無人機的飛行控制與導(dǎo)航

形形色色的無人機已經(jīng)成為未來信息化、網(wǎng)絡(luò)化戰(zhàn)爭基礎(chǔ)性的作戰(zhàn)裝備，各國對于無人機系統(tǒng)的發(fā)展也不遺余力。然而很多人對于無人機系統(tǒng)及其技術(shù)全貌卻并不一定有著清晰的了解。航空專家傅前哨將通過一系列文章，向你闡述無人機的相關(guān)技術(shù)及最新發(fā)展。

Q無人駕駛飛行器系統(tǒng)都有些什么樣的裝備和設(shè)施?

A無人駕駛飛行器的使用需要一套專門的裝置和設(shè)備。整個系統(tǒng)包括若干架無人駕駛飛機(或其它航空器)、地面控制系統(tǒng)(如遙控站)、地面支援保障設(shè)備以及起飛、回收裝置等。例如，“獵人”軍用無人機系統(tǒng)，共含8架可攜帶偵察設(shè)備的無人機、兩個地面控制站、1個任務(wù)規(guī)劃站、4個分離式接收站、1個發(fā)射回收裝置等。無人駕駛的飛機、直升機、飛艇等主要由機體、動力裝置、機載導(dǎo)航定位系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、起飛和回收裝置以及有效載荷(如偵察設(shè)備、電子對抗設(shè)備、信息傳輸設(shè)備、機載武器等)組成。無人駕駛飛行器上沒有乘員，因此領(lǐng)航員、駕駛員的任務(wù)需要由導(dǎo)航定位系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、自動駕駛儀等設(shè)備來完成。

Q無人駕駛飛行器的控制方法有幾種，各有什么優(yōu)缺點?

A無人機的飛行控制方式較多，目前采用的主要有線控、有線電遙控、無線電遙控，程控等幾種。

所謂線控，就是用手持的鋼絲線對動力無人機進行操縱，此法多用于競技航模。

有線電遙控是一種相對簡單，且成本較低的操縱方式。地面站人員通過電纜或光纜將各種控制信號傳輸給無人機，操縱其飛行和工作，而無人機則通過電纜將偵測到的信息送回地面站。其缺點是受電纜長度，重量的限制，飛行器的航程和升限都不大，活動區(qū)域和觀察范圍較小。

一些小型的，微型的無人偵察機也采用目視遙控的方式進行操縱。這類無人機上大都安裝有一部與手持式遙控器配套的小型多通道無線電接收機。機載接收機收到由地面遙控發(fā)射機發(fā)來的操縱指令后，將控制信號分配給各舵機，由其完成翼面，油門的控制，開啟，關(guān)閉某些設(shè)備，完成對無人機的操縱。

超視距遙控的工作原理是，地面遙控站的人員通過目視、光學(xué)設(shè)備、雷達系統(tǒng)等，實時獲取無人機的姿態(tài)，方位，距離，速度、高度等信息，并對其進行跟蹤，定位和控制。當(dāng)發(fā)現(xiàn)無人機偏離預(yù)定航線，空中姿態(tài)出現(xiàn)偏差或需要人為地改變其飛行狀況時，地面站發(fā)出無線電遙控指令，操縱無人機恢復(fù)或調(diào)整其飛行軌跡，這種方式可稱之為單向無線電遙控。某些無人機上裝有機載數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)或?qū)Ｓ玫那耙晹z像裝置，可通過數(shù)傳電臺或數(shù)據(jù)鏈向地面無線電測控站發(fā)送無人機自身的飛行數(shù)據(jù)等，并在地面站計算機上模擬顯示出相關(guān)的儀表顯示、飛機姿態(tài)、飛行航跡等。如果通過電視圖像傳輸系統(tǒng)向地面遙控站發(fā)送現(xiàn)場的前視圖像和座艙圖像，地面站的人員還可根據(jù)無人機傳回的圖像和數(shù)據(jù)，監(jiān)視、判斷它的飛行情況，并通過遙控裝置操縱其飛行，這種遙控方式被稱為雙向無線電遙控?，F(xiàn)代無人機有許多機型都采用后一種遙控方式。而美國在20世紀(jì)70年代研制的F－15縮比自由飛模型和HiMAT無人駕駛研究機則采用了前一種遙控方式。

采用無線電遙控方式時，無人機的活動半徑和飛行自由度主要受機載和地面遙控設(shè)備的發(fā)射功率、無線電波的傳輸距離以及飛行器本身性能的限制。受地球曲率、遙控設(shè)備發(fā)射功率等因素的影響，地面站的作用距離一般較短，往往只能用于較近距離(250千米以內(nèi))的飛行控制。如果采用中繼平臺或衛(wèi)星通信，也可進行遠距離甚至洲際范圍(上萬千米)的操控，但費用將大大增加，使用上也較復(fù)雜。另外，采用無線電遙控容易受到電磁干擾，在此種情況下，不但難以完成任務(wù)，甚至有可能導(dǎo)致無人機無法返回。

所謂程控，是指無人機依靠機載飛行控制系統(tǒng)和機上的設(shè)備實現(xiàn)按程序、沿預(yù)定航線的飛行控制。機載飛控系統(tǒng)主要由自動駕駛儀、計算機以及導(dǎo)航系統(tǒng)和各種飛行參數(shù)傳感器等組成。在飛行過程中，該系統(tǒng)利用各類傳感器，實時獲取無人機的方向、位置、高度、速度、過載、加速度、角位移，角速度、角加速度和發(fā)動機轉(zhuǎn)速等信息，經(jīng)飛控管理計算機對相關(guān)參數(shù)推演和計算后，通過自動駕駛儀去控制各活動翼面、調(diào)整油門，以適時修正無人機的姿態(tài)、航跡等，使之能夠按照事先設(shè)置好的任務(wù)剖面飛行。與無線電遙控方式相比，采用程序控制的無人機的活動范圍較大。其活動半徑主要受飛行器本身性能的影響。一些新型的無人機甚至能夠跨大洋飛行，可在5000多千米外執(zhí)行偵察、監(jiān)視等任務(wù)。其缺點是，在巡航狀態(tài)，它一般都按照事先選定的軌跡飛行，即使被敵方發(fā)現(xiàn)，也不能自主機動，一旦暴露行蹤，就很容易被對手?jǐn)r截。為了克服這一缺點，有的無人機的控制采用預(yù)儲程序和遙控組合的方式或通過衛(wèi)星向其發(fā)送更改程序的命令。

Q遠距離飛行時，精確導(dǎo)航、定位比較困難，對無人駕駛飛行器的導(dǎo)航系統(tǒng)都有什么要求?

A一般來說，無人駕駛飛行器的導(dǎo)航。定位裝置大致可分為自主式與非自主式兩類。采用線控和遙控方式的無人機，基本上都是在目視或無線電測控系統(tǒng)能夠“觀察”到的范圍內(nèi)飛行，可以不裝專門的機載導(dǎo)航，定位設(shè)備，其航線和飛行狀態(tài)的修正由地面操縱員適時控制。遠程無人機在執(zhí)行任務(wù)時，其活動半徑往往已超出地面站觀察和測控的范圍(使用衛(wèi)星通信和中繼通信的除外)，所以，需要采用自主導(dǎo)航方式，由機載導(dǎo)航設(shè)備(如慣導(dǎo)、GPS導(dǎo)航系統(tǒng)等)獨立完成精確導(dǎo)航任務(wù)。

Q遠程無人機的機載導(dǎo)航、定位系統(tǒng)都有哪些類型?

A遠程無人機的機載導(dǎo)航系統(tǒng)主要有如下幾類：慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、組合式導(dǎo)航系統(tǒng)等等。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)是最常用的導(dǎo)航、定位系統(tǒng)。這種自主式導(dǎo)航設(shè)備主要通過測量加速度來推算飛行器的速度、位置等數(shù)據(jù)。慣導(dǎo)系統(tǒng)的核心部件為慣性測量裝置——陀螺儀和加速度計。陀螺儀是一種測量物體相對慣性空間轉(zhuǎn)角或角速度的裝置，航空、航天與航海使用的陀螺儀的種類很多，如剛體轉(zhuǎn)子陀螺儀，液浮陀螺儀、磁懸浮陀螺儀、靜電陀螺儀、撓性陀螺儀。激光陀螺儀、光纖陀螺儀、壓電陀螺儀等等。

按實現(xiàn)參考坐標(biāo)系的方式，慣導(dǎo)系統(tǒng)可分為三大類：幾何式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、半解析式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、解析式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。前兩類可統(tǒng)稱為平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)，而第三類則稱為無平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)或捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)(sINS)。SINS系統(tǒng)的陀螺儀和加速度計都直接安裝在機體(或彈體)上，加速度計的測量是沿機體坐標(biāo)軸的。SINS借助于計算機、微電子學(xué)等新技術(shù)，由計算機將測量信號變換為導(dǎo)航參數(shù)。與平臺式系統(tǒng)相比，SINS系統(tǒng)的體積小，重量輕、成本低，并且可利用慣性元件斜置布局實現(xiàn)多余度，以提高可靠性。

慣性導(dǎo)航定位系統(tǒng)工作時不依賴外界信息，不向外界輻射電磁波，不受機動飛行的影響，也不受航行地區(qū)和氣象條件的限

制，具有自主能力強、隱蔽性好、不易受干擾，可全天候工作等優(yōu)點。但多數(shù)陀螺儀的制造工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成本和維修費用較高：使用前需進行初始校準(zhǔn)；航行時，平臺位置的測量誤差會隨時間的增加而積累，需要定時加以修正。

無線電導(dǎo)航是一種依靠無線電引導(dǎo)飛行器沿預(yù)定航線、在規(guī)定的時間內(nèi)到達目的地的航行技術(shù)。該系統(tǒng)主要利用無線電波來測定飛行器的方位、距離、速度等導(dǎo)航參量，算出與規(guī)定航線問的偏差，然后通過機載飛控系統(tǒng)和自動駕駛儀操縱無人機消除偏差，保持正確的航線。著名的多普勒導(dǎo)航系統(tǒng)、戰(zhàn)術(shù)空中導(dǎo)航系統(tǒng)(“塔康”系統(tǒng))、甚高頻全向方位導(dǎo)航系統(tǒng)(“伏爾”系統(tǒng))、低頻脈相雙曲線遠程導(dǎo)航系統(tǒng)(“羅蘭-C”導(dǎo)航系統(tǒng))、“奧米加”導(dǎo)航系統(tǒng)等均屬于無線電導(dǎo)航系統(tǒng)的范疇。

Q多普勒導(dǎo)航系統(tǒng)是現(xiàn)代飛行器使用得比較多的一種無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，能否簡單介紹一下它的工作原理。

A多普勒導(dǎo)航系統(tǒng)(DNS)是一種機載自備式航位推算系統(tǒng)，它主要是利用多普勒效應(yīng)來實現(xiàn)無線電導(dǎo)航的，現(xiàn)代大型遠程無人機一般都配備有該系統(tǒng)。DNS主要由多普勒雷達、航向姿態(tài)陀螺，多普勒導(dǎo)航計算機等組成。飛行時，將機載多普勒雷達測得的飛機速度信息，航向姿態(tài)系統(tǒng)測得的飛機航向，俯仰、橫滾信息，送入導(dǎo)航計算機，完成坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，得到在地面坐標(biāo)系中的速度矢量。然后，通過對速度進行連續(xù)積分等運算，得到無人機的即時位置。再由即時位置算出航線，求出目標(biāo)相對于無人機的方位、距離以及無人機的偏航角、偏航距等導(dǎo)航參數(shù)，并對機載系統(tǒng)實施修正操縱。

多普勒導(dǎo)航系統(tǒng)重量輕、體積小、成本低、使用維護方便；能連續(xù)提供各種導(dǎo)航參數(shù)：適用于全天候的遠、中、近程導(dǎo)航；無需地面設(shè)備配合工作，能夠獨立完成導(dǎo)航任務(wù)；飛機速度和偏流角的測量精度較高，與自動駕駛儀交聯(lián)可實現(xiàn)自動領(lǐng)航。其主要缺點是：飛行姿態(tài)超過限度時，多普勒雷達有可能收不到回波信號，從而影響系統(tǒng)的正常工作；導(dǎo)航定位誤差隨時間和飛行距離的增加而積累。

QGPS導(dǎo)航系統(tǒng)精度如何，有什么優(yōu)缺點?

A從原理上講，全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)(GPS)也是一種無線電導(dǎo)航系統(tǒng)。與其它無線電導(dǎo)航系統(tǒng)相比，GPS可實現(xiàn)全球?qū)Ш健Ｍ瑫r，與DNS系統(tǒng)相比，其導(dǎo)航精度是比較高的。美軍的無人機以及部分精確制導(dǎo)彈藥都喜歡采用這種簡單、實用、廉價的制導(dǎo)方式。GPS系統(tǒng)的主要優(yōu)點是：體積小、重量輕、價格低、導(dǎo)航精度高、使用維護方便j能實現(xiàn)全球?qū)Ш胶腿旌驅(qū)Ш剑膶?dǎo)航定位設(shè)備不向外界發(fā)射電磁波，隱蔽性比較好。該系統(tǒng)的缺點是：只有接收到GPS衛(wèi)星發(fā)射的無線電波才能進行導(dǎo)航、定位，受到外界干擾時，就無法正常工作了；GPS的動態(tài)刷新率較慢(大約每秒1次)，因此，不適用于作高速機動飛行的無人機；由于它無法給出飛行器的姿態(tài)角，也難以和自動駕駛儀實施緊密交聯(lián)；在某些飛行狀態(tài)下，GPS信號可能會被無人機的機身、機翼、機內(nèi)設(shè)備等遮擋，從而丟失數(shù)據(jù)，使導(dǎo)航，定位工作處于間斷狀態(tài)。

Q上述幾種導(dǎo)航系統(tǒng)似乎都有不足之處，那么能否把它們組合在一起，構(gòu)成一個更為完善的系統(tǒng)?

A把兩種或兩種以上的導(dǎo)航系統(tǒng)有機地結(jié)合起來，構(gòu)成新的組合式系統(tǒng)，在技術(shù)上是完全可行的。這么做，雖然整個系統(tǒng)較為復(fù)雜，制造成本和使用維護費用也更高一些，但好處很多。組合后的導(dǎo)航系統(tǒng)可以綜合利用來自不同傳感器、不同渠道的多種信息源，使其自主能力、抗干擾能力等大大增強。各系統(tǒng)取長補短，互為余度，還有助于改善它們的工作可靠性，提高無人機的導(dǎo)航、定位精度。

無人機使用的組合式導(dǎo)航系統(tǒng)種類很多，比較典型的有：INS／DNS組合式導(dǎo)航系統(tǒng)、GPS／INS組合式導(dǎo)航系統(tǒng)、GPS／DNS組合式導(dǎo)航系統(tǒng)、GPS／INS／DNS組合式導(dǎo)航系統(tǒng)等等。在新型組合式導(dǎo)航系統(tǒng)中，各種機載導(dǎo)航系統(tǒng)與GPS組合的方案最多，因為這樣做，比較容易實現(xiàn)，且相對成本較低。組合式導(dǎo)航系統(tǒng)的余度大、可靠性好、綜合效能高。GPS、INS、DNS等系統(tǒng)既能夠“聯(lián)手”合作，為無人機提供更為精確的導(dǎo)航、定位服務(wù)，也可以獨立工作，以保證當(dāng)其中之一(或之二)發(fā)生故障時，整個系統(tǒng)仍能完成導(dǎo)航任務(wù)。

Q組合式系統(tǒng)的成本如何，無人機用得起嗎，如何才能解決這一問題呢?

A組合式導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)備比較多，其成本和維護費用相對較高。我們知道，軍用航空電子系統(tǒng)都是比較昂貴的，無人機的機載設(shè)備購置費往往要超過機體和發(fā)動機的造價之和。對于這一問題，個人認(rèn)為，解決辦法有二：一是依靠技術(shù)的進步；二是開展有序競爭，以降低成本。目前有一種發(fā)展趨勢值得我們關(guān)注；從國際市場的情況看，隨著生產(chǎn)廠家的增多、生產(chǎn)規(guī)模的擴大，商業(yè)競爭的加劇，大多數(shù)的民用電子產(chǎn)品已進入“微利”的時代。而隨著航空工業(yè)集團壟斷程度的提高、研發(fā)費用的上升、生產(chǎn)數(shù)量的下降，航空電子產(chǎn)品則呈現(xiàn)出“暴利”的傾向!顯然，要想解決機載電子設(shè)備的設(shè)計與生產(chǎn)費用居高不下的問題就必須打破壟斷，另辟蹊徑，引進競爭機制，讓民用電子開發(fā)商進入軍工行業(yè)。目前，隨著越來越多的民營企業(yè)介入航空，許多軍民通用的小型飛行控制系統(tǒng)，導(dǎo)航定位系統(tǒng)、探測系統(tǒng)、設(shè)備云臺等由于采用了先進，成熟的貨架產(chǎn)品，其技術(shù)水平在不斷升級，機載電子設(shè)備硬、軟件的價格則因產(chǎn)量增大而在持續(xù)下調(diào)。這與電視機、電腦、手機、數(shù)碼相機等民用電子產(chǎn)品的市場走勢是相一致的?？梢灶A(yù)言，隨著技術(shù)水平的提高和購置費用的降低，無人機應(yīng)用組合式飛行控制與導(dǎo)航系統(tǒng)將是未來的發(fā)展方向。

Q無人機飛行控制系統(tǒng)的組成、功能與運作方式是怎樣的?

A就以現(xiàn)代的輕小型無人機為例，談?wù)勥@一問題。此類飛行器多采用成熟的商用產(chǎn)品，來實現(xiàn)遙控和程控飛行。早期的遙控飛行設(shè)備是脈沖式的，后來發(fā)展出了比例式的，并且已更新了好幾代。老式的程控飛行系統(tǒng)又大又貴，輕型無人機用不了也用不起，隨著微電子技術(shù)的進步，體積小、重量輕、功能多、價格低的程控設(shè)備已經(jīng)問世，被越來越多地配備在無人機上。

輕小型無人機的起降速度較低、滑跑距離很短，一般可由地面控制人員采用目視遙控的方式起降，當(dāng)無人機達到一定的高度、速度，并穩(wěn)定平飛后，便通過無線電指令，將遙控方式切換為程控方式。當(dāng)然，也可以采用全程程序控制飛行。程控飛行主要由機載自動駕駛儀完成。它與遙控接收機并聯(lián)，從而構(gòu)成2-3種飛行控制模式，如近距遙控模式(PIC或RC)、遠距遙控模式(RPV)和自主飛行模式(UAV)等。飛行過程中，遙控狀態(tài)與程控狀態(tài)可以在地面人員的操縱下，相互切換。

供輕小型無人機使用的自動駕駛儀實際上是一種低成本的飛行控制系統(tǒng)，它集成了超小型GPs衛(wèi)星導(dǎo)航、簡易慣性導(dǎo)航、飛行穩(wěn)定控制和任務(wù)控制等功能。其傳感器包括陀螺、加速度計、傾斜傳感器，空速傳感器、氣壓高度計、GPS接收機等。無人機飛行控制系統(tǒng)的核心部件是“導(dǎo)航及任務(wù)控制計算機”和“飛行穩(wěn)定控制計算機”(單板機)。導(dǎo)航與任務(wù)控制計算機主要用于導(dǎo)航、執(zhí)行指令、接通視頻覆蓋發(fā)生器(VID)和任務(wù)舵機的定位等。飛行穩(wěn)定控制計算機的主要工作是：依據(jù)導(dǎo)航與任務(wù)控制計算機傳送來的指令以及通過自備傳感器測得的信息，按照要求，控制無人機的副翼、襟翼、升降舵、方向舵等舵面和發(fā)動機油門，以保持穩(wěn)定的速度、高度和航向，或根據(jù)指令改變飛行狀態(tài)和航跡。

Q無人機的供電系統(tǒng)是如何保證設(shè)備用電的?

A大部分的無人機可以說是“全電飛機”，其機載飛行控制系統(tǒng)、導(dǎo)航定位系統(tǒng)、任務(wù)系統(tǒng)、信息傳輸與接收系統(tǒng)等設(shè)備都要用電。某些以電動機作為動力裝置的輕型無人機更是離不開電源。一旦斷電，不要說無人機的任務(wù)完不成，其本身也必毀無疑。因此，需要為其配備非常可靠的電源系統(tǒng)，無人機起飛前，地面的維修保障人員一定要嚴(yán)格查看機上的供電情況。當(dāng)然，地面控制系統(tǒng)的供電系統(tǒng)也需要認(rèn)真進行檢查。

無人機一般使用什么樣的電源系統(tǒng)?

A無人機的電源系統(tǒng)主要分為充電電池、燃料電池、太陽能電池、發(fā)電機等幾類。如單純采用固體電池供電，無人機需承受較大的電池重量，而且受電池容量和任務(wù)設(shè)備用電量的限制，其供電時間較短，一般不能用于長航時無人機。利用發(fā)動機帶動發(fā)電機發(fā)電，可保證長時間的供電和充電，但發(fā)動機的功率將因此而下降、油耗也會增加，無人機的飛行性能(航程、速度，高度。載重能力等)都將受到影響。到底選擇哪種電源系統(tǒng)為好，需根據(jù)實際機型而定。從現(xiàn)狀看，電源系統(tǒng)(尤其是重量輕，容量大的高性能電池)已成為無人機技術(shù)發(fā)展的瓶徑之一，需要認(rèn)真攻關(guān)。