现代无人机系统设计(讲义)

《现代无人机系统设计(讲义)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《现代无人机系统设计(讲义)（95页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、现代无人机系统设计技术讲 义祝小平 周 洲 编写二 O 一二年七月1一、课程主要内容1. 无人机系统发展及趋势 无人机系统组成与功能； 无人机系统的地位与作用 无人机的分类； 国外无人机发展现状及趋势2. 无人机飞行控制、导航与制导技术 无人机控制与管理系统的地位与作用 无人机控制与管理系统的特点 无人机控制与管理系统的组成和功能 无人机控制模式 机载传感器 引导设备 伺服机构 导航系统 制导系统3. 无人机数据链技术 功能、分类、组成、指标体系 技术特点 以色列无人机数据链 美国的无人机数据链2 未来数据链发展方向4. 先进无人机平台总体设计技术 先进无人机发展方向 先进无人机平台共性技术

2、高空长航时无人机设计技术 无人作战飞机设计技术 太阳能无人机设计技术3二、无人机系统发展及趋势1 无人机系统组成与功能无人机的定义：无人机是一种由动力驱动、机上无人驾驶的航空器。无人机系统由无人机平台、任务载荷、数据链、指挥控制、发射与回收、保障与维修等分系统组成，各分系统组成和功能如下：(1) 无人机平台分系统：包括机体、动力装置、飞行控制与导航子系统等；无人机平台分系统是执行任务的载体，它携带任务载荷，飞行至目标区域完成要求的任务。(2) 任务载荷分系统：信息支援、信息对抗、火力打击等； 任务载荷分系统完成要求的信息支援、信息对抗、火力打击等任务。(3) 数据链分系统：无线电遥控/遥测设备

3、、信息传输设备、中继转发设备等；数据链分系统通过上行信道，实现对无人机的遥控；通过下行信道，完成对无人机飞行状态参数的遥测，并传回任务信息。(4) 指挥控制分系统：飞行操纵设备、综合显示设备、飞行航迹与态势显示设备、任务规划设备、记录与回放设备、情报处理与通信设备、与其它任务载荷信息接口等；4指挥控制分系统完成指挥，作战计划制定，任务数据加载，无人机地面和空中工作状态监视和操纵控制，以及飞行参数、态势和任务数据记录等任务。(5) 发射与回收分系统：与发射(起飞)和回收(着陆)有关的设备或装置，如发射车、发射箱、弹射装置、助推器、起落架、回收伞、拦阻网等；发射与回收分系统完成无人机的发射(起飞)

4、和回收(着陆)任务。(6) 保障与维修分系统：基层级保障维修设备，基地级保障维修设备等。保障与维修分系统主要完成无人机系统的日常维护，以及无人机的状态测试和维修等任务。2 无人机的作用和地位无人机系统以其机动灵活、持久飞行和“零伤亡”等特点几乎渗透到战场空间的各个领域。近期几次局部战争中无人机的突出表现，更加引起了各国军方，尤其是军事强国的高度重视，已成为信息武器装备体系的关键节点和重要组成部分，在信息支援、信息对抗和火力打击等领域发挥着不可替代的作用。与有人驾驶飞机相比，无人机的优势主要体现在以下五个方面：一是可长时间执行空中任务；二是可替代有人驾驶飞机进入核/生/化等污染环境执行任务；三是

5、不存在飞行员伤亡，政治和军事风险较小；四是由于不考虑人的因素，可承受更大的载荷，飞机的隐身和机动性上可实现质的飞跃；5五是全寿命费用低、作战效费比高。与卫星相比，无人机系统具有时效性、针对性和灵活性强等优势。由于无人机系统的突出特点，决定它的地位和作用。a. 无人机是夺取信息权的有利工具。无人机能够提供长期持久的战场信息支持服务，可实时获取和战场信息，具有多维一体、全域覆盖、持续实时、准确精细的信息感知能力；不同类型不同高度的无人机系统组成了覆盖战场低空至临近空间区域范围的通讯、导航和定位等信息支持网络，形成灵活、机动、多层次、立体化的空基和近天基综合信息支持能力，提高了指挥的效率，增强了作战

6、的联合性和灵活性。b. 无人机是未来战场信息对抗的重要支柱。信息对抗，是指对敌方信息系统实施电子干扰、电子欺骗、电子诱饵、网络攻击、和反辐射摧毁。不同类别的无人机系统能够满足战略、战役、战术多层次的信息对抗能力的需要，能够提供“软”“硬”不同类型的信息对抗手段，提供从战术信息对抗支援到战略战役信息对抗打击的作战能力，实现对敌方信息系统全频段、全时域、全天候的信息攻击，形成多层次的信息作战力量体系框架。c. 无人机将成为空中作战的主导力量。无人机将具备时敏目标察打能力、对敌纵深重要目标精确打击能力、临近空间作战能力和跨大气层作战能力，成为 21 世纪空中作战的主导力量。在联合作战中，无人作战飞机

7、可执行防空压制任务，协调各6种力量对敌领土纵深实施打击；无人机与地面和海上力量配合，可为地面和海上兵器指示目标和实施火力校射，提高打击精度；无人机还可以执行战斗求援、战场管理、战区导弹防御、反雷、心理战等。d. 无人机是执行最危险任务的最佳选择。高技术信息化战争使用精确制导武器的比重越来越大，核、生、化武器并存，杀伤力增大，参战人员将面临巨大危险。因此，无人机能够代替有人机执行最危险的任务，最大限度地避免人员伤亡。3 无人机的分类无人机可以按功能、大小、速度、活动半径、实用升限、续航时间等方法进行分类。按功能分类：无人机可以分为军用无人机和民用无人机两大类。军用无人机又分为信息支援、信息对抗、

8、火力打击三大类，其中信息支援类无人机包括侦察监视、信号情报、目标指示、毁伤评估、预警探测、地形测绘、核生化/辐射和爆炸物侦测、水文监测、气象探测、作战搜索救援、通信中继、信息组网等类型无人机；信息对抗类无人机包括电子对抗（含电子侦察、电子防护、电子攻击）、网络战、诱饵/欺骗、心理战等类型无人机；火力打击类无人机包括时敏目标打击、对地攻击、制空作战、反潜/反舰、地雷/水雷探测、反水雷、防空反导等类型无人机。民用无人机包括检测巡视类无人机、通信中继类无人机、遥感绘制类无人机和时敏目标打击类无人7机。检测巡视类无人机包括气象监测、(火灾、水灾、地震等)灾害监测、(交通、水利、地形地貌) 环境监测、电

9、力线路和石油管路巡视等类型无人机；通信中继类无人机包括通信中继、通信组网类无人机；遥感绘制类无人机包括海洋、地质遥感遥测、地形测绘、矿藏勘测等类型无人机；时敏目标打击类无人机包括公安、边防、海关巡逻和反恐维和中对时敏目标打击的无人机。按大小分类：无人机可以分为微型无人机、小型无人机、中型无人机和大型无人机。微型无人机重量一般小于 1寸在 15内。小型无人机重量一般在 1100，中型无人机重量一般在1001000，大型无人机重量一般大于 1000速度分类： 无人机可以分为低速无人机、亚音速无人机、跨音速无人机、超音速无人机和高超音速无人机。低速无人机速度一般小于 a 为马赫数)，音速无人机速度一

10、般在 音速无人机速度一般在 超音速无人机速度一般大于 5活动半径分类：无人机可以分为超近程无人机、近程无人机、短程无人机、中程无人机和远程无人机。超近程无人机活动半径在515间，近程无人机活动半径在 1550间，短程无人机活动半径在 50200间，中程无人机活动半径在 200800间，远程无人机活动半径大于 800实用升限分类：无人机可以分为超低空无人机、低空无人机、中空无人机、高空无人机和超高空无人机。超低空无人机实用升限8一般在 0100m 之间，低空无人机实用升限一般在 1001000m 之间，中空无人机实用升限一般在 10007000m 之间，高空无人机实用升限一般在 70002000

11、0m 之间，超高空无人机实用升限一般大于20000m。按续航时间分类：无人机可以分为正常航时无人机和长航时无人机。正常航时无人机续航时间小于 24h，长航时无人机续航时间大于或等于 24h。4 无人机的发展虽然无人机的出现比有人机早，但由于技术发展的限制，早期无人机发展很慢，直到上世纪六十年代，由于战争的牵引无人机才开始发展，到上世纪九十年代，由于技术发展的推动，无人机开始加速发展，目前，无人机已经进入了飞速发展时期。争的牵引作用1960 年冷战期间，美国曾多次派 人驾驶侦察飞机前往前苏联侦察导弹基地，其中有的 击落后飞行员被俘，使得美国声誉大跌。后来美国改用间谍卫星，由于当时卫星的不足，无法

12、代替有人侦察机。1962 年美国 察机再次前往前苏联，飞越古巴时，又被 此引发了采用无人飞行器进行侦察的思想，开始研制了 要功能是照相侦察。9越南战争期间进一步发展了 型无人机，功能由照相侦察增加到实时影像，电子情报，电子对抗，实时通讯，散发传单，战场毁伤评估等。随着战争的结束，人们对无人机的兴趣逐渐淡化，直至 1982 年以色列与叙利亚在贝卡谷战争中，以色列使用无人机进行侦察、干扰、诱敌，无人机的作用再次被重视和开发。1985 年，美国海军及海军陆战队购买了以色列 空工业公司的“先锋”系统，该系统在发展过程中经受了大量的严峻考验。1991 年初的海湾战争中无人机已成为 “必须有”的战场能力，

13、六套先锋（人机系统参战，其中三套在近海岸，出动 151 架次；两套在海军舰艇上，出动 46 架次；一套在海军陆战队，出动 185 架次，提供了高品质、近实时、全天时的侦察、监视、目标捕获、拦截和战损评估。此时，美国会要求成立“联合计划局”（这样可以在各军种之间最大限度的发挥技术的通用性和相互操作性。科威特与伊拉克的战争让军事指挥者有机会在战斗中使用无人机，他们发现无人机有极高的价值。这场战争中有五种无人机系统参战：（1）美军的“先锋”（2）美军的“敢死蜂”（3）美军的“指针”（4）法军的小型远程遥控侦察机（5）英军的 然对无人机有许多奇闻逸事和成就的渲染，但在此次战争中并未起到决定性和关键性的

14、作用。只是给了军方启发，使他们思考无人机“能做什么”，但可以肯定，无人机是一种有潜力的重要武器系统。10科索沃战争中参战的无人机有“捕食者（，“猎人（，“先锋”，“红隼”，“不死鸟”，“米拉奇 26”以及“七种无人机，是历次战争中使用无人机架次最多的一次，也是发挥作用最大的一次。1995 年第一次俄罗斯车臣反恐战争和 1999 年第二次俄罗斯车臣反恐战争中，俄军使用了无人侦察机对战区进行侦察和监视，尤其在第二次车臣战争中，俄军的“蜜蜂”无人侦察机侦察了大量叛军资料，为俄军精确打击提供准确资料。前述战争中，无人机担当的主要是侦察的角色，在阿富汗战争中，美国用“捕食者”作为载机，发射了“海尔法”空

15、地导弹，首次在实战中实现了无人机发射导弹直接对地定点攻击，进一步发展了作战无人机的功能，也是对无人作战飞机的实战使用进行了验证，真正开始了无人化战争的起步。2003 年的伊拉克战争中，美军使用了 10 种以上的无人机支援作战行动，实现了有人驾驶飞机与无人机、空中与地面武器系统的灵活运用。历次参战的无人机型号见表 次参战的无人机完成的主要作战功能见表 次参战的无人机机型历次战争名称 参战的无人机机型越南战争 蜂”、0第四次中东战争 鸡”多用途无人机贝卡谷地空战 “猛犬”1991 年海湾战争 “先锋”、“敢死蜂”、“指针”， 1995 年科索沃战争 “捕食者”、“猎人”、“先锋”、“红隼”、不11

16、死鸟”等俄罗斯车臣反恐战争 “蜜蜂”1T、图2432001 年阿富汗战争 “捕食者”、“猎人”、“全球鹰”等2003 年伊拉克战争 “捕食者”等十几种无人机当前美、以反恐行动 “捕食者”、 “猎人”、“搜索者”表 次参战的无人机完成的主要作战功能主要作战功能历次战争名称 侦察 欺骗 干扰 监视 中继 对地攻击越南战争 第四次中东战争 贝卡谷地空战 1991 年海湾战争 1995 年科索沃战争 俄罗斯车臣反恐战争 2001 年阿富汗战争 2003 年伊拉克战争 当前美、以反恐行动 术的推动作用航空技术的发展是推动无人机技术发展的基础。无人机是依赖空气动力承载飞行的航空器，如何让无人机能够稳定可靠

17、飞行，性能越来越好，这依赖于航空技术的应用和发展。航空技术包括空气动力技术、飞行动力学技术、航空结构技术、航空材料技术、航空发动机技术、飞行控制与导航技术、航空电子电气技术等，早期的航空技术发展主要解决无人机等飞行器能够飞行的问题，现代航空技12术的发展促进无人机向飞行性能越来越高、飞行可靠性越来越好、执行任务的能力越来越强的方向发展。无线数据链技术的发展是推动无人机向可用化和实用化发展的条件。由于无人机是机上无人驾驶，必须靠地面控制站通过无线数据链实现对其操纵控制和飞行状态监视，因此无线数据链是推动无人机向可用化和实用化的条件。无人机数据链是双向体制，上行数据链实现对无人机的遥控，下行数据链

18、实现对无人机的遥测。无人机早期数据链速度低、容量小、抗干扰能力差，只能解决无人机基本的操纵控制和飞行状态监视问题，使得无人机可用。现代数据链技术的发展使得无人机数据链向着高速、宽带、保密、抗截获、抗干扰能力强的方向发展，推动无人机实用化能力越来越强。任务设备技术的发展推动无人机向多用途多功能方向发展。无人机通过装载不同的任务设备实现不同的功能，如无人机装载光电、红外侦察设备可实现侦察功能，无人机装载通信中继设备可实现通信中继功能，无人机装载精确制导武器可实现对空、对地(海)面目标攻击，任务设备的种类越多、性能越高，无人机的用途也就越多、功能也就越强。科学技术的进步将对无人机发展的推动作用愈来愈

19、强。自主飞行控制技术发展推动无人机向自主和智能化方向迈进，材料科学技术的进步和微机电技术发展将改变无人机系统平台设计理念，新能源技术发展将推进无人机实现超长时间飞行能力，高速宽带网络化的数据链路技术将实现无人机组网和互联互通，并促进无人机向多机13编队、无人机与有人机联合编队、无人机与其它(空中、地面、天空)装备联合执行多样化任务的方向发展。外无人机的发展现状与趋势自 20 世纪 90 年代起，世界范围内掀起了无人机系统发展的新高潮。许多国家将无人机发展置于重要地位，投入逐年增加。目前全球共有 57 个国家研制和发展无人机，研制和发展的无人机系统 974种，其中已成为无人机产品的有 369 种

20、。美国占据无人机发展的制高点，以色列起步较早，并在战术无人机、长航时无人机方面具有特色和优势，俄罗斯始终没有放松先进技术开发应用研究，欧洲各国则不甘人后，奋起直追，亚洲国家和地区不断加快无人机发展，第三世界国家也在引进、开发中、小型无人机。在当今无人机发展热潮中，各国无不结合实际、突出自身特点发展无人机。美国是世界上无人机发展速度最快、水平最高的国家，美国凭借雄厚的经济实力和先进的技术支持，在几十年的时间里研制开发出上百种无人机，已经形成一个远、中、近，高、中、低，大、中、小，用于执行战术、战役、战略作战需要的各个层面梯次搭配的无人机体系。装备部队主要有十几种，数量达 1700 多架。美国研制

21、无人机主要有波音、制的无人机产品主要有“龙眼”(“扫描鹰”(“探路者大乌鸦”(“影子00)、“捕食者”(“全球鹰”14(等固定翼无人机，以及“火力侦察兵”(人直升机等，正在研制的无人机有“鹰眼”倾转旋翼无人机、“鸬鹚”潜射无人机、“蜂鸟” 无人直升机、X47N 无人战斗机等。美国研制的无人机代表世界无人机研制的最高水平，引领着世界无人机的发展方向。以色列无人机研制水平处于紧随美国之后的世界第二地位，其研制的无人机覆盖了所有大小和任务系列，包括“侦察兵” (“先锋”( “搜索者” (“猎人” (人机，以及中空长航时、多用途“赫尔墨斯 450”( “苍鹭” (人机等，现正在研制具有侦察打击能力的

22、“艾坦”(空长航时无人机，其重量大于 4000务载荷大于 2000航时间大于 50h。以色列是无人机系统装备与技术最大的输出国之一。作为航空大国的俄罗斯已发展的无人机大多为中、小型战术无人机，如“人机、“图人机，“卡人直升机等。随着俄罗斯经济的好转，目前俄军对发展长航时无人机、电子战类无人机给予高度重视，同时也在探索“鳐鱼”（人作战飞机的发展。除了自研项目外，俄罗斯主要航空制造商还积极参与欧洲军用无人机方面的合作。进入 21 世纪后，欧洲为了缩短与美国和以色列在发展无人机领域的差距，提高独立自主能力，大大加强了无人机的研制力度。欧洲的法国、英国、德国、瑞典、意大利等国家先后启动了各类无人15机

23、项目。最具代表性的是由法国牵头研制的无人战斗机“神经元”项目，该项目有瑞典、意大利、西班牙、瑞士和希腊等国参与，计划在 5 年内开始演示验证工作。德国 洲鹰”，是一种“全球鹰”的欧洲版本，主要面向德国军用远程、高空侦察和监视需求，着重发展高级的信号情报获取能力，同时德国与西班牙还联合研制“梭鱼”(人作战验证机。英国已经研制了“大乌鸦”(可探测性高空长航时无人机验证机，下一步计划研制 “守望者”(人机，将为英国地面部队提供增强的情报、监视、目标获取和监视(力。此外，瑞典启动了“高度先进研究布局”(击型无人机设计研究项目，意大利研制了“天空)无人机。亚洲国家和地区近年来也在加快无人机的发展。日本、

24、印度、韩国、巴基斯坦以及台湾都已研制出自己的无人机，在近/短程战术无人机领域已经取得一定的突破，并不断增加对高空长航时无人机的投资，如日本正在研制飞行高度 20000m 以上的长航时无人机，印度正在全面引进“苍鹭”无人机生产线，印度、印度尼西亚、日本、马来西亚、菲律宾、新加坡、泰国、韩国和斯里兰卡等将成立一个购买和使用“全球鹰”无人机的区域财团联合体。随着新技术的快速发展和在实战中的广泛应用，无人机系统的概念、任务和技术要求都发生了根本性的变化。无人机系统的概念，从空间无人飞行器扩展到临近空间无人飞行器；无人机系统的任务，16从单一的侦察监视领域进入到信息对抗、通信中继等领域，正扩展到精确打击

25、、制空作战等领域；无人机系统的技术进一步向自主控制、高生存力、高可靠性、互通互联互操作等方向发展，无人机未来发展呈现出如下趋势：a. 无人机需求从以产品性能需求向以任务能力需求转变。在美国国防部发布 2009 版的无人系统综合路线图中明确了无人机系统所需提供的 8 类能力：战场预警能力，后勤保障能力，军事运用能力，支持网络中心能力，部队防护能力，军事支援能力，指挥控制能力，形成了基于任务能力的无人机系统需求规划与发展计划。b. 无人机平台向高空长航时大型化和微小型使用灵活化两极发展。一方面各国均在发展中小型无人机的基础上，向新技术更密集、作战效率更高、覆盖面积更大、生存力更高的高空、高速、长航

26、时大型无人机方向发展；另一方面由于微小型无人机操作简便灵活，具有较强的机动性能和低空飞行优势，随着全球反恐和特种作战任务的需要，各航空强国对微小型无人机的发展十分重视。c. 无人机任务领域向多样化方向发展。美国国防部发布 2007 版的无人系统路线图中指出：美国已经投入使用及正在发展的无人机系统覆盖了情报、监视与侦察，信息对抗，攻击/时敏目标打击，压制敌方防空力量、海面封锁行动等 21 个任务领域，这是到目前为止对于无人机系统可能涉及的任务领17域较为全面的阐述，随着无人机技术的发展，无人机的任务领域和功能还在进一步拓展。d. 无人机高度向临近空间发展。临近空间是航天与航空的空间接合部，是航空

27、技术与航天技术的交叉，一个大有作为的领域。高高空无人机等临近空间装备在对特定区域的持续广域侦察监视、通信中继、导航、电子战、导弹防御、空间对抗等方面有着独特的优势，是陆、海、空、天装备的重要补充力量，已成为世界武器装备发展的焦点领域。当今无人机技术能够蓬勃发展，一个重要的原因就是无人机技术能够不断与相关领域的高新技术融合和互动，不断开拓新的前沿领域。目前，特殊布局、变体机翼、先进主动流动控制、一体化设计、多电/全电飞机、射频综合、纳米复合材料、微机电、高超声速飞行与高超声速推进、智能蒙皮与智能结构、特种动力装置等一系列前沿技术正在不断产生新的重大突破，无人机发展必然更加迅猛。无人机发展需要的主

28、要关键技术未来无人机向更高、更快、更远、更机动、更高效的方向发展，需要的主要关键技术有：(1)平台技术（综合布局、气动、轻质结构、隐身）;(2)大尺寸复合材料设计（规范）、加工工艺（成本）(3)结构复合材料，抗紫外线材料，轻质材料，耐高温材料等18(4)微型加工装配技术、智能材料的应用（无舵面柔性机翼，微型、仿生无人机）(5)先进的发射回收技术(6)武器和设备的小型化及集成化(7)隐身技术(8)动力技术(9)通信技术(10) 智能控制技术(11) 空域管理技术三、无人机飞行控制、导航与制导技术1 无人机控制与管理系统的地位与作用 飞行控制与管理系统(以下简称飞行控制系统)是无人机的关键系统之一

29、。飞行控制系统是无人机完成起飞(发射)、空中飞行、执行任务、返场着陆(回收)等整个飞行过程的核心系统，对无人机实现全权限控制与管理，因此对无人机的功能和性能起关键、决定性作用。如果没有飞行控制系统，现代无人机就不可能上天飞行，完成各种任务。192 无人机控制与管理系统的特点 与有人驾驶飞机(有人机)相比，无人机最大的特点就是“无人”二字，因此无人机飞行控制系统与有人机飞行控制系统相比所具有的特点，也是从这二字而来。首先，飞行控制的范畴不同：有人机时刻强调人的作用，飞行控制系统的作用是保证如何发挥人的主观能动性，其控制是有权限的，因此其作用范畴为保证驾驶人员方便、灵活、有效地操纵飞机，有人机飞行

30、控制系统在飞机起飞阶段、着陆最后阶段往往是不参与飞机控制的；而现代无人机的整个飞行过程都要靠飞行控制系统来进行有效管理与控制，其控制是全时全权限的，飞行控制系统的作用范畴覆盖了有人机飞行控制系统、驾驶员、甚至其它系统(如导航、制导、任务管理、载荷控制等)的所有功能，在无人机的整个工作过程，其飞行控制系统都参与无人机的控制，因此其作用范畴远远大于有人机飞行控制系统。其次，飞行控制的功能与作用不同：根据有人机飞行控制系统的作用范畴，有人机飞行控制系统主要完成飞机内回路的增稳与控制(战斗机、攻击机、直升机等)，强调操稳性或舒适性，部分飞行控制系统能够与导航系统耦合，完成外回路的航迹控制(轰炸机、运输

31、机等)；而无人机飞行控制系统的作用范畴，其飞行控制系统除完成无人机内回路、外回路控制的所有功能外，还能够完成导航、制导、飞行任务管理、任务载荷管理与控制功能，远远超出了飞行控制功能，无人机飞行控制系统强调系统稳定性、控制与导航精度等20性能指标和任务管理能力，特别是自主导航能力，因此经常被称为综合飞行控制系统。最后，飞行控制设计思想不同：无人机与有人机相比，不考虑人的生理限制，可以放宽由人生理限制而产生的对飞行状态的控制要求，同时可靠性级别一般低于有人机，余度配置低，大多采用非余度配置方案，就连美国功能和性能最为完善的“全球鹰”飞行控制系统也仅采用双余度配置。3 无人机控制与管理系统的组成和功

32、能 根据无人机发展的历史时期和用途的不同，无人机控制系统在组成和功能上有相当大的差别。无人机飞行控制系统一般包含传感器、机载计算机和伺服作动设备三大部分。飞行控制系统的功能如下：a) 无人机姿态稳定与控制；b) 无人机自主导航飞行与航迹控制；c) 无人机起飞(发射)与着陆(回收)控制；d) 无人机飞行管理；e) 无人机任务设备管理与控制；f) 应急控制；g) 信息收集与传递。21以上所列的功能中第 a、d 和 f 项是所有无人机飞行控制系统所必须具备的功能，而其它项不是每一种飞行控制系统都具备，也不是每一种无人机都需要的，根据具体无人机种类和型号可进行选择、裁剪和组合。4 无人机控制模式无人机

33、的飞行控制系统是全时限、全权限的，飞行控制模式可以分为程序控制（时间程序控制）、遥控（通过地面站遥控指令控制）和自主飞行控制（二维、三维或四维）三种。前二种飞行控制方式常用作靶机、观测等类型无人机的飞行控制，第三种常用于侦察机、攻击机等类型无人机的飞行控制。 在遥控方式下，地面操作手根据无人机的状态信息和任务要求控制无人机的飞行； 在自主控制方式下，飞行控制系统根据传感器获取的飞机状态信息和任务规划信息自动控制无人机的飞行。 在半自主控制方式下，飞行控制系统一方面根据传感器获取的飞机状态信息和任务规划信息自主控制无人机的飞行，另一方面，接收地面控制站的遥控指令，改变飞行状态。5 机载传感器 无

34、人机飞控系统常用的传感器包括角速率传感器、姿态传感器、航向传感器、高度空速传感器、飞机位置传感器、迎角传感器、过22载传感器等。传感器的选择应根据实际系统的控制需要，在控制律初步设计与仿真的基础上进行。1) 角速率传感器角速率传感器是飞控系统的基本传感器之一，用于感受无人机绕机体轴的转动角速率，以构成角速率反馈，改善系统的阻尼特性、提高稳定性。角速率传感器的选择要考虑其测量范围、精度、输出特性、带宽等。角速率传感器应安装在无人机重心附近、一阶弯振的波节处，安装轴线与要感受的机体轴向平行，并特别注意极性的正确性。2）姿态、航向传感器姿态传感器用于感受无人机的俯仰和滚转角度，航向传感器用于感受无人

35、机的航向角。姿态、航向传感器是无人机飞行控制系统的重要组成部分，用于实现姿态航向稳定与控制功能。姿态、航向传感器的选择要考虑其测量范围、精度、输出特性、动态特性等。姿态、航向传感器应安装在飞机重心附近，振动尽可能要小，有较高的安装精度要求。对于磁航向传感器要安装在受铁磁性物质影响最小且相对固定的地方，安装件应采用非磁性材料制造。3）高度、空速传感器（或大气数据计算机）23高度、空速传感器（或大气数据计算机）用于感受无人机的飞行高度和空速，是高度保持和空速保持的必备传感器。一般和空速管、通气管路构成大气数据系统。高度、空速传感器的选择主要考虑测量范围和测量精度。其安装一般要求在空速管附近，尽量缩

36、短管路。4）飞机位置传感器飞机位置传感器用于感受飞机的位置，是飞行轨迹控制的必要前提。惯性导航设备、星导航接收机是典型的位置传感器。飞机位置传感器的选择一般考虑与飞行时间相关的导航精度、成本和可用性等问题。惯性导航设备有安装位置和较高的安装精度要求，收机的安装主要应避免天线的遮挡问题。6 引导设备精确引导是无人机自动着陆的基础。由于使用简易的机场，显然不可能使用一般的仪表着陆系统或者微波着陆系统。在此前提下，还有如下方法可供选择。1) 全球定位系统（目前为止定位精度最高的导航设施,在世界各国有着广泛的应用。24在 消后,商用 )的定位精度大大提高,经过差分后（以提供精密进场着陆所需的飞机定位信

37、息。为精密进场着陆引导系统时必须与 无线电高度表相组合。因为 受美国的制约，不宜对其过分依赖。2) 区域定位系统（域定位系统（过在地面一定区域内放置 46 个在功能上相当于定位卫星的设备（可称为伪卫星）来实现对空中目标的定位。该技术的详细情况国内有关厂所正在进一步的研究中。3) 地面辅助引导设施通过地面的精密光学系统或者导引雷达对飞机定位，再由上行数据链将定位信息传给飞控计算机(图 3最为现实的方法是本系统配备的地面测控系统视距链路。该链路具有的高精度无线电定位功能可用于起飞/着陆过程中无人机的空中定位。只要将其放置于跑道附近一定的区域中，在不附加任何设备的情况下可实现较好的地面引导。4) 视

38、见引导利用无人机上光电设备（此时应锁定在一定的角度上）实时拍摄的机场景象迭加无人机的姿态、航向、空速、高度等信息，形成25类似于有人机上的平显画面，并结合机场人员对于无人机的目视结果，人工引导飞机进场着陆。视起飞/着陆的不同阶段和导引设备的可用度采用全自动/半自动/人工（遥控）多种引导与控制方式相结合的方案。在导引设备上，将 线电高度表组合定位系统作为主引导系统。当 可用时，再用备用的视距内测控链路代替 产生自动引导所需的定位数据。在更为苛刻的条件下（比如主、辅引导设施都无法使用时），采用视见或纯目视人工引导方法。在 用的情况下，实现全自动的起飞与着陆。在 可用的情况下，如果备用的地面辅助导引

39、设备具有精密进场所需的定位精度（比如 引进成功）,仍可实现全自动的起飞与着陆。如果地面辅助导引设备的定位精度稍低（比如目前的测控系统视距内数据链），则可自动将飞机引导到跑道上空一定区域内，然后采用半自动或遥控方式控制无人机着陆。当地面引导设备也不可用时，结合视见或纯目视引导，采用半自动或遥控方式控制无人机着陆。26a) 7 伺服机构伺服作动设备也称舵机，是飞控系统的执行部件。其作用在于接收飞行控制指令，进行功率放大，并驱动舵面或发动机节风门偏转，从而达到控制无人机姿态和轨迹的目的。伺服作动设备可分为电动伺服作动设备、液压伺服作动设备和电液混合伺服作动设备。无人机上通常使用电动伺服作动设备。伺服

40、作动设备的设计要求主要有以下方面：1）性能要求a) 最大输出力矩最大输出力矩指额定工作状态下伺服作动设备能够输出的最大力矩，该力矩应该大于折合到舵面相应位置的最大气动铰链力矩（或节风门偏转力矩）。地面测控设备数据链飞控与管理子系统机载测控终端精密导引雷达/光学系统地面计算机图 3面辅助导引原理框图27b) 偏转范围伺服作动设备的偏转范围应满足相应舵面（或节风门）偏转范围的要求。c) 频带伺服作动设备的频带一般应为无控飞机自然频带的 35 倍。d) 间隙在工艺允许的情况下，伺服作动设备的间隙应尽可能的减小。e) 跟踪精度伺服作动设备输出跟踪输入的精度应满足一定的要求。2）外形尺寸与安装要求伺服作

41、动设备的安装空间一般较小，应注意外形尺寸和安装要求的限制，特别是输出摇臂与舵面之间的连接方式、零位和偏转方向要求。 8 飞行控制律飞行控制律是飞行控制系统一个重要组成部分，它是指令及各种外部信息到飞机各执行机构的一种映射关系。飞行控制律的设计就是确定这种映射关系，使飞机在整个飞行包线内具有符合系统要求的飞行品质。飞行控制律设计的依据是系统研制任务合同及相关顶层技术文件。根据这些文件具体形成在具有控制系统下飞机的各种品质或性能，在对无控飞机的特性进行分析的基础上，为达到所要求的飞行品质或性能，确定初步的控制律结构，然后应用自动控28制的设计方法具体确定控制律参数。通过非线性全量仿真、半物理仿真及

42、飞行试验，验证或调整控制律结构及参数，使飞行品质或性能达到要求。控制律设计过程是一个迭代回归的过程。控制律结构首先应明确飞机的控制面。一般控制面由升降舵、副翼、方向舵、襟翼、鸭翼、减速板等。根据对无人机的性能要求及无控无人机的特性确定控制律结构。控制律包括纵向控制律和横航向控制律。根据无人机的任务要求，选择以下控制律结构。俯仰角稳定与控制俯仰角稳定与控制回路一般需要俯仰角及俯仰角速度反馈信号，其一般控制律结构如图 32 所示。前向控制通道俯仰角速度增 益俯仰角指 令俯仰角俯 仰 角速度升降 舵偏转指令图 32 俯仰角稳定与控制结构图 32 中前向控制通道可采用比例或比例+积分的形式，采用比例形

43、式时控制存在静差，采用比例+积分形式时控制没有静差。根据具体需求选取前向控制通道的形式。俯仰角速度反馈用于增加短周期阻尼。滚转角稳定及控制滚转角稳定与控制回路一般需要滚转角及滚转角速度反馈信号，其一般控制律结构如图 33 所示。前向控制通道滚转角速度增 益滚转角指 令滚转角滚 转 角速度副翼偏转 指令图 33 滚转角稳定与控制结构图 33 中前向控制通道一般采用比例或比例+积分的形式。滚转角速度反馈用于增加滚转阻尼。对具有较大自然阻尼特性的飞机可略去滚转角速度反馈。航向稳定与控制航向角稳定与控制一般结构如图 34 所示。其中，图 34 (a)的控制结构通过副翼进行航向控制，具有较高的控制效率，

44、但控制中侧滑角较大；图 34 (b)利用方向舵进行航向控制，该形式的控制效率较低，所引入的滚转角反馈用于部分消除侧滑角；图 34 (c)则利用副翼和方向舵联合控制航向角，具有控制效率高及侧滑角小的特点。以上所引入的滚转角速度和航向角速度用于增角阻尼。前向控制通道航向角速度增 益航向角指 令航向角航 向 角速度副翼偏转 指令滚转 角增益滚转角滚转 角速度增益滚转 角速度(a)前向控制通道航向角速度增 益航向角指 令航向角航 向 角速度方向 舵偏转指令滚转 角增益滚转角(b)副翼前向控制通道航向角指 令航向角副翼偏转 指令滚转角增益( 副 翼)滚转角滚转角速度增益( 副 翼)滚转 角速度方向 舵前

45、向控 制通道航向角速度增益 ( 方向舵)航向角指 令航向角航 向 角速度方向 舵偏转指令滚转角增益( 方向舵)滚转角(c)图 34 高度控制高度控制由俯仰内回路及外回路组成。俯仰内回路一般由俯仰角和俯仰角速度反馈组成，高度控制的外回路一般采用比例+积分+微分的形式，如图 35 所示。高度比例高 度积分 增益升 降速度 增益给定高度 高度升降 速度俯 仰角增 益俯仰 角速度增益俯仰角俯仰角速 度升降舵指 令图 35 空速控制空速控制分为节风门空速控制、俯仰空速控制和阻力空速控制。节风门空速控制通过调节发动机节风门实现空速的控制，俯仰空速控制通过升降舵偏转使飞机攻角变化，从而改变飞机空气动力实现空

46、速的控制，阻力空速控制通过阻力板的偏转改变阻力实现空速的控制。节风门空速控制的结构如图 36 所示，俯仰空速控制结构如图37 所示，阻力空速控制结构如图 38 所示。由于发动机一般具有较大的时间延迟，因此节风门空速控制一般相对缓慢，俯仰空速控制和阻力空速控制具有响应相对快的特点。空速比例空 速积分 增益给定空速 空速 油门 指令32图 36 发动机节风门空速控制结构空速比例空 速积分 增益给定空速 空速 俯 仰角增 益俯仰 角速度增益俯仰角俯仰角速 度升降舵指 令图 37 俯仰空速控制结构空速比例空 速积分 增益给定空速 空速 阻力板开 度指令图 38 侧向偏离控制侧向偏离控制可实现侧向航迹控制。侧向偏离控制一般通过飞机的滚转控制实现，它由滚转内回路和侧偏外回路组成，如图 39所示。侧偏距离为相对于期望航线的距离，即期望航线与实际航线之差。图 39a 结构为有差控制，一般用于巡航飞行阶段，图39b 结构为无差