無人機(jī)地面站系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用

由于無人機(jī)的巨大優(yōu)勢(shì)，它具有設(shè)計(jì)靈活、人員零傷害、降低成本等優(yōu)點(diǎn)。成為現(xiàn)代飛機(jī)研究的熱點(diǎn)。目前,幾乎每個(gè)國家都有自己的無人機(jī)建設(shè)計(jì)劃,這也加強(qiáng)了世界在無人機(jī)領(lǐng)域探索的興趣。無人機(jī)地面站系統(tǒng)作為無人機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分,是整個(gè)無人機(jī)系統(tǒng)的指揮控制中心目前,關(guān)于無人機(jī)地面站系統(tǒng)的研究也很多,先后出現(xiàn)了各種針對(duì)不同無人機(jī)型號(hào)和用途的地面站系統(tǒng)。本文對(duì)無人機(jī)地面站的發(fā)展進(jìn)行了簡(jiǎn)要回顧,并對(duì)各種地面站系統(tǒng)進(jìn)行了分析研究。1多地面站的控制無人機(jī)在國際戰(zhàn)爭(zhēng)中的成功應(yīng)用,己經(jīng)揭開了以遠(yuǎn)距離攻擊型,智能化武器,信息化武器為主導(dǎo)的非接觸性戰(zhàn)爭(zhēng)的新篇章。近百年時(shí)間,無人機(jī)也從最原始的有線控制,演變成現(xiàn)在集群化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的地面站控制。20世紀(jì)20、30年代,無人機(jī)尚無完善的地面站系統(tǒng),對(duì)無人機(jī)都是使用簡(jiǎn)單設(shè)備的操控。例如,1918年,美軍研制第一架升空的“柯蒂斯”是無人機(jī)通過陀螺儀指示方向、無液氣壓表指示高度來操控飛機(jī)20世紀(jì)50~70年代,已經(jīng)初步形成了地面站系統(tǒng),并進(jìn)入快速發(fā)展階段。借助于地面站系統(tǒng)完成對(duì)無人機(jī)的操控,使其完成各種任務(wù)。例如,越南戰(zhàn)爭(zhēng)期間,美軍無人機(jī)地面站采用預(yù)編程技術(shù),控制無人機(jī)執(zhí)行電子竊聽、電臺(tái)干擾、超低空拍攝等任務(wù)20世紀(jì)90年代,英美等各國設(shè)計(jì)并采用了以“捕食者”無人機(jī)地面站為代表的復(fù)合控制多用途無人機(jī)地面站,地面站趨于集群化,功能更加智能化,此時(shí)的無人機(jī)地面站技術(shù)已經(jīng)日趨成熟。進(jìn)入21世紀(jì)以后,無人機(jī)地面站的發(fā)展速度更加迅猛。例如以“影子200”地面站為代表的一體化系統(tǒng),其地面控制站由兩臺(tái)工作站組成,可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)地面站控制多架無人機(jī)。另外,以“全球鷹”為代表的大型無人機(jī)地面站,利用標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議STANAG4586的兼容性,驅(qū)動(dòng)了無人機(jī)地面站的互操作性2無人機(jī)的地面站現(xiàn)狀2.1無人機(jī)地面站建設(shè)ANKA是土耳其近期啟動(dòng)的一項(xiàng)長航時(shí)偵查打擊一體化無人機(jī)項(xiàng)目。鑒于ANKA查打一體的空中任務(wù)需求,整個(gè)無人機(jī)系統(tǒng)配備了一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜無人機(jī)地面站,包括:地面數(shù)據(jù)終端、遠(yuǎn)程視頻終端、自動(dòng)起飛著陸系統(tǒng)、可移動(dòng)的圖像系統(tǒng)和地面保障設(shè)備等(2)gcs監(jiān)測(cè)及管理系統(tǒng)作為美國最典型的戰(zhàn)斗無人機(jī),“捕食者”的面站配備有:一個(gè)集成的不間斷電源,環(huán)境適應(yīng)系統(tǒng),飛行操作站,有效載荷工作站,合成孔徑雷達(dá)工作站,以及安全穩(wěn)定的通信鏈路等。整個(gè)GCS支持?jǐn)?shù)據(jù)/圖像采集,任務(wù)規(guī)劃,任務(wù)和有效載荷的控制和監(jiān)測(cè)及系統(tǒng)管理。外部通信通過高頻衛(wèi)星通信終端,任務(wù)控制信息以及圖像信息由Ku波段衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈傳送(3)帶高增益天線MD4-1000是德國制造,全球技術(shù)領(lǐng)先的四旋翼無人機(jī),其地面站具有2.4GHz多向模擬微波接收器,帶高增益天線用于接收視頻影像及飛行數(shù)據(jù)。MD4-1000作為偵查類無人機(jī),其地面站最大技術(shù)特點(diǎn)為有效載荷控制系統(tǒng)和飛行數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)。有效載荷控制支持多種拍攝/監(jiān)控計(jì)劃設(shè)定。由Downlink解碼的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),包括電池剩余電量、信號(hào)質(zhì)量、飛行姿態(tài)、飛行高度、GPS位置、飛行時(shí)間等,全部由飛行數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)顯示2.2中小型無人機(jī)地面站不同型號(hào),不同功能的無人機(jī),都有相應(yīng)的不同結(jié)構(gòu)和規(guī)模的無人機(jī)地面站做支撐。有大型的控制無人機(jī)群的戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)地面站,其地面站由多個(gè)操作站建筑群或車載群構(gòu)成。中小型無人機(jī)地面站多是車載可移動(dòng)的。微型地面站是將諸多系統(tǒng)集成到便攜式筆記本上,甚至可以小到只有掌機(jī)大小。(1)系統(tǒng)構(gòu)成及功能戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)地面站如圖1所示。其特點(diǎn)是在軍事上體現(xiàn)其強(qiáng)大而復(fù)雜的功能,它由多個(gè)功能完善子系統(tǒng)及操作終端構(gòu)成,如:數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)、遠(yuǎn)程顯示系統(tǒng)、移動(dòng)圖像系統(tǒng)及安全保障設(shè)備等。(2)小型無人機(jī)站與戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)地面站不同的是,中小型無人機(jī)地面站的架構(gòu)及功能比較簡(jiǎn)單,多采用車載等方式,機(jī)動(dòng)性更強(qiáng),靈活性更好(3)地面站介紹隨著微型無人機(jī)的迅速發(fā)展,出現(xiàn)了微型無人機(jī)地面站,如圖3所示。這類地面站通常使用便攜式電腦或者搖桿遙控器來控制無人機(jī),這就要求整個(gè)地面站系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加集成化,功能更加精煉。3無人機(jī)地面站組成和功能不管是大型無人機(jī)地面站,還是中小型或者微型無人機(jī)地面站系統(tǒng),雖然其無人機(jī)的型號(hào)和功能各異,但是其地面站系統(tǒng)究其組成和核心功能來說,具有很多共同之處。無人機(jī)地面站系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)如圖4所示,其各構(gòu)成模塊的功能如下:(1)地面計(jì)算機(jī)地面計(jì)算機(jī)是整個(gè)無人機(jī)地面站系統(tǒng)的中樞環(huán)節(jié),通過一臺(tái)或多臺(tái)地面站計(jì)算機(jī)對(duì)無人機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行通訊操作(2)數(shù)據(jù)鏈終端數(shù)據(jù)鏈(3)服務(wù)器作用此模塊是連接地面站和無人機(jī)的重要環(huán)節(jié),在整個(gè)系統(tǒng)中起著服務(wù)器的作用。需要將有效載荷所采集的飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)、飛行高度數(shù)據(jù)、速度和機(jī)器參數(shù)等數(shù)據(jù),由無人機(jī)通過無線電數(shù)據(jù)鏈路發(fā)送到地面的接收裝置,再通過串口傳送到飛行狀態(tài)指令模塊(4)綜合狀態(tài)下的模塊綜合狀態(tài)顯示模塊為地面人員提供了一個(gè)形象的、虛擬的飛行儀表界面,用于顯示無人機(jī)的各種飛行參數(shù)(5)數(shù)據(jù)庫查詢與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)模塊需要實(shí)時(shí)采集無人機(jī)下傳的數(shù)據(jù)并放在數(shù)據(jù)庫中,是使用者隨時(shí)可以對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行查詢、存儲(chǔ)、修改及刪除等操作。其中包含的數(shù)據(jù)種類很多,例如:飛機(jī)飛行參數(shù),發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù),接受、發(fā)送的通訊數(shù)據(jù)等等。(6)無人機(jī)任務(wù)規(guī)劃該模塊的主要功能是任務(wù)規(guī)劃和任務(wù)驗(yàn)證。進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃時(shí)要考慮無人機(jī)的性能和系統(tǒng)的限制,在某些超出無人機(jī)執(zhí)行能力范圍的情況下,該模塊將拒絕所規(guī)劃的任務(wù)(7)無人機(jī)檢測(cè)模塊有效載荷通常指用于完成偵察任務(wù)的攝像機(jī)、照相機(jī)、雷達(dá)傳感器等,和監(jiān)控飛行器的傳感器以及記錄儀器等。此模塊的主要目的是控制無人機(jī)的有效載荷。地面站通過對(duì)這些有效載荷的控制,來動(dòng)態(tài)地檢測(cè)并顯示無人機(jī)的實(shí)時(shí)狀態(tài),實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)任務(wù)執(zhí)行情況的監(jiān)管。(8)數(shù)據(jù)分析站模塊通常,從無人機(jī)上采集的數(shù)字/圖像數(shù)據(jù),需要被解碼編譯,這要通過數(shù)據(jù)分析站來完成。此模塊將采集來的信息進(jìn)行解碼和分析,提取出有效信息,再通過數(shù)據(jù)鏈傳輸給其他系統(tǒng)。同時(shí),該模塊也具備自己的編碼指令4未來，無人機(jī)站應(yīng)具有一定的功能無人機(jī)作為未來作戰(zhàn)中的新型空中力量的一環(huán),正在向可視化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展(1)聯(lián)合操縱能力地面站要允許無人機(jī)系統(tǒng)同其他平臺(tái)聯(lián)合控制,在一定程度下實(shí)現(xiàn)地面站的資源通用(2)使用對(duì)于某一個(gè)地面站可以控制多種類的無人機(jī)(3)單獨(dú)增加或增強(qiáng)某一模塊地面站的結(jié)構(gòu)具有一定的靈活開放能力,可以單獨(dú)的增加或增強(qiáng)某一模塊,而不影響其他功能。這樣在改變或者增強(qiáng)無人機(jī)地面站整體功能的同時(shí),又能保障前期的投入不受損害。(4)降低成本地面站要能配置于現(xiàn)成的商業(yè)項(xiàng)目,盡量降低成本,使商家負(fù)擔(dān)得起。目前,無人機(jī)地面站已經(jīng)有集成小型化的趨勢(shì),集成系統(tǒng)形成小型的,甚至掌機(jī)大小的地面站。(5)實(shí)際操作針對(duì)大型的無人機(jī)地面站,可以將地面站建造成有人機(jī)駕駛室的結(jié)構(gòu),增加用戶的體驗(yàn),更便于操作5飛行的自動(dòng)等級(jí)和任務(wù)執(zhí)行能力為了使地面站能更好地為無人機(jī)服務(wù),控制無人機(jī)飛行的自動(dòng)等級(jí)和任務(wù)執(zhí)行能力,以及訪問數(shù)據(jù)的能力顯得尤為重要。針對(duì)這三個(gè)特點(diǎn),本文分別提出了一些新的發(fā)展思路并提出一種通用化的地面站系統(tǒng)。(1)獨(dú)立控制一半無人機(jī)地面站需要具備一定程度的自主決策(2)無人機(jī)地面站重新規(guī)劃的功能無人機(jī)地面站必須具備靈活的任務(wù)規(guī)劃能力以適應(yīng)形勢(shì)的變化,在執(zhí)行任務(wù)的過程中,無人機(jī)地面站還需要具備重新規(guī)劃的功能。站內(nèi)工作人員使用設(shè)備,首先進(jìn)行任務(wù)計(jì)劃的制定以及無人機(jī)任務(wù)分配(3)確保數(shù)據(jù)的收集和傳遞良好的機(jī)地面站系統(tǒng)應(yīng)該能夠清晰的接受并管理來自各種資源的數(shù)據(jù),并且可以正確快速的將這些數(shù)據(jù)分配給所有的終端用戶,這就要求地面站所采集的數(shù)據(jù)必須以明確的方式提出。對(duì)于一些功能的應(yīng)用,數(shù)據(jù)需要很容易被用戶訪問。因?yàn)闀?huì)有很多終端用戶同時(shí)使用數(shù)據(jù)庫,他們都需要對(duì)傳入的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)訪問,并且可以對(duì)系統(tǒng)尚未采集到的信息發(fā)布需求指令。與此同時(shí),對(duì)于顯示的信息要謹(jǐn)慎選擇,以避免過載(4)無人機(jī)地面站的通用化為了適應(yīng)當(dāng)今無人機(jī)控制的普遍需求,本文在這里提出了一種通用化可配置的無人機(jī)地面站。所謂的可配置是指,地面站采用模塊化的設(shè)計(jì)方法,可以快速更換相應(yīng)模塊以適應(yīng)不同型號(hào)無人機(jī)的要求,實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)地面站的通用化,減少重復(fù)建設(shè)。通用化的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵是采用一個(gè)通用的數(shù)據(jù)