【文章內(nèi)容簡介】 編隊以及網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)都存在多機(jī)同時需要進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r。合成孔徑雷達(dá)(SAR)、高清晰度光電傳感器的數(shù)據(jù)率高達(dá)每秒數(shù)十兆比特到數(shù)百兆比特。高比特率傳輸要求更高的載波(如X、Ku頻段)、更寬帶寬的信道、更低的靈敏度和更高的發(fā)射功率、性能更好的調(diào)制解調(diào)器。設(shè)計時需在體積、重量、功耗、發(fā)射功率、靈敏度、調(diào)制解調(diào)器性能之間折衷考慮。通常情況下還需考慮采用高效數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)以降低對信道帶寬、發(fā)射功率等方面的要求。（4）新體制抗干擾、抗截獲技術(shù)測控系統(tǒng)是無人機(jī)系統(tǒng)的生命線。在戰(zhàn)爭狀態(tài)下無人機(jī)測控需要在復(fù)雜的電磁環(huán)境下生存需要具有較強(qiáng)的抗干擾能力以保障生命線的暢通。為提高無人機(jī)系統(tǒng)的生存能力隱蔽自身的戰(zhàn)術(shù)意圖克服無人機(jī)巡邏時隱蔽空中航路難的缺點(diǎn)測控系統(tǒng)的電磁輻射應(yīng)采用低頻譜密度的電磁輻射技術(shù)。目前測控系統(tǒng)上、下行信號進(jìn)行了直接序列擴(kuò)頻傳輸個別系統(tǒng)采用了擴(kuò)跳頻混合體制而混沌擴(kuò)頻測控新體制在信息隱蔽、信號隱蔽、抗干擾能力方面都具有其獨(dú)特表現(xiàn)。在飛行器測控領(lǐng)域混沌擴(kuò)頻新體制抗干擾、抗截獲數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)應(yīng)用將可以在無人機(jī)測控方面首先取得突破。（5）激光通信數(shù)據(jù)鏈技術(shù)激光通信數(shù)據(jù)鏈可以提供比現(xiàn)有微波通信鏈路容量大的多的數(shù)據(jù)傳輸速率國外相關(guān)技術(shù)每秒可傳輸上百萬兆比特的數(shù)據(jù)。到2030年前無人機(jī)測控系統(tǒng)需要達(dá)到500Mbit/s(視距)或以上的數(shù)據(jù)率衛(wèi)星中繼鏈路和無人機(jī)機(jī)間高速數(shù)據(jù)鏈路將需要提供更高的數(shù)據(jù)傳輸能力這可以在光通信新體制方面取得突破并開展實用性研究。（6）自組網(wǎng)測控通信技術(shù)無人機(jī)自組織網(wǎng)絡(luò)能夠形成不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)每個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將與特定的任務(wù)、平臺設(shè)置和通信傳輸需求相匹配。為使無人機(jī)自組織網(wǎng)絡(luò)能夠滿足作戰(zhàn)應(yīng)用的性能指標(biāo)同時使所需的基礎(chǔ)設(shè)施或頻率資源等的利用程度最小需要解決無人機(jī)自組織網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)控制、路由協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)管理、無人機(jī)自組織網(wǎng)絡(luò)與航空通信網(wǎng)、陸軍戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)、海軍戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)以及民航空管網(wǎng)之間互連互通及互操作技術(shù)。（7）機(jī)載共形相控陣天線技術(shù)在無人機(jī)編隊、協(xié)同、組網(wǎng)系統(tǒng)中天線種類和數(shù)量較多部分天線還需要具有高增益及全方位、大俯仰角度空域覆蓋能力對寬波束掃描與波束捷變能力具有較高的要求。為滿足這些要求并降低傳統(tǒng)天線對飛行器造成的氣動阻力機(jī)載天線與機(jī)體更高程度的共形將是發(fā)展方向?qū)砜蓪崿F(xiàn)天線和飛行器蒙皮的一體化且天線的功能從單一孔徑(測控與信息傳輸)發(fā)展到測控與信息傳輸、探測、偵察、干擾等多孔徑傳感器的綜合。 無人機(jī)測控系統(tǒng)存在問題采用比例遙控和目視測量控制無人機(jī)的飛行無人機(jī)只能在可視距離內(nèi)飛行（一般2—3公里）僅能滿足一般高炮的基本動作訓(xùn)練應(yīng)用范圍有限。采用雙通道無線遙控遙測雖能滿足一般訓(xùn)練使用但是也存在以下問題：上行、下行分別采用無線電通信通道于是地面和機(jī)上就都有了二套電臺、天線、頻率一方面設(shè)備增加使系統(tǒng)復(fù)雜重量加大；另一方面在靶機(jī)上放置二根天線一般只能垂直尾翼上放一根在水平副翼上放一根這樣這兩個電線極化方向是不同的而地面站架設(shè)的天線則是二根天線全是垂直放置結(jié)果總是出現(xiàn)一路通信距離差的問題。靶機(jī)飛行前需要調(diào)參。而目前采用的方式是有線調(diào)參，即在靶機(jī)飛行場的地面站距發(fā)射架有數(shù)十米距離每次靶機(jī)發(fā)射時必須搬動地面站至飛機(jī)處調(diào)參使用極為不便。靶機(jī)可以在空中按預(yù)設(shè)航線程控自動駕駛飛行。目前的航線裝定是有線裝定。只能在靶機(jī)發(fā)射前有線裝入航線。如果飛行時發(fā)現(xiàn)有偏差只能傘降回收后重新裝定再升空飛行。性能太差使用中不能滿足打靶需求。 新型無人機(jī)測控系統(tǒng)性能指標(biāo)基于以上問題研制開發(fā)新一代無人機(jī)測控系統(tǒng)就成為一項急迫的任務(wù)?；谀承吞枱o人機(jī)項目本文研制開發(fā)了針對目前軍隊使用的主要無人機(jī)的測控系統(tǒng)。主要功能和指標(biāo)要求為：：完成無人機(jī)32個遙控指令的上傳指令周期小于等于1秒。：對靶機(jī)的8個參數(shù)（Kθ、Kr、Kφ、Kh、γ左、γ右、θ：升、θ：俯）采用無線方式實時的予以調(diào)整和裝定。響應(yīng)時間小于100ms。：采用無線方式向靶機(jī)發(fā)出原點(diǎn)坐標(biāo)值可以選擇機(jī)上GPS當(dāng)前值或人為設(shè)定值裝訂用時小于600ms。：可在地面準(zhǔn)備和空中飛行過程中采用無線方式實時的向靶機(jī)逐點(diǎn)發(fā)出所選定的航線包括程控航線各點(diǎn)的序號、地理位置坐標(biāo)值等。裝訂用時小于600ms點(diǎn)數(shù)。：地面大于8Km。空中100km(飛行高度800m時)。：4800bps誤幀率小于1%。：地面站大于4小時飛控系統(tǒng)大于2小時。經(jīng)過開發(fā)、試驗、方案設(shè)計、桌面調(diào)試、聯(lián)合試車、小批量飛行試驗研制成功了新一代無人機(jī)測控系統(tǒng)。這種新型測控系統(tǒng)采用單頻半雙工MSK數(shù)傳電臺由一個無線通道實現(xiàn)了靶機(jī)的測控一體。簡化了設(shè)備降低了機(jī)載設(shè)備重量相同功率情況下提高了測控距離50%以上而且無人機(jī)參數(shù)調(diào)整、航線裝定全部采用無線方式靶機(jī)在空中飛行中也可以進(jìn)行航線裝入和修改由于以上優(yōu)點(diǎn)使測控系統(tǒng)的使用大大簡化而功能又得到較大提高經(jīng)部隊多次訓(xùn)練、演習(xí)使用獲得好評。此外由于該測控系統(tǒng)設(shè)計中兼顧考慮了其它機(jī)型的測控要求所以可以方便地改裝為其它機(jī)型測控系統(tǒng)使其可以在軍事、民用無人機(jī)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。 無人機(jī)測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無人機(jī)測控系統(tǒng)是用于傳輸?shù)孛娌僮魅藛T的指令引導(dǎo)飛機(jī)按地面人員的要求飛行遙測系統(tǒng)是傳送飛機(jī)的飛行狀態(tài)參數(shù)、位置坐標(biāo)等供地面人員掌握機(jī)上信息并記錄在飛行記錄中以便調(diào)用復(fù)查。遙控、遙測系統(tǒng)簡稱為測控系統(tǒng)、設(shè)備平臺為一體化設(shè)計。測控系統(tǒng)由地10面測控系統(tǒng)和機(jī)上測控系統(tǒng)組成。地面測控系統(tǒng)由測控主站、副站、副操縱器、測控數(shù)傳電臺及天線等設(shè)備組成。其中主站包括主操縱器、地面綜合管理控制器、工控機(jī)、顯示器。副站主要為測控提供電源、為電池充電以及盛裝副操縱器和其它設(shè)備。機(jī)上測控系統(tǒng)按照遙控指令可完成無人機(jī)的機(jī)動、程控飛行等動作同時有數(shù)據(jù)采集部分可通過測控電臺傳送飛機(jī)的狀態(tài)參數(shù)、位置坐標(biāo)供地面人員實時監(jiān)控飛機(jī)上的有關(guān)信息并存貯所有傳送信息以便隨時調(diào)用復(fù)查它是無人機(jī)和地面操作人員之間聯(lián)系的紐帶通過接收遙測信息地面操作人員可以得到無人機(jī)當(dāng)前所有的飛行參數(shù)信息從而正確地操縱無人機(jī)完成飛行任務(wù)。其結(jié)構(gòu)組成框圖如圖21。圖21 無人機(jī)測控結(jié)構(gòu)3. 無人機(jī)的飛行控制與測控數(shù)據(jù)傳輸無人機(jī)的測控數(shù)據(jù)傳輸均采用無線通信方式將遙控信息由地面站發(fā)送至無人機(jī)稱為無線遙控（上行通道）。無人機(jī)將飛行中的各種狀態(tài)信息發(fā)給地面站稱為無線遙測（下行通道）。無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的核心問題主要是單/雙無線通道的選擇、電臺的選擇、天線的選擇和安裝姿態(tài)。 無人直升機(jī)飛行控制的特點(diǎn)及問題直升機(jī)是一個特殊的飛行器作為被控對象與固定翼飛機(jī)相比是一個更為復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)。它在空間的運(yùn)動除了具有六個自由度外(三個轉(zhuǎn)動角速度和三個平移線運(yùn)動)還有旋翼和尾槳相對于機(jī)身的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。直升機(jī)在空間的飛行有其獨(dú)特的飛行狀態(tài):懸停、垂直升降、左右側(cè)飛等。直升機(jī)的飛行控制直接影響到信號傳輸質(zhì)量的高低和可靠性。直升機(jī)沒有產(chǎn)生升力的機(jī)翼和專供操縱的舵面它的旋翼是主要支撐部件也是直升機(jī)有別于固定翼飛機(jī)的基本特點(diǎn)。固定翼飛機(jī)在空中飛行時升力主要靠與機(jī)身固定在一起的機(jī)翼產(chǎn)生前進(jìn)力靠螺旋槳或噴氣式發(fā)動機(jī)產(chǎn)生；而直升機(jī)的前進(jìn)力、升力均要靠旋翼產(chǎn)生其旋翼既起到了固定翼飛機(jī)機(jī)翼的作用又起到了螺旋槳的作用不僅如此旋翼還起到了固定翼飛機(jī)副翼、升降舵的作用是直升機(jī)的關(guān)鍵部件。為了實現(xiàn)上述功能旋翼總的空氣動力矢量即拉力不僅需要大小可變方向也要可以調(diào)節(jié)?？梢钥闯鲋鄙龣C(jī)在飛行時旋翼處于復(fù)雜的周期變化的氣動環(huán)境中。在離心力場中細(xì)長的有一定擾度的旋翼槳葉的各自由度之間存在著各種氣動、慣性、結(jié)構(gòu)及幾何禍合旋翼和機(jī)體之間存在著復(fù)雜的禍合關(guān)系。此外旋翼旋轉(zhuǎn)時引起的振動、噪聲成為全機(jī)主要的振動源、噪聲源。這些復(fù)雜的關(guān)系和因素極大地增加了直升機(jī)操縱和控制的難度。這樣就為數(shù)據(jù)的傳輸產(chǎn)生一系列的干擾和不便。 雙無線通道與單無線通道的比較遙控遙測獨(dú)立分別采用各自的電臺、天線、無線頻點(diǎn)稱之為雙無線通道的測控系統(tǒng)。優(yōu)點(diǎn)是時序獨(dú)立互相之間沒有影響但存在一些嚴(yán)重問題：上行、下行分別采用無線通道于是地面和機(jī)上就都有了二套電臺、天線、頻率地面系統(tǒng)雖然增加了操作的工作量但并無大礙。而機(jī)上系統(tǒng)設(shè)備增加使系統(tǒng)復(fù)雜、重量加大卻是一個嚴(yán)重的問題。無人機(jī)的重量增加是影響起飛、空速、續(xù)航時間的一個重要原因。系統(tǒng)復(fù)雜又必然造成可靠性降低。在靶機(jī)上要放置二根天線一般只能垂直尾翼上放一根在水平副翼上放一根這樣這兩個天線極化方向是不同的而地面站架設(shè)的天線則是二根天線全是垂直放置必然造成其中一路通信效果變差。結(jié)果總是出現(xiàn)一路通信距離近的問題.遙控遙測共用同一套電臺、天線、無線頻點(diǎn)采用時分工作方式稱為單無線通道的測控系統(tǒng)。它的優(yōu)點(diǎn)是簡化了機(jī)上設(shè)備的數(shù)量和線路的復(fù)雜性降低了無人機(jī)整機(jī)重量同時機(jī)上天線與地面天線極化方向相同大大提高了通信距離。但這種測控系統(tǒng)對電臺的可靠性要求更高。本文工作開始前無人機(jī)的測控系統(tǒng)主要采用雙無線通道的方式設(shè)備復(fù)雜遙控遙測距離近的問題一定存在。 無人機(jī)飛行的無線通道無人機(jī)的無線通道分為無線遙控（上行）通道和無線遙測（下行）通道。無線遙控（上行）通道完成遙控指令、參數(shù)信息等數(shù)據(jù)的傳輸。指令：地面站發(fā)給電臺經(jīng)地面天線發(fā)射機(jī)上天線接收后電臺將指令發(fā)給飛行控制系統(tǒng)飛行控制系統(tǒng)接收到指令后交給遙測系統(tǒng)已接收指令該指令執(zhí)行后又將交給遙測系統(tǒng)已執(zhí)行指令。參數(shù)（原點(diǎn)、飛行參數(shù)、航路信息）：地面站發(fā)給電臺經(jīng)地面天線發(fā)射機(jī)上天線接收后電臺將參數(shù)發(fā)給飛行控制系統(tǒng)飛行控制系統(tǒng)接收到參數(shù)后存入掉電保持的存儲器然后再從存儲器中讀出參數(shù)交遙測系統(tǒng)發(fā)回地面。供地面站校驗。無線遙測（下行）通道完成無人機(jī)飛行過程中各狀態(tài)參數(shù)的收集并發(fā)送給地面站。在調(diào)參時也負(fù)責(zé)回傳參數(shù)信息。 無人機(jī)飛行控制器飛行控制器是負(fù)責(zé)飛行控制系統(tǒng)信號的采集、控制律的解算、飛機(jī)的姿態(tài)和速度以及與地面設(shè)備的通訊等工作。飛行控制器控制設(shè)備由傳感器操作面板數(shù)據(jù)及算術(shù)處理設(shè)備和電源組成通信控制設(shè)備由編碼器/解碼器控制通信控制盒和自動跟蹤控制器組成。無人機(jī)數(shù)據(jù)采集及測控系統(tǒng)集成了模擬、數(shù)字、通訊總線、時間碼等無人機(jī)上通用的各種航電信號采集和測試功能。無人駕駛儀的控制系統(tǒng)進(jìn)行測試主要完成包括對控制系統(tǒng)的各個硬件（傳感器、敏感元件、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等）、自動駕駛儀以及中間裝置的參數(shù)特性、動態(tài)過程監(jiān)測以及控制系統(tǒng)的航空專用總線。飛控器是以單片機(jī)為核心的計算機(jī)控制系統(tǒng)其功能是實現(xiàn)由輸入信息的含義決策輸出信息的過程簡單地說是信息處理過程其輸入信息主要是指遙控接收送來的指令信息當(dāng)然也含故障應(yīng)急處理信息。根據(jù)輸入信息來決策輸出控制及遙測顯示信息。因此其功能主要有：1）保持飛機(jī)按給定的高度穩(wěn)定飛行2）保持飛機(jī)按預(yù)定的航線穩(wěn)定飛行3）控制飛機(jī)按給定的航向角飛行4）控制飛機(jī)按給定的姿態(tài)角機(jī)動飛行5）控制飛機(jī)按預(yù)定程序自主飛行6）隨著高度和速度的變化自動改變控制系統(tǒng)7）采集飛行狀態(tài)參數(shù)送至遙測發(fā)射系統(tǒng)8）進(jìn)行故障應(yīng)急處理9）完成飛機(jī)開關(guān)指令功能對任務(wù)設(shè)備的控制其中1）～5）、9）條是飛控器根據(jù)地面遙控指令切換不同控制模態(tài)來實現(xiàn)第6）、7）、8）條由飛控器自行完成。飛行控制器采用了三種控制方式、四個反饋回路、五種控制模態(tài)來完成控制。（一）控制方式三種控制方式是：無線電指令控制下的自動模態(tài)飛行方式、無線電遙控靜默下的全自主飛行控制方式以及程控飛行方式。（二）反饋回路四個反饋回路：。這是飛行控制系統(tǒng)的核心控制回路。靶機(jī)的轉(zhuǎn)彎、爬升、下滑飛行是由內(nèi)回路給定相應(yīng)參考姿態(tài)角來實現(xiàn)的。，啟動飛機(jī)姿態(tài)，遙測發(fā)射敏感元件重心為測量儀遙控發(fā)射地面操縱人、地面，遙測接收機(jī)到橫向控制通道上進(jìn)一步提高航跡的控制精度。在反饋回路中以阻尼、帶寬、靜差、容錯性為要點(diǎn)進(jìn)行回路的反饋控制參數(shù)設(shè)計以增強(qiáng)飛行控制系統(tǒng)全飛行包絡(luò)的控制魯棒性。（三）控制模態(tài)飛控系統(tǒng)采用了五種控制模態(tài)即：三軸穩(wěn)定控制模態(tài)、高度保持模態(tài)、航向保持模態(tài)、自動導(dǎo)航模態(tài)、自動歸航模態(tài)。模態(tài)之間的切換時機(jī)主要是由地面遙控人員通過指令來實現(xiàn)的而在飛行控制系統(tǒng)中則是通過調(diào)整控制參數(shù)、切換給定參考變量來實現(xiàn)。三軸穩(wěn)定模態(tài)即為垂直陀螺儀控制模態(tài)飛機(jī)無論處于什么指令下飛控器接通垂直陀螺儀。高度保持模態(tài)：即飛控器接通“垂直陀螺儀＋高度傳感器”的控制模態(tài)。當(dāng)飛機(jī)收到“縱平”指令后即接通高度傳感器當(dāng)飛機(jī)收到“爬升”或“俯沖”指令時切斷高度傳感器。航向保持模態(tài)：即飛控器接通“垂直陀螺儀＋高度傳感器＋航向傳感器”的控制模態(tài)。當(dāng)飛機(jī)收到“遠(yuǎn)航”或是“返航”指令后即接通航向傳感器當(dāng)飛機(jī)收到“橫平”指令時切斷航向傳感器。自動導(dǎo)航模態(tài)：當(dāng)飛機(jī)收到“程控”指令時飛行控制器將自動引導(dǎo)飛機(jī)飛行在預(yù)設(shè)的航路上。用“橫平”指令解除“程控”。歸航模態(tài)：即飛控器接通“垂直陀螺＋高度傳感器＋航向傳感器＋GPS”控制模態(tài)。當(dāng)飛機(jī)接收到“歸航”指令或是飛機(jī)在30秒內(nèi)沒有接收到地面的遙控信號（包括空指令信號）時飛控器轉(zhuǎn)入歸航模態(tài)飛控器從內(nèi)存中調(diào)出起飛點(diǎn)的坐標(biāo)不斷進(jìn)行比較引導(dǎo)飛機(jī)朝起飛點(diǎn)上空飛行到達(dá)起飛點(diǎn)后盤旋3分鐘然后自動開傘回收。在此過程中隨時可以通過“橫平”指令來解除“歸航”模態(tài)。 無人機(jī)的飛行控制無人機(jī)的飛行控制主要有：遙控飛行、自控飛行、遙控與自控結(jié)合。 遙控飛行遙控即對被控對象進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制使用的方法很多如有線遙控、無線電遙控、聲音遙控、光學(xué)遙控等。其中無線電遙控是最重要、應(yīng)用最廣泛的遙控方式。(1)上傳指令無線電遙控的基本過程：遙控站通過發(fā)射機(jī)向無人機(jī)發(fā)送無線電波傳遞指令無人機(jī)上的接收機(jī)接收并譯出指令的內(nèi)容通過自動駕駛儀按指令操縱舵面或通過其他接口操縱機(jī)上任務(wù)載荷。為了能正確發(fā)送遙控指令遙控站設(shè)有搜索和跟蹤雷達(dá)它們測量無人機(jī)在任意時刻相對地面的方位角、俯仰角、距離和高度等參數(shù)并把這些參數(shù)送入電子計算機(jī)經(jīng)計算后就能繪出無人機(jī)的實際航跡與預(yù)定航線比較就能求出偏差然后才能發(fā)出指令進(jìn)行修正。此外無人機(jī)上還裝有一部無線電應(yīng)答器稱為信標(biāo)機(jī)。它是一種自動工作的小型收發(fā)信機(jī)能在收到跟蹤雷達(dá)的詢問信號后發(fā)回一個信號給雷達(dá)。由于信標(biāo)機(jī)發(fā)送的信號比無人機(jī)反射的雷達(dá)信號強(qiáng)得多所以信標(biāo)機(jī)可以起到增加跟蹤雷達(dá)探測距離的作用。(2)下傳信號遙控指令只包含航跡修正信號是顯然不夠的在飛行中無人機(jī)會受到多種因素的影響無人機(jī)的飛行姿態(tài)也在不斷變化所以指令還需要包括對飛行姿態(tài)的修正內(nèi)容。對飛行姿態(tài)的修正信息