无人机综合监测相关技术发展现状及趋势研究

无人机 2019-03-09 19:48

摘要:无人机的综合测控技术是其核心技术,可以帮助无人机完成高空故障检测、空间测绘、敌情侦察等高难度的任务,拥有着广泛的发展前景。本文主要综述了国内外无人机测控系统技术的发展模式及其未来发展趋势,并归纳了相关技术。提出了在现有的发展基础上拓展其余云端方面的信息交流合作,防止信息在强干扰下丢失的思路。

随着科技的进步,人类将探索领域扩展到了航空航天,无人机应运而生。无人机(Unmanned Aerial Vehicle)是指无人驾驶,利用无线电遥控或者自主控制的飞行器。高端的无人机具有人工智能,可以通过自身携带的多种传感器获取外界的各种信息,在没有人类干预的情况下,利用智能算法自主决策,完成规定的任务。目前,无人机已经全面的渗透到了人类的生活当中。它可以代替人类高空作业,完成高风险、高强度的任务。生活上可以用于影视拍摄、电力巡检、气象监测、森林火灾探测、快递运输、农林植保、救援任务等。军事上可以用于情报侦察、空中作战、目标定位摧毁等。

无人机在民用和军用的迅速发展,对无人机的测控系统提出了更高要求。无人机测控系统是无人机的核心技术,可以让无人机适用于复杂的工作环境。我国无人机测控技术经历近30年的发展历史,初步获得了一定的研究进展,基本实现了近、中、远程的飞行测控要求。但仍与国外的无人机发展有一定的差距,国内无人机数据链路带宽指标上可以体现,除在复杂电磁换件条件下工作的可靠性不够,再者频率的使用效率低。本文概述了国内外无人机测控系统相关关键技术的研究进展,分析了当前测控系统的研究难点和瓶颈,提出了将来测控系统的发展方向,为无人机测控系统的发展提供了一定的研究思路。

1 无人机测控系统关键技术

地面控制站和数据链路的研究是无人机测控系统的主要研究方向。地面控制站的作用是制定任务计划、飞行计划。根据飞行任务的需要在地面发送飞行指令,控制无人机。同时对飞行过程中侦察测量的信息、飞行参数、设备的状态参数、导航定位信息、无人机和目标的定位信息等进行实时处理,作为反馈信息不断的重新调整飞行指令。在对控制站相关技术的研究中,测控系统通用化及互操作技术、一站多机控制、无人机任务规划与监控技术、地面设备的机动、便携结构设计和装车技术等是研究重点。无人机机体和控制站相当于人体的肌肉骨骼和大脑,那么数据链路则相当于人体的神经脉络。数据链路数据信息的传输能力决定着无人机的性能。它的关键技术则集中体现在:跟踪、测控、通信和信息传输四合一一体化技术、无人机视频压缩编码技术、数据通讯抗干扰传输技术、一站多机数据链技术和自组网测控通信技术。

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1.1 控制站

(1)测控系统通用化及互操作技术。不同的工作任务,则可能会选用不同种类的无人机。这就对控制站提出了系统兼容性的要求,使得无人机通用化和可以互操作。因此,控制站的控制方式、控制指令的格式、处理方式等需要有一定的标准。同时数据链路中,数据通信的频段、信号格式也要求有一定的通用性。这是当前在无人机多元化市场里需要迫切解决的问题,也是难点之一。

(2)一站多机控制。一站多机控制指的是通过一个控制站,可以同时操作多架同种类型或者不同种类型的无人机技术。该技术可以简化操作人员的工作复杂度,减少人力成本,活化了多个无人机之间形成的协同合作,可灵活替换,相辅相成。一站多机技术的实现,首先解决的是界面优化和硬件结构的设计,界面的优化可以很好的帮助操作人员了解多个无人机的运行状态,让操作变得容易并节省时间。同时对于多个无人机的控制,还需要更加高速的数据链路传输速率。

(3)无人机任务规划与监控技术。无人机的任务规划是其作业过程中必要且关键的环节,包括任务分配、航路规划、链路使用规划等。且无人机的作业过程会需要控制站实时发布指令信息,指导无人机作业,而且无人机的留空监控系统反馈回的大量数据也需要控制站进行实时处理。因此,信息同步性高的实时动态监控,数据的综合显示、高速处理速度可以帮助任务更好地完成。

(4)便携结构设计和装车技术。无人机的设计要求之一就是需要无人机具有灵活快速的反应能力。因此控制站往往为了配合无人机的工作要求,需要进行实时的移动。但随着任务复杂度的提高,对无人机功能的要求越来越多,控制站装备增多致使其体积和重量增大,不便于移动。因此,对控制站结构的精简设计和装车技术成为研究重点,用以适应实时移动的要求。

1.2 数据链路

(1)跟踪、遥测、遥控和信息传输四合一一体化技术。早期的无人机跟踪、遥测、遥控和信息传输都有各自的独立信道,这使得无人机设备复杂。随着发展“三合一”和“四合一”综合信道技术的投入使用,大大减少了无人机设备的复杂度。四合一综合信道技术更是将四者综合为一体进行传输。

(2)无人机视频压缩编码技术。无人机监测的视频信息是无人机测控系统功能的重要体现,视频信息的传输好坏,可以用于对无人机性能的评估。数据链路技术决定着无人机视频信息的传输规模,而图像的压缩编码技术可以减少对传输带宽的占用,增加传输规模。

(3)数据通讯抗干扰传输技术。现代电子化高度集中的社会中,电子干扰不可避免,因此,无人机在工作过程中对于电子干扰的抵抗程度,体现着无人机性能的优劣。目前抗干扰的方式主要有抗干扰编码、直接序列扩频、跳频等。

该方案的缺点为:由于地铁车站较宽(地下两层标准站宽约22.5 m),造成门式桥墩跨度较大,梁高需4 m以上才能满足受力要求,这样导致结构受力不合理,对景观影响也大;车站与高架桥总宽度约43 m,占用地下空间资源较大。

(4)一站多机数据链路技术。一站多机数据链路技术是指一个控制站与多架无人机的数据通信,与一站多机控制技术相对应。为了让无人机可以对不同指令信号进行区分,识别出自身的控制指令,控制站采用了分频、分时或者码分多址的方式进行了信号的传输和编码。一站多机数据链技术减少了控制站的数量,实现了无人机多机多系统的协作共享,提高了无人机测控系统的工作效率。

(5)无人机自组网测控通信技术。在无人机自组织网络中,无人机完成任务时通过无线信道而形成的多种时刻变化的网络拓扑结构,是无人机完成指定任务的基础。为了使控制平台与信息传输和指定任务相匹配,形成系统,需要使用多跳组网的方式,由多个节点协作完成任务。因此,需要各类信息网络包括自组织、路由端进行相互的联通。

2 研究难点和发展趋势

世界各国都高度重视对无人机的发展研究,每年投入大量的人力和物力开发高端无人机。但由于缺乏系统的管理,导致无人机系统个体差异性大、频谱使用混乱、系统兼容性差、协同作战能力不理想。由于通用性差,导致技术支持和保障出现困难。数据链路带宽的有限性限制了无人机的发展,新的压缩技术或者通信手段是当前无人机的研究难点。美国《无人机路线图2005~2030》指出,激光通信可以提高2~5个数据量级的数据传输率,但存在安全隐患和难以维持。同时,将无人机与云计算平台相关联,将云平台作为拥有高精度计算能力的大脑,可以高速处理收集的信息,精确调度无人机的运转,还可以提高数据处理能力,帮助无人机更好的完成决策任务,但实时性有待提高。因此,未来对无人数据链路数据的传输速率、抗干扰、多机协同工作技术改进与云平台相关联是今后无人机的发展方向。

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