无人机的飞行控制与导航 形形色色的无人机已经成为未来信息化、网络化战争基础性的作战装备,各国对于无人机系统的发展也不遗余力。然而很多人对于无人机系统及其技术全貌却并不一定有着清晰的了解。航空专家傅前哨将通过一系列文章,向你阐述无人机的相关技术及最新发展。 Q 无人驾驶飞行器系统都有些什么样的装备和设施? A 无人驾驶飞行器的使用需要一套专门的装置和设备。整个系统包括若干架无人驾驶飞机(或其它航空器)、地面控制系统(如遥控站)、地面支援保障设备以及起飞、回收装置等。例如,“猎人”军用无人机系统,共含8架可携带侦察设备的无人机、两个地面控制站、1个任务规划站、4个分离式接收站、1个发射回收装置等。无人驾驶的飞机、直升机、飞艇等主要由机体、动力装置、机载导航定位系统、飞行控制系统、起飞和回收装置以及有效载荷(如侦察设备、电子对抗设备、信息传输设备、机载武器等)组成。无人驾驶飞行器上没有乘员,因此领航员、驾驶员的任务需要由导航定位系统、飞行控制系统、自动驾驶仪等设备来完成。
Q 无人驾驶飞行器的控制方法有几种,各有什么优缺点? A 无人机的飞行控制方式较多,目前采用的主要有线控、有线电遥控、无线电遥控,程控等几种。 所谓线控,就是用手持的钢丝线对动力无人机进行操纵,此法多用于竞技航模。 有线电遥控是一种相对简单,且成本较低的操纵方式。地面站人员通过电缆或光缆将各种控制信号传输给无人机,操纵其飞行和工作,而无人机则通过电缆将侦测到的信息送回地面站。其缺点是受电缆长度,重量的限制,飞行器的航程和升限都不大,活动区域和观察范围较小。 一些小型的,微型的无人侦察机也采用目视遥控的方式进行操纵。这类无人机上大都安装有一部与手持式遥控器配套的小型多通道无线电接收机。机载接收机收到由地面遥控发射机发来的操纵指令后,将控制信号分配给各舵机,由其完成翼面,油门的控制,开启,关闭某些设备,完成对无人机的操纵。 超视距遥控的工作原理是,地面遥控站的人员通过目视、光学设备、雷达系统等,实时获取无人机的姿态,方位,距离,速度、高度等信息,并对其进行跟踪,定位和控制。当发现无人机偏离预定航线,空中姿态出现偏差或需要人为地改变其飞行状况时,地面站发出无线电遥控指令,操纵无人机恢复或调整其飞行轨迹,这种方式可称之为单向无线电遥控。某些无人机上装有机载数据采集与传输系统或专用的前视摄像装置,可通过数传电台或数据链向地面无线电测控站发送无人机自身的飞行数据等,并在地面站计算机上模拟显示出相关的仪表显示、飞机姿态、飞行航迹等。如果通过电视图像传输系统向地面遥控站发送现场的前视图像和座舱图像,地面站的人员还可根据无人机传回的图像和数据,监视、判断它的飞行情况,并通过遥控装置操纵其飞行,这种遥控方式被称为双向无线电遥控。现代无人机有许多机型都采用后一种遥控方式。而美国在20世纪70年代研制的F-15缩比自由飞模型和HiMAT无人驾驶研究机则采用了前一种遥控方式。 采用无线电遥控方式时,无人机的活动半径和飞行自由度主要受机载和地面遥控设备的发射功率、无线电波的传输距离以及飞行器本身性能的限制。受地球曲率、遥控设备发射功率等因素的影响,地面站的作用距离一般较短,往往只能用于较近距离(250千米以内)的飞行控制。如果采用中继平台或卫星通信,也可进行远距离甚至洲际范围(上万千米)的操控,但费用将大大增加,使用上也较复杂。另外,采用无线电遥控容易受到电磁干扰,在此种情况下,不但难以完成任务,甚至有可能导致无人机无法返回。 所谓程控,是指无人机依靠机载飞行控制系统和机上的设备实现按程序、沿预定航线的飞行控制。机载飞控系统主要由自动驾驶仪、计算机以及导航系统和各种飞行参数传感器等组成。在飞行过程中,该系统利用各类传感器,实时获取无人机的方向、位置、高度、速度、过载、加速度、角位移,角速度、角加速度和发动机转速等信息,经飞控管理计算机对相关参数推演和计算后,通过自动驾驶仪去控制各活动翼面、调整油门,以适时修正无人机的姿态、航迹等,使之能够按照事先设置好的任务剖面飞行。与无线电遥控方式相比,采用程序控制的无人机的活动范围较大。其活动半径主要受飞行器本身性能的影响。一些新型的无人机甚至能够跨大洋飞行,可在5000多千米外执行侦察、监视等任务。其缺点是,在巡航状态,它一般都按照事先选定的轨迹飞行,即使被敌方发现,也不能自主机动,一旦暴露行踪,就很容易被对手拦截。为了克服这一缺点,有的无人机的控制采用预储程序和遥控组合的方式或通过卫星向其发送更改程序的命令。
Q 远距离飞行时,精确导航、定位比较困难,对无人驾驶飞行器的导航系统都有什么要求?
A 一般来说,无人驾驶飞行器的导航。定位装置大致可分为自主式与非自主式两类。采用线控和遥控方式的无人机,基本上都是在目视或无线电测控系统能够“观察”到的范围内飞行,可以不装专门的机载导航,定位设备,其航线和飞行状态的修正由地面操纵员适时控制。远程无人机在执行任务时,其活动半径往往已超出地面站观察和测控的范围(使用卫星通信和中继通信的除外),所以,需要采用自主导航方式,由机载导航设备(如惯导、GPS导航系统等)独立完成精确导航任务。
Q 远程无人机的机载导航、定位系统都有哪些类型? A 远程无人机的机载导航系统主要有如下几类:惯性导航系统、无线电导航系统,卫星导航系统、组合式导航系统等等。 惯性导航系统(INS)是最常用的导航、定位系统。这种自主式导航设备主要通过测量加速度来推算飞行器的速度、位置等数据。惯导系统的核心部件为惯性测量装置——陀螺仪和加速度计。陀螺仪是一种测量物体相对惯性空间转角或角速度的装置,航空、航天与航海使用的陀螺仪的种类很多,如刚体转子陀螺仪,液浮陀螺仪、磁悬浮陀螺仪、静电陀螺仪、挠性陀螺仪。激光陀螺仪、光纤陀螺仪、压电陀螺仪等等。 按实现参考坐标系的方式,惯导系统可分为三大类:几何式惯性导航系统、半解析式惯性导航系统、解析式惯性导航系统。前两类可统称为平台式惯导系统,而第三类则称为无平台式惯导系统或捷联式惯导系统(sINS)。SINS系统的陀螺仪和加速度计都直接安装在机体(或弹体)上,加速度计的测量是沿机体坐标轴的。SINS借助于计算机、微电子学等新技术,由计算机将测量信号变换为导航参数。与平台式系统相比,SINS系统的体积小,重量轻、成本低,并且可利用惯性元件斜置布局实现多余度,以提高可靠性。 惯性导航定位系统工作时不依赖外界信息,不向外界辐射电磁波,不受机动飞行的影响,也不受航行地区和气象条件的限 制,具有自主能力强、隐蔽性好、不易受干扰,可全天候工作等优点。但多数陀螺仪的制造工艺复杂,生产成本和维修费用较高:使用前需进行初始校准;航行时,平台位置的测量误差会随时间的增加而积累,需要定时加以修正。 无线电导航是一种依靠无线电引导飞行器沿预定航线、在规定的时间内到达目的地的航行技术。该系统主要利用无线电波来测定飞行器的方位、距离、速度等导航参量,算出与规定航线问的偏差,然后通过机载飞控系统和自动驾驶仪操纵无人机消除偏差,保持正确的航线。著名的多普勒导航系统、战术空中导航系统(“塔康”系统)、甚高频全向方位导航系统(“伏尔”系统)、低频脉相双曲线远程导航系统(“罗兰-C”导航系统)、“奥米加”导航系统等均属于无线电导航系统的范畴。
Q 多普勒导航系统是现代飞行器使用得比较多的一种无线电导航系统,能否简单介绍一下它的工作原理。 A 多普勒导航系统(DNS)是一种机载自备式航位推算系统,它主要是利用多普勒效应来实现无线电导航的,现代大型远程无人机一般都配备有该系统。DNS主要由多普勒雷达、航向姿态陀螺,多普勒导航计算机等组成。飞行时,将机载多普勒雷达测得的飞机速度信息,航向姿态系统测得的飞机航向,俯仰、横滚信息,送入导航计算机,完成坐标转换,得到在地面坐标系中的速度矢量。然后,通过对速度进行连续积分等运算,得到无人机的即时位置。再由即时位置算出航线,求出目标相对于无人机的方位、距离以及无人机的偏航角、偏航距等导航参数,并对机载系统实施修正操纵。 多普勒导航系统重量轻、体积小、成本低、使用维护方便;能连续提供各种导航参数:适用于全天候的远、中、近程导航;无需地面设备配合工作,能够独立完成导航任务;飞机速度和偏流角的测量精度较高,与自动驾驶仪交联可实现自动领航。其主要缺点是:飞行姿态超过限度时,多普勒雷达有可能收不到回波信号,从而影响系统的正常工作;导航定位误差随时间和飞行距离的增加而积累。
Q GPS导航系统精度如何,有什么优缺点? A 从原理上讲,全球卫星导航定位系统(GPS)也是一种无线电导航系统。与其它无线电导航系统相比,GPS可实现全球导航。同时,与DNS系统相比,其导航精度是比较高的。美军的无人机以及部分精确制导弹药都喜欢采用这种简单、实用、廉价的制导方式。GPS系统的主要优点是:体积小、重量轻、价格低、导航精度高、使用维护方便j能实现全球导航和全天候导航,它的导航定位设备不向外界发射电磁波,隐蔽性比较好。该系统的缺点是:只有接收到GPS卫星发射的无线电波才能进行导航、定位,受到外界干扰时,就无法正常工作了;GPS的动态刷新率较慢(大约每秒1次),因此,不适用于作高速机动飞行的无人机;由于它无法给出飞行器的姿态角,也难以和自动驾驶仪实施紧密交联;在某些飞行状态下,GPS信号可能会被无人机的机身、机翼、机内设备等遮挡,从而丢失数据,使导航,定位工作处于间断状态。
Q 上述几种导航系统似乎都有不足之处,那么能否把它们组合在一起,构成一个更为完善的系统?
