無人機系統組成

2024年2月10日發(作者：紙上談兵故事)

無人機系統組成

為讀者介紹各個系統的功能，要記住所有分系統都不是孤立的，而是構成全系統的一部分。

控制站

控制站通常是地面的，或艦載的，也可能是機載的位于母機上，控制站是飛行操控中心，實現人機交互，一般是無人機任務預規劃中心。如果是這樣，該站成為任務規劃與控制站。有時也有這種情況，任務規劃在指揮中心完成，然后將數據傳輸給控制站進行執行，這種應用方式通常比較少。

通過控制站，控制人員利用上行通信鏈路給飛機發送指令，控制飛機飛行、操控所攜帶的各個任務載荷。同樣。通過下行通信鏈路，飛機回傳信息和圖像到達操控人員面前。信息包括載荷數據、機上各個分系統的狀態信息（監測數據）、位置信息等，飛機的發射與回收可通過主控制站或基于衛星的控制站（輔助的）完成。

控制站經常集成有與外界聯系的通信系統，主要完成獲取天氣信息、各個系統間的網絡信息傳輸，接收上級下達的任務，給上級或其他部門回報信息等。

任務載荷

任務載荷的類型和性能是由所完成的任務決定的，包括：

（1）簡單的載荷子系統由固定焦距無穩定平臺的攝像機構成。

（2）視頻成像系統具有較強的功能，其焦距較長，具有局部放大能力。可搖擺傾斜、帶有陀螺儀穩定的轉臺。

（3）高功率雷達，包括供電單元。

一些功能更強的無人機在一個任務載荷單元中或多個任務載荷單元，可攜帶多個不同類型的載荷，通過對于來自不同傳感器數據的處理和融合，提高信息獲取能力，或者得到單從一傳感器不能獲得的信息。

無人飛機

飛機的主要功能是承載任務載荷到達工作地點，同時也搭載飛機飛行所需的子系。這些子系統包括通信鏈路、增穩與控制設備、發動機以及燃油、發供電設備，飛機機體，還有用于發射、任務載荷、回收等裝置。

飛機結構設計還需考慮的主要因素是作用距離、飛行速度、續航時間，這些性能是根據任務

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需求提出的。續航時間和飛行距離要求將決定燃油攜帶量。高性能低油耗的要求將對動力系統的效率，飛機動力學結構優化等提出要求。

飛行速度要求從根本上決定了采用哪種飛機的類型，包括輕于空氣的飛行器，重于空氣的固定翼、工作在高空的飛機，旋翼機，可變形機。軍事上的長續航、遠程監視任務決定了要選大展炫比固定翼、工作在高空的飛機。他要求從較長跑道起飛，以獲得起飛需要的速度，這速度是由低空氣阻力、高機翼載荷所要求。

無人作戰飛機要求工作在較高的速度上，他要求具有低展炫比，可以長距離滑跑起飛，也可以空中發射。

無人機主要的民用領域應用要求飛機在執行任務期間，大部分飛機速度在70km/h或低于該速度、很多應用要求飛機具有懸停能力（如電力線巡查），懸停能力可以更好的完成任務（如警察、消防人員對突發事件的控制）。

一些軍事應用要求飛機懸停或很慢的速度飛行，如海軍假目標，陸軍的核生化監測、激光目標指示，空軍基地安全防護。未爆炸的檢測與排除等。無論是軍事還是民用，只要是船上或限定區域工作，都需要飛機垂直起降。

導航系統

對于操控人員，需要實時地知道任何時刻飛機的位置、對于飛機來說，當自主飛行時，也需要飛機在飛行過程中在任何時刻知道自己的位置。這是任務預規劃時的內容，也是系統性能惡化后，飛機緊急返回的基礎。對于全自主飛行模式，即無需進行控制站與飛機之間的任何通信，飛機上必須搭載足夠數量的導航設備。

過去，飛機需要攜帶高性能、復雜、笨重昂貴的慣性導航（簡稱慣導）系統，或者是低成本一般性能的慣導系統，但是都需要通過傳輸鏈路。由地面站對導航數據進行頻繁更新。這些更新數據來源于無線電跟蹤或者是地理特殊是識別定位。

現在，可以利用全球定位系統，它是利用衛星進行定位，大大減輕了導航定位的復雜性。GPS接受機重量輕、體積小、價格低，可以連續更新定位信息，因此目前只有非常簡單的慣導系統還需求。

對于非自主飛行模式，或者GPS被阻斷的情況，飛機與地面控制站之間的連續通信就很重要，其它后備導航手段包括：

（1）雷達跟蹤。飛機上安裝有異頻雷達收發機，可以響應控制站的掃描雷達發射的信息，這樣飛機的方位和距離就可以顯示在控制站雷達顯示器上。

（2）無線電跟蹤。帶有數據的無線電信號從飛機上發送給地面控制站，地面控制站在方位上跟蹤這個信號，就可確定方位。同時，距離是根據編碼信號從飛機到控制站之間傳輸所需時間來確定。

（3）直接估計。計算機獲取速度矢量和飛行時間，就可以計算出飛機的位置。如果飛機攜帶電視攝像機搜索地面，可根據圖像中地理特征信息和地面上的已知位置，確定飛機位置。

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為了減輕操控強度，即使不能自主飛行，自動化程度也應盡可能地提高。

發射、回收和吊裝設備

（1）發射設備。對于不能垂直起飛，也沒有合適跑道可供使用的無人機來說，該設備是必需的。通常是將無人機鎖定在傾斜滑道上，通過推力使無人機在滑道上加速，直到無人機獲得飛行所需達到的速度。

（2）回收設備。不具備垂直飛行能力的無人機通常需要回收設備，除非利用輪式或滑撬進行滑降著陸。該設備通常采用回收傘形式，該傘安置在無人機上，在指定高度打開。為了回收安全需要有效的著陸手段。

（3）吊裝設備。除非是輕便的輕型飛機，一般無人機都需要一種手段將飛機運送到發射車上。

通信鏈路

通信系統主要的、也是最重要的需求是提供控制站與飛機之間數據鏈路（上行和下行）。傳輸媒介通常是無線電波，但也是激光束，或光纖傳輸的光波。數據鏈路的主要功能是：

（1）上行（從控制站到無人機）

發送飛行路徑數據，然后儲存到飛機自動飛行控制系統中

當人在飛行控制環路中時，實時發送飛行控制命令到自動飛行控制系統

發送控制命令到機載任務載荷和附屬設備

發送相關的位置更新信息到飛機慣導/自動飛行控制系統

（2）下行（從無人機到控制站）

發送有關飛機的位置信息到控制站

發送任務載荷圖像和數據到控制站

發送飛機狀態信息，如油量、發動機溫度等到控制站。

無線通信系統的功耗、處理復雜性、天線設計及其復雜性、重量、成本等將由以下因素決定：

（1）無人機測控作用距離。

（2）下傳任務載荷和狀態數據的綜合需求。

（3）傳輸安全要求。

接口

盡管無人機系統的部分單元或分系統在其它應用中獨立工作，但這些單元或子系統需要有機協調，才能使全系統獲得較好的性能。在一個系統之內，分系統之間必須集成工作，各個分系統之間必須集成工作，各個分系統之間的接口功能需要給予較大關注。

例如，無線通信子系統在控制站和無人機之間構建了接口連接，但是其設備分別安裝在控制

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站和無人機上，這些設備就需要采取相同的通信協議，并與其對應的上一級子系統兼容。

無人機可能被不同國家人員使用，要求其能夠工作在不同的無線電頻率上，使用不同保密的編碼。對于同一鐘無人機控制站和飛機，根據需要，可設計成本不同的前后端模塊與之聯接，以方便各類操控人員使用。這就需要定義一種通用接口。

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