。
使用数据传输的可靠性提高,防止数据泄密。常见的加密方式有:DES、AES等。
4、具有高速率。
无人机数据链属于窄带远距离传输的范畴,115200bps的数据速率即属于高速率。
5、具有低功耗,低误码率和高接收灵敏度。
由于无人机采用电池供电,而且传输距离又远,所以要求设备的功耗低(即低发射功率),接收灵敏度高(灵敏度越高传输距离越远)。
一般是以多少误码率下的接收灵敏度衡量设备的接收性能,比如:–106dBm @10–6BER。
无人机数据链的测试 
现有对无人机数据链性能的测试方法通常是进行实际飞行试验或野外“拉距离”试验,这种方法试验周期长,通常的试验周期多达几个月,而且试验数据提取困难,试验成本相对较高。
1.1 我国航空数据链系统
我国目前最常用的数据链系统是20世纪80年代初研制的数传/导航兼备系统。该系统由机载设备和地面设备构成。数据引导与塔康设备兼容,数据率为600bps,调制方式为ASK。其工作方式为:地面台以广播方式发出带地址码的指挥信息,机载台按地址接收各自的信息,并在接收后经一定的延迟向地面台发回复信息。机载台把接收的信息经译码得到指令,再由码声器转化为声音指令,对重要信息还同时使用综合航向指示器的航向指令针、敌情指示器、双针高度表、双针速度表显示。该链路存在一些不足如:不能传输话音、数据率低、不具备抗干扰能力,地面设备易受攻击等。 
2.当前无人机数据链系统
无人机数据链系统通常就是无人机测控系统。无人机数据链路系统框图所示:

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按数据传输方向的不同可分为上行链路和下行链路。上行链路主要完成地面站至无人机的遥控指令的发送和接收,可用于传输地面操纵人员的指令,引导无人机按地面人员的指令飞行,并控制机载任务设备;下行链路主要完成无人机至地面终端的遥测数据,用于传送无人机的姿态、位置、机载设备的工作状态、当前遥控指令等,进行信息红外或电视图像的发送和接收以及跟踪定位信息的传输,并可用其来进行测距。
2.1 数据链设备
主要由测控管理器、发射机及接收机组成,测控管理器负责地面遥控与遥测数据的融合与处理,管理无线电发射与接收时序,使遥控与遥测能同步协调工作。发射机和接收机由无线电测控电台及天线构成,无线电测控电台采用双工数传电台,负责遥控指令的发射与遥测数据的接收。
2.2 机载设备
包括飞行控制器、传感器及执行机构组成,飞行控制器一方面收集、处理来自于各个传感器的飞行参数,并将数据打包发送给地面接收装置。另一方面接收来自于地面站的遥控遥测指令,译码后发送给执行机构执行,调整无人机飞行参数。
2.3 地面设备
包括图像显示设备和工程控制计算机、工程控制计算机对所接收的遥测数据进行处理,而后由图像显示设备将处理后的数据进行显示,供地面操纵人员实时掌握和调整无人机的飞行状态。
目前,无人机数据链系统采用的调制模式都比较简单,如2FSK、BPSK、直接扩频技术等,传输速率与抗干扰能力有限;在现代电子战环境下,无人机数据链系统需要进行超大容量的信息传输,以及针对性的电子干扰信号,因此,增强抗干扰性能以及及时准确的传输数据仍然是无人机数据链系统有待解决的重要研究课题。
现代数据链技术的发展推动着无人机数据链向着高速、宽带、保密、抗干扰的方向发展,无人机实用化能力将越来越强。随着机载传感器、定位的精准程度和执行任务的复杂程度不断上升,对数据链的带宽提出了很强的要求,未来随着机载高速处理器的突飞猛进,预计几年后现有射频数据链的传输速率将翻倍,未来在全天候要求低的领域可能还将出现激光通讯方式。
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