无人机地面站发展综述.docx

无人机地面站发展综述摘要主要介绍了无人机地面站的发展，包括无人机地面站典型的配置、功能及其关键技术。并展望了未 来无人机地面站发展趋势。1、概述20年来，无人机己发展成集侦察、攻击于一体，而未来的无人机还将具有全自主完成远程打击甚至 空空作战任务的攻击能力。同时，与无人机发展相匹配的地面控制站(GCS: Ground Contrul Station)将 具有包括任务规划，数字地图，卫星数据链，图像处理能力在内的集控制、瞄准、通信、处理于一体的 综合能力。未来地面站的功能将更为强大:不仅能控制同一型号的无人机群，还能控制不同型号无人机的 联合机群:地面站系统具有开放性和兼容性，即不必进行现有系统的重新设计和更换就可以在地面控制站 中通过增加新的功能模块实现功能扩展;相同的硬件和软件模块可用于不同的地面站。地面站作为整个无人机系统的作战指挥中心，其控制内容包括:飞行器的飞行过程，飞行航迹，有效 载荷的任务功能，通讯链路的正常工作，以及飞行器的发射和回收。GCS除了完成基本的飞行与任务控 制功能外，同时也要求能够灵活地克服各种未知的自然与人为因素的不利影响，适应各种复杂的环境， 保证全系统整体功能的成功实现。未来的地面站系统还应实现与远距离的更高一级的指挥中心联网通讯， 及时有效地传输数据，接收指令，在网络化的现代作战环境中发挥独特作用。2典型地面站的配置和功能概述2.1地面站的典型配置目前，一个典型的地面站由一个或多个操作控制分站组成，主要实现对飞行器的控制、任务控制、载 荷操作、载荷数据分析和系统维护等。其相互间的关系如图1所示。图1地面控制站配置图勰舅燃燃(1) 系统控制站。在线监视系统的具体参数，包括飞行期间飞行器的健康状况、显示飞行数据和告警 信息。(2) 飞行器操作控制站。它提供良好的人机界面来控制无人机飞行，其组成包括命令控制台、飞行参 数显示、无人机轨道显示和一个可选的载荷视频显示。(3) 任务载荷控制站。用于控制无人机所携带的传感器，它由一个或几个视频监视仪和视频记录仪 组成。(4) 数据分发系统。用于分析和解释从无人机获得的图像。(5) 数据链路地面终端。包括发送上行链路信号的天线和发射机，捕获下行链路信号的天线和接收 机。数据链应用于不同的UAV系统，实现以下主 要功能：一用于给飞行器发送命令和有效载荷；一接收来自飞行器的状态信息及有效载荷数据。(6) 中央处理单元:包括一台或多台计算机，主要功能如下：一获得并处理从UAV来的实时数据：一显示处理；一确认任务规划并上传给UAV;一一电子地图处理；一数据分发：飞行前分析；系统诊断。2.2地面站的典型功能GCS也称为“任务规划与控制站”。任务规划主要是指在飞行过程中无人机的飞行航迹受到任务规 划的影响;控制是指在飞行过程中对整个无人机系统的各个系统进行控制，按照操作者的要求执行相应的 动作。地面站系统应具有以下几个典型的功能：(1) 飞行器的姿态控制。在各机载传感器获得相应的飞行器飞行状态信息后，通过数据链路将这些数 据以预定义的格式传输到地面站。在地面站由GCS计算机处理这些信息，根据控制律解算出控制要求， 形成控制指令和控制参数，再通过数据链路将控制指令和控制参数传输到无人机上的飞控计算机，通过 后者实现对飞行器的操控。(2) 有效载荷数据的显示和有效载荷的控制。有效载荷是无人机任务的执行单元。地面控制站根据 任务要求实现对有效载荷的控制，并通过对有效载荷状态的显示来实现对任务执行情况的监管。(3 )任务规划、飞行器位置监控、及航线的地图显示。任务规划主要包括处理战术信息、研究任务 区域地图、标定飞行路线及向操作员提供规划数据等。飞行器位置监控及航线的地图显示部分主要便于 操作人员实时地监控飞行器和航迹的状态。(4) 导航和目标定位。无人机在执行任务过 程中通过无线数据链路与地面控制站之间保持着 联系。在 遇到特殊情况时，需要地面控制站对其实现导航控制，使飞机按照安全的路线飞行。随着空间技术的发 展，传统的惯性导航结合先进的GPS导航技术成为了无人机系统导航的主流导航技术。目标定位是指飞 行器发送给地面的方位角，高度及距离数据需要附加时间标注，以便这些量可与正确的飞行器瞬时位置 数据相结合来实现目标位置的最 精确计算。为了精确确定目标的位置，必须通过导 航技术掌握飞行器的 位置，同时还要确定飞行器至目标的短矢量的角度和距离，因此目标定位技术和飞行器导航技术之间有 着非常紧密的联系。(5) 与其他子系统的通信链路。该通信链路用于指挥、控制和分发无人机收集的信息。随着计算机 和网络技术的发展，现行的通信链路主要借助 局域网来进行数据的共享，这样与其他组织的通讯 不单纯 的是在任务结束以后，更重要的是在任务执行期间，通过相关专业的人员对共享数据进行多层次的分析， 及时地提出反馈意见，再由现场指挥人员根据这些意见，对预先规划的任务立即做出修改，从而能充分 利用很多资源，从战场全局对完成任务提供有力的支持和合理的建议，使得地面站当前的工作更加有效。2.3国外典型地面站的配i与功能美国“捕食者”无人机地面站的部分配置如图2所示。图2中示出的是无人机操作员和任务载荷操作员进行操控的方舱内的一部分。2.3.1 “捕食者”无人机地面站组成及装备(1) 捕食者，无人机主要由飞行控制站、任务载荷控制站和合成孔径雷达控制站组成，分别由无人机 操作员(AVO)、任务载荷操作员(P0)和合成孔径雷达操作员(SARO)三人进行操控。AVO:负责对无人机进行操控，包括起飞、着陆、飞行中姿态控制等。SARO:负责控制和监视无人机的雷达，并对 其图像作有限处理。操作员的操控包括对TV相机、红外 相机、内置雷达等，雷达可同TV相机或红外 相机同时操作。(2) “捕食者”无人机的配置。地面控制站安装在长lOm的独立拖车内，内有遥控操作的飞行员、监 视侦察操作手的座席和控制台，三个波音公司的任务计划开发控制台、两个合成孔径雷达控制台，以及 卫星通信、视距通信数据终端。地面站可将图像信息通过地面线路或“特洛伊精神”数据分派系统发送给操作人员。“特洛伊精 神”采用一个5.5m Ku波段地面数据终端碟形天线 和一个2.4m数据分派碟形天线。“捕食者，无人机可以在粗略准备的地面上起飞 升空，起飞过程由遥控飞行员进行视距内控制。典 型 的起降距离为667m左右。任务控制信息以及侦察图像信息由Ku波段卫星数据链传送。图像信号传到地 面站后，可以转送给全球各地指挥部门，也 可直接通过一个商业标准的全球广播系统发送给 指挥用户， 指挥人员从而可以实时控制“捕食者”进行摄影和视频图像侦察。2.3.2“捕食者”无人机地面站功能“捕食者”无人机的地面站功能包括飞行监控、导航、任务载荷、任务规划、一个C波段可视数据 链或者一个超视距用的Ku波段的卫星数据链 等。其中任务规划功能如下：(1) 点击用户接口；(2) 实时地图漫游；(3) 应急航路规划；(4) 支持多无人机规划：(5) 显示经纬度或UTM中的坐标：(6) 基于航路点的无人机性能自动校验；(7 )对地形间隔快速检验；(8)视线和卫星可见性检测：(9) 一个C波段可视数据链或者一个超视距用的Ku波段的卫星数据链。3关键技术及典型解决方案3.1友好的人机界面为更好地控制无人机，地面控制站采用了各种形式的GCS，以便对无人机的飞行状态和任务设备进 行监控。GCS为操作员提供一个“友好”的人机界面，帮助操作员完成监视无人机、任务载荷及通信设 备的工作，方便操作员规划任务航路、控制无人机、任务载荷及通信设备。人机界面的设计原则：(1) 一致性。提示、菜单和帮助应使用相同的术语，其颜色、布局、大小写、字体等应当自始至终 保持一致。(2) 允许熟练用户使用快捷键。(3) 提供有价值的反馈。(4) 设计说明对话框以生成结束信息。操作序列划分成组，每组操作结束后都应有反馈信息。(5) )允许轻松的反向操作以减轻用户的焦虑，鼓励用户大胆尝试不熟悉的选项和操作。(6) 支持内部控制点。某些有经验的用户可以控制系统，并根据操作获得适当与正确的反馈。(7) 减少短时记忆。由于人凭借短时记忆进行信息处理存在局限性，所以要求显示简单。3.2操作员的培训当代无人机操控回路的主导者仍然是人，为此人一机完善交互是UAV有效执行任务的重要环节，操 控者必须能在紧急时刻快速、正确地发出操控指令，稍误，则丧失战机或引发事故，因此，操控人员的 素质与技能水平培训也是一个关键问题°UAV操控人员的培训无法像有人军机那样通过飞行训练和实弹演 习完成，而需要依靠一系列仿真技术来 实现，其中重点要研究解决的仿真技术项目有：(1) 虚拟座舱及操控设备。重点要解决的是虚拟现实环境的构成、系统建模仿真技术和数字传输的快捷、准确、可靠和畅通。操控人员使用类似 有人驾驶飞机的同种仪表设备(包括按钮、手柄、开关等) 和软件，以体验同样的感观效果；(2) 人为仿真故障和误差的设置、建模与注入技术；(3) 创立实时逼真飞行动画技术、全息显示 技术；(4) 人一机权限与功能分配，任务规划和任务管理方法研究与训练。(5) 实时评价技术包括对飞行性能、导航定位、飞行品质、作战效果以及电磁信号等确定明确的评估 标准。操控人员要熟练掌握，做到判断正确，操控实时、准确。3.3 一站多机的控制地面站目前正向一站多机的方向发展，即指一个地面站系统控制多架、甚至是多种无人机。未来无 人机地面站将朝着高性能、低成本、通用性方向发展，所以一站多机是发展趋势，这也对地面站的显示和 控制提出了更严格的要求。3.4开放性、互用性与公共性(1) “开放性”指的是不必对现有系统进行重新设计和研制就可以在地面控制站中增加新的功能模 块。这种开放性的定义和要求使得模块化的设计和实现方法成为地面控制站设计和实现的最佳途径。各 模块间的功能具有一定的独立性而组合在一起，又能实现整个系统的功能。这种设计思路不仅可通过增 加新的模块来扩展功能，也可以根据任务的不同对模块进行实时的添加或者屏蔽。可以美国海军的通用无人机地面控制站的TCS战术控制系统为例(如图3所示)来说明。its战术控制 系统提供了一个开放式体系结构软件，能够控制多种不同类型的海上I岸上计算机硬件，实现任务规划、 指挥与控制以及情报数据接收和分发等功能。图3 TCS地面控制站勰蕴醴(2) “互用性”指的是地面控制站能控制任何一种不同的飞行器和任务载荷，并且能够接入连接外部 世界的任何一种通信网络。互用性现在己经成为各国发展无人机系统的一个重要思考点。随着网络中心战思想的提出，无人机群的任务必须配合 并融入整体作战任务之中，“互用性”的思想正是对 这一发展 趋势的指导。(3) “公共性”指的是某个地面控制站与其 它的地面站使用相同的硬件及部分或者完全相同的软件 模块。提出公共性的目的在一定程度上也是为了实现地面站的资源通用，便于维护修复。地面站作为整 个无人机系统中最隐蔽的子系统，是很少受到破坏的，但是，一旦受到破坏，整个无人机系统可能陷于瘫 痪，所以公用性的提出可以提高整个 无人机系统的维修性和保障性，从而更加合理地利用已有的地面站 资源。上述三个概念并非相互独立。在多数情况下，它们是从不同角度，以不同的方式对同一对象进行描 述。开放性的结构通过容纳新的软件和硬件使得“互用性和“公共性，得以提高。作为无人机系统的神 经中枢，地面控制站要全力地建立开放性、互用性和公共性。3.5地面站对总线的需求随着无人机技术的不断发展，无人机航空电子系统与地面站系统之间的通信量越来越大，这就要求 地面站系统的无线通信、任务处理、图像处理能力不断增强，因而采用高带宽、低延迟的总线网络实现 各部分之间的互连成为必然趋势。从目前的发展来看，只有Gbps级的互连总线网络才能满足未来地面控 制站发展对总线的需求。鉴于光纤通道(Fc)具有高带宽、低延迟、低误码率、灵活的拓扑结构和服务类 型、支持多种上层协议和底层传输介质以及具有流控制功能，因此可采用光纤通道(FC)来实现其需求。 FC己经成功应用于F-35 JSF高度综合化和开放式的航空电子系统结构中，相信FC 一定能很好地满足地 面站的要求。3.6可靠的数据链发展安全、可跨地平线、抗干扰的宽带数据链是无人机的关键技术之一。近年来，射频和激光数据 链技术的发展为其奠定了基础。除了带宽要增加外，数据链也要求可用和可靠。数据链的可用是指一特定星群的覆盖区域和范围。 可靠是指信号的健壮性。对于不可避免的电子干扰，数据链需要采用复杂的信号处理和抗干扰技术(如扩 频、调频技术等)，并能够确保在数据链失效的情况下，飞机能安全返回基地。4无人机地面站发展的趋势无人机地面站技术具有以下发展趋势：(1)发展通用地面站。美军无人机发展思路 是：由陆海空根据各自的需要分别重点开发战术无 人机、 垂直起降战术无人机和中稿空长航时无人 机;最大限度地使用通用的机载设备，避免重复研 制：实现地面 控制系统的标准化。当前，美国国防部正考虑如何将各层次的无人机综合到系统中。为确保各情报侦察 系统间能毫无障碍地传输图像和数据，美国国防航空侦察和国家图像测绘局共同拟定了一项通用图像 地面接口系统”，并确定一套通用的图像存储与传输的协议，以解决各层次无人机之间的地面站和数据 的接口标准问题。(2)重视一站多机的地面站的设计，包括硬件结构及友好的人机界面。这种地面站的设计可同时操 控多架无人机、使用较少的操作员操纵更多的无人机，这样既提高了操作效率，也减少了人力成 本。(3) 逐步发展无人作战飞机地面站的设计。是利用现有的飞机还是研究一个全新的飞机现尚无定论， 但是先研究地面站的人机界面设计是必要的。(4) 发展可靠的、干扰小的、宽带宽的数据链路，提高数据传输效率。其涉及的关键技术有：数据 链路的抗截获、抗干扰的编码、加密、变频、跳频、扩频与解扩技术和图像压缩与传输解压以及高速信 号处理技术等。(5) 发展人工智能决策技术。该技术涉及无人机的自主程度问题，尤其是针对无人战斗机。这需要 一些智能的、基于规则的任务管理软件来驱动安置在无人机上的综合传感器，保证通信联接，完成无人 机与操纵人员的交互，使无人机不仅能确保 按命令或预编程来完成预定任务、对己知的目标作出反应， 还能对随机突现的目标作出相应反应。(6) 发展无人机操控的安全、告警与防错技术。(7) 发展无人机通信中继。地面站与无人机之间的中继用以提高作战半径和地面控制站的安全性。 关键技术包括超衫旅巨中继转发与传输、多通道大容量实时信息中继复合传输、军民共享卫星链路和中 继载体与无人机协调问题等技术。参考文献1 孙伟.无人机发展的新特点和面临的问题J.国际航空,2006:4-7.2 G.Natarajan.Ground Control Stations for Unmanned Air VehiclesJ.Aeronautical Development Establishment,Bangalore-560075.2001:5-6.3 张治生.无人机地面站系统设计与开发D.西北工业大学硕士学位论文,2007.4 张玉刚.无人作战飞机地面控制系统人机界面设计与仿真系统开发D.西北工业大学硕士学位论 文,2006.5 徐正荣.无人战斗机述论J.飞机设计,2002,(4):29-30.6 张实平.美军无人机地面控制系统最新发展EB/OL.7 JK.Tomjian.CDE Dave Falk deputy Program MangerJ/EB.US UAV Program Overviews,David.Falknavy.mil.8 吕震宇.无人战斗机发展综述EB/OL.9 黄晓娟，景小飞.21世纪军用无人机的发展趋势J.航空科学技术,2002:1-4.10 冯琦,周德云.军用无人机发展趋势J.电光与控制,2003,(2):5-9.