無人機其他系統(tǒng)

無人機其他系統(tǒng)無人機其他系統(tǒng)電氣系統(tǒng)第一節(jié)任務(wù)設(shè)備第二節(jié)控制站第三節(jié)通訊鏈路第二節(jié)無人機結(jié)合行業(yè)應(yīng)用，搭載不同的任務(wù)載荷，實現(xiàn)無人機的功能最大化。除動力系統(tǒng)以外，無人機順利執(zhí)行各種任務(wù)仍需電氣系統(tǒng)、控制站、通訊系統(tǒng)、任務(wù)設(shè)備等提供輔助支持。本章將詳細(xì)介紹無人機其他的必不可少的系統(tǒng)，有助于更清晰地了解無人機的結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)。學(xué)習(xí)導(dǎo)論1.了解無人機其他各系統(tǒng)的作用；2.掌握無人機電氣系統(tǒng)的組成及其各部分作用；3.了解無人機常用相機的種類；4.掌握可見光相機和紅外相機的結(jié)構(gòu)組成及工作原理；5.掌握無人機云臺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理；6.掌握無人機控制站的組成及其作用；7.了解無人機通訊鏈路的關(guān)鍵技術(shù)；8.掌握無人機通訊系統(tǒng)的組成及其作用。學(xué)習(xí)目標(biāo)電氣系統(tǒng)5.1電氣系統(tǒng)在無人機的應(yīng)用中，涉及到的動力、測控、飛行控制與管理、導(dǎo)航、任務(wù)設(shè)備等相關(guān)系統(tǒng)都需要使用各種形式的能源，為了使無人機上各個系統(tǒng)和設(shè)備正常工作，完成預(yù)定的功能要求，這就需要一整套的電氣控制系統(tǒng)，無人機的工作狀態(tài)與電氣系統(tǒng)有著密切的關(guān)系。因此，電氣系統(tǒng)是無人機系統(tǒng)的一個重要組成部分，它的工作狀態(tài)及運行直接影響到無人機和全系統(tǒng)的正常工作。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)對無人機電氣系統(tǒng)的要求，其正常工作應(yīng)該滿足以下要求：1）在無人機要求的工作條件下，電氣系統(tǒng)應(yīng)該能夠可靠地將穩(wěn)定的電能輸送給相應(yīng)的用電設(shè)備；2）在個別部件發(fā)生故障時，局部線路斷開或者短路時，電氣系統(tǒng)的其他部分不受影響，繼續(xù)保持正常工作；3）在應(yīng)急狀態(tài)下應(yīng)該保證應(yīng)急用電設(shè)備的供電質(zhì)量。電氣系統(tǒng)5.1.1無人機電氣系統(tǒng)的組成無人機電氣系統(tǒng)一般由電源、配電系統(tǒng)、用電設(shè)備三大部分組成，其中電源和配電系統(tǒng)兩者統(tǒng)稱為供電系統(tǒng)。供電系統(tǒng)的作用是向無人機各個系統(tǒng)或設(shè)備提供滿足預(yù)定設(shè)計要求的電能。配電系統(tǒng)應(yīng)將電能可靠而有效地輸送到各用電系統(tǒng)和設(shè)備，可靠有效就是指用電設(shè)備獲得穩(wěn)定持續(xù)的電壓值。配電系統(tǒng)由傳輸電線和控制與保護裝置組成。對于重要的系統(tǒng)或設(shè)備，還應(yīng)設(shè)有多路獨立的供電裝置。當(dāng)配電系統(tǒng)中發(fā)生局部性的故障時，不能擴大影響到未發(fā)生故障的部分，更不能危及無人機的安全。用電設(shè)備主要包括動力設(shè)備、監(jiān)測設(shè)備、任務(wù)設(shè)備、控制設(shè)備、通訊設(shè)備等，具體有飛控計算機、傳感器、測控設(shè)備、回收設(shè)備、合成孔徑雷達(dá)、光電平臺、航空相機、自衛(wèi)干擾設(shè)備等。根據(jù)電氣系統(tǒng)的位置，無人機電氣系統(tǒng)又可以分為機載電氣系統(tǒng)和地面供電系統(tǒng)兩部分。機載電氣系統(tǒng)主要由主電源（或發(fā)動機啟動電源）、應(yīng)急電源、電氣設(shè)備的控制與保護裝置及輔助設(shè)備組成。電氣系統(tǒng)5.1.1無人機電氣系統(tǒng)的組成機載主電源主要是為小型無人機提供續(xù)航動力，同時為機載用電設(shè)備供電，要求滿足高比能量、寬溫度范圍(尤其低溫性能)、高比功率、長工作時間等性能，主要采用單獨的鎘鎳電池、鋅銀電池、鋰離子電池、鋰硫電池、太陽能電池等。發(fā)動機啟動電源，主要用于發(fā)動機地面啟動或空中啟動，要求能大倍率放電，放電能力達(dá)10～30℃(尤其－20℃或更低溫度下啟動)。應(yīng)急電源，主要用于發(fā)電機或發(fā)動機等故障時，可維持飛行、著陸、安全控制等所必須的關(guān)鍵設(shè)備供電，要求具備一定的放電能力，關(guān)鍵是安全可靠。當(dāng)然，啟動電源和應(yīng)急電源，有時候可用同一電源承擔(dān)。啟動電源和應(yīng)急電源常采用鎘鎳電池、鋅銀電池、鋰離子電池、鋰硫電池、燃料電池等，常具備電池監(jiān)測系統(tǒng)和電池管理系統(tǒng)（BMS）。電池監(jiān)測系統(tǒng)主要適時地監(jiān)測電池的電壓、溫度、容量等基本參數(shù)，確保各用電設(shè)備都在正常電壓下安全工作。電池管理系統(tǒng)可以通過降低組件閑置時的能耗，節(jié)約能源，具有較好的信噪抑制比和順勢響應(yīng)，延長電池的壽命?，F(xiàn)無人機常用的是集成電源管理單元PMU，同時具備電池監(jiān)測和管理的功能，集成化有效地縮小了產(chǎn)品體積，利于搭載在小型無人機上。無人機機載電源常用組成形式見表5-1所示。1.電源電氣系統(tǒng)5.1.1無人機電氣系統(tǒng)的組成國外無人機電源基本上以混合體系居多，比如太陽能+鋰離子電池或鋰硫電池或燃料電池、發(fā)動機+蓄電池等，而小型無人機則以單獨鋰離子電池或燃料電池居多。鋰離子電池以其其能量比高、工作電壓高、自防效率低、循環(huán)壽命長等優(yōu)越的特性，逐漸將在航空領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用。為全面提高無人機機動性和戰(zhàn)場生存能力，擴大活動范圍，無人機也將向著小型化、微型化和高空長航時等方向發(fā)展，為適應(yīng)無人機的工作環(huán)境需求，無人機用鋰離子蓄電池應(yīng)該向以下三個方面發(fā)展：（1）高比能量方向比能量是指單位重量或單位體積的電池所能輸出的能量，單位是W·h/kg或W·h/L。（2）寬溫度范圍大功率方向執(zhí)行不同業(yè)務(wù)的無人機在不同高度飛行時，由于大氣層溫度以每1km海拔6℃的梯度降低，當(dāng)無人機在10km高空時，空氣溫度可降低到-40℃。另外，當(dāng)無人機在極寒地區(qū)啟動時，這對鋰離子電池的低溫性能也是一種嚴(yán)峻的考驗。（3）電池管理方向無人機空間體積有限，要求機載電池管理向輕量化、小型化發(fā)展；單體電池作為相同個體便于統(tǒng)一管理，提高單體電池的一致性；（4）高安全可靠性方面無人機在高空飛行時不具備可維修性，一旦在空中飛行時電池方面出現(xiàn)故障，存在經(jīng)濟損失或威脅他人生命的問題。1.電源電氣系統(tǒng)5.1.1無人機電氣系統(tǒng)的組成所以，無人機電源發(fā)展趨勢及特征為低成本、高比能量、寬溫度范圍、大功率、不規(guī)則形狀、高安全性、高性能控制器、混合能源等。無人機電源難點在于高比能量與低溫大功率兼顧、低溫容量保持率、熱管理、控制器集成化、供配電智能化、小型化、輕型化、高安全可靠性等。1.電源電氣系統(tǒng)5.1.1無人機電氣系統(tǒng)的組成配電系統(tǒng)的主要作用是依據(jù)設(shè)備的用電要求，對電源系統(tǒng)的電能進行合理的分配和控制，其中核心設(shè)備是配電控制器。配電系統(tǒng)按控制方式可分為集中控制方式、分散控制方式和集散控制方式。目前常用方式是分散控制方式和集散控制方式。為了滿足用電設(shè)備的供電要求，啟動發(fā)電機通過差動低限保護器接于主匯流條，蓄電池通過蓄電池接觸器接于應(yīng)急匯流條，兩者之間接有阻斷二極管，這樣確保電流只能由主匯流條向應(yīng)急匯流條供電，而蓄電池的電能不會反向留到主匯流條。其配電控制器的工作原理如圖5-1所示。2.配電系統(tǒng)電氣系統(tǒng)5.1.1無人機電氣系統(tǒng)的組成在傳統(tǒng)的無人機電源鏈中，一般由一個渦輪發(fā)電機提供三相交流電源，通過整流器轉(zhuǎn)換為270V直流電源，在通過DC-DC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為48VDC電源或28VDC電源。無人機上的其他用電設(shè)備，包括雷達(dá)、相機、GPS、飛控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸鏈路等，每一個都需要一個3.3V、5V和12V等的電源電壓，這也是通過DC-DC轉(zhuǎn)換器由母線48VDC或28VDC轉(zhuǎn)換提供。整流器是電氣系統(tǒng)中比較常見的設(shè)備，可以由真空管、引燃管、固態(tài)矽半導(dǎo)體二極管、汞弧等制成，其功能主要由兩個：一是將交流電（AC）轉(zhuǎn)換為直流電（DC），經(jīng)濾波后提供給用電設(shè)備或逆變器；二是為蓄電池提供充電電壓。DC-DC轉(zhuǎn)換器是在直流電路中有效的改變固定輸出電壓的轉(zhuǎn)換器，一般是由芯片、電感線圈、二極管、三極管及電容組成。按用途可分為升壓型轉(zhuǎn)換器和降壓型轉(zhuǎn)換器。一般做成集成電源模塊，安裝在電路板上，便于集中管理。3.其他設(shè)備電氣系統(tǒng)5.1.2系留無人機電氣系統(tǒng)所謂系留無人機系統(tǒng)是通過地面起降平臺將無人機長時間懸停在空中進行作業(yè)。整個系統(tǒng)可以獨立安裝，也可安裝在車上，并自動跟隨車輛移動，如圖5-2所示。系留無人機供電系統(tǒng)是通過超輕型光電復(fù)合系纜將地面電源設(shè)備與機載電源模塊連接，其基本原理過程是地面電源的220V交流電通過整流升壓后通過系纜傳輸?shù)綑C載電源，再降壓變換為飛行器和任務(wù)載荷所需電壓，如圖5-3所示。電氣系統(tǒng)5.1.2系留無人機電氣系統(tǒng)系留無人機與其他無人機最大的區(qū)別就在于供電方式的不同。從地面向空中的系留平臺供電必須經(jīng)過一定的輸電距離，通常采用高壓輸電方式（系纜光纖）來減小輸送電流，從而減少電能的損耗。系纜結(jié)構(gòu)組成，如圖5-4所示。系纜主要有兩個功能，一是傳輸動力電源，二是傳輸平臺載電子設(shè)備的光電信號。為了減少系留平臺的重量，平臺載電子設(shè)備除了天線、發(fā)射機以外一般均留在地面，通過系纜光纖保證平臺與地面設(shè)備之間的電子信號的傳輸。這樣既可以節(jié)省平臺的升力，還可以增加升空高度。任務(wù)設(shè)備5.2.1概述近幾年來，隨著科技發(fā)展、技術(shù)外溢、產(chǎn)業(yè)鏈完備、成本下降和軍民融合，軍用無人機應(yīng)用正逐步向多種民用行業(yè)發(fā)展，如農(nóng)業(yè)、石油、電力、檢災(zāi)、林業(yè)、氣象、國土資源、警用、海洋水利、測繪、城市規(guī)劃、物流等，形成“無人機+”且市場規(guī)模迅速擴張?！盁o人機+”是指無人機與不同行業(yè)的完美融合，實現(xiàn)提高工作效率、避免生產(chǎn)事故、節(jié)約成本等目標(biāo)。。無人機與不同行業(yè)的融合，決定了無人機可以搭載不同的任務(wù)載荷。這些任務(wù)設(shè)備在各行各業(yè)具體應(yīng)用情況如下：8.水利方面—海洋環(huán)境監(jiān)測、水資源開發(fā)、生態(tài)環(huán)境保護監(jiān)測、洪澇災(zāi)害監(jiān)測、干旱缺水監(jiān)測、水環(huán)境污染監(jiān)測、河床河道監(jiān)測、內(nèi)陸湖泊及水庫監(jiān)測和農(nóng)田灌溉監(jiān)測等4.抗震救災(zāi)方面—災(zāi)情監(jiān)測、應(yīng)急指揮、地震調(diào)查7.警用方面—交通巡邏、邊境巡視2.林業(yè)方面—森林防火、森林災(zāi)害防治、保護區(qū)野生動物監(jiān)測1.農(nóng)業(yè)方面—農(nóng)業(yè)植保、農(nóng)作物數(shù)據(jù)監(jiān)測3.電力石油方面—電力巡線、石油管道巡檢10測繪方面—測繪、航空攝影測量9.城市規(guī)劃—城市規(guī)劃、市政管理5.氣象方面—空氣監(jiān)測6.國土資源方面—礦產(chǎn)資源勘探、國土資源開采任務(wù)設(shè)備5.2.2相機搭載不同任務(wù)載荷的無人機在各行各業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛，目前無人機應(yīng)用最廣泛、最成熟的是航空拍攝。顯而易見，航拍搭載的任務(wù)設(shè)備是“相機”，我們將各種拍攝儀器統(tǒng)稱為相機。針對搭載于無人機的相機，在性能、技術(shù)方面的具體的要求如下：1）由于無人機載重能力有限，要求相機體積小、重量輕。2）無人機在低空中飛行，易受風(fēng)向、風(fēng)力的影響，要求相機防抖動能力強。3）將拍攝圖像實時傳輸?shù)降孛婵刂普?，要求無線圖傳系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。任務(wù)設(shè)備5.2.2相機（1）根據(jù)相機輸出信號形式不同，相機可分為模擬相機和數(shù)字相機模擬相機的輸出信號為標(biāo)準(zhǔn)的模擬量視頻信號，需要配專用的圖像采集卡將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，以便運用計算機對視頻信號進行后期處理及應(yīng)用。其主要優(yōu)點是通用性強、成本低，缺點是分辨率較低、采集速度慢、圖像質(zhì)量差。這種相機在早期機器視覺系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，但目前應(yīng)用越來越少。數(shù)字相機的輸出信號為數(shù)字信號，在相機內(nèi)部安裝了集成的A/D轉(zhuǎn)換電路，直接將模擬量圖像信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，可直接在電腦或電視屏幕上顯示，具有圖像傳輸抗干擾能力強、分辨率高、精度高、清晰度高等優(yōu)點。現(xiàn)無人機搭載的相機均為數(shù)字相機，滿足航拍攝影的各項要求。（2）根據(jù)光源波長不同，相機可分為可見光相機和紅外線相機太陽輻射出的光譜根據(jù)波長不同可分為三部分：紫外線（波長<380nm）、可見光（380nm<波長<780nm）、紅外線（波長>780nm），如圖5-5所示?？梢姽庀鄼C拍攝的影像可以充分地反映整個場景的細(xì)節(jié)信息，但可見光傳輸易受環(huán)境影響，在迷霧、雨雪、塵埃天氣時穿透力差，探測距離受一定限制。紅外線相機是利用熱輻射，將超過人眼觀測的紅外波段信息轉(zhuǎn)換成可見信息。紅外相機可以識別熱目標(biāo)，探測距離遠(yuǎn)，但是圖像對比度差，細(xì)節(jié)信息不豐富。1.相機分類任務(wù)設(shè)備5.2.2相機（1）成像原理無人機任務(wù)搭載的是數(shù)碼相機，其成像是利用電子傳感器把光學(xué)影像轉(zhuǎn)換為電子數(shù)據(jù)，進行存儲或無線傳輸。采用數(shù)碼相機滿足了任務(wù)載荷質(zhì)量小的要求。根據(jù)電子傳感器工作原理的不同可分為兩種，一種是光感應(yīng)式的電荷耦合器件（CCD），另外一種是互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）。CCD的優(yōu)勢在于成像質(zhì)量好，但其制作工藝復(fù)雜，成本較高，在相同分辨率的情況下，CMOS價格相對較低，但圖像質(zhì)量也相應(yīng)變差。（2）技術(shù)參數(shù)在使用可見光相機進行拍照時，畫幅和焦段主要影響照片的效果；分辨率、幀數(shù)、碼率三個因素直接影響視頻的畫質(zhì)。畫幅是指相機最核心的部件感光元件的面積，感光元件的作用是將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，其面積會直接影響成像的質(zhì)量。畫幅大小是判斷畫質(zhì)的最根本的標(biāo)準(zhǔn)，畫幅越大，成像質(zhì)量相對越高。但是增大畫幅就會增大相機的重量，對于無人機來說，也就意味著更大的載重，所以除了大型飛行平臺可以隨意搭載更大畫幅的專業(yè)相機以外，消費級無人機相機主要以4/3畫幅以下的一體式云臺相機為主。焦段是直接影響了無人機相機的視角大小。由于無人機載重問題，一般相機采用定焦鏡頭，無法改變焦段，所以焦段選擇尤為重要。對于視角開闊的天空來說，廣視角的短焦鏡頭雖然更好，但是會帶來圖像畸變的問題，影響畫面質(zhì)感?，F(xiàn)階段航拍相選擇兼顧廣視角和畸變小的20mm至35mm焦段的鏡頭，F(xiàn)OV一般在94?至63?之間。當(dāng)小于此范圍時，視角會過于狹小，超過此范圍時拍攝畫面就會略有畸變。錄制參數(shù)，包括分辨率、幀數(shù)和碼率。這些是影響錄像畫質(zhì)最直接的參數(shù)。分辨率決定了輸出畫面的大小，現(xiàn)常見視頻是1080P，但在錄制時要求分辨率達(dá)4K。所以相機是否支持4K對于航拍而言十分重要。幀數(shù)是1s鐘可拍攝的畫面的數(shù)量。常見的視頻一般在24幀至30幀之間。當(dāng)拍著特殊場景如展示流暢動作或慢動作時則需要幀數(shù)在60幀以上的相機。碼率決定了每s鐘采集的數(shù)據(jù)量。顯而易見，采集的數(shù)據(jù)越多畫面越精細(xì)，當(dāng)然生成的文件越大。當(dāng)分辨率和幀數(shù)一樣時，碼率決定了畫面的優(yōu)劣。2.可見光相機任務(wù)設(shè)備5.2.2相機

3.紅外線相機（2）紅外線相機分類物體既可以反射也可以輻射紅外線，所以將紅外相機分為主動式和被動式。主動式紅外線相機是通過主動照明，在全黑條件下工作，利用不同物體對紅外輻射的不同反射特性成像。被動式紅外相機是利用物體自然輻射的紅外線進行成像。

1)紅外夜視儀紅外夜視儀屬于主動式紅外相機，其自帶紅外光源，是根據(jù)被成像物理對紅外光源的不同反射率以紅外變像管作為光電成像器件的紅外成像系統(tǒng)。紅外夜視儀成像清晰、對比度高、不易受環(huán)境光源的影響，但因其自帶紅外光源，易被紅外探測器捕捉到，易暴露自身，不利于軍事應(yīng)用。紅外夜視儀主要由光學(xué)系統(tǒng)、紅外變像管、紅外探照燈、高壓電源四部分組成

2)紅外熱像儀紅外熱像儀是被動式紅外相機。紅外輻射普遍存在與自然界，收集并探測這些輻射能，就可以形成與景物分布相對應(yīng)熱成像，顯示出景物特征。紅外熱像儀一般由光學(xué)系統(tǒng)部分、紅外探測與制冷系統(tǒng)、電子信號處理系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)四大系統(tǒng)組成。其中核心器件是紅外探測器。所有的高于絕對零度的物體都會輻射，但溫度越高的，輻射越多，為了拍攝溫度較低的景物，可以采用主動紅外相機。任務(wù)設(shè)備5.2.2相機（1）多光譜相機多光譜相機是在可見光的基礎(chǔ)上向紅外光和紫外光兩個方向擴展，并通過各種濾片或分光器與多種感光膠片的組合，使其同時分別接受同一目標(biāo)在不同窄光譜帶上所輻射或反射的信息，即可得到目標(biāo)的幾張不同光譜帶的照片。4.其他常用相機（2）合成孔徑雷達(dá)（SAR）合成孔徑雷達(dá)主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，用于偵察戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)并對其進行定位和識別。由于雷達(dá)發(fā)射的電磁波作用距離遠(yuǎn)且穿透力強，所以其優(yōu)點是在天氣、煙霧、樹林和夜間等惡劣環(huán)境下，偵察能力突出。SAR在民用領(lǐng)域的應(yīng)用主要是資源勘探、大地測量、災(zāi)情監(jiān)測等方面。合成孔徑雷達(dá)主要由雷達(dá)單元、天線、圖像處理器、運動敏感裝置等組成，如圖5-7所示。其中由雷達(dá)單元發(fā)射雷達(dá)脈沖信號，天線輻射至要探測的地面區(qū)域并接受目標(biāo)位的回波信號，由圖像處理器對回波信號進行幅度和相位的適當(dāng)加權(quán)，實時形成高分辨率的雷達(dá)圖像，并通過數(shù)據(jù)線路實時傳回地面。任務(wù)設(shè)備5.2.3云臺云臺可分為固定云臺和電動云臺兩種，如圖5-8所示。固定云臺一般用于拍攝范圍不大的情況。固定云臺可根據(jù)需求調(diào)整設(shè)備的水平、俯仰角度，確定最佳拍攝姿態(tài)鎖定調(diào)整機構(gòu)即可。電動云臺適用于大范圍進行掃描拍攝的情況。一般在云臺旋轉(zhuǎn)軸上裝有電機，可通過手動或遠(yuǎn)程控制云臺旋轉(zhuǎn)或者通過程序控制其按照一定的運動規(guī)律自動旋轉(zhuǎn)，從而得到全方位的拍攝。根據(jù)云臺的旋轉(zhuǎn)軸數(shù)可分為二軸云臺和三軸云臺，二軸云臺只具有空間兩個轉(zhuǎn)動自由度，可以對目標(biāo)進行跟蹤，并提供目標(biāo)視線角的二維信息，但是缺少空間三維轉(zhuǎn)動自由度，存在跟蹤盲區(qū)。三軸云臺能夠彌補二軸云臺的這個缺陷，消除盲區(qū)。1.云臺的分類任務(wù)設(shè)備5.2.3云臺穩(wěn)定云臺是機載相機的載體，用來隔離無人機姿態(tài)的變化以及機體震動、風(fēng)阻力矩等擾動，保證無人機機載相機的視軸穩(wěn)定。無人機機載相機能否正常拍攝出高質(zhì)量的低空遙感影像，關(guān)鍵是相機的視軸相對地面保持穩(wěn)定。因此，在相機拍攝的過程中，要求無人機始終保持水平、勻速地飛行，并且還要保持無人機姿態(tài)的穩(wěn)定。當(dāng)無人機勻速穩(wěn)定地飛行時，機載相機視軸能夠均勻地掃描地面，從而能夠獲得高質(zhì)量、無失真的低空遙感圖像。實際中，空中的風(fēng)速、氣流以及風(fēng)向的變化都會引起無人機的姿態(tài)發(fā)生變化，而且當(dāng)無人機體積越小、重量越輕時，這種影響就越為嚴(yán)重。無人機姿態(tài)變化的直接影響是相機光軸抖動，從而導(dǎo)致獲得的圖像發(fā)生畸變。由于無人機載荷和功耗的限制，在滿足云臺功能的基礎(chǔ)上，要求云臺重量輕、體積小、結(jié)構(gòu)簡單易裝配。云臺系統(tǒng)主要由主控制器、姿態(tài)反饋元件、執(zhí)行機構(gòu)、機械框架（分為二軸和三軸）四部分組成，如圖5-9所示。在云臺系統(tǒng)的機械框架中，要安裝一定的減震機構(gòu)，通過柔性結(jié)構(gòu)吸收來自無人機運動過程中產(chǎn)生的振動。減震機構(gòu)一般姿態(tài)反饋元件為安裝在相機殼體內(nèi)的慣性傳感器MPU6050，用來感知并實時捕捉相機殼體在運動過程中的偏移角度、在旋轉(zhuǎn)軸方向的角度偏移和震動情況，并把相應(yīng)的角度和加速度信號傳遞給主控制器，通過主控制器的姿態(tài)解算器模塊和PID控制器處理模塊，將反饋信息傳遞給執(zhí)行機構(gòu)電機驅(qū)動器，再由電機驅(qū)動器輸出PWM信號至直流無刷電機調(diào)整旋轉(zhuǎn)軸的位移及角度，以實現(xiàn)穩(wěn)定圖像的目的。2.云臺結(jié)構(gòu)及工作原理任務(wù)設(shè)備5.2.3云臺現(xiàn)安裝在無人機上的云臺多為高精度三軸增穩(wěn)云臺，包括內(nèi)框軸、中框軸、外框軸（圖5-10）。每一個轉(zhuǎn)動軸搭載一個電機。操作者可以操控俯仰角度（-90?～+30?）和朝向角度（-320?～+320?）2.云臺結(jié)構(gòu)及工作原理任務(wù)設(shè)備5.2.3云臺目前無人機云臺常使用的材料的物理特性參數(shù)見表5-2所示，可分為三種，第一種是以不銹鋼和鋁合金為代表的金屬材質(zhì)，這類云臺安全性能高、剛性好，但是重量較大；第二種是以碳纖維板和碳纖維管為主，這類云臺質(zhì)量輕，但是剛性不足穩(wěn)定性差；第三種是使用光敏樹脂材料以3D打印技術(shù)制造的云臺，光敏樹脂原本為液態(tài)，在3D打印過程中在紫外線的作用下迅速聚合固化，固化后的樹脂材料具有良好的物理特性，質(zhì)量輕、韌度強、耐高溫和腐蝕，這類云臺制作簡單、精度高，但是同樣具有剛性不足的缺點。3.云臺材料的選擇在選擇云臺材料時，要考慮三個問題：一是考慮云臺的工作環(huán)境，在一定風(fēng)速、加速度下工作，且在高溫和低溫環(huán)境下受影響??；二是針對小型無人機，考慮云臺尺寸和質(zhì)量都要??；三是考慮經(jīng)濟性，根據(jù)不同部分受力強度不同，選擇不同的材料。任務(wù)設(shè)備5.2.3云臺在三軸云臺結(jié)構(gòu)中，云臺正常工作情況下應(yīng)力最集中的部件是航向框架和橫滾框架，所以該部分一般選擇機械強度大、重量輕的材料，綜合考慮選擇鋁合金作為航向、橫滾框架的最佳材料。固定相機的相機框和俯仰軸機械強度要求低，但要求韌性好、質(zhì)量輕，可選3D打印用光敏樹脂作為材料。云臺減震機構(gòu)承載了云臺全部的重量，要求云臺有較好的機械強度和抗拉強度，常選用質(zhì)量輕、輕度大的碳纖維作為減震機構(gòu)材料。無人機機載相機的成像質(zhì)量在很大程度上受到無人機飛行姿態(tài)變化的制約，要使機載相機視軸的穩(wěn)定，就必須為相機提供一個具有空間穩(wěn)定性的慣性平臺。穩(wěn)定云臺由于能夠隔離機體的擾動，因此逐漸成為高精度航空測量系統(tǒng)的重要組成部分。同時，為了使相機視軸能夠靈活地在指定的航道角度上切換，穩(wěn)定云臺還可以按照給定指令進行轉(zhuǎn)動。因此，從伺服控制的角度來看，機載相機穩(wěn)定云臺，其實質(zhì)是視軸穩(wěn)定與目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)。目標(biāo)跟蹤是在視軸穩(wěn)定的基礎(chǔ)之上進行的，控制視軸指向目標(biāo)位置，高精度的視軸穩(wěn)定和目標(biāo)跟蹤性能要通過先進的控制算法的精心的設(shè)計來實現(xiàn)。3.云臺材料的選擇任務(wù)設(shè)備5.2.3云臺操控者通過遙控器與接收機兩部分完成了人機之間的無線傳輸。遙控器是地面端用于發(fā)射遙控指令，接收機通過串口與云臺的控制器相連，用于接受指令并將指令傳輸?shù)皆婆_控制器。其中相關(guān)參數(shù)有：（1）通信頻率常用的無線電頻率為72MHz和2.4GHz，早期主要使用72MHz，遙控器上可見長長的遙控天線，目前2.4GHz多為遙控頻率選擇，屬于微波頻率，其優(yōu)點是頻率高、同頻幾率小、功耗低、反應(yīng)迅速、控制精度好等。（2）調(diào)制方式遙控信號等調(diào)制方式一般分為PCM和PPM兩種編碼方式。PCM編碼是指脈沖信號的編碼方式，PPM是高頻電路的調(diào)制方式。在無人機信號之間的傳輸PCM編碼相對于PPM編碼更有優(yōu)勢，因為它具有良好的傳輸特性，較強的可編程性，抗干擾性能強。這樣可在節(jié)約成本的前提下進行各種性能優(yōu)化設(shè)計，而采用PPM編碼的遙控設(shè)備相對簡單且成本低，但是容易受外界影響。（3）通道數(shù)一般來說，遙控器的一個通道對應(yīng)一個獨立的動作，一般有六通道、十通道等，因多旋翼無人機自身的運動動作有俯仰、橫滾、升降和偏航四個，加上云臺運動動作三個（俯仰、橫滾和航向），所以遙控器一般選擇七通道以上的。云臺系統(tǒng)的常見工作模式分為四種：跟隨模式、FPV模式、自由模式、復(fù)位模式，見表5-3。在不同的工作模式下，飛手可操控不同運動方向。4.云臺的無線傳輸任務(wù)設(shè)備5.2.3云臺云臺系統(tǒng)的常見工作模式分為四種：跟隨模式、FPV模式、自由模式、復(fù)位模式，見表5-3。在不同的工作模式下，飛手可操控不同運動方向。4.云臺的無線傳輸任務(wù)設(shè)備5.2.3云臺增穩(wěn)云臺的發(fā)展大致經(jīng)歷了三個階段：純機械云臺、半自動云臺以及全自動云臺。增穩(wěn)云臺的設(shè)計涉及到了控制理論，電機控制技術(shù)，傳感器技術(shù)等多門學(xué)科。增穩(wěn)云臺最先應(yīng)用在軍事領(lǐng)域尤其是大型無人機上，用來進行監(jiān)視以及偵察等任務(wù)，隨后配合出現(xiàn)的用于作戰(zhàn)的無人機,又出現(xiàn)了瞄準(zhǔn)跟蹤等功能。所以軍用無人機上的云臺一般代表著該國最先進的云臺技術(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，目前各國對高技術(shù)含量的無人機都進行了自主研制，例如美國的RQ-4a“全球鷹”、RQ-170“哨兵”等，這些無人機都配備了云臺系統(tǒng)來穩(wěn)定視角，從而準(zhǔn)確地判斷目標(biāo)位置并實現(xiàn)穩(wěn)定控制。20世紀(jì)90年代初，國內(nèi)才開始著手對機載陀螺穩(wěn)定云臺的研究。1985年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制出我國第一臺數(shù)字控制單軸云臺DPCT-II，該云臺是通過計算機進行控制的。隨著我國經(jīng)濟與科技實力的不斷發(fā)展，飛行器在普通民眾之間的廣泛流傳，這刺激了民用飛行器的迅猛發(fā)展，小型固定翼和多旋翼無人機逐漸出現(xiàn)在人們的視野中，航拍逐漸發(fā)展為一個熱點。Parrot公司推出的eXom四軸飛行器，推動了航拍的快速發(fā)展。深圳大疆創(chuàng)新科技有限公司作為后起之秀，為航拍的技術(shù)發(fā)展和推廣做出了巨大貢獻，手持云臺也得到了發(fā)展。5.云臺系統(tǒng)的發(fā)展任務(wù)設(shè)備5.2.4圖傳無人機上搭載的圖像采集設(shè)備采集到圖像視頻，經(jīng)過數(shù)字編碼壓縮處理后傳送給機載圖傳信號發(fā)送器，將其編碼調(diào)制后通過通訊數(shù)據(jù)鏈下傳給地面圖傳信號接收系統(tǒng)進行解調(diào)解碼，并通過HDMI、USB、AV等數(shù)字接口連接到顯示設(shè)備上進行視頻圖像的播放，實現(xiàn)對現(xiàn)場畫面的實時監(jiān)控。整個無人機圖傳系統(tǒng)由機載圖傳信號發(fā)送器和地面圖傳信號接收系統(tǒng)組成，機載圖傳信號發(fā)送器由圖像采集設(shè)備、圖像處理模塊和無線信號傳輸模塊組成；與之相對應(yīng)，地面圖傳信號接收系統(tǒng)應(yīng)由無線信號接收模塊、圖像處理模塊以及圖像播放設(shè)備組成，如圖5-11所示。1.圖傳系統(tǒng)的組成任務(wù)設(shè)備5.2.4圖傳信道：通信系統(tǒng)中傳輸?shù)耐ǖ?，好比是高架橋。信道的作用是把攜有信息的信號從它的輸入端傳遞到輸出端，因此，它的最重要的特征參數(shù)是信息傳遞能力。在典型情況下，信道的信息通過能力與信道的通過頻帶寬度、信道的工作時間、信道的噪聲功率有關(guān)：頻帶越寬，工作時間越長，信號與噪聲功率比越大，則信道的通過能力越強，承載信息的能力越強。信源：信源是產(chǎn)生各類信息的實體，好比是載滿水泥的大卡車。信源是信息的來源，是產(chǎn)生消息或者消息序列的源泉。信息是抽象的，而消息是具體的。消息不是信息本身，但消息包含和攜帶著信息。編碼：確保信息在傳遞過程中無損壞，好比是快遞與打包，為了傳輸過程中有無損壞。在通信理論中，編碼是對原始信息符號按一定的數(shù)學(xué)規(guī)則所進行的變換，使編碼的目的是要使信息能夠在保證一定質(zhì)量的條件下盡可能迅速地傳輸至信宿。信息編碼必須標(biāo)準(zhǔn)、系統(tǒng)化，是用不同的代碼與各種信息中的基本單位組成部分建立一一對應(yīng)關(guān)系的過程。擴頻：是一種信息處理改善傳輸性能的技術(shù)，好比是八路，隱蔽性高、抗干擾能力強。這種技術(shù)的目的和作用是在傳輸信息之前，先對所傳信號進行頻譜的擴寬處理，以便利用寬頻譜獲得較強的抗干擾能力、較高的傳輸速率，同時由于在相同頻帶上利用不同碼型可以承載不同用戶的信息，因此擴頻也提高了頻帶的復(fù)用率。調(diào)制：將各種數(shù)字基帶信號轉(zhuǎn)換成適于信道傳輸?shù)臄?shù)字調(diào)制信號(已調(diào)信號或頻帶信號)。調(diào)制就是用基帶信號去控制載波信號的某個或幾個參量的變化，將信息荷載在其上形成已調(diào)信號傳輸，好比是新的交通工具，減少傳遞步驟，提高傳遞效率。2.圖傳系統(tǒng)的主要技術(shù)任務(wù)設(shè)備5.2.4圖傳（1）視頻壓縮技術(shù)在無人機圖傳任務(wù)中，要實現(xiàn)實時視頻通信，除了需要比其他數(shù)據(jù)通信更高的帶寬外，還需要對視頻信號進行較大的壓縮。視頻進行壓縮主要原因是：1)原始數(shù)據(jù)太大導(dǎo)致保存和傳輸受限制。首先先計算傳輸原始視頻信號所需要的帶寬，如果原始圖像為4:2:0的YUV格式數(shù)據(jù)（該格式為原始數(shù)據(jù)最小格式），每幅畫面的大小為：704*576*1.5*8bit=4.64M，也就是說每一幀為4.64M。如果想看流暢的視頻畫面，大概每s需要傳輸25幀，也即需要4.64*25M=116M的帶寬。圖像分辨率為CIF（352*288）格式的也需要116/4=29M的帶寬。這只是分辨率為標(biāo)清的情況所需要的帶寬，那么更高分辨率時所需要的帶寬更高。當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)帶寬顯然無法達(dá)到該需求。2)視音頻中有很多信息的冗余。隨著科技的進步和時代的發(fā)展，視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)（圖5-12）也在逐步更迭換新，常見音頻視頻編碼分為兩個系列MPEG系列和H.26X系列。目前在無人機圖傳系統(tǒng)中主要采用標(biāo)準(zhǔn)H.264。H.264是由ITU-T的視頻編碼專家組（VCEG）和ISO/IEC運動圖像專家組（MPEG）聯(lián)合制定的新一代的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)。ITU-T是一個代表國際電信聯(lián)盟協(xié)調(diào)制定電信標(biāo)準(zhǔn)的部門。ISO是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織，一個全球性的非政府組織。IEC是指國際電工委員會，負(fù)責(zé)制定所有電子、電氣和相關(guān)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。H.264是ITU-T所使用的名稱，而ISO/IEC將其命名為MPEG-4Part10/AVC，因為它代表的是MPEG-4系列標(biāo)準(zhǔn)中的一個新標(biāo)準(zhǔn)。MPEG-4系列標(biāo)準(zhǔn)包括了MPEG-4Part2等標(biāo)準(zhǔn)，MPEG-4Part2是一個應(yīng)用于基于IP的視頻編碼器和網(wǎng)絡(luò)攝像機的標(biāo)準(zhǔn)。2.圖傳系統(tǒng)的主要技術(shù)任務(wù)設(shè)備5.2.4圖傳（2）傳輸頻段無線圖傳主要有1.2GHz、2.4GHz以及5.8GHz這三個頻段，由于Wi-Fi（802.11ac以外）、藍(lán)牙、無線鼠標(biāo)都集中在2.4GHz頻段區(qū)域工作，所以該頻段相對擁擠；1.2GHz頻段在世界上大多數(shù)地方屬于管制頻段，不為民用所用；5.8GHz頻段這一頻段目前相對干擾較少。因此，民用無人機無線圖傳大多在2.4GHz頻段以及5.8GHz的頻段工作。眾多數(shù)據(jù)表明，5.8GHz頻段無線數(shù)據(jù)傳輸性能要優(yōu)于2.4GHz。但實際上，無線電的波長越高，波長會越短，雖擁有更強的穿透力，但實際的繞射能力越差。換句話說，在其它客觀因素相同的條件下，5.8GHz頻段圖傳技術(shù)在空間上的物理阻擋傳輸能力比不上2.4GHz頻段。（3）信道編碼技術(shù)數(shù)字信號在傳輸中往往由于各種原因，使得在傳送的數(shù)據(jù)流中產(chǎn)生誤碼，從而使接收端產(chǎn)生圖象跳躍、不連續(xù)、出現(xiàn)馬賽克等現(xiàn)象。所以通過信道編碼這一環(huán)節(jié)，對數(shù)碼流進行相應(yīng)的處理，使系統(tǒng)具有一定的糾錯能力和抗干擾能力，可極大地避免碼流傳送中誤碼的發(fā)生。誤碼的處理技術(shù)有糾錯、交織、線性內(nèi)插等。提高數(shù)據(jù)傳輸效率，降低誤碼率是信道編碼的任務(wù)。信道編碼的本質(zhì)是增加通信的可靠性。但信道編碼會使有用的信息數(shù)據(jù)傳輸減少，信道編碼的過程是在源數(shù)據(jù)碼流中加插一些碼元，從而達(dá)到在接收端進行判錯和糾錯的目的。2.圖傳系統(tǒng)的主要技術(shù)任務(wù)設(shè)備5.2.4圖傳（4）調(diào)制解調(diào)技術(shù)COFDM（codedorthogonalfrequencydivisionmultiplexing），即編碼正交頻分復(fù)用的簡稱，是目前世界最先進和最具發(fā)展?jié)摿Φ恼{(diào)制技術(shù)。無人機圖傳系統(tǒng)中目前常用的解調(diào)方式是COFDM，它最大的優(yōu)點就在于支持突破視距限制的應(yīng)用。繞射能力和穿透障礙物是COFDM的技術(shù)核心，可以對噪聲和信號干擾有著很好的免疫力。COFDM無線視頻傳輸設(shè)備具有以下優(yōu)點：1)超視距技術(shù)，繞射能力強。2)抗電磁干擾強3)數(shù)據(jù)傳輸快2.圖傳系統(tǒng)的主要技術(shù)任務(wù)設(shè)備5.2.4圖傳高質(zhì)量的圖傳系統(tǒng)在行業(yè)無人機的應(yīng)用中扮演著極為重要的角色，是不可或缺的。目前，在人們追求高清、穩(wěn)定、快速的時代里，無人機圖傳系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是高分辨率、高幀率和更遠(yuǎn)距離的實時傳輸。對無人機圖傳系統(tǒng)的發(fā)展提出更高的要求高傳輸速率、大容量、實時性好、抗多徑和抗干擾等。3.圖傳系統(tǒng)的未來發(fā)展控制站5.3.1概述無人機控制站也稱為控制站、遙控站或任務(wù)規(guī)劃與控制站。無人機控制站系統(tǒng)的功能通常包括指揮調(diào)度、任務(wù)規(guī)劃、操作控制、顯示記錄等功能。指揮調(diào)度功能主要包括上級指令接受、系統(tǒng)之間聯(lián)絡(luò)、系統(tǒng)內(nèi)部調(diào)度。任務(wù)規(guī)劃功能主要包括飛行航路規(guī)劃與重規(guī)劃、任務(wù)載荷工作規(guī)劃與重規(guī)劃。操作控制功能主要包括起降操縱、飛行控制操作、任務(wù)載荷操作、數(shù)據(jù)鏈控制。顯示記錄功能主要包括飛行狀態(tài)參數(shù)顯示與記錄、航跡顯示與記錄、任務(wù)載荷信息顯示與記錄。標(biāo)準(zhǔn)的無人機控制站通常由數(shù)據(jù)鏈路控制、飛行控制、載荷控制、載荷數(shù)據(jù)處理四類硬件設(shè)備機柜構(gòu)成。無人機控制站系統(tǒng)可以由不同功能的若干控制站模塊組成，主要包括以下內(nèi)容：1.指揮處理中心指揮處理中心主要是制定無人機飛行任務(wù)、完成無人機載荷數(shù)據(jù)的處理和應(yīng)用。指揮中心/數(shù)據(jù)處理中心一般都是通過無人機控制站等間接實現(xiàn)對無人機的控制和數(shù)據(jù)接收。2.無人機控制站主要是由飛行操縱、任務(wù)載荷控制、數(shù)據(jù)鏈路控制和通信指揮等組成，可完成對無人機機載任務(wù)載荷的操縱控制。一個無人機控制站可以指揮一架無人機，也可以同時控制多架無人機；一架無人機可以可以由一個控制站完成全部指揮控制工作，也可以由多個控制站來協(xié)同完成指揮控制工作。3.載荷控制站與無人機控制站的功能類似，但載荷控制站只能控制無人機的機載任務(wù)設(shè)備，不能進行無人機的飛行控制?？刂普?.3.2組成目前，一個典型的控制站由一個或多個操作控制分站組成，主要實現(xiàn)對飛行器的控制、任務(wù)控制、載荷操作、載荷數(shù)據(jù)分析和系統(tǒng)維護等。其相互間的關(guān)系如圖5-13所示。1.系統(tǒng)控制站在線監(jiān)視系統(tǒng)的具體參數(shù)，包括飛行期間飛行器的健康狀況、顯示飛行數(shù)據(jù)和警告信息。2.飛行器操作控制站它提供良好的人機界面來控制無人機飛行，其組成包括命令控制臺、飛行參數(shù)顯示、無人機軌道顯示和一個可選的載荷視頻顯示。3.任務(wù)載荷控制站用于控制無人機所攜帶的傳感器，它由一個或幾個視頻監(jiān)視儀和視頻記錄儀組成。4.數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)用于分析和解釋無人機回傳的圖像等數(shù)據(jù)信息。5.數(shù)據(jù)鏈路地面終端包括發(fā)送上行鏈路信號的天線和發(fā)射機,捕獲下行鏈路信號的天線和接收機。數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用于不同的UAV系統(tǒng)，實現(xiàn)以下主要功能：(1)用于給飛行器發(fā)送命令和有效載荷；(2)接收來自飛行器的狀態(tài)信息及有效載荷數(shù)據(jù)。6.中央處理單元包括一臺或多臺計算機，具有獲得并處理從UAV來的實時數(shù)據(jù)、顯示處理、確認(rèn)任務(wù)規(guī)劃并上傳給UAV、電子地圖處理、數(shù)據(jù)分發(fā)、飛行前分析系統(tǒng)診斷等主要功能?？刂普?.3.3無人機控制站的典型功能GCS也稱為“任務(wù)規(guī)劃與控制站”。任務(wù)規(guī)劃主要是指在飛行過程中無人機的飛行航跡受到任務(wù)規(guī)劃的影響；控制是指在飛行過程中對整個無人機系統(tǒng)的各個系統(tǒng)進行控制，按照操作者的要求執(zhí)行相應(yīng)的動作?？刂普鞠到y(tǒng)應(yīng)具有以下幾個典型的功能：1.飛行器的姿態(tài)控制2.有效載荷數(shù)據(jù)的顯示和有效載荷的控制3.任務(wù)規(guī)劃、飛行器位置監(jiān)控、及航線的地圖顯示4.導(dǎo)航和目標(biāo)定位5.與其他子系統(tǒng)的通信鏈路控制站5.3.4關(guān)鍵技術(shù)及典型解決方案1.友好的人機界面為更好地控制無人機，地面控制站采用了各種形式的GCS，以便對無人機的飛行狀態(tài)和任務(wù)設(shè)備進行監(jiān)控。GCS為操作員提供一個“友好”的人機界面，幫助操作員完成監(jiān)視無人機、任務(wù)載荷及通信設(shè)備的工作，方便操作員規(guī)劃任務(wù)航路、控制無人機、任務(wù)載荷及通信設(shè)備。人機界面的設(shè)計原則：1）一致性。提示、菜單和幫助應(yīng)使用相同的術(shù)語,其顏色、布局、大小寫、字體等應(yīng)當(dāng)自始至終保持一致。2）允許熟練用戶使用快捷鍵。3）提供有價值的反饋。4）設(shè)計說明對話框以生成結(jié)束信息。操作序列劃分成組，每組操作結(jié)束后都應(yīng)有反饋信息。5）允許輕松的反向操作以減輕用戶的焦慮，鼓勵用戶大膽嘗試不熟悉的選項和操作。6）支持內(nèi)部控制點。某些有經(jīng)驗的用戶可以控制系統(tǒng)，并根據(jù)操作獲得適當(dāng)與正確的反饋。7）減少短時記憶。由于人憑借短時記憶進行信息處理存在局限性，所以要求顯示簡單?？刂普?.3.4關(guān)鍵技術(shù)及典型解決方案2.一站多機的控制控制站目前正向一站多機的方向發(fā)展，即指一個控制站系統(tǒng)控制多架、甚至是多種無人機。未來無人機控制站將朝著高性能、低成本、通用性方向發(fā)展，所以一站多機是發(fā)展趨勢，這也對控制站的顯示和控制提出了更嚴(yán)格的要求。3.開放性、互用性與公共性“開放性”指的是不必對現(xiàn)有系統(tǒng)進行重新設(shè)計和研制就可以在地面控制站中增加新的功能模塊。這種開放性的定義和要求使得模塊化的設(shè)計和實現(xiàn)方法成為地面控制站設(shè)計和實現(xiàn)的最佳途徑。各模塊間的功能具有一定的獨立性而組合在一起，又能實現(xiàn)整個系統(tǒng)的功能。這種設(shè)計思路不僅可通過增加新的模塊來擴展功能，也可以根據(jù)任務(wù)的不同對模塊進行實時的添加或者屏蔽?？梢悦绹＼姷耐ㄓ脽o人機地面控制站的TCS戰(zhàn)術(shù)控制系統(tǒng)為例（如圖5-14）來說明。TCS戰(zhàn)術(shù)控制系統(tǒng)提供了一個開放式體系結(jié)構(gòu)軟件，能夠控制多種不同類型的海上/岸上計算機硬件，實現(xiàn)任務(wù)規(guī)劃、指揮與控制以及情報數(shù)據(jù)接收和分發(fā)等功能?？刂普?.3.4關(guān)鍵技術(shù)及典型解決方案“互用性”指的是地面控制站能控制任何一種不同的飛行器和任務(wù)載荷，并且能夠接入連接外部世界的任何一種通信網(wǎng)絡(luò)。互用性現(xiàn)在已經(jīng)成為各國發(fā)展無人機系統(tǒng)的一個重要思考點。隨著網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)思想的提出，無人機群的任務(wù)必須配合并融入整體作戰(zhàn)任務(wù)之中，“互用性”的思想正是對這一發(fā)展趨勢的指導(dǎo)?！肮残浴敝傅氖悄硞€地面控制站與其它的控制站使用相同的硬件及部分或者完全相同的軟件模塊。提出公共性的目的在一定程度上也是為了實現(xiàn)控制站的資源通用，便于維護修復(fù)?？刂普咀鳛檎麄€無人機系統(tǒng)中最隱蔽的子系統(tǒng)，是很少受到破壞的，但是，一旦受到破壞，整個無人機系統(tǒng)可能陷于癱瘓，所以公用性的提出可以提高整個無人機系統(tǒng)的維修性和保障性，從而更加合理地利用已有的控制站資源。上述三個概念并非相互獨立。在多數(shù)情況下，它們是從不同角度，以不同的方式對同一對象進行描述。開放性的結(jié)構(gòu)通過容納新的軟件和硬件使得“互用性”和“公共性”得以提高。作為無人機系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，地面控制站要全力地建立開放性、互用性和公共性?？刂普?.3.4關(guān)鍵技術(shù)及典型解決方案4.控制站對總線的需求隨著無人機技術(shù)的不斷發(fā)展，無人機航空電子系統(tǒng)與控制站系統(tǒng)之間的通信量越來越大，這就要求控制站系統(tǒng)的無線通信、任務(wù)處理、圖像處理能力不斷增強，因而采用高帶寬、低延遲的總線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)各部分之間的互連成為必然趨勢。從目前的發(fā)展來看，只有Gbps級的互連總線網(wǎng)絡(luò)才能滿足未來地面控制站發(fā)展對總線的需求。鑒于光纖通道（FC）具有高帶寬、低延遲、低誤碼率、靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和服務(wù)類型、支持多種上層協(xié)議和底層傳輸介質(zhì)以及具有流控制功能，因此可采用光纖通道（FC）來實現(xiàn)其需求。FC已經(jīng)成功應(yīng)用于F-35、JSF高度綜合化和開放式的航空電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，相信FC一定能很好地滿足控制站的要求。5.可靠的數(shù)據(jù)鏈發(fā)展安全、可跨地平線、抗干擾的寬帶數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)菬o人機的關(guān)鍵技術(shù)之一。近年來，射頻和激光數(shù)據(jù)鏈技術(shù)的發(fā)展為其奠定了基礎(chǔ)。除了帶寬要增加外，數(shù)據(jù)鏈也要求可用和可靠。數(shù)據(jù)鏈的可用是指一特定星群的覆蓋區(qū)域和范圍?？煽渴侵感盘柕慕研?。對于不可避免的電子干擾，數(shù)據(jù)鏈需要采用復(fù)雜的信號處理和抗干擾技術(shù)（如擴頻、調(diào)頻技術(shù)等），并能夠確保在數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)У那闆r下，飛機能安全返回基地?？刂普?.3.5無人機控制站發(fā)展的趨勢無人機控制站技術(shù)具有以下發(fā)展趨勢：1.發(fā)展通用控制站2.重視一站多機的控制站的設(shè)計，包括硬件結(jié)構(gòu)及友好的人機界面3.逐步發(fā)展無人作戰(zhàn)飛機控制站的設(shè)計4.發(fā)展可靠的、干擾小的、寬帶寬的數(shù)據(jù)鏈路，提高數(shù)據(jù)傳輸效率5.發(fā)展人工智能決策技術(shù)6.發(fā)展無人機操控的安全、告警與防錯技術(shù)7.發(fā)展無人機通信中繼通訊鏈路5.4.1概述1.無人機通訊鏈路定義無人機通訊鏈路是一個多模式的智能通信系統(tǒng)，能夠感知其工作區(qū)域的電磁環(huán)境特征，并根據(jù)環(huán)境特征和通訊要求，實時動態(tài)的調(diào)整通信系統(tǒng)工作參數(shù)（包括通信協(xié)議、工作頻率、調(diào)制特性和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等）達(dá)到可靠通信或節(jié)省通信資源的目的。一個能夠正常完成信息傳遞的無人機通訊鏈路應(yīng)滿足以下要求：1）能夠跳頻擴頻。跳頻組合越高，抗干擾能力越強，一般的設(shè)備能做到幾十、幾百個跳頻組合，性能優(yōu)異的設(shè)備能做到6萬個跳頻組合。2）能夠儲存轉(zhuǎn)發(fā)信息。3）能夠加密數(shù)據(jù)。提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，防止?shù)據(jù)泄密。4）傳輸速率高。5）低功耗，低誤碼率和高接收靈敏度。無人機采用電池供電，而且傳輸距離又遠(yuǎn)，所以要求設(shè)備的功耗低（即低發(fā)射功率），接收靈敏度高（靈敏度越高傳輸距離越遠(yuǎn)）。2.無人機通訊鏈路分類無人機數(shù)據(jù)鏈按照傳輸方向可以分為：上行鏈路和下行鏈路。上行鏈路主要完成地面通訊鏈路5.4.1概述2.無人機通訊鏈路分類無人機數(shù)據(jù)鏈按照傳輸方向可以分為：上行鏈路和下行鏈路。上行鏈路主要完成地面站到無人機遙控指令的發(fā)送和接受，包括舵機控制指令、數(shù)據(jù)注入指令、ADT控制指令；下行鏈路主要完成無人機到地面站的遙測數(shù)據(jù)以及紅外或電視圖像的發(fā)送和接收，并根據(jù)定位信息的傳輸利用上下行鏈路進行測距，主要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型包含狀態(tài)數(shù)據(jù)、傳感器數(shù)據(jù)、定位數(shù)據(jù)。根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)類型可以看出，下行數(shù)據(jù)鏈的傳輸數(shù)據(jù)具有連續(xù)性且數(shù)據(jù)量大，狀態(tài)數(shù)據(jù)最重要，傳感器數(shù)據(jù)與其他指令相關(guān)性最強，所以要求下行數(shù)據(jù)鏈具有較高的抗誤碼力和糾錯力；上行數(shù)據(jù)具有突發(fā)性，要求上行數(shù)據(jù)鏈具有快速反應(yīng)能力和可靠性。數(shù)據(jù)鏈性能直接影響到無人機性能的優(yōu)劣。根據(jù)數(shù)據(jù)鏈傳輸對象不同，可分為機間鏈路和空地鏈路。機間鏈路指的是空中各無人機之間的通信鏈路，空地鏈路指的是各無人機與地面指揮控制站之間的通訊鏈路。普通無人機大多采用定制視距數(shù)據(jù)鏈，而中高空、長航時無人機則都會采用視距和超視距衛(wèi)通數(shù)據(jù)鏈。3.無人機通訊鏈路的關(guān)鍵技術(shù)無人機通訊鏈路完成通信、數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，主要涉及中繼傳輸技術(shù)、調(diào)制技術(shù)、抗干擾技術(shù)以及視頻圖像編碼技術(shù)等。通訊鏈路5.4.1概述4.無人機通訊鏈路技術(shù)的發(fā)展方向（1）研發(fā)激光通信傳輸系統(tǒng)現(xiàn)階段我們廣泛應(yīng)用的技術(shù)有無線局域網(wǎng)通信、藍(lán)牙無線傳輸技術(shù)、紫蜂技術(shù)、超寬帶技術(shù)和射頻識別技術(shù)，這些技術(shù)都有各自的優(yōu)缺點，應(yīng)用在不同的領(lǐng)域。發(fā)展激光通信技術(shù)可以滿足大數(shù)據(jù)量實時遠(yuǎn)程傳送的需求，有利于提高無人機數(shù)據(jù)鏈路的帶寬和作用距離。激光通信具有傳輸速率快、安全性高、功耗低的優(yōu)點。（2）實現(xiàn)無人機數(shù)據(jù)鏈智能化無人機智能數(shù)據(jù)鏈的工作過程分四個環(huán)節(jié)：感知電磁環(huán)境——分析信號參數(shù)——優(yōu)化數(shù)據(jù)鏈參數(shù)——重構(gòu)數(shù)據(jù)鏈通信模式。伴隨無人機的不斷飛行，其工作環(huán)境在不斷變化，通過智能數(shù)據(jù)鏈調(diào)整通信模式，可使其處于最佳工作狀態(tài)。（3）研究數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)技術(shù)無人機自組網(wǎng)的基本思想是無人機間通信不僅僅依賴地面控制站或者微信等通信基礎(chǔ)設(shè)施，同時將無人機作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，各節(jié)點間能夠互相發(fā)送控制指令，交換傳感器信息，自動連接建立一個無線移動網(wǎng)絡(luò)。在這個自組網(wǎng)絡(luò)中，每個節(jié)點兼具收發(fā)器和路由器的功能。無人機的通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)自組網(wǎng)技術(shù)可以增強多無人機系統(tǒng)的可擴展性，拓展其工作范圍；提高多無人機系統(tǒng)的抗干擾性，在其穿越障礙物時利用網(wǎng)絡(luò)的自愈性，通過其他無人機系統(tǒng)的信息聯(lián)通減少對基礎(chǔ)設(shè)施的依賴；有效的完成無人機集群任務(wù)，成員之間相互通信相互協(xié)調(diào)，可有效地避免成員間的相互碰撞；可以降低無人機的載荷重量，在自組網(wǎng)中部分無人機搭載重要的基礎(chǔ)通信設(shè)備。（4）發(fā)展“一站多機”技術(shù)所謂一站多機數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)侵敢粋€測控站與多架無人機之間的數(shù)據(jù)鏈通信，采用頻分、時分及碼分多址方式來區(qū)分來自不同無人機的遙測參數(shù)和任務(wù)傳感器信息。這樣減少了地面控制站的設(shè)備數(shù)量，提高了整個系統(tǒng)互聯(lián)互通的能力，實現(xiàn)無人機多機多系統(tǒng)的兼容和協(xié)同工作。這樣的技術(shù)在20世紀(jì)80年代曾經(jīng)出現(xiàn)，但是隨著無人機在民用領(lǐng)域的快速發(fā)展，其技術(shù)需求也越來越高。通訊鏈路5.4.2組成無人機通訊數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)紫葘⒒鶐盘枺ㄟb測、遙控、圖像）進行部分處理，然后送至發(fā)射機，由發(fā)射機變成射頻信號傳遞給天線，由天線發(fā)送給信道。在接收端，接收天線將電磁信號轉(zhuǎn)變成射頻信號傳輸給接收機，接收機將射頻信號轉(zhuǎn)變成基帶信號并送給基帶信號處理部分進行處理。從設(shè)備形式上劃分，無人機的通信數(shù)據(jù)鏈主要由機載部分和地面部分兩部分組成。機載數(shù)據(jù)終端（ADT）主要物理設(shè)備有機載天線、機載信道和機載終端；地面數(shù)據(jù)終端(GDT)主要包括地面天線子系統(tǒng)、地面控制站以及連接地面天線和地面控制站的接口單元；機載部分和地面部分的數(shù)據(jù)終端均包含的設(shè)備有RF接收機、發(fā)射機和用于連接接收機和發(fā)射機到系統(tǒng)其余部分的調(diào)制解調(diào)器，