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无人机的飞行控制与导航
形形色色的无人机已经成为未来信息化、网络化战争基础性的作战装备,各国对于无人机系统的发展也不遗余力。然而很多人对于无人机系统及其技术全貌却并不一定有着清晰的了解。航空专家傅前哨将通过一系列文章,向你阐述无人机的相关技术及最新发展。
　　Q　无人驾驶飞行器系统都有些什么样的装备和设施?
　　A　无人驾驶飞行器的使用需要一套专门的装置和设备。整个系统包括若干架无人驾驶飞机(或其它航空器)、地面控制系统(如遥控站)、地面支援保障设备以及起飞、回收装置等。例如,“猎人”军用无人机系统,共含8架可携带侦察设备的无人机、两个地面控制站、1个任务规划站、4个分离式接收站、1个发射回收装置等。无人驾驶的飞机、直升机、飞艇等主要由机体、动力装置、机载导航定位系统、飞行控制系统、起飞和回收装置以及有效载荷(如侦察设备、电子对抗设备、信息传输设备、机载武器等)组成。无人驾驶飞行器上没有乘员,因此领航员、驾驶员的任务需要由导航定位系统、飞行控制系统、自动驾驶仪等设备来完成。

　　Q　无人驾驶飞行器的控制方法有几种,各有什么优缺点?
　　A　无人机的飞行控制方式较多,目前采用的主要有线控、有线电遥控、无线电遥控,程控等几种。
　　所谓线控,就是用手持的钢丝线对动力无人机进行操纵,此法多用于竞技航模。
　　有线电遥控是一种相对简单,且成本较低的操纵方式。地面站人员通过电缆或光缆将各种控制信号传输给无人机,操纵其飞行和工作,而无人机则通过电缆将侦测到的信息送回地面站。其缺点是受电缆长度,重量的限制,飞行器的航程和升限都不大,活动区域和观察范围较小。
　　一些小型的,微型的无人侦察机也采用目视遥控的方式进行操纵。这类无人机上大都安装有一部与手持式遥控器配套的小型多通道无线电接收机。机载接收机收到由地面遥控发射机发来的操纵指令后,将控制信号分配给各舵机,由其完成翼面,油门的控制,开启,关闭某些设备,完成对无人机的操纵。
　　超视距遥控的工作原理是,地面遥控站的人员通过目视、光学设备、雷达系统等,实时获取无人机的姿态,方位,距离,速度、高度等信息,并对其进行跟踪,定位和控制。当发现无人机偏离预定航线,空中姿态出现偏差或需要人为地改变其飞行状况时,地面站发出无线电遥控指令,操纵无人机恢复或调整其飞行轨迹,这种方式可称之为单向无线电遥控。某些无人机上装有机载数据采集与传输系统或专用的前视摄像装置,可通过数传电台或数据链向地面无线电测控站发送无人机自身的飞行数据等,并在地面站计算机上模拟显示出相关的仪表显示、飞机姿态、飞行航迹等。如果通过电视图像传输系统向地面遥控站发送现场的前视图像和座舱图像,地面站的人员还可根据无人机传回的图像和数据,监视、判断它的飞行情况,并通过遥控装置操纵其飞行,这种遥控方式被称为双向无线电遥控。现代无人机有许多机型都采用后一种遥控方式。而美国在20世纪70年代研制的F-15缩比自由飞模型和HiMAT无人驾驶研究机则采用了前一种遥控方式。
　　采用无线电遥控方式时,无人机的活动半径和飞行自由度主要受机载和地面遥控设备的发射功率、无线电波的传输距离以及飞行器本身性能的限制。受地球曲率、遥控设备发射功率等因素的影响,地面站的作用距离一般较短,往往只能用于较近距离(250千米以内)的飞行控制。如果采用中继平台或卫星通信,也可进行远距离甚至洲际范围(上万千米)的操控,但费用将大大增加,使用上也较复杂。另外,采用无线电遥控容易受到电磁干扰,在此种情况下,不但难以完成任务,甚至有可能导致无人机无法返回。
　　所谓程控,是指无人机依靠机载飞行控制系统和机上的设备实现按程序、沿预定航线的飞行控制。机载飞控系统主要由自动驾驶仪、计算机以及导航系统和各种飞行参数传感器等组成。在飞行过程中,该系统利用各类传感器,实时获取无人机的方向、位置、高度、速度、过载、加速度、角位移,角速度、角加速度和发动机转速等信息,经飞控管理计算机对相关参数推演和计算后,通过自动驾驶仪去控制各活动翼面、调整油门,以适时修正无人机的姿态、航迹等,使之能够按照事先设置好的任务剖面飞行。与无线电遥控方式相比,采用程序控制的无人机的活动范围较大。其活动半径主要受飞行器本身性能的影响。一些新型的无人机甚至能够跨大洋飞行,可在5000多千米外执行侦察、监视等任务。其缺点是,在巡航状态,它一般都按照事先选定的轨迹飞行,即使被敌方发现,也不能自主机动,一旦暴露行踪,就很容易被对手拦截。为了克服这一缺点,有的无人机的控制采用预储程序和遥控组合的方式或通过卫星向其发送更改程序的命令。

　　Q　远距离飞行时,精确导航、定位比较困难,对无人驾驶飞行器的导航系统都有什么要求?
　A　一般来说,无人驾驶飞行器的导航。定位装置大致可分为自主式与非自主式两类。采用线控和遥控方式的无人机,基本上都是在目视或无线电测控系统能够“观察”到的范围内飞行,可以不装专门的机载导航,定位设备,其航线和飞行状态的修正由地面操纵员适时控制。远程无人机在执行任务时,其活动半径往往已超出地面站观察和测控的范围(使用卫星通信和中继通信的除外),所以,需要采用自主导航方式,由机载导航设备(如惯导、GPS导航系统等)独立完成精确导航任务。

　　Q　远程无人机的机载导航、定位系统都有哪些类型?
　　A　远程无人机的机载导航系统主要有如下几类:惯性导航系统、无线电导航系统,卫星导航系统、组合式导航系统等等。
　　惯性导航系统(INS)是最常用的导航、定位系统。这种自主式导航设备主要通过测量加速度来推算飞行器的速度、位置等数据。惯导系统的核心部件为惯性测量装置——陀螺仪和加速度计。陀螺仪是一种测量物体相对惯性空间转角或角速度的装置,航空、航天与航海使用的陀螺仪的种类很多,如刚体转子陀螺仪,液浮陀螺仪、磁悬浮陀螺仪、静电陀螺仪、挠性陀螺仪。激光陀螺仪、光纤陀螺仪、压电陀螺仪等等。
　　按实现参考坐标系的方式,惯导系统可分为三大类:几何式惯性导航系统、半解析式惯性导航系统、解析式惯性导航系统。前两类可统称为平台式惯导系统,而第三类则称为无平台式惯导系统或捷联式惯导系统(sINS)。SINS系统的陀螺仪和加速度计都直接安装在机体(或弹体)上,加速度计的测量是沿机体坐标轴的。SINS借助于计算机、微电子学等新技术,由计算机将测量信号变换为导航参数。与平台式系统相比,SINS系统的体积小,重量轻、成本低,并且可利用惯性元件斜置布局实现多余度,以提高可靠性。
　　惯性导航定位系统工作时不依赖外界信息,不向外界辐射电磁波,不受机动飞行的影响,也不受航行地区和气象条件的限 制,具有自主能力强、隐蔽性好、不易受干扰,可全天候工作等优点。但多数陀螺仪的制造工艺复杂,生产成本和维修费用较高:使用前需进行初始校准;航行时,平台位置的测量误差会随时间的增加而积累,需要定时加以修正。
　　无线电导航是一种依靠无线电引导飞行器沿预定航线、在规定的时间内到达目的地的航行技术。该系统主要利用无线电波来测定飞行器的方位、距离、速度等导航参量,算出与规定航线问的偏差,然后通过机载飞控系统和自动驾驶仪操纵无人机消除偏差,保持正确的航线。著名的多普勒导航系统、战术空中导航系统(“塔康”系统)、甚高频全向方位导航系统(“伏尔”系统)、低频脉相双曲线远程导航系统(“罗兰-C”导航系统)、“奥米加”导航系统等均属于无线电导航系统的范畴。

　　Q　多普勒导航系统是现代飞行器使用得比较多的一种无线电导航系统,能否简单介绍一下它的工作原理。
　　A　多普勒导航系统(DNS)是一种机载自备式航位推算系统,它主要是利用多普勒效应来实现无线电导航的,现代大型远程无人机一般都配备有该系统。DNS主要由多普勒雷达、航向姿态陀螺,多普勒导航计算机等组成。飞行时,将机载多普勒雷达测得的飞机速度信息,航向姿态系统测得的飞机航向,俯仰、横滚信息,送入导航计算机,完成坐标转换,得到在地面坐标系中的速度矢量。然后,通过对速度进行连续积分等运算,得到无人机的即时位置。再由即时位置算出航线,求出目标相对于无人机的方位、距离以及无人机的偏航角、偏航距等导航参数,并对机载系统实施修正操纵。
　　多普勒导航系统重量轻、体积小、成本低、使用维护方便;能连续提供各种导航参数:适用于全天候的远、中、近程导航;无需地面设备配合工作,能够独立完成导航任务;飞机速度和偏流角的测量精度较高,与自动驾驶仪交联可实现自动领航。其主要缺点是:飞行姿态超过限度时,多普勒雷达有可能收不到回波信号,从而影响系统的正常工作;导航定位误差随时间和飞行距离的增加而积累。

　　Q　GPS导航系统精度如何,有什么优缺点?
　　A　从原理上讲,全球卫星导航定位系统(GPS)也是一种无线电导航系统。与其它无线电导航系统相比,GPS可实现全球导航。同时,与DNS系统相比,其导航精度是比较高的。美军的无人机以及部分精确制导弹药都喜欢采用这种简单、实用、廉价的制导方式。GPS系统的主要优点是:体积小、重量轻、价格低、导航精度高、使用维护方便j能实现全球导航和全天候导航,它的导航定位设备不向外界发射电磁波,隐蔽性比较好。该系统的缺点是:只有接收到GPS卫星发射的无线电波才能进行导航、定位,受到外界干扰时,就无法正常工作了;GPS的动态刷新率较慢(大约每秒1次),因此,不适用于作高速机动飞行的无人机;由于它无法给出飞行器的姿态角,也难以和自动驾驶仪实施紧密交联;在某些飞行状态下,GPS信号可能会被无人机的机身、机翼、机内设备等遮挡,从而丢失数据,使导航,定位工作处于间断状态。
Q　上述几种导航系统似乎都有不足之处,那么能否把它们组合在一起,构成一个更为完善的系统?
　　A　把两种或两种以上的导航系统有机地结合起来,构成新的组合式系统,在技术上是完全可行的。这么做,虽然整个系统较为复杂,制造成本和使用维护费用也更高一些,但好处很多。组合后的导航系统可以综合利用来自不同传感器、不同渠道的多种信息源,使其自主能力、抗干扰能力等大大增强。各系统取长补短,互为余度,还有助于改善它们的工作可靠性,提高无人机的导航、定位精度。
　　无人机使用的组合式导航系统种类很多,比较典型的有:INS/DNS组合式导航系统、GPS/INS组合式导航系统、GPS/DNS组合式导航系统、GPS/INS/DNS组合式导航系统等等。在新型组合式导航系统中,各种机载导航系统与GPS组合的方案最多,因为这样做,比较容易实现,且相对成本较低。组合式导航系统的余度大、可靠性好、综合效能高。GPS、INS、DNS等系统既能够“联手”合作,为无人机提供更为精确的导航、定位服务,也可以独立工作,以保证当其中之一(或之二)发生故障时,整个系统仍能完成导航任务。

　　Q　组合式系统的成本如何,无人机用得起吗,如何才能解决这一问题呢?
　　A　组合式导航系统的设备比较多,其成本和维护费用相对较高。我们知道,军用航空电子系统都是比较昂贵的,无人机的机载设备购置费往往要超过机体和发动机的造价之和。对于这一问题,个人认为,解决办法有二:一是依靠技术的进步;二是开展有序竞争,以降低成本。目前有一种发展趋势值得我们关注;从国际市场的情况看,随着生产厂家的增多、生产规模的扩大,商业竞争的加剧,大多数的民用电子产品已进入“微利”的时代。而随着航空工业集团垄断程度的提高、研发费用的上升、生产数量的下降,航空电子产品则呈现出“暴利”的倾向!显然,要想解决机载电子设备的设计与生产费用居高不下的问题就必须打破垄断,另辟蹊径,引进竞争机制,让民用电子开发商进入军工行业。目前,随着越来越多的民营企业介入航空,许多军民通用的小型飞行控制系统,导航定位系统、探测系统、设备云台等由于采用了先进,成熟的货架产品,其技术水平在不断升级,机载电子设备硬、软件的价格则因产量增大而在持续下调。这与电视机、电脑、手机、数码相机等民用电子产品的市场走势是相一致的。可以预言,随着技术水平的提高和购置费用的降低,无人机应用组合式飞行控制与导航系统将是未来的发展方向。

　　Q　无人机飞行控制系统的组成、功能与运作方式是怎样的?
　　A　就以现代的轻小型无人机为例,谈谈这一问题。此类飞行器多采用成熟的商用产品,来实现遥控和程控飞行。早期的遥控飞行设备是脉冲式的,后来发展出了比例式的,并且已更新了好几代。老式的程控飞行系统又大又贵,轻型无人机用不了也用不起,随着微电子技术的进步,体积小、重量轻、功能多、价格低的程控设备已经问世,被越来越多地配备在无人机上。
　　轻小型无人机的起降速度较低、滑跑距离很短,一般可由地面控制人员采用目视遥控的方式起降,当无人机达到一定的高度、速度,并稳定平飞后,便通过无线电指令,将遥控方式切换为程控方式。当然,也可以采用全程程序控制飞行。程控飞行主要由机载自动驾驶仪完成。它与遥控接收机并联,从而构成2-3种飞行控制模式,如近距遥控模式(PIC或RC)、远距遥控模式(RPV)和自主飞行模式(UAV)等。飞行过程中,遥控状态与程控状态可以在地面人员的操纵下,相互切换。
　　供轻小型无人机使用的自动驾驶仪实际上是一种低成本的飞行控制系统,它集成了超小型GPs卫星导航、简易惯性导航、飞行稳定控制和任务控制等功能。其传感器包括陀螺、加速度计、倾斜传感器,空速传感器、气压高度计、GPS接收机等。无人机飞行控制系统的核心部件是“导航及任务控制计算机”和“飞行稳定控制计算机”(单板机)。导航与任务控制计算机主要用于导航、执行指令、接通视频覆盖发生器(VID)和任务舵机的定位等。飞行稳定控制计算机的主要工作是:依据导航与任务控制计算机传送来的指令以及通过自备传感器测得的信息,按照要求,控制无人机的副翼、襟翼、升降舵、方向舵等舵面和发动机油门,以保持稳定的速度、高度和航向,或根据指令改变飞行状态和航迹。

　　Q　无人机的供电系统是如何保证设备用电的?
　　A　大部分的无人机可以说是“全电飞机”,其机载飞行控制系统、导航定位系统、任务系统、信息传输与接收系统等设备都要用电。某些以电动机作为动力装置的轻型无人机更是离不开电源。一旦断电,不要说无人机的任务完不成,其本身也必毁无疑。因此,需要为其配备非常可靠的电源系统,无人机起飞前,地面的维修保障人员一定要严格查看机上的供电情况。当然,地面控制系统的供电系统也需要认真进行检查。

　　无人机一般使用什么样的电源系统?
　　A　无人机的电源系统主要分为充电电池、燃料电池、太阳能电池、发电机等几类。如单纯采用固体电池供电,无人机需承受较大的电池重量,而且受电池容量和任务设备用电量的限制,其供电时间较短,一般不能用于长航时无人机。利用发动机带动发电机发电,可保证长时间的供电和充电,但发动机的功率将因此而下降、油耗也会增加,无人机的飞行性能(航程、速度,高度。载重能力等)都将受到影响。到底选择哪种电源系统为好,需根据实际机型而定。从现状看,电源系统(尤其是重量轻,容量大的高性能电池)已成为无人机技术发展的瓶径之一,需要认真攻关。
无人机应用领域
　　携带照相机、数字照相机拍摄航空照片，用于资源调查、环境监测、小城镇规划。携带电视摄像头或红外传感器和微波传输系统，实时将空中摄取的图像传输到有关部门。可用于洪涝灾情调查、森林火情监测、边境巡视、海防缉私和军事侦察。携带通讯中继设备，可用于临时性通讯中继。也可携带电子干扰器材，用于电子干扰。
　　携带气象探测仪器，探测大气温、压、湿、风，以及大气采样。使用XXY-1型无人机携带微量碘化银，实现人工增雨 。