無人機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)高等學(xué)?！笆濉币?guī)劃教材——高等學(xué)校無人機(jī)專業(yè)無人機(jī)系列課程西北工業(yè)大學(xué)出版社無人機(jī)專業(yè)系列教材高等學(xué)?！笆濉币?guī)劃教材-----無人機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)第四章節(jié)---無人機(jī)地面站分系統(tǒng)

無人機(jī)地面站分系統(tǒng)（GroundControlSystem，簡稱GCS）是無人機(jī)系統(tǒng)中面向操作人員的重要控制系統(tǒng)，是無人機(jī)控制理論中人在回路原則的重要體現(xiàn)方式。無人機(jī)地面站在無人機(jī)使用過程中承擔(dān)著無人機(jī)的飛行控制、飛行數(shù)據(jù)監(jiān)控、航跡規(guī)劃和變更、任務(wù)設(shè)備控制以及對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和對任務(wù)執(zhí)行情況進(jìn)行分析評估等工作，其背后涉及電子、自動化、軟件、信息工程、通信工程、計(jì)算機(jī)、機(jī)電一體化等諸多專業(yè)，也是一個(gè)跨學(xué)科跨專業(yè)的高端復(fù)合技術(shù)領(lǐng)域。截至目前，地面站分系統(tǒng)主要應(yīng)用于軍用級無人機(jī)系統(tǒng)、工業(yè)級無人機(jī)系統(tǒng)（見圖4-1、圖4-2），其設(shè)備復(fù)雜程度完全取決于實(shí)際需求；而在消費(fèi)級無人機(jī)系統(tǒng)中多數(shù)以最為簡單的形式存在（如手機(jī)+遙控器）。西北工業(yè)大學(xué)出版社無人機(jī)專業(yè)系列教材高等學(xué)?！笆濉币?guī)劃教材-----無人機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)第四章節(jié)---無人機(jī)地面站分系統(tǒng)

無人機(jī)地面站系統(tǒng)通常包括通訊鏈路、飛行控制站、任務(wù)控制站以及與之配套的軟件系統(tǒng)和地面輔助設(shè)備等。西北工業(yè)大學(xué)出版社無人機(jī)專業(yè)系列教材高等學(xué)?！笆濉币?guī)劃教材-----無人機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)4.1通訊鏈路無人機(jī)平臺和地面站之間的無線通訊通道就是無人機(jī)的通訊鏈路，這是幾乎所有民用無人機(jī)和地面控制站之間的唯一通訊方式。無人機(jī)飛行過程中與地面之間的無線通信過程，依據(jù)傳輸方向可以分成“上行”和“下行”兩種，上行通信主要涉及地面向無人機(jī)的飛控系統(tǒng)下達(dá)操作指令、導(dǎo)航系統(tǒng)下達(dá)航跡指令、任務(wù)設(shè)備下達(dá)操作指令等，經(jīng)過壓縮打包加密之后發(fā)往無人機(jī)；下行通信主要涉及無人機(jī)向地面實(shí)時(shí)傳輸?shù)娘w行數(shù)據(jù)、任務(wù)設(shè)備捕獲的影像數(shù)據(jù)等，同樣經(jīng)過壓縮加密后傳向地面。一般情況下由于涉及高清影像，盡管傳輸之前使用算法對圖像進(jìn)行了有效壓縮處理，但是下行傳輸數(shù)據(jù)的帶寬需求還是要比上行帶寬要大得多，也就是說整個(gè)通訊鏈路的帶寬絕大部分都是被下行鏈路所使用。第四章節(jié)---無人機(jī)地面站分系統(tǒng)西北工業(yè)大學(xué)出版社無人機(jī)專業(yè)系列教材高等學(xué)校“十三五”規(guī)劃教材-----無人機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)4.1通訊鏈路國家工業(yè)與信息化部無線電管理局對于3-3000GHz頻率范圍的電磁波進(jìn)行了分類管理（見圖4-4），其中VHF波段主要應(yīng)用于語音通信，如地面控制站和有人機(jī)駕駛員之間通話；長波、中波和短波多用于民用廣播，如各省區(qū)的FM、AM等調(diào)頻廣播；民用無人機(jī)與地面的通訊領(lǐng)域主要使用微波中的分米波和厘米波；軍用級別無人機(jī)使用的頻率還要更高一些。第四章節(jié)---無人機(jī)地面站分系統(tǒng)4.1.1無線電頻段西北工業(yè)大學(xué)出版社無人機(jī)專業(yè)系列教材高等學(xué)?！笆濉币?guī)劃教材-----無人機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)4.1通訊鏈路為了強(qiáng)化無線電頻率波段的管理，2015年工信部無線電管理局針對民用無人機(jī)使用特殊情況制定了《民用無人機(jī)系統(tǒng)頻率使用事宜》規(guī)范文件，其中主要包括如下三點(diǎn)：840.5-845MHz頻段可用于無人機(jī)系統(tǒng)的上行遙控鏈路，其中841-845MHz也可采用時(shí)分方式用于無人機(jī)系統(tǒng)的上行和下行遙控鏈路。1430-1446MHz頻段可用于無人機(jī)系統(tǒng)下行遙測與信息傳輸鏈路，其中1430-1434MHz頻段應(yīng)優(yōu)先保證警用無人機(jī)和直升機(jī)視頻傳輸使用，必要時(shí)1434-1442MHz也可用于警用直升機(jī)傳輸。無人機(jī)在市區(qū)部署，應(yīng)使用1442MHz以下頻段。2408-2440MHz頻段可以用于無人機(jī)系統(tǒng)下行鏈路，但無線電臺工作時(shí)不得對其他合法無線電業(yè)務(wù)造成影響，也不能尋求無線電干擾保護(hù)。第四章節(jié)---無人機(jī)地面站分系統(tǒng)4.1.1無線電頻段西北工業(yè)大學(xué)出版社無人機(jī)專業(yè)系列教材高等學(xué)?！笆濉币?guī)劃教材-----無人機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)4.1通訊鏈路2015-2017年間，在實(shí)際民用無人機(jī)工程應(yīng)用中，GPS信號則采用標(biāo)準(zhǔn)的1.5GHz頻率，數(shù)據(jù)傳輸多使用2.4Ghz頻率，圖像數(shù)據(jù)傳輸多使用5.8GHz頻率。第四章節(jié)---無人機(jī)地面站分系統(tǒng)4.1.1無線電頻段西北工業(yè)大學(xué)出版社無人機(jī)專業(yè)系列教材高等學(xué)?！笆濉币?guī)劃教材-----無人機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)4.1通訊鏈路根據(jù)其電磁波發(fā)射特點(diǎn)大致分為三種：全向天線、定向天線和衛(wèi)通。第四章節(jié)---無人機(jī)地面站分系統(tǒng)4.1.2天線種類西北工業(yè)大學(xué)出版社無人機(jī)專業(yè)系列教材高等學(xué)?！笆濉币?guī)劃教材-----無人機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)4.1通訊鏈路第四章節(jié)---無人機(jī)地面站分系統(tǒng)4.1.2天線種類全向天線指的是能夠向四周360°范圍內(nèi)發(fā)射較強(qiáng)電磁波的天線，最為常見的就是鞭狀天線（見圖4-5），這種天線所發(fā)射的電磁波輻射表現(xiàn)形式非常像一個(gè)“大蘋果”（見圖4-6），天線兩端垂直向上和向下的輻射比較弱，水平面比較強(qiáng)，可以向四周發(fā)射相同強(qiáng)度的電磁波，并且到一定距離之后就會衰弱。如果我們對其進(jìn)行專業(yè)的波瓣分析，就會得到更加清晰的輻射圖（見4-7）。水平面上的輻射是一個(gè)等強(qiáng)度且完整的圓形，垂直方向上表現(xiàn)出一種較為集中的定向特性。西北工業(yè)大學(xué)出版社無人機(jī)專業(yè)系列教材高等學(xué)校“十三五”規(guī)劃教材-----無人機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)4.1通訊鏈路第四章節(jié)---無人機(jī)地面站分系統(tǒng)4.1.2天線種類全向天線指的是能夠向四周360°范圍內(nèi)發(fā)射較強(qiáng)電磁波的天線，最為常見的就是鞭狀天線（見圖4-5），這種天線所發(fā)射的電磁波輻射表現(xiàn)形式非常像一個(gè)“大蘋果”（見圖4-6），天線兩端垂直向上和向下的輻射比較弱，水平面比較強(qiáng)，可以向四周發(fā)射相同強(qiáng)度的電磁波，并且到一定距離之后就會衰弱。如果我們對其進(jìn)行專業(yè)的波瓣分析，就會得到更加清晰的輻射圖（見4-7）。水平面上的輻射是一個(gè)等強(qiáng)度且完整的圓形，垂直方向上表現(xiàn)出一種較為集中的定向特性。西北工業(yè)大學(xué)出版社無人機(jī)專業(yè)系列教材高等學(xué)?！笆濉币?guī)劃教材-----無人機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)4.1通訊鏈路第四章節(jié)---無人機(jī)地面站分系統(tǒng)4.1.2天線種類定向天線指的是集中向某一個(gè)方向進(jìn)行電磁信號發(fā)射和接收，常見的形式有八目天線和拋物面天線（見圖4-8、圖4-9）。這種天線的電磁輻射表現(xiàn)的如同一臺大功率的手電筒，將燈光射向茫茫夜空，具體可以從定向天線的波瓣圖得到更加形象的認(rèn)識（見圖4-10）。正是這種集中輻射的特點(diǎn)，使得定向天線能夠在同等功率情況下將信號發(fā)射的更遠(yuǎn)，當(dāng)然缺點(diǎn)也是比較明顯的，那就是任何時(shí)候只能和一個(gè)方向進(jìn)行通訊。為了解決這樣的問題，工程上一般會將定向天線安裝在可以活動平臺上，配置高精度的伺服電動機(jī)和角度傳感器，可以提供水平方向360°和垂直方向180°運(yùn)動能力，從而通過地面控制站傳來的無人機(jī)坐標(biāo)數(shù)據(jù)就可以實(shí)時(shí)調(diào)整天線照射方向，讓其始終對準(zhǔn)無人機(jī)。西北工業(yè)大學(xué)出版社無人機(jī)專業(yè)系列教材高等學(xué)?！笆濉币?guī)劃教材-----無人機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)4.1通訊鏈路第四章節(jié)---無人機(jī)地面站分系統(tǒng)4.1.2天線種類西北工業(yè)大學(xué)出版社無人機(jī)專業(yè)系列教材高等學(xué)校“十三五”規(guī)劃教材-----無人機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)4.1通訊鏈路第四章節(jié)---無人機(jī)地面站分系統(tǒng)4.1.2天線種類衛(wèi)通天線是一種較為特殊的天線，從其功能特點(diǎn)來看其實(shí)也是一部拋物面定向天線，不過工作時(shí)并不是指向地面地面站而是始終抬頭向上對準(zhǔn)太空中的某一顆衛(wèi)星（見圖4-11），從而能夠接受從超遠(yuǎn)距離之外通過衛(wèi)星傳遞過來的指令，并再通過衛(wèi)星傳輸數(shù)據(jù)。西北工業(yè)大學(xué)出版社無人機(jī)專業(yè)系列教材高等學(xué)?！笆濉币?guī)劃教材-----無人機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)4.1通訊鏈路第四章節(jié)---無人機(jī)地面站分系統(tǒng)4.1.3通訊模塊在民用無人機(jī)工程領(lǐng)域，對于最為常見的鞭狀通訊天線產(chǎn)品已經(jīng)較為成熟，形成了一系列功能各異的模塊化產(chǎn)品，達(dá)到“即插即用”的配置功能，其中最為常見的就是數(shù)字信號通訊天線模塊（簡稱為數(shù)傳模塊）和圖像信號通訊天線模塊（簡稱圖傳模塊）。西北工業(yè)大學(xué)出版社無人機(jī)專業(yè)系列教材高等學(xué)校“十三五”規(guī)劃教材-----無人機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)4.1通訊鏈路第四章節(jié)---無人機(jī)地面站分系統(tǒng)4.1.3通訊模塊數(shù)傳模塊其實(shí)本身就是兩枚成對出現(xiàn)的短小鞭狀全向天線，一個(gè)作為機(jī)載天線，一個(gè)作為地面站天線。數(shù)傳模塊常見工作頻率有兩種規(guī)格，433MHz或者915MHz，915MHz傳輸效果理論上要比433MHz要好一些。數(shù)傳模塊的功率比較低，以100mW規(guī)格居多，通常有效通訊距離在500米左右。信號傳輸帶寬比較小，一般在200-300kbps之間，即一秒鐘200kB-300kB。數(shù)傳模塊對于常用的APM/Pixhawk飛控產(chǎn)品都是具有比較好的匹配性，只需安裝即可，無需后臺調(diào)試。西北工業(yè)大學(xué)出版社無人機(jī)專業(yè)系列教材高等學(xué)校“十三五”規(guī)劃教材-----無人機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)4.1通訊鏈路第四章節(jié)---無人機(jī)地面站分系統(tǒng)4.1.3通訊模塊圖傳模塊從外觀上來看和數(shù)傳模塊很相似，也是一對鞭狀天線。工作頻率一般在5750-5850Hz之間，額定功率也比較高，多數(shù)在200mW-600mW之間，無線傳輸帶寬提高到5-8M/s，具備傳輸圖像數(shù)據(jù)的能力。工作距離也是在5km以內(nèi)，少數(shù)可以達(dá)到8km左右。西北工業(yè)大學(xué)出版社無人機(jī)專業(yè)系列教材高等學(xué)校“十三五”規(guī)劃教材-----無人機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)4.2地面控制站第四章節(jié)---無人機(jī)地面站分系統(tǒng)從軍用級無人機(jī)到最簡單的消費(fèi)級無人機(jī)，無論無人機(jī)技術(shù)平臺的技術(shù)復(fù)雜程度如何，都必須要設(shè)置一個(gè)讓人在控制回路的飛行控制設(shè)備，這就是無人機(jī)地面控制站。地面站的外端是通訊鏈路，負(fù)責(zé)和無人機(jī)保持?jǐn)?shù)據(jù)溝通；無人機(jī)地面控制站的核心就是中央計(jì)算機(jī)，利用其所加載的控制軟件對飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行解算處理，并將處理結(jié)果分別傳送到飛行操作控制站和任務(wù)載荷控制站，由各自的操作人員負(fù)責(zé)進(jìn)行人工監(jiān)控和處理。此外，部分高級別地面站會額外設(shè)置系統(tǒng)控制站和數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)，系統(tǒng)控制站主要由全系統(tǒng)的指揮官來進(jìn)行控制和指令下達(dá)，數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)主要是將無人機(jī)任務(wù)設(shè)備采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析之后，并通過專用的無線或者有線通信網(wǎng)絡(luò)下發(fā)給各種終端設(shè)備中，供相關(guān)人員或者設(shè)備使用西北工業(yè)大學(xué)出版社無人機(jī)專業(yè)系列教材高等學(xué)?！笆濉币?guī)劃教材-----無人機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)4.2地面控制站第四章節(jié)---無人機(jī)地面站分系統(tǒng)西北工業(yè)大學(xué)出版社無人機(jī)專業(yè)系列教材高等學(xué)?！笆濉币?guī)劃教材-----無人機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)4.2地面控制站第四章節(jié)---無人機(jī)地面站分系統(tǒng)4.2.1地面飛行操作站無人機(jī)地面站通常采用雙人機(jī)組成員配置模式，其中一名為飛行操作員，另一名為任務(wù)設(shè)備操作員，必要時(shí)還會配置一名全系統(tǒng)指揮員。這種模式不但在軍用級地面站采用，而且在很多工業(yè)級無人機(jī)產(chǎn)品中也是延續(xù)下來西北工業(yè)大學(xué)出版社無人機(jī)專業(yè)系列教材高等學(xué)?！笆濉币?guī)劃教材-----無人機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)4.2地面控制站第四章節(jié)---無人機(jī)地面站分系統(tǒng)4.2.2地面任務(wù)控制站地面任務(wù)控制站主要負(fù)責(zé)操作無人機(jī)機(jī)載任務(wù)設(shè)備，這是無人機(jī)操作系統(tǒng)的核心，因?yàn)檎麄€(gè)無人機(jī)飛行執(zhí)行任務(wù)的價(jià)值全靠此來體現(xiàn)。論專業(yè)素養(yǎng)，地面站任務(wù)設(shè)備控制員的專業(yè)背景需求需要更為廣泛和深入，實(shí)際工程應(yīng)用中，飛行操作員和設(shè)備控制員都是需要換崗互相培訓(xùn)的，即兩人其實(shí)都可以對無人機(jī)進(jìn)行飛行操作，當(dāng)然也可以單獨(dú)對無人機(jī)任務(wù)設(shè)備進(jìn)行操作，總體上實(shí)行的是人員配置雙備份原則。只是在正常使用中兩人各有分工而已。西北工業(yè)大學(xué)出版社無人機(jī)專業(yè)系列教材高等學(xué)校“十三五”規(guī)劃教材-----無人機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)4.2地面控制站第四章節(jié)---無人機(jī)地面站分系統(tǒng)4.2.3民用簡易控制站消費(fèi)機(jī)無人機(jī)而言，最為簡單的地面站形式就是雙十字桿遙控器+液晶顯示器方式（見圖4-17），少部分會提供了一個(gè)較為完整的機(jī)械支架，大部分可能都是采用使用智能手機(jī)作為液晶顯示器來實(shí)時(shí)顯示消費(fèi)級無人機(jī)機(jī)載相機(jī)所傳輸?shù)膱D像畫面。通訊鏈路多數(shù)以2.4G/5.8G為主，有些產(chǎn)品還會提供wifi通道或者藍(lán)牙通道，不過作用距離有限，僅僅對于個(gè)人娛樂而言還是足夠的了，有些前衛(wèi)型產(chǎn)品還會提供3D眼睛給操作者，從而實(shí)現(xiàn)虛擬飛行環(huán)境的FPV模式（即第一人稱視角模式）。西北工業(yè)大學(xué)出版社無人機(jī)專業(yè)系列教材高等學(xué)?！笆濉币?guī)劃教材-----無人機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)4.2地面控制站第四章節(jié)---無人機(jī)地面站分系統(tǒng)4.2.3民用簡易控制站在這種液晶平板+操作桿的構(gòu)架基礎(chǔ)上，部分公司面向工業(yè)級無人機(jī)推出了較為專業(yè)的、集成化的便攜式操作臺（見圖4-18、圖4-19），這些控制站的操作類型和前一種一樣，飛行操作和任務(wù)操作合二為一，當(dāng)產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性要比第一種高得多。西北工業(yè)大學(xué)出版社無人機(jī)專業(yè)系列教材高等學(xué)?！笆濉币?guī)劃教材-----無人機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)4.2地面控制站第四章節(jié)---無人機(jī)地面站分系統(tǒng)4.2.3民用簡易控制站工業(yè)級無人機(jī)廠商推出了兩種風(fēng)格的地面站產(chǎn)品：第一種，以常用筆記本計(jì)算機(jī)作為載體，配合圖傳模塊，構(gòu)成一個(gè)交互式控制平臺（見圖4-20）；第二種，采用工業(yè)級加固計(jì)算機(jī)作為在，不僅配置了獨(dú)立顯示器、計(jì)算機(jī)，還配置了便攜式電源系統(tǒng)、通訊鏈路，此外，整個(gè)包裝箱采用防震、防水、防磁設(shè)計(jì)，整臺設(shè)備具備良好的野外獨(dú)立工作能力。西北工業(yè)大學(xué)出版社無人機(jī)專業(yè)系列教材高等學(xué)校“十三五”規(guī)劃教材-----無人機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)4.3地面站軟件第四章節(jié)---無人機(jī)地面站分系統(tǒng)地面站軟件是地面站實(shí)現(xiàn)各種功能的核心基礎(chǔ)，目前民用無人機(jī)領(lǐng)域的地面站軟件主要有三類：第一采用開源式地面站軟件，屬于“拿來主義”，這種在消費(fèi)級無人機(jī)領(lǐng)域和工業(yè)級無人機(jī)領(lǐng)域較為常見，多見于產(chǎn)品研發(fā)早期的原理樣機(jī)測試、小規(guī)格產(chǎn)品的投產(chǎn)等方面；第二在開源式地面站軟件基礎(chǔ)上進(jìn)行針