无人机数据传输系统

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1、1.概论：无人机，即无人驾驶的飞机。是指在飞机上没有驾驶员，只是由程序 控制自动飞行或者由人在地面或母机上进行遥控的飞机。它装有自动驾驶 仪、程序控制系统、遥控与遥测系统、自动导航系统、自动着陆系统等， 通过这些系统可以实现远距离飞行并得以控制。无人机与有人驾驶的飞机 相比而言，重量轻、体积小、造价低、隐蔽性好，特别宜于执行危险性大 的任务，因此被广泛应用。二、无人机的特点及技术要求无人机没有飞行员，其飞行任务的完成是由无人飞行器、地面控制站 和发射器组成的无人机系统在地面指挥小组的控制一下实现的。据此，无 人机具有以下特点:（1）结构简单。没有常规驾驶舱，无人机结构尺寸比有人驾驶飞机小 得多

2、。有一种无尾无人机在结构上比常规飞机缩小 40%以上。重量减轻， 体积变小，有利于提高飞行性能和降低研制难度。（2）安全性强。无人机在操纵人员培训和执行任务时对人员具有高度 的安全性，保护有生力量和稀缺的人力资源。可以用来执行危险性大的任 务。（3）性能提高。无人机在设计时不用考虑飞行员的因素。许多受到人 生理和心理所限的技术都可在无人机上使用，从而突破了有人在机的危险 保证了飞行的安全性。（4）一机多用，稍作改进后发展为轻型近距离对地攻击机。（5）采用成熟的发动机和主要机载设备，以减少研制风险与经费投入，加快研制进度。联合研制以减小投资风险、解决经费不足有利于扩大出口 及扬长技术与设备优势。

3、（6）研制综合训练系统。技术要求有:（1）信息技术包括信息的收集和融合，信息的评估和表达，防御性的 信息战、自动目标确定和识别等；（2）设备组成包括低成本结构、小型化及模块化电子设备、低可见性 天线、小型精确武器、可储存的高性能发动机及电动作动器等；（3）性能实现包括先进的低可见性和维护性技术、任务管理和规划、 组合模拟和训练环境等。三、无人机系统按照功能划分，主要包括四部分:（1）飞行器系统包括空中和地面两大部分。空中部分包括：无人机、机载电子设备和 辅助设备等，主要完成飞行任务。地面部分包括：飞行器定位系统、飞行 器控制系统、导航系统以及发射回收系统，主要完成对飞行器的遥控、遥 测和导航任

4、务，空中与地面系统通过数据链路建立起紧密联系。（2）数据链系统包括：遥控、遥测、跟踪测量设备、信息传输设备、数据中继设备等 用以指挥操纵飞机飞行，并将飞机的状态参数及侦察信息数据传到控制站（3）任务设备系统包括：为完成各种任务而需要在飞机上装载的任务设备。（4）后勤保障系统 如检测设备，维修设备，运输设备，后勤设备等。2 无人机的飞行控制与测控数据传输无人机的测控数据传输均采用无线通信方式将遥控信息由地面站发送 至无人机称为无线遥控（上行通道）。无人机将飞行中的各种状态信息发 给地面站称为无线遥测（下行通道）。无线数据传输系统的核心问题主要 是单/双无线通道的选择、电台的选择、天线的选择和安装

5、姿态。 3.1双无线通道与单无线通道的比较遥控遥测独立分别采用各自的电台、天线、无线频点称之为双无线通 道的测控系统。优点是时序独立互相之间没有影响但存在一些严重问题： 上行、下行分别采用无线通道于是地面和机上就都有了二套电台、天线、 频率地面系统虽然增加了操作的工作量但并无大碍。而机上系统设备增加 使系统复杂、重量加大却是一个严重的问题。无人机的重量增加是影响起 飞、空速、续航时间的一个重要原因。系统复杂又必然造成可靠性降低。 在靶机上要放置二根天线一般只能垂直尾翼上放一根在水平副翼上放一根 这样这两个天线极化方向是不同的而地面站架设的天线则是二根天线全是 垂直放置必然造成其中一路通信效果变

6、差。结果总是出现一路通信距离近 的问题.遥控遥测共用同一套电台、天线、无线频点采用时分工作方式称为单 无线通道的测控系统。它的优点是简化了机上设备的数量和线路的复杂性 降低了无人机整机重量同时机上天线与地面天线极化方向相同大大提高了 通信距离。但这种测控系统对电台的可靠性要求更高。本文工作开始前无 人机的测控系统主要采用双无线通道的方式设备复杂遥控遥测距离近的问 题一定存在。3.2 无人机飞行的无线通道无人机的无线通道分为无线遥控（上行）通道和无线遥测（下行）通 道。无线遥控（上行）通道完成遥控指令、参数信息等数据的传输。指令：地面站发给电台经地面天线发射机上天线接收后电台将指令发 给飞行控制

7、系统飞行控制系统接收到指令后交给遥测系统已接收指令该指 令执行后又将交给遥测系统已执行指令。参数（原点、飞行参数、航路信息）：地面站发给电台经地面天线发 射机上天线接收后电台将参数发给飞行控制系统飞行控制系统接收到参数 后存入掉电保持的存储器然后再从存储器中读出参数交遥测系统发回地面 供地面站校验。无线遥测（下行）通道完成无人机飞行过程中各状态参数的收集并发 送给地面站。在调参时也负责回传参数信息。3.3 无人机飞行控制器飞行控制器是负责飞行控制系统信号的采集、控制律的解算、飞机的 姿态和速度以及与地面设备的通讯等工作。飞行控制器控制设备由传感器 操作面板数据及算术处理设备和电源组成通信控制设

8、备由编码器/解码器控 制通信控制盒和自动跟踪控制器组成。无人机数据采集及测控系统集成了 模拟、数字、通讯总线、时间码等无人机上通用的各种航电信号采集和测 试功能。无人驾驶仪的控制系统进行测试主要完成包括对控制系统的各个 硬件（传感器、敏感元件、执行机构等）、自动驾驶仪以及中间装置的参 数特性、动态过程监测以及控制系统的航空专用总线。飞控器是以单片机 为核心的计算机控制系统其功能是实现由输入信息的含义决策输出信息的 过程简单地说是信息处理过程其输入信息主要是指遥控接收送来的指令信 息当然也含故障应急处理信息。根据输入信息来决策输出控制及遥测显示 信息。因此其功能主要有：1）保持飞机按给定的高度稳

9、定飞行2）保持飞机按预定的航线稳定飞行3）控制飞机按给定的航向角飞行4）控制飞机按给定的姿态角机动飞行5）控制飞机按预定程序自主飞行6）随着高度和速度的变化自动改变控制系统7）采集飞行状态参数送至遥测发射系统8）进行故障应急处理9）完成飞机开关指令功能对任务设备的控制其中1）5）、9）条是飞控器根据地面遥控指令切换不同控制模态来 实现第 6）、 7）、 8）条由飞控器自行完成。飞行控制器采用了三种控制方 式、四个反馈回路、五种控制模态来完成控制。（一）控制方式三种控制方式是：无线电指令控制下的自动模态飞行方式、无线电遥 控静默下的全自主飞行控制方式以及程控飞行方式。（二）反馈回路四个反馈回路：

10、a.以TC-3D垂直陀螺仪构成的反馈回路构成飞行姿态 稳定与控制的内回路。这是飞行控制系统的核心控制回路。靶机的转弯、 爬升、下滑飞行是由内回路给定相应参考姿态角来实现的。b.以磁航向传感 器信号作为反馈信号送到无人机的横向控制通道上构成飞行航向控制的外 回路。c.以气压髙度传感器的输出信号作为反馈信号送到无人机的纵向控制 通道上构成飞行航向控制的外回路。d.以气压髙度传感器的输出信号作为反 馈信号送到无人机的纵向控制通道上构成飞行髙度的外回路。d.以GPS接 收机接收到的靶机位置和飞行速度信息通过信息融合后反馈遥控接收飞控 器舵机舵面，启动飞机姿态，遥测发射敏感元件重心为测量仪遥控发射地 面

11、操纵人、地面，遥测接收机到横向控制通道上进一步提髙航迹的控制精 度。在反馈回路中以阻尼、带宽、静差、容错性为要点进行回路的反馈控 制参数设计以增强飞行控制系统全飞行包络的控制鲁棒性。（三）控制模态飞控系统采用了五种控制模态即：三轴稳定控制模态、髙度保持模态、 航向保持模态、自动导航模态、自动归航模态。模态之间的切换时机主要 是由地面遥控人员通过指令来实现的而在飞行控制系统中则是通过调整控 制参数、切换给定参考变量来实现。三轴稳定模态即为垂直陀螺仪控制模 态飞机无论处于什么指令下飞控器接通垂直陀螺仪。高度保持模态：即飞控器接通“垂直陀螺仪高度传感器”的控制模 态。当飞机收到“纵平”指令后即接通高

12、度传感器当飞机收到“爬升”或 “俯冲”指令时切断高度传感器。航向保持模态：即飞控器接通“垂直陀螺仪高度传感器航向传感 器”的控制模态。当飞机收到“远航”或是“返航”指令后即接通航向传 感器当飞机收到“横平”指令时切断航向传感器。自动导航模态：当飞机收到“程控”指令时飞行控制器将自动引导飞 机飞行在预设的航路上。用“横平”指令解除“程控”。归航模态：即飞控器接通“垂直陀螺+髙度传感器+航向传感器+GPS” 控制模态。当飞机接收到“归航”指令或是飞机在30 秒内没有接收到地面 的遥控信号（包括空指令信号）时飞控器转入归航模态飞控器从内存中调 出起飞点的坐标不断进行比较引导飞机朝起飞点上空飞行到达起

13、飞点后盘 旋 3 分钟然后自动开伞回收。在此过程中随时可以通过“横平”指令来解 除“归航”模态。4.1无人机的数据链路4.11 概述无人机的数据链路用于在无人机飞行过程中，连接飞行，器平台和地 面操控指挥人员与设备的信息桥梁，基本功能，是传递地面遥控指令，采 油接收无人机的飞行，状态信息和传感器获取的情报信息。无人机数据路 的概念如图 4-1 所示。地面收发设备图4-1无人机数据路无人机数据链路在功能上包括一条用于地面控制站对飞行器及机上设 备控制的上行链路（也叫指挥链路）和一条用于接收无人机下行链路。上 行链路一般带宽为10Kb/s-200Kb/s,无论何时地面控制站请求发送命令，上 行链路

14、必须保证随时传送。下行链路提供两个通道。一条是用于向地面控 制站传递当前的飞行速度、发动机转速以及机上设备状态等信息的状态信 道（也称遥测信道），该信道需要较小的带宽，类似于指挥链路。第二条 信道用于向地面控制站传递传感器信息，它需要足够的带宽传送大量的传 感器信息，带宽范围为300Kb/s-10Mb/s。一般下行链路都，是连续传送的， 但有时也会临时启动以传送机上暂存的等待发送的数据。数据链路也可用 于测量地面天线相对于飞行器的距离和方位，这些信息可用于无人机的导 航，提高机载传感器对目标位置的测量精度。4.2.2 数据链路的结构与原理无人机数据链路一般由机载部分和地面部分组成。数据链路的机

15、载部 分包括机载数据终端（ADT）和天线。机载数据终端RF接收机、发射机以 及用于连接接收机和发射机到系统其余部分的调制调解器。有些机载数据无人机数据传输系统 9 终端为了满足带宽的要求，还提供压缩数据处理。天线采用全向天线，有 时也采用具有增益的有向天线。数据链的地面部分包含地面数据终端（GDT） 和一副，或几副，天线。GDT包含RF接收机和发射机以及调制调解器。 若传感器信息在传输前经过压缩，那么地面数据终端还需采用处理器对数 据进行重建。数据压缩和重建可以分装成几个部分，一般包括一辆天线车（可以放在离无人机地面控制占有一定距离的地方）、一条连接地面天线 和地面控制站的本地数据连线，以及地面控制站中的若干处理器和接口。无人机数据链路地面部分的工作原理如图4-2 所示。is.器加密滤波隔离4功放*天线去无人机模拟器显示器伪码发生器载波天线天线晶振高放高放鉴频4-带通4-鉴频4带通崛-混频-14分离低通本振帧环4位环监视器1本振功分天线斗测向 伺服误差图 4-2 无人机数据链路地面部分工作原理图地面站发送的控制指令在信源编码器中进行指令编码，然后将编码完 的数据进行加密运算，加密完的数据同伪码产生器产生的伪码进行相加从 而完成扩频，扩频完的扩频信号对载波信号进