无人机地面站系统的发展与应用

无人机地面站系统的发展与应用

由于无人机的巨大优势，它具有设计灵活、人员零伤害、降低成本等优点。成为现代飞机研究的热点。目前,几乎每个国家都有自己的无人机建设计划,这也加强了世界在无人机领域探索的兴趣。无人机地面站系统作为无人机系统的重要组成部分,是整个无人机系统的指挥控制中心目前,关于无人机地面站系统的研究也很多,先后出现了各种针对不同无人机型号和用途的地面站系统。本文对无人机地面站的发展进行了简要回顾,并对各种地面站系统进行了分析研究。1多地面站的控制无人机在国际战争中的成功应用,己经揭开了以远距离攻击型,智能化武器,信息化武器为主导的非接触性战争的新篇章。近百年时间,无人机也从最原始的有线控制,演变成现在集群化、智能化、网络化的地面站控制。20世纪20、30年代,无人机尚无完善的地面站系统,对无人机都是使用简单设备的操控。例如,1918年,美军研制第一架升空的“柯蒂斯”是无人机通过陀螺仪指示方向、无液气压表指示高度来操控飞机20世纪50~70年代,已经初步形成了地面站系统,并进入快速发展阶段。借助于地面站系统完成对无人机的操控,使其完成各种任务。例如,越南战争期间,美军无人机地面站采用预编程技术,控制无人机执行电子窃听、电台干扰、超低空拍摄等任务20世纪90年代,英美等各国设计并采用了以“捕食者”无人机地面站为代表的复合控制多用途无人机地面站,地面站趋于集群化,功能更加智能化,此时的无人机地面站技术已经日趋成熟。进入21世纪以后,无人机地面站的发展速度更加迅猛。例如以“影子200”地面站为代表的一体化系统,其地面控制站由两台工作站组成,可以实现一个地面站控制多架无人机。另外,以“全球鹰”为代表的大型无人机地面站,利用标准化协议STANAG4586的兼容性,驱动了无人机地面站的互操作性2无人机的地面站现状2.1无人机地面站建设ANKA是土耳其近期启动的一项长航时侦查打击一体化无人机项目。鉴于ANKA查打一体的空中任务需求,整个无人机系统配备了一个结构复杂无人机地面站,包括:地面数据终端、远程视频终端、自动起飞着陆系统、可移动的图像系统和地面保障设备等(2)gcs监测及管理系统作为美国最典型的战斗无人机,“捕食者”的面站配备有:一个集成的不间断电源,环境适应系统,飞行操作站,有效载荷工作站,合成孔径雷达工作站,以及安全稳定的通信链路等。整个GCS支持数据/图像采集,任务规划,任务和有效载荷的控制和监测及系统管理。外部通信通过高频卫星通信终端,任务控制信息以及图像信息由Ku波段卫星数据链传送(3)带高增益天线MD4-1000是德国制造,全球技术领先的四旋翼无人机,其地面站具有2.4GHz多向模拟微波接收器,带高增益天线用于接收视频影像及飞行数据。MD4-1000作为侦查类无人机,其地面站最大技术特点为有效载荷控制系统和飞行数据显示系统。有效载荷控制支持多种拍摄/监控计划设定。由Downlink解码的实时数据,包括电池剩余电量、信号质量、飞行姿态、飞行高度、GPS位置、飞行时间等,全部由飞行数据显示系统显示2.2中小型无人机地面站不同型号,不同功能的无人机,都有相应的不同结构和规模的无人机地面站做支撑。有大型的控制无人机群的战术无人机地面站,其地面站由多个操作站建筑群或车载群构成。中小型无人机地面站多是车载可移动的。微型地面站是将诸多系统集成到便携式笔记本上,甚至可以小到只有掌机大小。(1)系统构成及功能战术无人机地面站如图1所示。其特点是在军事上体现其强大而复杂的功能,它由多个功能完善子系统及操作终端构成,如:数据通讯系统、远程显示系统、移动图像系统及安全保障设备等。(2)小型无人机站与战术无人机地面站不同的是,中小型无人机地面站的架构及功能比较简单,多采用车载等方式,机动性更强,灵活性更好(3)地面站介绍随着微型无人机的迅速发展,出现了微型无人机地面站,如图3所示。这类地面站通常使用便携式电脑或者摇杆遥控器来控制无人机,这就要求整个地面站系统的结构更加集成化,功能更加精炼。3无人机地面站组成和功能不管是大型无人机地面站,还是中小型或者微型无人机地面站系统,虽然其无人机的型号和功能各异,但是其地面站系统究其组成和核心功能来说,具有很多共同之处。无人机地面站系统的一般结构如图4所示,其各构成模块的功能如下:(1)地面计算机地面计算机是整个无人机地面站系统的中枢环节,通过一台或多台地面站计算机对无人机的实时数据进行通讯操作(2)数据链终端数据链(3)服务器作用此模块是连接地面站和无人机的重要环节,在整个系统中起着服务器的作用。需要将有效载荷所采集的飞行姿态数据、飞行高度数据、速度和机器参数等数据,由无人机通过无线电数据链路发送到地面的接收装置,再通过串口传送到飞行状态指令模块(4)综合状态下的模块综合状态显示模块为地面人员提供了一个形象的、虚拟的飞行仪表界面,用于显示无人机的各种飞行参数(5)数据库查询与存储数据库存储模块需要实时采集无人机下传的数据并放在数据库中,是使用者随时可以对数据库进行查询、存储、修改及删除等操作。其中包含的数据种类很多,例如:飞机飞行参数,发动机参数,接受、发送的通讯数据等等。(6)无人机任务规划该模块的主要功能是任务规划和任务验证。进行任务规划时要考虑无人机的性能和系统的限制,在某些超出无人机执行能力范围的情况下,该模块将拒绝所规划的任务(7)无人机检测模块有效载荷通常指用于完成侦察任务的摄像机、照相机、雷达传感器等,和监控飞行器的传感器以及记录仪器等。此模块的主要目的是控制无人机的有效载荷。地面站通过对这些有效载荷的控制,来动态地检测并显示无人机的实时状态,实现对无人机任务执行情况的监管。(8)数据分析站模块通常,从无人机上采集的数字/图像数据,需要被解码编译,这要通过数据分析站来完成。此模块将采集来的信息进行解码和分析,提取出有效信息,再通过数据链传输给其他系统。同时,该模块也具备自己的编码指令4未来，无人机站应具有一定的功能无人机作为未来作战中的新型空中力量的一环,正在向可视化、智能化和网络化的方向发展(1)联合操纵能力地面站要允许无人机系统同其他平台联合控制,在一定程度下实现地面站的资源通用(2)使用对于某一个地面站可以控制多种类的无人机(3)单独增加或增强某一模块地面站的结构具有一定的灵活开放能力,可以单独的增加或增强某一模块,而不影响其他功能。这样在改变或者增强无人机地面站整体功能的同时,又能保障前期的投入不受损害。(4)降低成本地面站要能配置于现成的商业项目,尽量降低成本,使商家负担得起。目前,无人机地面站已经有集成小型化的趋势,集成系统形成小型的,甚至掌机大小的地面站。(5)实际操作针对大型的无人机地面站,可以将地面站建造成有人机驾驶室的结构,增加用户的体验,更便于操作5飞行的自动等级和任务执行能力为了使地面站能更好地为无人机服务,控制无人机飞行的自动等级和任务执行能力,以及访问数据的能力显得尤为重要。针对这三个特点,本文分别提出了一些新的发展思路并提出一种通用化的地面站系统。(1)独立控制一半无人机地面站需要具备一定程度的自主决策(2)无人机地面站重新规划的功能无人机地面站必须具备灵活的任务规划能力以适应形势的变化,在执行任务的过程中,无人机地面站还需要具备重新规划的功能。站内工作人员使用设备,首先进行任务计划的制定以及无人机任务分配(3)确保数据的收集和传递良好的机地面站系统应该能够清晰的接受并管理来自各种资源的数据,并且可以正确快速的将这些数据分配给所有的终端用户,这就要求地面站所采集的数据必须以明确的方式提出。对于一些功能的应用,数据需要很容易被用户访问。因为会有很多终端用户同时使用数据库,他们都需要对传入的数据进行实时访问,并且可以对系统尚未采集到的信息发布需求指令。与此同时,对于显示的信息要谨慎选择,以避免过载(4)无人机地面站的通用化为了适应当今无人机控制的普遍需求,本文在这里提出了一种通用化可配置的无人机地面站。所谓的可配置是指,地面站采用模块化的设计方法,可以快速更换相应模块以适应不同型号无人机的要求,实现了无人机地面站的通用化,减少重复建设。通用化的设计结构的关键是采用一个通用的数据