為讀者介紹各個系統(tǒng)的功能,要記住所有分系統(tǒng)都不是孤立的,而是構(gòu)成全系統(tǒng)的一部分。
控制站
控制站通常是地面的,或艦載的,也可能是機載的位于母機上,控制站是飛行操控中心,實現(xiàn)人機交互,一般是無人機任務預規(guī)劃中心。如果是這樣,該站成為任務規(guī)劃與控制站。有時也有這種情況,任務規(guī)劃在指揮中心完成,然后將數(shù)據(jù)傳輸給控制站進行執(zhí)行,這種應用方式通常比較少。
通過控制站,控制人員利用上行通信鏈路給飛機發(fā)送指令,控制飛機飛行、操控所攜帶的各個任務載荷。同樣。通過下行通信鏈路,飛機回傳信息和圖像到達操控人員面前。信息包括載荷數(shù)據(jù)、機上各個分系統(tǒng)的狀態(tài)信息(監(jiān)測數(shù)據(jù))、位置信息等,飛機的發(fā)射與回收可通過主控制站或基于衛(wèi)星的控制站(輔助的)完成。
控制站經(jīng)常集成有與外界聯(lián)系的通信系統(tǒng),主要完成獲取天氣信息、各個系統(tǒng)間的網(wǎng)絡信息傳輸,接收上級下達的任務,給上級或其他部門回報信息等。
任務載荷
任務載荷的類型和性能是由所完成的任務決定的,包括:
(1)簡單的載荷子系統(tǒng)由固定焦距無穩(wěn)定平臺的攝像機構(gòu)成。
(2)視頻成像系統(tǒng)具有較強的功能,其焦距較長,具有局部放大能力??蓳u擺傾斜、帶有陀螺儀穩(wěn)定的轉(zhuǎn)臺。
(3)高功率雷達,包括供電單元。
一些功能更強的無人機在一個任務載荷單元中或多個任務載荷單元,可攜帶多個不同類型的載荷,通過對于來自不同傳感器數(shù)據(jù)的處理和融合,提高信息獲取能力,或者得到單從一傳感器不能獲得的信息。
無人飛機
飛機的主要功能是承載任務載荷到達工作地點,同時也搭載飛機飛行所需的子系。這些子系統(tǒng)包括通信鏈路、增穩(wěn)與控制設備、發(fā)動機以及燃油、發(fā)供電設備,飛機機體,還有用于發(fā)射、任務載荷、回收等裝置。
飛機結(jié)構(gòu)設計還需考慮的主要因素是作用距離、飛行速度、續(xù)航時間,這些性能是根據(jù)任務需求提出的。續(xù)航時間和飛行距離要求將決定燃油攜帶量。高性能低油耗的要求將對動力系統(tǒng)的效率,飛機動力學結(jié)構(gòu)優(yōu)化等提出要求。
飛行速度要求從根本上決定了采用哪種飛機的類型,包括輕于空氣的飛行器,重于空氣的固定翼、工作在高空的飛機,旋翼機,可變形機。軍事上的長續(xù)航、遠程監(jiān)視任務決定了要選大展炫比固定翼、工作在高空的飛機。他要求從較長跑道起飛,以獲得起飛需要的速度,這速度是由低空氣阻力、高機翼載荷所要求。
無人作戰(zhàn)飛機要求工作在較高的速度上,他要求具有低展炫比,可以長距離滑跑起飛,也可以空中發(fā)射。
無人機主要的民用領(lǐng)域應用要求飛機在執(zhí)行任務期間,大部分飛機速度在70km/h或低于該速度、很多應用要求飛機具有懸停能力(如電力線巡查),懸停能力可以更好的完成任務(如警察、消防人員對突發(fā)事件的控制)。
一些軍事應用要求飛機懸?;蚝苈乃俣蕊w行,如海軍假目標,陸軍的核生化監(jiān)測、激光目標指示,空軍基地安全防護。未爆炸的檢測與排除等。無論是軍事還是民用,只要是船上或限定區(qū)域工作,都需要飛機垂直起降。
導航系統(tǒng)
對于操控人員,需要實時地知道任何時刻飛機的位置、對于飛機來說,當自主飛行時,也需要飛機在飛行過程中在任何時刻知道自己的位置。這是任務預規(guī)劃時的內(nèi)容,也是系統(tǒng)性能惡化后,飛機緊急返回的基礎(chǔ)。對于全自主飛行模式,即無需進行控制站與飛機之間的任何通信,飛機上必須搭載足夠數(shù)量的導航設備。
過去,飛機需要攜帶高性能、復雜、笨重昂貴的慣性導航(簡稱慣導)系統(tǒng),或者是低成本一般性能的慣導系統(tǒng),但是都需要通過傳輸鏈路。由地面站對導航數(shù)據(jù)進行頻繁更新。這些更新數(shù)據(jù)來源于無線電跟蹤或者是地理特殊是識別定位。
現(xiàn)在,可以利用全球定位系統(tǒng),它是利用衛(wèi)星進行定位,大大減輕了導航定位的復雜性。GPS接受機重量輕、體積小、價格低,可以連續(xù)更新定位信息,因此目前只有非常簡單的慣導系統(tǒng)還需求。
對于非自主飛行模式,或者GPS被阻斷的情況,飛機與地面控制站之間的連續(xù)通信就很重要,其它后備導航手段包括:
(1)雷達跟蹤。飛機上安裝有異頻雷達收發(fā)機,可以響應控制站的掃描雷達發(fā)射的信息,這樣飛機的方位和距離就可以顯示在控制站雷達顯示器上。
(2)無線電跟蹤。帶有數(shù)據(jù)的無線電信號從飛機上發(fā)送給地面控制站,地面控制站在方位上跟蹤這個信號,就可確定方位。同時,距離是根據(jù)編碼信號從飛機到控制站之間傳輸所需時間來確定。
(3)直接估計。計算機獲取速度矢量和飛行時間,就可以計算出飛機的位置。如果飛機攜帶電視攝像機搜索地面,可根據(jù)圖像中地理特征信息和地面上的已知位置,確定飛機位置。
為了減輕操控強度,即使不能自主飛行,自動化程度也應盡可能地提高。
發(fā)射、回收和吊裝設備
(1)發(fā)射設備。對于不能垂直起飛,也沒有合適跑道可供使用的無人機來說,該設備是必需的。通常是將無人機鎖定在傾斜滑道上,通過推力使無人機在滑道上加速,直到無人機獲得飛行所需達到的速度。
(2)回收設備。不具備垂直飛行能力的無人機通常需要回收設備,除非利用輪式或滑撬進行滑降著陸。該設備通常采用回收傘形式,該傘安置在無人機上,在指定高度打開。為了回收安全需要有效的著陸手段。
(3)吊裝設備。除非是輕便的輕型飛機,一般無人機都需要一種手段將飛機運送到發(fā)射車上。
通信鏈路
通信系統(tǒng)主要的、也是最重要的需求是提供控制站與飛機之間數(shù)據(jù)鏈路(上行和下行)。傳輸媒介通常是無線電波,但也是激光束,或光纖傳輸?shù)墓獠?。?shù)據(jù)鏈路的主要功能是:
(1)上行(從控制站到無人機)
發(fā)送飛行路徑數(shù)據(jù),然后儲存到飛機自動飛行控制系統(tǒng)中
當人在飛行控制環(huán)路中時,實時發(fā)送飛行控制命令到自動飛行控制系統(tǒng)
發(fā)送控制命令到機載任務載荷和附屬設備
發(fā)送相關(guān)的位置更新信息到飛機慣導/自動飛行控制系統(tǒng)
(2)下行(從無人機到控制站)
發(fā)送有關(guān)飛機的位置信息到控制站
發(fā)送任務載荷圖像和數(shù)據(jù)到控制站
發(fā)送飛機狀態(tài)信息,如油量、發(fā)動機溫度等到控制站。
無線通信系統(tǒng)的功耗、處理復雜性、天線設計及其復雜性、重量、成本等將由以下因素決定:
(1)無人機測控作用距離。
(2)下傳任務載荷和狀態(tài)數(shù)據(jù)的綜合需求。
(3)傳輸安全要求。
接口
盡管無人機系統(tǒng)的部分單元或分系統(tǒng)在其它應用中獨立工作,但這些單元或子系統(tǒng)需要有機協(xié)調(diào),才能使全系統(tǒng)獲得較好的性能。在一個系統(tǒng)之內(nèi),分系統(tǒng)之間必須集成工作,各個分系統(tǒng)之間必須集成工作,各個分系統(tǒng)之間的接口功能需要給予較大關(guān)注。
例如,無線通信子系統(tǒng)在控制站和無人機之間構(gòu)建了接口連接,但是其設備分別安裝在控制站和無人機上,這些設備就需要采取相同的通信協(xié)議,并與其對應的上一級子系統(tǒng)兼容。
無人機可能被不同國家人員使用,要求其能夠工作在不同的無線電頻率上,使用不同保密的編碼。對于同一鐘無人機控制站和飛機,根據(jù)需要,可設計成本不同的前后端模塊與之聯(lián)接,以方便各類操控人員使用。這就需要定義一種通用接口。