某种无人机数据传输方案

摘要无人机，在民用和军事领域都具有广泛的应用。新型武器试验等应用场合对无人机的性能提出了更高的要求。随着微处理器、flash存储器、数传电台等器件和技术的开展，研制新一代数字化无人机的条件已经成熟。具有自主飞行能力的小型无人机，可用于执行航拍、勘测、自主侦察等任务，具有广泛的军事、民用和科学研究价值，这也使其成为世界各国科研机构的研究热点。在整个无人机自主系统中，通信子系统是飞行控制系统的重要组成局部，担负着无人机飞行状态信息和任务载荷数据的传送的任务，实现了地面站对小型无人机实时监控，所以针对无人机通信系统的专项研究有其重要意义。本论文基于对无人机测控系统和飞行控制系统中的数据传输进行了研究和探讨，设计了全数字化的无人机数据传输系统。并对无人机测控地面站、无线通信、飞行控制系统中数据传输的各环节，在硬件电路、软件程序、可靠性措施等方面进行了大量试验和定型，最终完成了全数字化的无人机数据传输系统。该系统可完成遥控指令、参数信息的上传，遥测信息的实时显示、飞行记录的存储和回放，满足了无人机的测控需求。该系统与传统无人机测控系统相比，降低了设备复杂度、减少了整机重量；采用无线调参方式，除大大减少了飞行准备工作量之外，提高了单次飞行效率，减少了新机型试飞次数。收发一体的无线通信方式，使无人机测控距离提高了50%。与传统无人机飞行控制系统相比，飞行稳定性大为增强，在飞行定高、定向、故障处理等指标上有了较大提高。关键词：无人机、测控系统、飞行控制系统、数据传输AbstractTheUAV(unmannedaviationvehicle)hasbeenwidelyusedoncivilfieldandmilitarypurpose.WiththeexperimentofnewweaponryorotherneedsthecapabilityofUAVhasbeenrequiredmoreandmorehighly.Alongwiththedevelopmentofmicroprocessorflashmemorizeranddigitaltransmitter-receiverorotherapparatusesitisfeasibletomanufactureUAVofnewseries.ThisbasedonaUAVcarryingthroughtheresearchanddiscussofdatatransmissioninmeasureandcommandsystemandflightcontrolsystemdesignacompletedigitaltransfersystemonUAVwhichbasedonthepracticalrequirementsofclientsandcombinedwiththemicroprocessordigitalradioandothercomponents.ToaccomplishthissystemwecarrythroughamassofexperimentsandformerimprovementsonhardwarecircuitsoftwareprogramreliabilitywhichisinvolvedingroundequipmenttomeasureandcommandUAVwirelesscommunicationsflightcontrolsystemandallotherpartsofdatatransmission.Withtheachievementsoftelecontrolinstructionsparameteruploadtelecontrolinformationreal-timedisplaystorageandreleaseofflightenregisterthissystemcanfulfiltherequirementstoUAVonmeasureandcommand.ComparedwithtraditionalUAVmeasureandcommandsystemthesystemreducedequipmentcomplicationandplaneweight.Withapplicationofwirelessadjustparameterinthesystemwecannotonlyreducetheworkonflightpreparationbutalsoimproveflightefficiencyandreducetrialtimes.DuetotransmitandreceiversignalsononeradiothesystemincreaseUAVmeasureandcommanddistanceoneandahalftimes.ComparedwithtraditionalUAVmeasureandcommandsystemitimprovedthecapabilityofflightstabilityaltitudeanddirectionconfirmationandfaultmanagement.Keywords:UAV(unmannedaviationvehicle)measureandcommandsystemflightcontrolsystemdatatransmission.目录1.绪论11.1我国无人机开展现状31.2国外无人机的开展41.3国内外相关技术的开展现状51.4无人机通信系统的研究及开展现状51.5研究背景62.无人机的测控系统72.1无人机的测控系统现状及其存在问题72.1.1开展思路72.1.2关键技术82.2无人机测控系统存在问题102.3新型无人机测控系统性能指标102.4无人机测控系统结构113.无人机的飞行控制与测控数据传输133.1无人直升机飞行控制的特点及问题133.2双无线通道与单无线通道的比较133.3无人机飞行的无线通道143.4无人机飞行控制器143.5无人机的飞行控制163.5.1遥控飞行163.5.2自控飞行173.5.3遥控与自控结合184.无人机任务载荷与数据链路194.1无人机的任务载荷194.1.1侦察监视类载荷194.1.2通信类载荷214.1.3武器弹药类载荷224.2任务载荷的应用与开展244.2.1无人机任务载荷的应用情况244.2.2无人机任务载荷的开展趋势274.3无人机的数据链路294.3.1概述294.3.2数据链路的结构与原理304.3.3对数据链路的特别要求314.3.4抗干扰能力分析324.3.5无人机数据链路的开展趋势335.无人机数据链系统355.1无人机数据链系统概述355.2无人机数据链系统的根本组成355.2.1无人机数据链的根本组成355.2.2无人机数据链特征365.2.3无人机数据链系统375.3无人机数据链系统结构设计385.3.1系统设计框图385.4系统功能模块设计405.4.1系统功能模块划分405.4.2模块功能405.5空地数据链路的流程设计41结论43致谢44参考文献451.绪论无人机，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。自30年代国外首次采用无线电操纵的模型飞机作为靶机以后，无人机的开展十分迅速。40年代，低空低速的小型活塞式靶机投入实用。50年代出现了高亚音速和超音速高性能的靶机。60年代以后，随着微电子技术、导航与控制技术的开展，一些国家研制了无人驾驶侦察机。无人机的应用领域不断扩大：在军事上用于侦察、通信、反潜、电子对抗和对地攻击；在民用上用于大地测量、资源勘探、气象观测、森林防火和人工降雨；在科研上用于大气取样、新技术研究验证等。中国无人机的研究始于50年代后期，1959年已根本摸索出安-2和伊尔-28两种飞机的自动起降规律。60年代中后期投入无人机研制，形成了“长空”1靶机、无侦5高空照相侦察机和D4小型遥控飞机等系列，并以高等学校为依托建立了无人机设计研究机构，具有自行设计与小批生产能力。中国生产的各种型别的无人机，根本上满足了国内军需民用，并且逐步走向国际市场。无人机作为空中机器人，在军事上可用与侦查、监视等，在民用上可用于大地测量、摇感等，主要希望能获得高分辨率、能描述物体集合形态的二位或三维图像，但是高分辨率图像数据量相当大，而且随着地面分辨率提高，需要传输的图像数据量呈几何级数增长，数据码数率也迅速增长，因此，图像的高速传输已经成为制约无人机应用的重要问题。自70年代以来，无人机在局部战争中的使用日趋广泛。目前，无人机的研制和开展在世界范围内呈现高潮，究其原因是现代作战需求、技术开展和经济等诸因素促成。首先，结构简一单、本钱低的无人机比有人驾驶贬机节省成倍的费用，并且操纵简单，使用方便；再者，现代高新技术的开展，如电子技术、信息技术和技术融合，使无人机性能和功能有了突破性的提高，能完成有人驾驶飞机一些无法实现的飞行任务。现在军用无人机的任务范围已由传统的空中侦察、战场观察和战情评估等扩大到战场抑制、对地攻击、拦截巡航导弹，甚至空中搏斗等领域。无人机不仅对有人战斗机进行支援，而且在许多情况一F起到替代有人驾驶飞机的作用。面对高效能、高强度、高消耗的现代战争，无人机越来越受欢送。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。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〕平安性强。无人机在操纵人员培训和执行任务时对人员具有高度的平安性，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，保证了飞行的平安性。〔4〕一机多用，稍作改良后开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、解决经费缺乏有利于扩大出口及扬长技术与设备优势。〔6〕研制综合训练系统。提高飞行员训练效率和降低训练本钱，必须在研制教练机的同时，研制辅助地面飞行模拟系统和飞行动作训练器等设备，并有机地结合成飞机员训练的综合训练系统。美、英、俄、意等国都在实施这种综合训练系统，美国海军的综合训练系统中包括300架教练机、咒台地面模拟器、49套计算机辅助训练装置和1个以计算机为根底的训练中心，采用这套综合训练系统，使飞行员训练费用降低50%。美国空海军JPATS方案中，雷神飞机公司在MK一2教练机研制竞标的同时就提出选择承包商研制地面训练配套系统，要求这套模拟系统保证与MK—2教练机能力相匹配，使训练费用降低50%一6o%。可见，对飞行员进行综合训练是未来军用飞机飞行训练的必由之路。我国目前也在积极开展地面飞行训练模拟器，但其开展还远不能满足对飞行员的训练要求。随着航空科技的开展，今后，地面飞行模拟器能够完成各类飞行驾驶技术、战术任务和心理素质的训练。.驾驶飞机的飞行速度、高度、航程和机动性等边界控制要求。如无人机过载到达159以上，巡航可以倒飞，从而机动性和隐身性得到提高。无人机在军事上有广泛的用途，其中包括靶机、无人侦察机、无人电子战飞机、无人研究机等。为实现侦察、干扰、支援以及攻击等功能，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〕设备组成包括低本钱结构、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，主要包括四局部:〔1〕飞行器系统包括空中和地面两大局部。空中局部包括：无人机、机载电子设备和辅助设备等，主要完成飞行任务。地面局部包括：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。1.1我国无人机开展现状在我国无人机技术的开展很快目前已经拥有大、中、小、超小、高空高速无人机5类非靶机类固定翼无人机。无人机上也装载了多种电子、光学设备。装载电子对抗设备完成对抗任务的电子战无人机在国内目前只有RKL165假目标无人机和RKT164通信对抗无人机。在研的型号有RKZl67中程电子对抗无人机系统、JWS01反辐射无人机。小型无人机控制半径一般为50千米目前已经有BZK-002高原型侦察无人机、JWS01反辐射无人机、RKLl65假目标无人机、RKTl64通信对抗无人机等多个型号。中型无人机目前有T-18中程无人机、WZ-2000无人机。作战半径600千米实用升限5000米续航时间10小时任务载荷50千克。任务载荷可以是航空相机、电视摄像机、红外行扫仪、电子侦察设备、电子干扰设备等。大型无人机目前有一个在研型号为BZK-005的中高空远程无人侦察机。该机巡航高度为7000米作战半径1500千米续航时间为30小时可以装载多种任务设备。高空高速无人机目前在国内有多家单位正在研制包括WZ-3000等飞机。这类飞机飞行高度可达12000米以上飞行速度在600～800㎞／h可以装载电子侦察设备、干扰设备、SAR等任务设备。1.2国外无人机的开展海湾战争后人们普遍认识到现代和未来的战场电磁环境日趋复杂电子战的作用和威力日显突出从而使得军事部门开始重视无人机在战争中的应用潜力。在美国典型的电子干扰型无人机是在海湾战争中使用的“勇敢者”-200/300干扰无人机、“苍鹰”无人机以及与德国合作研制的“杜肯”无人机等。“勇敢者”无人机是一种简单、可靠、灵活、廉价的一次性使用的小型无人机方案在“勇敢者”-200无人机上安装AN/ALQ-176雷达干扰机。“苍鹰”无人机上装备了雷达支援／雷达干扰一体化系统它是一种宽波段可重编程的雷达对抗系统能够自主截获和分析雷达辐射信号并根据威胁程度排出优先顺序从而对威胁做出快速反响。美国在海湾战争中使用的“先锋”型无人机装备雷达侦察和阻塞式干扰机用于和EF-11lA电子干扰飞机配合遂行对敌防空压制任务。在欧洲英国的GEC-马可尼公司正在为即将装备的“不死鸟”无人机研制“王者”系列电子战载荷其中包括两套电子情报载荷、一套雷达干扰载荷等现代电子设备。法国在无人机上成功地试验了一种通信干扰机：该干扰机为阻塞式的重13.6公斤频率覆盖范围为20～110兆赫。在此根底上又研制与生产了一种“多任务无人机用有效载荷系统”该系统包括一套全向阻塞式干扰机〔具有电子支援措施/测向和无线电通信中继功能〕、一部型化的雷达干扰机、一部合成孔径／动目标指示雷达和一台红外成像设备它可有效地执行电子战和侦察任务。另外法国陆军正在试验一种供无人机使用的名曰“袋貂”的情报载荷是一个无源系统用以探测敌方雷达的发射源发送供显示和分析用的雷达跟踪信息记录供飞行后分析用的数据它采用相干干预仪天线和接收机工作波段为E～J波段并有C和K波段选择能力视场180°瞬时覆盖范围90°测频精度2兆赫方位精度为1°。此外还与无人机制造商CAC系统公司一起研制和生产了专门用于电子战的FOX-TX无人机。该无人机重120公斤具有预先编程的5小时的巡逻能力飞行高度100～3500米飞行速度144公里/小时；其有效载荷重25公斤专用于电子情报的收集以及执行雷达干扰任务。FOX-TX无人机现已在法军服役。以色列很早就开展了供无人机用的电子战载荷的研究工作并且有的还经过实战考验。1982年叙以贝卡谷地战斗中以色列就使用于“猛犬”和“侦察兵”无人机充当电子诱饵和收集图像情报与信号情报取得了出色的战果。目前以色列正在研制的有AES-210电子战支援系统。该系统供无人机或直升机用。它能在极稠密的电磁环境下完成电子支援和雷达告警任务。作为一种可编程序的系统它是按模块化和柔性体系结构设计的。整个系统重45公斤工作频率0.5～18吉赫覆盖范围360°系统功率500瓦。此外还研制了供无人机和直升机用的SPS-65综合机载自卫系统。该系统重13公斤包括频率覆盖范围高达18吉赫的SPS-20雷达告警接收机和用于探测连续波与低有较辐射功率的SRS-25超外差式接收机以及LWS-20激光告警接收机。1.3国内外相关技术的开展现状在我国无人机技术的开展很快目前已经拥有大、中、小、超小、高空高速无人机5类非靶机类固定翼无人机。无人机上也装载了多种电子、光学设备。装载电子对抗设备完成对抗任务的电子战无人机在国内目前只有RKL165假目标无人机和RKT164通信对抗无人机。在研的型号有RKZl67中程电子对抗无人机系统、JWS01反辐射无人机。小型无人机控制半径一般为50千米目前已经有BZK-002高原型侦察无人机、JWS01反辐射无人机、RKLl65假目标无人机、RKTl64通信对抗无人机等多个型号。中型无人机目前有T-18中程无人机、WZ-2000无人机。作战半径600千米实用升限5000米续航时间10小时任务载荷50千克。任务载荷可以是航空相机、电视摄像机、红外行扫仪、电子侦察设备、电子干扰设备等。大型无人机目前有一个在研型号为BZK-005的中高空远程无人侦察机。该机巡航高度7000米作战半径1500千米续航时间为30小时可以装载多种任务设备。高空高速无人机目前在国内有多家单位正在研制包括WZ-3000等飞机。这类飞机飞行高度可达12000米以上飞行速度在600～800㎞／h可以装载电子侦察设备、干扰设备、SAR等任务设备。1.4无人机通信系统的研究及开展现状当前对于无人机通信系统的研究及应用集中在三个领域军用无人机战术数据链、民航数据链、民用小型无人机数据链下面简要给出当前三种数据链的研究现状。战术数据链战术数据链主要应用于各国军用系统上其中包含载人战斗机、无人机、舰艇、坦克、单兵等各种构成要素实现其各个节点的通信管理。自20世纪50年代开始北约等国开始研制并使用战术数据链先后开展了NATOLink1、Link4A/4C、Link11、Link11B、监视控制数据链〔SCDL〕Link14、战术通用数据链〔TCDL〕Link16、Link22等。其中使用较广的是Link4A、Link11、Link16和Link22。Link11基于网络通信技术与标准信息格式为空中、陆基、水下与船载战术数据系统间实施数字信息交换。Link11为低速数据链以60年代技术为根底。在主站管理通过主从方式进行轮询、应答实现组网通信。它的工作方式为半双工工作在UF、UHF频段数据速率分别为1364bps〔HF〕或2250bps〔UHF〕。Link11数据链被在北约部队中主要被用作海上数据链。Link16数据链基于TDMA协议、联合战术信息分发系统波形〔JTIDS〕和J序列消息标准构成的战术数据链工作频段在960-1215MHz之间。采用了跳频、直接序列扩频等抗干扰技术为美国陆、海、空各军种共同使用的一种大容量、高保密、强抗干扰、时分多址的战术信息分发系统具有相对导航、识别、任务管理、空中控制、监视、武器协同、保密话音和电子战等强大功能可以将各军种参战单位的终端设备连成一个统一的通信网络以实现战场态势共享统一指挥和协同作战。机间数据链〔IFDL〕是美军为其第四代战斗机开发的作战飞机编队协同作战数据链。IFDL采用的是Q频段的透镜多波束天线利用窄带波束使高速飞行的作战飞机实现实时数据交换可通过IFDL交换的包括瞄准信息、燃料状态和武器存量等。战术瞄准网络技术〔TTNT〕是一种高速、保密、基于IP的武器协同数据链主要用于实现目标探测、主动识别、瞄准、打击和毁伤评估的过程中各种作战信息的及时共享。由于应用环境的特殊性，TTNT具有很多现有数据链所不具备的特性。单条链路的最高速率可达2Mbps远远高于现有战术数据链的传输速率；最低延时低于2ms网络结构支持实时重构和灵活配置。2005年美国发布的无人机路线图中确定将来战术数据链的开展将围绕IP进行开展以适应低面平台的通用性需要。世界各个研究机构对于战术数据链的研究也很多。美国弗吉尼亚工业大学〔VirginiaPolytechnicInstituteandStateUniversity〕的Banks等人开展了用无人机平台进行本地多点数据效劳〔LMDS)的中继研究。希望能通过无人机机载的LMDS设备在两个城市间建立高速数据通道。美军通信与电子司令部〔CECOM〕与JPL实验室积极合作开展了大量的无人机通信载荷高级实验方案通过C-12有人运输机进行了相关的无人机平台的仿真实验。英国York大学的TimTozer等人与军方合作将GSM基站通过技术改造后由无人机搭载建立一个空中的“微基站”进行战区个人通信效劳实验验证了基于无人机通信平台的潜在优势。1.5研究背景小型无人机在军事领域的应用主要有二类：一类是用于侦察、干扰任务的无人机，另一类就是用于防空部队训练和演习的无人靶机。近年来我国的国防工业得到了迅猛的开展大量的新式装备列装投入使用部队训练、演习在强度和技术水平上大大加强军工科研部门的新式武器的研制试验工作也取得了较大的进展。其中在部队的训练、大型演习、高炮和导弹的试验中都对高性能的无人机提出了要求。2.无人机的测控系统无人机测控系统由机载和地面两局部组成。机载包括飞行控制器、无人机驱动系统、GPS接收机与电子罗盘定位系统、遥控与遥测发射系统等组成。地面局部称为地面站。地面站设备包括测控主站、副站、手操纵器、测控数传电台及天线、三角架等。随着各种新型无人机的不断出现和在军事上的广泛应用作为无人机电子信息技术核心的测控与信息传输〔TT&C〕系统被不断赋予更新更高的要求。为适应未来复杂的战场环境并满足无人机系统不同作战使用要求需要对无人机测控系统的开展思路进行统筹规划协调无人机测控系统技术的可持续开展。国内无人机测控系统经历了二十多年的开展根本实现了近、中、远程无人机测控要求并获得了根本型多目标测控通信、超视距测控中继及初步编队飞行演示能力技术状态到达了20世纪90年代末国外先进水平。本章结合国内外无人机测控系统开展现状概述了当前无人机测控系统在新形势下的军事需求分析了无人机测控数据链与指挥控制站开展现状及趋势提出了我国无人机测控系统开展模式设想及未来开展思路并归纳了相关关键技术。2.1无人机的测控系统现状及其存在问题2.1.1开展思路目前随着无人机系统在不同领域大量使用以及无人机使用环境的日趋复杂无人机单机遂行侦察与作战任务的局面正在改变无人机集群、编队及组网应用开始显现出其生命力组织多架无人机甚至是多架不同类型的有人机、无人机携带多种传感器协同执行任务将成为未来战场上一种重要的作战方式。在多无人机编队组网、无人机与有人机混合协同组网攻击等高级形式的应用中无人机系统可以把各种传感器、武器系统、指挥控制系统通过网络化有机地联系在一起以实现信息共享从而从整体上产生高效的协调大大提高作战效能从而形成一种集陆、海、空、天、电资源于一体的作战大系统。测控与信息传输系统是整个组网作战无人机大系统中的关键环节随着各国无人作战战略指导思想的不断开展测控系统正由传统的地空视距测控向综合了天基测控、自组网络、宽带数据链等综合技术于一体的天地一体化综合测控方向开展。在天地一体化综合测控系统开展模式设想图中包括了基于地基测控的视距多目标测控数据链、地空宽带数据链；基于天基测控的卫星中继数据链；自组网机间宽带高速数据链；独立子网通信数据链等多条测控与数据传输链路。根据这些数据链又可分别组成无人机测控数据网、无人机侦察数据网、宽带卫星中继通信网、宽带空空通信网、宽带地空通信网以及应急通信网等。测控数据网一般由窄带链路构成用于编队内部成员和编队组网之间的连接主要保证具有高抗干扰能力和高可靠性。对于宽带数据链路应考虑更高工作频段或考虑采用激光数据链。目前国内无人机测控系统视距链路传输速率已到达了25.6Mbit/s卫星通信链路到达了2Mbit/s卫星中继链路到达了51.2Mbit/s地空宽带数据链到达了137Mbit/s。对无人机测控系统开展规划我们认为到2010年需要研制开发传输速率更高的(不低于50Mbit/s)的视距通用测控与信息传输系统。卫星链路采用通信卫星或中继卫星采用通信卫星转发时传输速率可达8Mbit/s；采用中继卫星中继时传输速率可达100Mbit/s。对于无人机测控数据链与指挥控制站需要组织制定相应标准以确定其系统体系、对外接口和人机交互接口并以实现兼容与互操作为目标。与2010年相比到2015年视距链路可扩展到X/Ku频段传输速率可提高到300Mbit/s卫星路传输速率也可提高到300Mbit/s。需要开展通用化建设、互联互操作技术研究及激光与网络传输技术研究。指挥控制站可结合国外先进技术实现由通用指挥控制站(GCS)向战术控制系统(TCS)开展以适应未来开展型无人机测控与信息传输需要。到2020年针对未来无人作战飞机、无人机编队、机群作战和混合协同作战的需求研究开发能够支持无人机机群高度协同作战、支持无人机机间大容量数据交换、支持共享无人机机群信息的测控与信息传输网。指挥控制系统开展为面向任务控制的通用指挥控制系统〔UCS〕即能够根据操作员的任务要求(如区域监视、目标攻击)自动形成对各个任务飞机的任务序列并协同各飞机自动完成整个任务满足无人作战飞机对无人机测控的需要并开展互联互操作等关键技术演示验证。到2030年地-空测控链路数据传输速率将可开展到500Mbit/s(视距)卫星中继链路数据传输速率将适应中继卫星系统的开展(超视距)；并完善和开展Ku、Ka等更高频段的无人机视距测控系统、获得无人机组网应用能力；开展一对多、多对一测控系统；启动组网应用的无人机机间高速激光数据链路；开展通用化、系列化、标准化、自组网及多机协同技术研究。2.1.2关键技术为了不断提高无人机系统技术水平不仅要合理规划无人机测控系统技术开展路线同时还应开展相关关键技术研究主要包括下面七个方面。〔1〕多任务兼容与测控系统通用化及互操作技术无人机的通用化与互操作必须表达在两个层次上首先是在物理层上也就是数据链路的通用性包括频段、信号格式、数据格式等测控通信体制的统一这是一切互连互通的根底；其次是在应用层上也就是地面和指挥控制站的通用性包括操作控制方式、控制指令、数据处理方式、数据产品对外分发标准的一致性等。建议开展通用指挥控制技术与数据传输链路协议研究制定统一的技术标准或标准提高系统通用化、系列化、标准化、模块化水平。〔2〕一站多机的指挥控制技术美国雷声公司研制的无人机通用控制系统(UCS)据称是世界上第一个可同时操纵8架空中、陆地或海上无人机的地基驾驶舱其最大创新点是采用了游戏业的更好、更直观的操作体验技术。该系统能够将操作失误减少1/3并能降低军事训练和操作本钱。美国洛克希德#马丁公司利用因特网协议(IPv6)开展无人机指挥控制验证工程验证内容包括如何在多个授权用户之间分配指挥控制权如何利用单一的射频频谱和因特网协议地址操作多架无人机。可使用较小的地面控制站同时控制同一战区的几百架无人机并将极大地降低无人机系统的频谱压力。英国奎奈蒂克公司在2006年成功进行了一种新型无人机的控制和管理系统的验证试验初步验证了用有人机控制无人机群的技术。〔3〕一站多机的高速数据传输技术对侦察型和侦察打击一体无人作战机集群、编队以及网络中心战中的关键节点都存在多机同时需要进行高速数据传输的情况。合成孔径雷达(SAR)、高清晰度光电传感器的数据率高达每秒数十兆比特到数百兆比特。高比特率传输要求更高的载波(如X、Ku频段)、更宽带宽的信道、更低的灵敏度和更高的发射功率、性能更好的调制解调器。设计时需在体积、重量、功耗、发射功率、灵敏度、调制解调器性能之间折衷考虑。通常情况下还需考虑采用高效数据压缩技术以降低对信道带宽、发射功率等方面的要求。〔4〕新体制抗干扰、抗截获技术测控系统是无人机系统的生命线。在战争状态下无人机测控需要在复杂的电磁环境下生存需要具有较强的抗干扰能力以保障生命线的畅通。为提高无人机系统的生存能力隐蔽自身的战术意图克服无人机巡逻时隐蔽空中航路难的缺点测控系统的电磁辐射应采用低频谱密度的电磁辐射技术。目前测控系统上、下行信号进行了直接序列扩频传输个别系统采用了扩跳频混合体制而混沌扩频测控新体制在信息隐蔽、信号隐蔽、抗干扰能力方面都具有其独特表现。在飞行器测控领域混沌扩频新体制抗干扰、抗截获数据传输技术应用将可以在无人机测控方面首先取得突破。〔5〕激光通信数据链技术激光通信数据链可以提供比现有微波通信链路容量大的多的数据传输速率国外相关技术每秒可传输上百万兆比特的数据。到2030年前无人机测控系统需要到达500Mbit/s(视距)或以上的数据率卫星中继链路和无人机机间高速数据链路将需要提供更高的数据传输能力这可以在光通信新体制方面取得突破并开展实用性研究。〔6〕自组网测控通信技术无人机自组织网络能够形成不同的拓扑结构每个拓扑结构将与特定的任务、平台设置和通信传输需求相匹配。为使无人机自组织网络能够满足作战应用的性能指标同时使所需的根底设施或频率资源等的利用程度最小需要解决无人机自组织网络的网络拓扑结构结构控制、路由协议、网络管理、无人机自组织网络与航空通信网、陆军战术网、海军战术网以及民航空管网之间互连互通及互操作技术。〔7〕机载共形相控阵天线技术在无人机编队、协同、组网系统中天线种类和数量较多局部天线还需要具有高增益及全方位、大俯仰角度空域覆盖能力对宽波束扫描与波束捷变能力具有较高的要求。为满足这些要求并降低传统天线对飞行器造成的气动阻力机载天线与机体更高程度的共形将是开展方向将来可实现天线和飞行器蒙皮的一体化且天线的功能从单一孔径(测控与信息传输)开展到测控与信息传输、探测、侦察、干扰等多孔径传感器的综合。2.2无人机测控系统存在问题采用比例遥控和目视测量控制无人机的飞行无人机只能在可视距离内飞行〔一般2—3公里〕仅能满足一般高炮的根本动作训练应用范围有限。采用双通道无线遥控遥测虽能满足一般训练使用但是也存在以下问题：上行、下行分别采用无线电通信通道于是地面和机上就都有了二套电台、天线、频率一方面设备增加使系统复杂重量加大；另一方面在靶机上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电线极化方向是不同的而地面站架设的天线那么是二根天线全是垂直放置结果总是出现一路通信距离差的问题。靶机飞行前需要调参。而目前采用的方式是有线调参，即在靶机飞行场的地面站距发射架有数十米距离每次靶机发射时必须搬动地面站至飞机处调参使用极为不便。靶机可以在空中按预设航线程控自动驾驶飞行。目前的航线装定是有线装定。只能在靶机发射前有线装入航线。如果飞行时发现有偏差只能伞降回收后重新装定再升空飞行。性能太差使用中不能满足打靶需求。2.3新型无人机测控系统性能指标基于以上问题研制开发新一代无人机测控系统就成为一项急迫的任务。基于某型号无人机工程本文研制开发了针对目前军队使用的主要无人机的测控系统。主要功能和指标要求为：1.遥控命令：完成无人机32个遥控指令的上传指令周期小于等于1秒。2.参数装定：对靶机的8个参数〔Kθ、Kr、Kφ、Kh、γ左、γ右、θ：升、θ：俯〕采用无线方式实时的予以调整和装定。响应时间小于100ms。3.原点坐标装定：采用无线方式向靶机发出原点坐标值可以选择机上GPS当前值或人为设定值装订用时小于600ms。4.航线装定：可在地面准备和空中飞行过程中采用无线方式实时的向靶机逐点发出所选定的航线包括程控航线各点的序号、地理位置坐标值等。装订用时小于600ms×点数。5.通信距离：地面大于8Km。空中100km(飞行高度800m时)。6.空中传输速率：4800bps误帧率小于1%。7.连续工作时间：地面站大于4小时飞控系统大于2小时。经过开发、试验、方案设计、桌面调试、联合试车、小批量飞行试验研制成功了新一代无人机测控系统。这种新型测控系统采用单频半双工MSK数传电台由一个无线通道实现了靶机的测控一体。简化了设备降低了机载设备重量相同功率情况下提高了测控距离50%以上而且无人机参数调整、航线装定全部采用无线方式靶机在空中飞行中也可以进行航线装入和修改由于以上优点使测控系统的使用大大简化而功能又得到较大提高经部队屡次训练、演习使用获得好评。此外由于该测控系统设计中兼顾考虑了其它机型的测控要求所以可以方便地改装为其它机型测控系统使其可以在军事、民用无人机领域有广泛的应用。2.4无人机测控系统结构无人机测控系统是用于传输地面操作人员的指令引导飞机按地面人员的要求飞行遥测系统是传送飞机的飞行状态参数、位置坐标等供地面人员掌握机上信息并记录在飞行记录中以便调用复查。遥控、遥测系统简称为测控系统、设备平台为一体化设计。测控系统由地10面测控系统和机上测控系统组成。地面测控系统由测控主站、副站、副操纵器、测控数传电台及天线等设备组成。其中主站包括主操纵器、地面综合管理控制器、工控机、显示器。副站主要为测控提供电源、为电池充电以及盛装副操纵器和其它设备。机上测控系统按照遥控指令可完成无人机的机动、程控飞行等动作同时有数据采集局部可通过测控电台传送飞机的状态参数、位置坐标供地面人员实时监控飞机上的有关信息并存贮所有传送信息以便随时调用复查它是无人机和地面操作人员之间联系的纽带通过接收遥测信息地面操作人员可以得到无人机当前所有的飞行参数信息从而正确地操纵无人机完成飞行任务。其结构组成框图如图2-1。图2-1无人机测控结构3.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、天线的选择和安装姿态。3.1无人直升机飞行控制的特点及问题直升机是一个特殊的飞行器作为被控对象与固定翼飞机相比是一个更为复杂的动态系统。它在空间的运动除了具有六个自由度外(三个转动角速度和三个平移线运动)还有旋翼和尾桨相对于机身的旋转运动。直升机在空间的飞行有其独特的飞行状态:悬停、垂直升降、左右侧飞等。直升机的飞行控制直接影响到信号传输质量的上下和可靠性。直升机没有产生升力的机翼和专供操纵的舵面它的旋翼是主要支撑部件也是直升机有别于固定翼飞机的根本特点。固定翼飞机在空中飞行时升力主要靠与机身固定在一起的机翼产生前进力靠螺旋桨或喷气式发动机产生；而直升机的前进力、升力均要靠旋翼产生其旋翼既起到了固定翼飞机机翼的作用又起到了螺旋桨的作用不仅如此旋翼还起到了固定翼飞机副翼、升降舵的作用是直升机的关键部件。为了实现上述功能旋翼总的空气动力矢量即拉力不仅需要大小可变方向也要可以调节。可以看出直升机在飞行时旋翼处于复杂的周期变化的气动环境中。在离心力场中细长的有一定扰度的旋翼桨叶的各自由度之间存在着各种气动、惯性、结构及几何祸合旋翼和机体之间存在着复杂的祸合关系。此外旋翼旋转时引起的振动、噪声成为全机主要的振动源、噪声源。这些复杂的关系和因素极大地增加了直升机操纵和控制的难度。这样就为数据的传输产生一系列的干扰和不便。3.2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那么是二根天线全是垂直放置必然造成其中一路通信效果变差。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。3.3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。3.4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、四个反响回路、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〕反响回路四个反响回路：a.以TC-3D垂直陀螺仪构成的反响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响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.以气压高度传感器的输出信号作为反响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.以气压高度传感器的输出信号作为反响信号送到无人机的纵向控制通道上构成飞行高度的外回路。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响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操纵人、地面，遥测接收机到横向控制通道上进一步提高航迹的控制精度。在反响回路中以阻尼、带宽、静差、容错性为要点进行回路的反响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、高度保持模态、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那么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＋高度传感器＋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。3.5无人机的飞行控制无人机的飞行控制主要有：遥控飞行、自控飞行、遥控与自控结合。3.5.1遥控飞行遥控即对被控对象进行远距离控制使用的方法很多如有线遥控、无线电遥控、声音遥控、光学遥控等。其中无线电遥控是最重要、应用最广泛的遥控方式。(1)上传指令无线电遥控的根本过程：遥控站通过发射机向无人机发送无线电波传递指令无人机上的接收机接收并译出指令的内容通过自动驾驶仪按指令操纵舵面或通过其他接口操纵机上任务载荷。为了能正确发送遥控指令遥控站设有搜索和跟踪雷达它们测量无人机在任意时刻相对地面的方位角、俯仰角、距离和高度等参数并把这些参数送入电子计算机经计算后就能绘出无人机的实际航迹与预定航线比较就能求出偏差然后才能发出指令进行修正。此外无人机上还装有一部无线电应答器称为信标机。它是一种自开工作的小型收发信机能在收到跟踪雷达的询问信号后发回一个信号给雷达。由于信标机发送的信号比无人机反射的雷达信号强得多所以信标机可以起到增加跟踪雷达探测距离的作用。(2)下传信号遥控指令只包含航迹修正信号是显然不够的在飞行中无人时机受到多种因素的影响无人机的飞行姿态也在不断变化所以指令还需要包括对飞行姿态的修正内容。对飞行姿态的修正信息是通过“遥测”获得的即由无人机上的传感器测出被测对象的参数并转变为电信号然后用通信和数据传输技术将这些信息送到遥测终端。由计算机复原、分析这些信息就能给出飞行姿态的遥控修正指令了。3.5.2自控飞行自控飞行就是不依赖地面控制一切动作都自动完成的飞行。为此机上需要有一套装置以保证飞行航向和飞行姿态的正确。保证航向和姿态正确要有导航装置导航的方法很多最普通的是用罗盘指示航向其他有无线电导航、多普勒导航、惯性导航系统或捷联导航系统等。1.无人机“领航员”无人机可采用的自主式导航系统有多普勒系统、惯性导航系统或捷联式惯性导航系统等。〔1〕多普勒导航系统〔2〕惯性导航系统〔3〕捷联式惯性导航系统多普勒导航系统是利用多普勒效应实现的该系统由磁罗盘或陀螺仪表、多普勒雷达和导航计算机组成。磁罗盘或陀螺仪表的作用类似于指北针可测出无人机的航向角。多普勒雷达不断地沿着某方向向地面发出无线电波利用无人机和地面有相对运动产生多普勒效应测出雷达发射的电磁波和接收到的回波的频率变化从而计算出无人机相对于地面的飞行速度速度的方向就是该点航线的方向。由以上提供的数据导航计算机就可以不断地计算出无人机飞过的路线。惯性导航系统依靠感测到的飞机的运动加速度获得其速度和位置。加速度由加速度表利用物体惯性测得将加速度积分一次就得到速度积分两次就得到所经过的距离。惯性导航系统由稳定平台、计算机、控制〔显示〕部件组成。其突出优点是能给出精确的速度、姿态和方位数据工作不受环境条件和飞行状态的影响。缺点是部件加工精度要求高因而本钱高使用复杂飞行前需要较长时间的校准和加温时间；维护困难；导航精度随工作时间的增加而降低因此这种系统无人机上用得不多。捷联式惯性导航系统是一种没有陀螺平台的惯性导航系统要求有高速计算机其本钱更高目前尚未在无人机上使用。2.无人机上的“指挥员”指挥无人机沿预定路线飞行并执行任务的装置是“程序装置”。它负责比较由多普勒导航系统计算机输出的信号与预定信号的差异。假设有差异那么给自动驾驶仪一个信号命令它操纵舵面偏转以纠正航迹偏差。此外它还能给出命令控制机上其他设备动作。3.5.3遥控与自控结合实际上遥控与自控这两种控制方式常结合使用。一架现代无人机可以在不同的飞行段交替地采用遥控或自控飞行。这样可以充分利用遥控和自控两种控制方式各自的优势克服彼此的缺陷。4.无人机任务载荷与数据链路无人机的任务载荷是指安装在无人机上用于完成特定任务的设备或产品。无人机可携带的任务载荷的种类、功能在很大程度上决定了无人机的应用价值。无人机的数据链路是连接无人机飞行平台和地面控制站与地面指控人员的信息桥梁对于无人机平安飞行和完成任务必不可少。本章对无人机的任务载荷和数据链路进行简单介绍。4.1无人机的任务载荷20世纪60年代以来无人机在屡次局部战争中都有出色的表现被广泛应用与照相侦查、信号情报收集、阵地位置标识、直升机航路侦查、战场损失评估、人员搜救甚至对地攻击等任务。未来无人作战飞机还会用于空战。为了完成这些任务无人机上需要携带的任务载荷主要有光学相机、红外扫描仪、前视红外、激光雷达、电视摄像机、合成孔径雷达、多探测器转塔、打击弹药等。这些任务载荷可分为三大类：侦察监视类载荷、通信类载荷和武器类载荷。4.1.1侦察监视类载荷1.光学相机光学相机是古老成像设备也是最早在无人机上使用的侦查设备。其最大的优点是具有较高的分辨力目前其他成像设备还无法到达光学相机的分辨力。它的缺点是需要回收冲洗所以不能够满足实时情报需求。虽然其图像质量和分辨力高但是已经逐渐被电视摄像机取代。2.红外扫描仪红外扫描仪是一种热成像装置它利用扫描镜收集红外辐射并投射到红外探测器上形成红外图像信号用其调制光源并记录在感光胶片上构成红外照相机。页可以用这种红外图像信号调制视频通道然后经过数据传输系统发送回地面接收站。前者与光学相机一样具有缺乏实时性的弊病后者那么得以克服。红外扫描器属于机载无源探测设备，其最大的优势就是能够探测物体自然的红外辐射而不借助环境光的照射。因此，可以进行夜间的监视与侦查。不仅自身隐蔽性好，而且不受一般目视伪装的欺骗。红外扫描仪同样存在实时性差的特点，趋向于被前视红外器件所代替。3.前视红外设备前视红外〔FLIR〕，即热成像器〔TI〕，是一种通过光学系统把景物红外办事处红外敏感元件阵列上，并变换成视频电信号的红外成像探测器。前视，红外与点源红外探测器的区别在于，它具有较高的空间分辨力，能分辨出景物的各个细节，反映出景物自身热特征的图像。它探测景物自身红外辐射无需，环境光〔包括红外〕照射。因此，前视，红外是目前能在纯暗夜发挥作用，并且不会被目视〔可见光〕伪装和假目标欺骗的无可替代的夜间无源成像探测器，被广泛用于夜间图像情况探测设备中。前视，红外由于技术复杂、造价高，目前还不是无人侦察机普遍装备的实时成像探测设备。但它已是高性能昼夜全天候无人侦察机无可替代的设备。前视红外还常，作为核心，与电视摄像机或激光测距器/照射器综合成为多探测器转塔，昼夜执行多种任务。4.激光雷达激光雷达的波长短，不但可以探测到簇叶下的目标，还可以对目标进行分类，为作战部队提供目标的精确信息。美国科学应用国际公司研制了三维偏振测定闪光型激光，雷达。该激光雷达在100m—500m的高度生成瞄准点周围24mX24m区域的合成三维影像。通过偏，振识别，增加了目标与簇叶的反差，提高了系统的距离分辨力，使其超出〔基于脉宽和探测，带宽的〕传统极限。利用6ns长发射机脉宽进行的实验证明，被簇叶遮蔽的坦克类目标的距离分辨力为25mm，示遮蔽目标的距离精度为7mm。5.电视摄像机无人机上使用的电视摄像机都是电荷耦合器件〔CCD〕电视摄像机。它是一种用固态的电荷耦合器件代替早期的摄像管作为光电转换成像器件的黑白或彩色摄像机。目前，摄像机一般都采用焦平面阵列电荷耦合器件，其主要优点是体积小、质量轻、成效低、灵敏度高、抗冲击震动和寿命长，这使得它不仅用于监视侦察获取实时图像情报，而且用于辅助地面操纵员遥控驾驶。目前，该载荷在昼间图像情报探测设备中占统治地位，常和前视红外等组成多探测器转塔系统，满足全天候实时图像情报需要。6.全成孔径雷达〔SAR〕合成孔径雷达利用合成孔径天线和先进的信号处理技术，分析运动飞行器的一系列雷达扫描的多普勒频移而产生数百米宽的虚拟天线，可以获得远高于传统雷达的分辨力。它在夜间和恶劣气候时能有效工作，能够穿透云层、雾和战场遮蔽，高分辨力进行大范围成像。但设备质量和能量消耗都非常大，限制了它在无人机上的使用，目前只有大型无人机具备搭载合成孔径雷达的能力。但轻型天线和紧凑的信号处理装置的开展以及其本钱，的降低，使合成孔径雷达已经能够装备在战术无人机上。无人机本身的处理能力缺乏以处理合成孔径雷达的数据，因此需要通过大容量数据链向地面，站传输高分辨力图像的数据。合成孔径雷达的战术用途因能从其雷达图像中提取附加信息的一些工作模式而增加，另一很有希望的开展涉及将合成孔径雷达数据与来自其他传感器的数据进行组合。利用特定的操作模式对目标进行探测，，可以从雷达图像中获取更多的有用信息。提高合成孔径雷达的战术效用价值。7.多探测器转塔各种探测器都有自己独特的优缺点和应用范围，把它们，结合起来就可以长补短。把前视红外、电视摄像机，、激光测距照像等探测器综合，到转塔形式的多轴陀螺稳定平台，〔万向支架〕内，构成，一种能相对于无人机自由转动的多任务光电探测系统，就可昼夜执行监视和侦察任务的多探测器转塔。多探测器转塔目前公在少数高性能无人侦察机上使用。但是在改装升级和新机研制的图像探测设备中却占重要地位，这种由分立单探测器到综合多探测器的开展也是不可逆的。假设在多探测器转塔中引入武器精确制导设备，使任务载荷具有目标瞄准功能，对于无人侦察机“战斗化”，参与执行目标攻击任务具有重要作用。4.1.2通信类载荷无人机经常被用于执行通信中继和通信情报任务，这就需要携带相应，的通信类载荷。通信情报包括三个方面的内容：对发射源进行定位、接收信号和对接收到的信号进行技术分析。为了到达，更高的效率，通信情报要求提高信号敏感度，即降低无线信号的感应度。为了到达这一目的可以有三种途径，靠近发射源、提高天线效率和使用耦合信息处理技术。靠近发射源可以明显地提高通信情报的效率，但是越靠近对方，的发射源，对无人机平台的威胁就越大。为了提高，天线效率，美国空军研究实验开发了“信号飞行器”〔SensorCraft〕工程，将整个飞行，器的机翼都作为通信天线，大大提高，了无人机接收微弱信号的能力。耦合信息处理技术通过使用自身，发射的方式对接收到的微弱信号进行耦合叠加，放大该信号，以到达增强清晰度的目的。耦合信息处理技术目前有两种做法：第一种是通过对原始信号的过滤处理，分析出该信号的波长频率等，然后加以放大；第二种是对信号，进行交叉模糊函数处理。采用的这种方法，即使信号强度只有普通噪声的1/10，也可以将其复原出来。美国国防部认为目前在通信载荷领域的技术开展无法满足未来的需求，预测到2010年时，通信载荷领域的技术水平仅能满足那时需求的44%。为此，于1997年1月启动了将无人机作为通信平台的概念研究方案。该方案的核心目的是确定如何将无人机作为一种机载通信，节点〔ACN〕，其主要特征如下，：〔1〕与通信卫星相比，CAN能够更有效地满足战术通信需求。〔2〕CAN能够有效地弥补卫星通信在容量和连接上的缺乏。〔3〕在满足全球通信方面，卫星表优势；在局部，范围，CAN有优势。如果机载通信，节点能够更有效地使用其带宽，扩展其现在的陆地通信范围，进一步增大其抗干扰能力，那么，它将在满足战术通信需求方面更占有优势。实际上将无人机作为CAN的另一个优点，就是这套系统在后勤费用上占有很大优势。海湾战争期间，为了满足沙漠风暴行动，的通信需求，需要出去40架次的C-5飞机和24艘轮船。但如果用长航时无人机组成，的CAN系统来满足通信，需求，出去的无人机架次能够减少一半。4.1.3武器弹药类载荷无人作战飞机除了具有，常规的侦察载荷之外，更彰显其特点和作用的是用于执行攻击任务的武器类载荷。美国，等，兴旺国家在无人作战飞机武器载荷方面的研究具有很多可借鉴的地方。这里就对无人作战飞机已经及将来可能装备，的一些武器载荷作以介绍。1.联合直接攻击弹药〔JDMA〕为了探索一种低本钱、高精度投放常规炸弹的途径，20世纪80年代美国空、海军联合，实施了“先进炸弹系列”方案，最后将其更名为“联合，直接攻击弹药”。该系列炸弹是在美国，现役航空炸弹上加装不同类型的制导和控制组件而成，分三个研制阶段，目前已形成，一个具有第四代性能，水平的制导炸弹系列。第一阶段，是在现役的一批常规低阻炸弹上取下制导控制组件，加装稳定弹翼。第二阶段是在另一批炸弹上取下尾翼弹翼，加装惯导系统和GPS接收机、制导控制件，在头部加装，稳定弹翼，同时采用威力更大的爆破杀伤装药和新型引信。第三阶段是在现有的制导炸弹上加装全天候导引头，可能采用毫米波雷达导引头和合成孔径雷达导引头而不是红外成像导引头。该系列炸弹的最大投放距离15KM，加装导引头后，圆误差概率可达3m以内。这种能实现低本钱和高精度，的方法是可为借鉴的。2.小口径炸弹〔SDB〕小口径炸弹也称小型灵巧弹，是波音公司为美国空军研制的一种小型制导炸弹。1995年初，为了提高，F-117等隐身战机的攻击能力，美国空军决定开展一种新的小型武器。经过复杂的研制过程，该型弹于2007年服役。小口径炸弹采用双锥型弹头，在接近目标时，为增加炸弹的速度，活动尾翼套件可抛放。为了增加穿透能力，该弹得长细比为12：1，这使其能够穿透1.8m厚的混凝土。该弹采用硬目标灵巧引信，可以保证炸弹在完成穿透过程后爆炸。在12000m高度投放时，该型弹的飞行距离可达45km。3.低本钱自主攻击系统〔LOCCAS〕该系统是洛克希德•马丁公司为美国空军和陆军研制的一个联合工程，是一种小型、有翼的灵巧子弹药，可在战场上空待机飞行，。其携带的激光雷达导引头可对目标进行探测和测距，并进行自动识别和攻击。美国空军重视该工程是因为其本钱低、可攻击，移动目标以及可由隐身飞机的内置武器舱携带。目前，该子弹药已经验证了所有的飞行质量和制导性能。在投放4枚这种子弹药的情况，下，其战场搜索范围和防区外的投放距离呈线性下降关系。4.“海尔法”导弹洛克希德•马丁公司生产的113.5kg重、激光制导的AGM-114K型“海尔法”空地反坦克导弹，主要由MQ-1A“捕食者”无人机投射。该型导弹的导引头视野只有8°，只能直接瞄准发射，而且投射高度较低，约3000m，发射时飞机一般要降低高度，使无人机被击毁的概率增大。为此，美军在2005年研制AGM-114P型“海尔法”导弹。新弱的性能有很大的提高，，其视野增大到90°，可以进行离轴发射，攻击范围明显增大，同时，该型弱的发射高度也提高，到8000m，发射时飞机无需降低高度。美军称该型新弹将成为新研制的“天空勇士”、“猎人”B和“收割者”等，无人作战飞机的标准弹药。5.激光和卫星制导武器目前，无人作战飞机正向重型化方向开展。美国空军已改装成功MQ-9A无人作战飞机，且正在开展远程战略打击无人作战飞机。这些无人机将承当攻击，对方高价值战略目标的任务，需要威力，较大的精导武器系统。激光和卫星制导武器是此类无人作战飞机的倾向之一。为此，美国空军已将GBU-12激光制导炸弹改装使用在MQ-9A无人作战飞机上，正在将227kg重的GBU-38卫星制导，的JDAM和113.5kg的GUB-39改装在无人作战飞机上。该型导弹原使用在陆军16管发射装置上，制导装置采用非致冷红外，成像传感器和激光，导引头，射程40km，主要用于攻击装甲目标，改良型的射程可到达85km。6.新概念武器新概念武器是指运用声、光、电、电池和化学制剂等技术直接使有生力量或作战设备暂时或永久丧失作战功能，的武器。在这个武器体系中，定向能武器的研制已经取得一定进展。目前，定向能武器主要是激光武器、高功率微波武器和电磁脉冲武器。这三者也是未来无人作战飞机上首先可能使用的定向能武器中。激光武器是使用激光直接照射武器而将其杀伤的定向能武器。激光，武器患难夫妻武器中的杀伤程度，取决于激光，的波长、光束强度，、照射时间的长短、目标的通频带以及与目标的距离。目前，进行激光，武器研制，的国家主要有美国，、俄罗斯、英国、德国和法国等。美国国防部2002年8月明确表示，随着激光武器研制的快速进展，美国，空军和其他军兵种有可能将其装备在包括无人作战飞机在内的多种平台上。高功率微波武器是把高功率微波源产生的微波经过高增益天线定向发射出去，将微波能量聚集在狭窄的波束内，以极高的强度照射目标，从而产生杀伤和破坏效果。这种武器具有以下特点：一是其波束较激光波束宽，而且是光速武器，所以对跟踪目标的精度要求低，便，于解决活力控制问题；二是这种武器是对付隐身目标的有效手段，高功率微波发射装置本质上是相当于双基雷达的发射站，所以，外形设计不起作用；三是这种武器具有远距离干扰、近距离摧毁等多种杀伤效应，随着距离的变化，可连续对目标产生不同改制的杀伤效果。2002年10月初，美国高功率微波武器工程的专家透露，美国空军正研制的装备，无人作战飞机的高功率微波武器已经开展到成熟状态。电磁脉冲武器虽利用强电磁脉冲摧毁导弹或破坏雷达、通信系统和武器系统中电子设备或扰乱人的大脑神经系统而使人暂时失去知觉的武器，也成为射频武器，主要包括电磁脉冲弹，微秒波炸弹和电磁脉冲产生器等，。其对目标的作用形式和波长有关。长波电磁脉冲不会进入，目标的外壳内部，但可在目标导电外壳上产生感应电流和电压。假设波长大于目标尺寸，那么产生的感应电压和电流会很大，从而使内部，正常的电压和电流分布被破坏。目前，进行电磁脉冲武器研制的主要是美国、俄罗斯和英国。2002年8月，美国和英国的研究人员宣布已经成功设计了可用于无人作战飞机的电磁脉冲武器。4.2任务载荷的应用与开展无人机的非武器类任务载荷的研制工作已经有几十年的历史，其产品和应用都很广泛。本节对无人机任务载荷的应用和开展情况，进行简单阐述。4.2.1无人机任务载荷的应用情况本节以表格的形式说明不同用途无人机的载荷装备，情况。根据《舍菲尔德无人机手册2002》中无人机的用途和有效载荷统计表，总结无人机的用途和任务载荷应用情况，如表4-1所示，表4-2、表4-3和表4-4那么分别总结给出了局部战术无人机、战略无人机以及微小型，无人机的任务载荷装备情况。表4-1无人机的用途和任务载荷应用情况统计表 无人机类型分析工程生产型微型战斗型无人机用途侦查/监视/目标截获85%100%50%通信中继23%00电子情报11%00电子战17%00环境/气象观测4%00民用/科研5013%其他8%00有效载荷光学照相机15%00红外行扫描器8%00日光电视摄像机79%100%0微光电视摄像机8%10%13%红外摄像机/前视红外72%30%13%激光测距/照射器15%00雷达8%00合成孔径雷达16%025%电子情报13%00电子战21%00其他24%10%0不明3%10%40%表4-2局部战术无人机的任务载荷无人机任务载荷捕食者“天球”红外/电光多传感器监视系统，日光荣色电视摄像机，合成孔径雷达猎犬组合式电视/前视红外传感器，机载超高频数据中继系统，激光照射器和测距器，电子情报系统，雷达干扰机，通信干扰机先锋高分辨力电视摄像机，前视红外传感器，电光测距器，双探测器监视系统不死鸟MRT-S多任务转塔系统CL-289三透镜高速低空全景光学相机，红外行扫描器，视频数据发射机红隼“独眼巨人”红外行扫描器，可见光谱电荷耦合器件行扫描器，广角黑白电视摄像机，电光/红外传感器转塔。表4-3局部战略无人机的任务载荷机型任务载荷“全球鹰”综合传感器系统，组合式光电/红外传感器，合成孔径雷达“暗星”光电传感器，雷达传感器，电子/光学照相机“纳蚊”微光电视，红外扫描仪，电子支援设备，防化探测设备“扫描鹰”日光荣色摄像机，红外摄像机传感飞行器光电/红外传感器，摄像机，电子监听设备，合成孔径雷达表4-4局部微小型无人机任务载荷机型任务载荷“黑寡妇”电视摄像机“悬停飞”小型彩色摄像机TAE一些质量小于10g的载荷“大黄蜂”电视摄像机等，正在升级中“指针”黑白/彩色/微光/红外摄像机“乌鸦”红外摄像机等，“美洲狮”轻型红外摄像机4.2.2无人机任务载荷的开展趋势无人机任务载荷的开展执着之强劲是史无前例的。基于新材料、新技术和新概念的任务载荷研究方向众多，使无人机任务载荷正朝着多功能、高性能和综合性的方向开展。随着微电子技术、通信技术、计算机技术和航空技术的进步，无人机任务载荷的技术开展将主要聚焦在以下方面。1.提高红外传感器性能〔1〕开展第四代前视，红外系统。第四代前视红外技术〔又称灵巧焦平面，阵列技术〕将采用碲镉汞传感器和先进的信号处理技术，可以覆盖整个可见光波段和近、中、远红外波段，为飞机提供约100km的红外搜索跟踪能力。第四代前视红外系统准备用于“全球鹰”无人机的红外搜索与跟踪系统以及美国海军的E-2C预警机。〔2〕非制冷凝视焦平面阵列。红外探测器一般分为两类：光探测器和热探测器。热探测器与光探测器不同，热探测器要到达良好性能的关键是敏感远件与相邻元件、基板之间最大限度地绝热。热探测器一般可以工作在室温下，不需要昂贵的深冷制冷器。因此，，热电探测器也通常被称为非制冷红外探测器。非制冷红外探测器与凝视焦平面，阵列结合在一起，更适用于无人机。分析说明，非制冷红外凝视焦平面阵列可能成为近距、低本钱红外成像侦察设备的首选。它很适合战术无人机特别是微型无人机任务载荷的要求。2.提高电视摄像机分辨率电视摄像机逐步取代光学照相机在无人侦察机上广泛应用，电视摄像机正在进一步追求光学照相机的图像质量。电视摄像机与前视，红外特别是是深冷扫描线列前视，红外相比，，正在向体积小、质量轻的方向开展。微型无人机对任务载荷体积、质量的要求，促使任务载荷技术在微型化上会有重大突破。3.增强多光谱和超光谱探测器的探测能力多光谱探测技术可以探测不同的红外带宽、光谱甚至混合光和射频以及激光测距的频谱，将提供更多的信息并减轻信号处理负荷。未来的机载成像光谱仪可以在几十个甚至几百个波段成像，而不是只进行双波段的探测。采用中、低光谱分辨率的超光谱成像系统并结合知法的探测算法，可进行大面积搜索。中、低分辨力超光谱成像器件具有超强的目标探测能力，能够迅速发现目标，而且得到的数据量大大少于普通，光电成像器件，从而降低了数据处理负担。缺乏之处是难以进行目标识别。因此，将其与普通光电成像器件的高分辨力目标识别能力相结合，可兼得两种系统的优点。4.任务载荷安装与使用更加灵活无人机系统的结构日趋复杂，全寿命使用本钱也在不断增高，使用者越来越希望无人机具有执行多种不同任务的能力。受无人机任务载荷能力的限制，目前只有大型无人机具备执行多种