漫談現代無(wú)人機及其飛控關(guān)鍵技術(shù)

無(wú)人機系統以其機動(dòng)靈活、持久飛行和“零傷亡”等特點(diǎn)幾乎滲透到戰場(chǎng)空間的各個(gè)領(lǐng)域。近期幾次局部戰爭中無(wú)人機的突出表現，更加引起了各國軍方，尤其是軍事強國的高度重視，已成為信息武器裝備體系的關(guān)鍵節點(diǎn)和重要組成部分，在信息支援、信息對抗和火力打擊等領(lǐng)域發(fā)揮著(zhù)不可替代的作用。

與有人駕駛飛機相比，無(wú)人機的優(yōu)勢主要體現在以下五個(gè)方面：

一是可長(cháng)時(shí)間執行空中任務(wù)；

 

二是可替代有人駕駛飛機進(jìn)入核/生/化等污染環(huán)境執行任務(wù)；

 

三是不存在飛行員傷亡，政治和軍事風(fēng)險較??；

 

四是由于不考慮人的因素，可承受更大的載荷，飛機的隱身和機動(dòng)性上可實(shí)現質(zhì)的飛躍；

 

五是全壽命費用低、作戰效費比高。與衛星相比，無(wú)人機系統具有時(shí)效性、針對性和靈活性強等優(yōu)勢。

無(wú)人機的地位和作用

無(wú)人機是奪取信息權的有利工具

無(wú)人機能夠提供長(cháng)期持久的戰場(chǎng)信息支持服務(wù)，可實(shí)時(shí)獲取和戰場(chǎng)信息，具有多維一體、全域覆蓋、持續實(shí)時(shí)、準確精細的信息感知能力；不同類(lèi)型不同高度的無(wú)人機系統組成了覆蓋戰場(chǎng)低空至臨近空間區域范圍的通訊、導航和定位等信息支持網(wǎng)絡(luò )，形成靈活、機動(dòng)、多層次、立體化的空基和近天基綜合信息支持能力，提高了指揮的效率，增強了作戰的聯(lián)合性和靈活性。

無(wú)人機是未來(lái)戰場(chǎng)信息對抗的重要支柱

信息對抗，是指對敵方信息系統實(shí)施電子干擾、電子欺騙、電子誘餌、網(wǎng)絡(luò )攻擊、和反輻射摧毀。不同類(lèi)別的無(wú)人機系統能夠滿(mǎn)足戰略、戰役、戰術(shù)多層次的信息對抗能力的需要，能夠提供“軟”“硬”不同類(lèi)型的信息對抗手段，提供從戰術(shù)信息對抗支援到戰略戰役信息對抗打擊的作戰能力，實(shí)現對敵方信息系統全頻段、全時(shí)域、全天候的信息攻擊，形成多層次的信息作戰力量體系框架。

無(wú)人機將成為空中作戰的主導力量

無(wú)人機將具備時(shí)敏目標察打能力、對敵縱深重要目標精確打擊能力、臨近空間作戰能力和跨大氣層作戰能力，成為21世紀空中作戰的主導力量。在聯(lián)合作戰中，無(wú)人作戰飛機可執行防空壓制任務(wù)，協(xié)調各種力量對敵領(lǐng)土縱深實(shí)施打擊；無(wú)人機與地面和海上力量配合，可為地面和海上兵器指示目標和實(shí)施火力校射，提高打擊精度；無(wú)人機還可以執行戰斗求援、戰場(chǎng)管理、戰區導彈防御、反雷、心理戰等。

無(wú)人機是執行最危險任務(wù)的最佳選擇

高技術(shù)信息化戰爭使用精確制導武器的比重越來(lái)越大，核、生、化武器并存，殺傷力增大，參戰人員將面臨巨大危險。因此，無(wú)人機能夠代替有人機執行最危險的任務(wù)，最大限度地避免人員傷亡。

無(wú)人機的技術(shù)基礎

航空技術(shù)的發(fā)展是推動(dòng)無(wú)人機技術(shù)發(fā)展的基礎。無(wú)人機是依賴(lài)空氣動(dòng)力承載飛行的航空器，如何讓無(wú)人機能夠穩定可靠飛行，性能越來(lái)越好，這依賴(lài)于航空技術(shù)的應用和發(fā)展。

航空技術(shù)包括空氣動(dòng)力技術(shù)、飛行動(dòng)力學(xué)技術(shù)、航空結構技術(shù)、航空材料技術(shù)、航空發(fā)動(dòng)機技術(shù)、飛行控制與導航技術(shù)、航空電子電氣技術(shù)等，早期的航空技術(shù)發(fā)展主要解決無(wú)人機等飛行器能夠飛行的問(wèn)題，現代航空技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)無(wú)人機向飛行性能越來(lái)越高、飛行可靠性越來(lái)越好、執行任務(wù)的能力越來(lái)越強的方向發(fā)展。

無(wú)線(xiàn)數據鏈技術(shù)的發(fā)展是推動(dòng)無(wú)人機向可用化和實(shí)用化發(fā)展的條件。由于無(wú)人機是機上無(wú)人駕駛，必須靠地面控制站通過(guò)無(wú)線(xiàn)數據鏈實(shí)現對其操縱控制和飛行狀態(tài)監視，因此無(wú)線(xiàn)數據鏈是推動(dòng)無(wú)人機向可用化和實(shí)用化的條件?，F代數據鏈技術(shù)的發(fā)展使得無(wú)人機數據鏈向著(zhù)高速、寬帶、保密、抗截獲、抗干擾能力強的方向發(fā)展，推動(dòng)無(wú)人機實(shí)用化能力越來(lái)越強。

無(wú)人機發(fā)展的主要關(guān)鍵技術(shù)

未來(lái)無(wú)人機向更高、更快、更遠、更機動(dòng)、更高效的方向發(fā)展，需要的主要關(guān)鍵技術(shù)有：

 1、平臺技術(shù)（綜合布局、氣動(dòng)、輕質(zhì)結構、隱身）；

 

2、大尺寸復合材料設計（規范）、加工工藝（成本）；

 

3、結構復合材料，抗紫外線(xiàn)材料，輕質(zhì)材料，耐高溫材料等；

 

4、微型加工裝配技術(shù)、智能材料的應用（無(wú)舵面柔性機翼，微型、仿生無(wú)人機）；

 

5、先進(jìn)的****回收技術(shù)；

 

6、武器和設備的小型化及集成化；

 

7、隱身技術(shù)；

 

8、動(dòng)力技術(shù)；

 

9、通信技術(shù)；

 

10、智能控制技術(shù)；

 

11、空域管理技術(shù)；

無(wú)人機飛行控制技術(shù)

飛行控制與管理系統是無(wú)人機的關(guān)鍵系統之一。飛行控制系統是無(wú)人機完成起飛(****)、空中飛行、執行任務(wù)、返場(chǎng)著(zhù)陸(回收)等整個(gè)飛行過(guò)程的核心系統，對無(wú)人機實(shí)現全權限控制與管理，因此對無(wú)人機的功能和性能起關(guān)鍵、決定性作用。如果沒(méi)有飛行控制系統，現代無(wú)人機就不可能上天飛行，完成各種任務(wù)。

無(wú)人機飛行控制系統一般包含傳感器、機載計算機和伺服作動(dòng)設備三大部分。

無(wú)人機控制模式

無(wú)人機的飛行控制系統是全時(shí)限、全權限的，飛行控制模式可以分為程序控制（時(shí)間程序控制）、遙控（通過(guò)地面站遙控指令控制）和自主飛行控制（二維、三維或四維）三種。

前二種飛行控制方式常用作靶機、觀(guān)測等類(lèi)型無(wú)人機的飛行控制，第三種常用于偵察機、攻擊機等類(lèi)型無(wú)人機的飛行控制。

在遙控方式下，地面操作手根據無(wú)人機的狀態(tài)信息和任務(wù)要求控制無(wú)人機的飛行；

在自主控制方式下，飛行控制系統根據傳感器獲取的飛機狀態(tài)信息和任務(wù)規劃信息自動(dòng)控制無(wú)人機的飛行。

在半自主控制方式下，飛行控制系統一方面根據傳感器獲取的飛機狀態(tài)信息和任務(wù)規劃信息自主控制無(wú)人機的飛行，另一方面，接收地面控制站的遙控指令，改變飛行狀態(tài)。

機載傳感器

無(wú)人機飛控系統常用的傳感器包括角速率傳感器、姿態(tài)傳感器、航向傳感器、高度空速傳感器、飛機位置傳感器、迎角傳感器、過(guò)載傳感器等。傳感器的選擇應根據實(shí)際系統的控制需要，在控制律初步設計與仿真的基礎上進(jìn)行。

1、角速率傳感器

角速率傳感器是飛控系統的基本傳感器之一，用于感受無(wú)人機繞機體軸的轉動(dòng)角速率，以構成角速率反饋，改善系統的阻尼特性、提高穩定性。

角速率傳感器的選擇要考慮其測量范圍、精度、輸出特性、帶寬等。

角速率傳感器應安裝在無(wú)人機重心附近、一階彎振的波節處，安裝軸線(xiàn)與要感受的機體軸向平行，并特別注意極性的正確性。

2、姿態(tài)、航向傳感器

姿態(tài)傳感器用于感受無(wú)人機的俯仰和滾轉角度，航向傳感器用于感受無(wú)人機的航向角。姿態(tài)、航向傳感器是無(wú)人機飛行控制系統的重要組成部分，用于實(shí)現姿態(tài)航向穩定與控制功能。

姿態(tài)、航向傳感器的選擇要考慮其測量范圍、精度、輸出特性、動(dòng)態(tài)特性等。

姿態(tài)、航向傳感器應安裝在飛機重心附近，振動(dòng)盡可能要小，有較高的安裝精度要求。

對于磁航向傳感器要安裝在受鐵磁性物質(zhì)影響最小且相對固定的地方，安裝件應采用非磁性材料制造。

3、高度、空速傳感器（或大氣數據計算機）

高度、空速傳感器（或大氣數據計算機）用于感受無(wú)人機的飛行高度和空速，是高度保持和空速保持的必備傳感器。一般和空速管、通氣管路構成大氣數據系統。

高度、空速傳感器的選擇主要考慮測量范圍和測量精度。其安裝一般要求在空速管附近，盡量縮短管路。

4、飛機位置傳感器

飛機位置傳感器用于感受飛機的位置，是飛行軌跡控制的必要前提。慣性導航設備、GPS衛星導航接收機是典型的位置傳感器。

飛機位置傳感器的選擇一般考慮與飛行時(shí)間相關(guān)的導航精度、成本和可用性等問(wèn)題。

慣性導航設備有安裝位置和較高的安裝精度要求，GPS接收機的安裝主要應避免天線(xiàn)的遮擋問(wèn)題。

引導設備

精確引導是無(wú)人機自動(dòng)著(zhù)陸的基礎。由于使用簡(jiǎn)易的機場(chǎng)，顯然不可能使用一般的儀表著(zhù)陸系統或者微波著(zhù)陸系統。在此前提下，還有如下方法可供選擇。

1) 全球定位系統（GPS）：GPS是目前為止定位精度最高的導航設施,在世界各國有著(zhù)廣泛的應用。GPS作為精密進(jìn)場(chǎng)著(zhù)陸引導系統時(shí)必須與INS和無(wú)線(xiàn)電高度表相組合。因為GPS易受美國的制約，不宜對其過(guò)分依賴(lài)。

2) 區域定位系統（RPS）：區域定位系統（RPS）通過(guò)在地面一定區域內放置4～6個(gè)在功能上相當于定位衛星的設備（可稱(chēng)為偽衛星）來(lái)實(shí)現對空中目標的定位。

3) 地面輔助引導設施：通過(guò)地面的精密光學(xué)系統或者導引雷達對飛機定位，再由上行數據鏈將定位信息傳給飛控計算機。

4) 視見(jiàn)引導：利用無(wú)人機上光電設備（此時(shí)應鎖定在一定的角度上）實(shí)時(shí)拍攝的機場(chǎng)景象迭加無(wú)人機的姿態(tài)、航向、空速、高度等信息，形成類(lèi)似于有人機上的平顯畫(huà)面，并結合機場(chǎng)人員對于無(wú)人機的目視結果，人工引導飛機進(jìn)場(chǎng)著(zhù)陸。

伺服機構

伺服作動(dòng)設備也稱(chēng)舵機，是飛控系統的執行部件。其作用在于接收飛行控制指令，進(jìn)行功率放大，并驅動(dòng)舵面或發(fā)動(dòng)機節風(fēng)門(mén)偏轉，從而達到控制無(wú)人機姿態(tài)和軌跡的目的。

伺服作動(dòng)設備可分為電動(dòng)伺服作動(dòng)設備、液壓伺服作動(dòng)設備和電液混合伺服作動(dòng)設備。無(wú)人機上通常使用電動(dòng)伺服作動(dòng)設備。

飛行控制律

飛行控制律是飛行控制系統一個(gè)重要組成部分，它是指令及各種外部信息到飛機各執行機構的一種映射關(guān)系。飛行控制律的設計就是確定這種映射關(guān)系，使飛機在整個(gè)飛行包線(xiàn)內具有符合系統要求的飛行品質(zhì)。飛行控制律設計的依據是系統研制任務(wù)合同及相關(guān)頂層技術(shù)文件。根據這些文件具體形成在具有控制系統下飛機的各種品質(zhì)或性能，在對無(wú)控飛機的特性進(jìn)行分析的基礎上，為達到所要求的飛行品質(zhì)或性能，確定初步的控制律結構，然后應用自動(dòng)控制的設計方法具體確定控制律參數。通過(guò)非線(xiàn)性全量仿真、半物理仿真及飛行試驗，驗證或調整控制律結構及參數，使飛行品質(zhì)或性能達到要求?？刂坡稍O計過(guò)程是一個(gè)迭代回歸的過(guò)程。

控制律結構

首先應明確飛機的控制面。一般控制面由升降舵、副翼、方向舵、襟翼、鴨翼、減速板等。根據對無(wú)人機的性能要求及無(wú)控無(wú)人機的特性確定控制律結構?？刂坡砂v向控制律和橫航向控制律。根據無(wú)人機的任務(wù)要求，選擇以下控制律結構。

俯仰角穩定與控制

俯仰角穩定與控制回路一般需要俯仰角及俯仰角速度反饋信號，其一般控制律結構如圖所示。

滾轉角穩定及控制

滾轉角穩定與控制回路一般需要滾轉角及滾轉角速度反饋信號，其一般控制律結構如圖所示。

航向穩定與控制

航向角穩定與控制一般結構如圖。其中，控制結構通過(guò)副翼進(jìn)行航向控制，具有較高的控制效率，但控制中側滑角較大；利用方向舵進(jìn)行航向控制，該形式的控制效率較低，所引入的滾轉角反饋用于部分消除側滑角；利用副翼和方向舵聯(lián)合控制航向角，具有控制效率高及側滑角小的特點(diǎn)。

高度控制

高度控制由俯仰內回路及外回路組成。俯仰內回路一般由俯仰角和俯仰角速度反饋組成，高度控制的外回路一般采用比例+積分+微分的形式，如圖所示。

空速控制

空速控制分為節風(fēng)門(mén)空速控制、俯仰空速控制和阻力空速控制。節風(fēng)門(mén)空速控制通過(guò)調節發(fā)動(dòng)機節風(fēng)門(mén)實(shí)現空速的控制，俯仰空速控制通過(guò)升降舵偏轉使飛機攻角變化，從而改變飛機空氣動(dòng)力實(shí)現空速的控制，阻力空速控制通過(guò)阻力板的偏轉改變阻力實(shí)現空速的控制。

由于發(fā)動(dòng)機一般具有較大的時(shí)間延遲，因此節風(fēng)門(mén)空速控制一般相對緩慢，俯仰空速控制和阻力空速控制具有響應相對快的特點(diǎn)。

側向偏離控制

側向偏離控制可實(shí)現側向航跡控制。側向偏離控制一般通過(guò)飛機的滾轉控制實(shí)現，它由滾轉內回路和側偏外回路組成。側偏距離為相對于期望航線(xiàn)的距離，即期望航線(xiàn)與實(shí)際航線(xiàn)之差。有差控制一般用于巡航飛行階段，無(wú)差控制主要用于精確控制階段，如著(zhù)陸。

升降速度控制

升降速度控制一般用于自動(dòng)輪式著(zhù)陸的拉平階段，其控制結構由俯仰內回路和升降速度外回路組成，如圖所示。

無(wú)人機數據鏈

數據鏈是無(wú)人機系統的主要組成部分之一。設計涉及到遙控遙測、跟蹤定位、圖像傳輸、微波通信、衛星通信、抗干擾通信、天線(xiàn)伺服、自動(dòng)控制和計算機應用等多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，是一項復雜的信息系統工程。

數據鏈功能

1、對無(wú)人機及機載任務(wù)設備的遙控；

2、對無(wú)人機及機載設備的遙測；

3、對無(wú)人機的跟蹤定位；

4、對無(wú)人機偵察信息的實(shí)時(shí)傳輸與處理。

遙控技術(shù)

遙控是無(wú)人機數據鏈必備的功能，用于實(shí)現對無(wú)人機和任務(wù)設備的遠距離操作。來(lái)自地面操縱臺或操縱器的指令和數據，經(jīng)編碼、上行(測控站到無(wú)人機)無(wú)線(xiàn)信道傳輸和解碼，送給機上飛行控制計算機(或直接)對無(wú)人機和任務(wù)設備實(shí)施操作。

在現代先進(jìn)的無(wú)人機系統中，遙控的作用可歸納如下：

1、對無(wú)人機飛行的遠距離操縱；

2、對無(wú)人機機載設備的遠距離控制；

3、上行測距碼的傳輸；

4、供無(wú)人機導航用的數據(包括航路設置或修改數據、測控站位置、由測控站測定的無(wú)人機位置、差分GPS修正數據等)的上行傳輸。

遙控對于無(wú)人機來(lái)說(shuō)非常重要，其可靠性、抗干擾和抗截獲能力等應充分重視。遙控指令和數據的傳輸一般在較低碼速率下進(jìn)行，保證足夠的信道電平并不困難。提高設計余度可以增加遙控的可靠性，通過(guò)擴頻或跳頻以及數據加密能增加遙控的抗干擾和抗截獲能力。

遙測技術(shù)

遙測是了解無(wú)人機狀態(tài)和對其實(shí)施遙控的必要監測手段。來(lái)自機上飛行控制計算機或直接來(lái)自機上各部分的遙測數據(包括飛行狀態(tài)傳感器的數據和機載設備狀態(tài)的檢測數據)，經(jīng)編碼、下行(無(wú)人機到測控站)無(wú)線(xiàn)信道傳輸和解碼，傳回到測控站，通過(guò)數據綜合顯示，能夠實(shí)時(shí)觀(guān)察無(wú)人機的飛行狀態(tài)，以及任務(wù)設備的工作狀態(tài)。操縱人員借助這些數據可以方便地對無(wú)人機及其任務(wù)設備進(jìn)行操縱，完成各種任務(wù)。借助下行遙測信道，還可以實(shí)現測控站天線(xiàn)對無(wú)人機的跟蹤，測出無(wú)人機的方位角。通過(guò)遙測傳回的測距碼，與發(fā)送的測距碼進(jìn)行比對，能夠完成無(wú)人機相對測控站的斜距測量。由方位角和斜距，再利用遙測傳回的高度數據，就能夠確定無(wú)人機相對測控站的位置。

在現代先進(jìn)的無(wú)人機系統中，遙測的作用為：

1、下行傳輸無(wú)人機的各種飛行狀態(tài)數據；

 

2、下行傳輸無(wú)人機的機載設備狀態(tài)數據；

 

3、下行傳輸測距碼，實(shí)現對無(wú)人機的測距；

 

4、提供測控站跟蹤測角的信標。

遙測對于無(wú)人機來(lái)說(shuō)也是非常重要，數據傳輸的錯誤會(huì )給操作人員造成誤導，可能導致誤操作而出現事故。無(wú)人機遙測的設計應重視數據的傳輸質(zhì)量。遙測數據速率可能與遙控數據相近或稍高一些，保證足夠的信道電平也并不困難。通常采取糾錯編碼等措施提高遙測數據的傳輸質(zhì)量。

跟蹤定位技術(shù)

跟蹤定位是指連續和實(shí)時(shí)地提供無(wú)人機的位置數據。這既是操縱無(wú)人機的要求，也是對偵察目標進(jìn)行定位的需要。

對于能自主飛行的無(wú)人機，利用遙測將機上導航定位數據實(shí)時(shí)傳回測控站，就可實(shí)現對無(wú)人機的跟蹤定位。然而，在有些不能完全依賴(lài)機上導航定位的情況下，則需要由測控站對無(wú)人機進(jìn)行測角和測距，確定無(wú)人機與測控站的相對位置，再結合測控站本身的位置，就可實(shí)現對無(wú)人機的跟蹤定位。有時(shí)還可以將機上導航定位數據和測控站測量數據融合，這種組合定位方法既增加了余度，又有利于提高定位精度。

對于遠距離飛行的無(wú)人機，測控站天線(xiàn)一般采用高增益定向天線(xiàn)。這樣，既有利于增加信號電平，又有利于提高下行信道的抗干擾能力。如果這種高增益定向天線(xiàn)能自動(dòng)跟蹤無(wú)人機，即具有了跟蹤測角能力，那么再結合測距功能就可實(shí)現對無(wú)人機的跟蹤定位。

由于無(wú)人機飛行高度相對較低，無(wú)人機對測控站的仰角較小，而且無(wú)人機自身大都配備有高度傳感器，故多數情況下無(wú)需測定俯仰角，在俯仰方向以手動(dòng)或數字引導方式完成跟蹤即可，這有利于降低系統的復雜程度。

信息傳輸技術(shù)

無(wú)人機信息傳輸就是通過(guò)下行無(wú)線(xiàn)信道向測控站傳送由機載任務(wù)傳感器所獲取的視頻偵察信息。視頻偵察信息分圖像偵察和電子偵察兩種信息。圖像偵察信息的信號形式因圖像傳感器類(lèi)型有所區別，有電視攝像機的模擬或數字電視信號，有成像雷達或行掃式攝像機的圖片數據信號。電子偵察信息則是帶限模擬信號。

信息傳輸是無(wú)人機系統完成偵察任務(wù)的關(guān)鍵。傳輸質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到發(fā)現和識別目標的能力。偵察信息要求有比遙控和遙測數據高得多的傳輸帶寬(一般要幾兆赫，最高的可達幾十兆赫，甚至上百兆赫)。因此，視頻偵察信息傳輸信道設計往往是無(wú)人機無(wú)線(xiàn)信道設計最困難的部分。為了簡(jiǎn)化系統，視頻信息傳輸和遙測可共用一個(gè)信道。