26帧数据结构采用字头、指令码和...

摘 要
无人机在军事和民用领域都有广泛的应用。

新型武器试验等应用场合对无人机的性能提出了更高的要求。

随着微处理器、flash存储器、数传电台等器件和技术的发展，研制新一代数字化无人机的条件已经成熟。

本文基于某型号无人机的科研项目，对无人机测控系统和飞行控制系统中的数据传输进行了研究和探讨，针对客户的实际需求，结合单片机、数传电台等器件，设计了全数字化的无人机数据传输系统。

并对无人机测控地面站、无线通信、飞行控制系统中数据传输的各环节，在硬件电路、软件程序、可靠性措施等方面进行了大量试验和定型，最终完成了全数字化的无人机数据传输系统。

该系统可完成遥控指令、参数信息的上传，遥测信息的实时显示、飞行记录的存储和回放，满足了无人机的测控需求。

该系统与传统无人机测控系统相比，降低了设备复杂度、减少了整机重量；采用无线调参方式，除大大减少了飞行准备工作量之外，提高了单次飞行效率，减少了新机型试飞次数。

收发一体的无线通信方式，使无人机测控距离提高了50%。

与传统无人机飞行控制系统相比，飞行稳定性大为增强，在飞行定高、定向、故障处理等指标上有了较大提高。

关键词：无人机测控系统飞行控制系统数据传输
Abstract
The UA V(unmanned aviation vehicle) has been widely used on civil field and military purpose. With the experiment of new weaponry or other needs, the capability of UA V has been required more and more highly. Along with the development of microprocessor, flash memorizer and digital transmitter-receiver or other apparatuses, it is feasible to manufacture UA V of new series.
This based on a certain scientific research item, carrying through the research and discuss of data transmission in measure and command system and flight control system, design a complete digital transfer system on UA V which based on the practical requirements of clients and combined with the microprocessor , digital radio and other components. To accomplish this system, we carry through a mass of experiments and former improvements on hardware circuit, software program, reliability which is involved in ground equipment to measure and command UA V, wireless communications, flight control system and all other parts of data transmission. With the achievements of telecontrol instructions, parameter up load, telecontrol information real-time display, storage and release of flight enregister, this system can fulfil the requirements to UA V on measure and command.
Compared with traditional UA V measure and command system, the system reduced equipment complication and plane weight. With application of wireless adjust parameter in the system, we can not only reduce the work on flight preparation, but also improve flight efficiency and reduce trial times. Due to transmit and receiver signals on one radio, the system increase UA V measure and command distance one and a half times. Compared with traditional UA V measure and command system, it improved the capability of flight stability, altitude and direction confirmation and fault management.
Key words: UA V(unmanned aviation vehicle) , measure and command system, flight control system, data transmission.
目录
第一章 绪 论 (1)
1.1国内外相关技术的发展现状 (1)
1.1.1国外无人机发展的状况 (2)
1.1.2我国无人机发展的情况 (3)
1.2研究背景 (4)
1.2.1无人机的测控系统现状及存在的问题 (4)
1.2.2新型无人机测控系统性能指标 (4)
1.3 本文所做的工作 (5)
第二章 无人机测控系统的理论基础与地面站数据传输系统的设计 (7)
2.1无人机测控系统概述 (7)
2.1.1无人机飞行控制器 (7)
2.1.2无人机测控系统技术 (9)
2.2系统功能及组成框图 (11)
2.3地面站主要数据传输通道 (12)
2.3.1手操纵到主站 (12)
2.3.2 主操纵到主站 (16)
2.3.3测控计算机到主站 (17)
2.3.4主站到电台 (18)
2.3.5地面电台到测控计算机 (20)
2.4系统工作时序及协议 (21)
2.5系统调试及结果 (29)
2.6 本章小结 (30)
第三章 无线数据传输系统的设计与实现 (31)
3.1双无线通道与单无线通道的比较 (31)
3.2无线遥控（上行）通道 (34)
3.3无线遥测（下行）通道 (34)
3.4时分工作方式时序 (35)
3.5无线通道的调试与结果 (36)
3.6本章小结 (37)
第四章 飞行控制系统的设计与实现 (38)
4.1 飞控系统组成及数据传输通道 (38)
4.2 数据传输通道接口及时序 (40)
4.2.1 GPS接收器 (40)
4.2.2 高度和航向传感器 (44)
4.2.3 陀螺 (51)
4.2.4 输出舵机 (51)
4.2.5 MCU之间 (51)
4.3 系统调试及结果 (53)
4.4 本章小结 (54)
第五章 系统可靠性分析及测试结果 (55)
第六章 结束语 (59)
致谢 (61)
参考文献 (62)
附录一 攻读硕士学位期间论文发表、项目研究情况 (64)
第一章 绪 论
军用无人机自1917年美国人首先研制成功以来，先后经历了无人靶机、指令遥控无人侦察机、预编程控制无人侦察机和复合控制多用途无人机的发展过程，并形成了庞大的军用无人机家族，在战争中扮演着长空尖兵的角色。

在60年代的越南战争、70年代的中东战争、90年代的海湾战争和科索沃战争、21世纪初的伊拉克战争中，军用无人机卓有成效的执行了多种作战任务，为武器系统提供目标定位、目标指示、目标动态监视和目标毁伤评估的适时情报通信中继、对地攻击等。

无人机的特别功能和突出战绩在各国军界备受关注，无人机的发展迎来了兴盛时期。

尤其是随着电子技术和航空技术的飞速发展，世界无人机的发展也进入了一个崭新的时代。

无人攻击机的出现更是标志着无人机已向智能化、隐身化、数字化、信息化、网路化的方向发展。

所谓无人机，首先是无人驾驶，无人机可以按照我们事先规划的航线来进行飞行。

相对有人机而言，无人机的性能比较简单，而有人机由于有人在上面，它人员的支持系统和生命保障系统，那么飞机要复杂得多。

另外，无人机小，而且轻。

小的无人机才十克，也有11吨重的无人机，而有人机再也没有10克或者100公斤这样的飞机存在。

测控系统作为无人机系统必不可少的重要组成部分，它是操纵人员操控无人机必不可少的工具，是人机交互的纽带，也是网络信息战中一个重要的指挥节点。

鉴于测控系统对于无人机整体系统的重要性，又由于某型号无人机项目的开发需求，在导师的精心指导和有关人员的共同努力下，我对无人机测控系统中数据传输系统的理论与技术进行了学习研究和总结，参加了某小型无人机方案的论证与设计，进行了该无人机数据传输系统的设计与开发。

经过设计、试验、地面调试、联合试车、小批量试飞，基本完成了对该无人机系统的定型。

并在部队的训练打靶、电子对抗、导弹打靶试验等多种场合得到了应用。

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1.1国内外相关技术的发展现状
1.1.1 国外无人机的发展
海湾战争后，人们普遍认识到现代和未来的战场电磁环境日趋复杂，电子战的作用和威力日显突出，从而使得军事部门开始重视无人机在战争中的应用潜力。

在美国，典型的电子干扰型无人机是在海湾战争中使用的“勇敢者”-200/300干扰无人机、“苍鹰”无人机以及与德国合作研制的“杜肯”无人机等。

“勇敢者”无人机是一种简单、可靠、灵活、便宜的一次性使用的小型无人机，计划在“勇敢者”-200无人机上安装AN/ALQ-176雷达干扰机。

“苍鹰”无人机上装备了雷达支援／雷达干扰一体化系统，它是一种宽波段，可重编程的雷达对抗系统，能够自主截获和分析雷达辐射信号，并根据威胁程度排出优先顺序，从而对威胁做出快速反应。

美国在海湾战争中使用的“先锋”型无人机装备雷达侦察和阻塞式干扰机，用于和EF-11lA电子干扰飞机配合，遂行对敌防空压制任务。

在欧洲，英国的GEC-马可尼公司正在为即将装备的“不死鸟”无人机研制“王者”系列电子战载荷，其中包括两套电子情报载荷、一套雷达干扰载荷等现代电子设备。

法国在无人机上成功地试验了一种通信干扰机：该干扰机为阻塞式的，重13.6公斤，频率覆盖范围为20～110兆赫。

在此基础上，又研制与生产了一种“多任务无人机用有效载荷系统”，该系统包括一套全向阻塞式干扰机（具有电子支援措施/测向和无线电通信中继功能）、一部型化的雷达干扰机、一部合成孔径／动目标指示雷达和一台红外成像设备，它可有效地执行电子战和侦察任务。

另外，法国陆军正在试验一种供无人机使用的名曰“袋貂”的情报载荷是一个无源系统，用以探测敌方雷达的发射源，发送供显示和分析用的雷达跟踪信息，记录供飞行后分析用的数据，它采用相干干涉仪天线和接收机，工作波段为E～J波段，并有C和K波段选择能力，视场180°，瞬时覆盖范围90°，测频精度2兆赫，方位精度为1°。

此外，还与无人机制造商CAC系统公司一起研制和生产了专门用于电子战的FOX-TX无人机。

该无人机重120公斤，具有预先编程的5小时的巡逻能力，飞行高度100～3500米，飞行速度144公里/小时；其有效载荷重25公斤，专用于电子情报的收集以及执行雷达干扰任务。

FOX-TX无人机现已在法军服役。

以色列很早就开展了供无人机用的电子战载荷的研究工作，并且有的还经
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过实战考验。

1982年叙以贝卡谷地战斗中，以色列就使用于“猛犬”和“侦察兵”无人机，充当电子诱饵和收集图像情报与信号情报，取得了出色的战果。

目前，以色列正在研制的有AES-210电子战支援系统。

该系统供无人机或直升机用。

它能在极稠密的电磁环境下完成电子支援和雷达告警任务。

作为一种可编程序的系统，它是按模块化和柔性体系结构设计的。

整个系统重45公斤，工作频率0.5～18吉赫，覆盖范围360°，系统功率500瓦。

此外，还研制了供无人机和直升机用的SPS-65综合机载自卫系统。

该系统重13公斤，包括频率覆盖范围高达18吉赫的SPS-20雷达告警接收机和用于探测连续波与低有较辐射功率的SRS-25超外差式接收机以及LWS-20激光告警接收机。

1.1.2 我国无人机发展现状
在我国无人机技术的发展很快，目前已经拥有大、中、小、超小、高空高速无人机5类非靶机类固定翼无人机。

无人机上也装载了多种电子、光学设备。

装载电子对抗设备，完成对抗任务的电子战无人机在国内目前只有RKL165假目标无人机和RKT164通信对抗无人机。

在研的型号有RKZl67中程电子对抗无人机系统、JWS01反辐射无人机。

小型无人机控制半径一般为50千米，目前已经有BZK-002高原型侦察无人机、 JWS01反辐射无人机、RKLl65假目标无人机、RKTl64通信对抗无人机等多个型号。

中型无人机目前有T-18中程无人机、WZ-2000无人机。

作战半径600千米，实用升限5000米，续航时间10小时，任务载荷50千克。

任务载荷可以是航空相机、电视摄像机、红外行扫仪、电子侦察设备、电子干扰设备等。

大型无人机目前有一个在研型号为BZK-005的中高空远程无人侦察机。

该机巡航高度7000米，作战半径1500千米，续航时间为30小时，可以装载多种任务设备。

高空高速无人机目前在国内有多家单位正在研制，包括WZ-3000等飞机。

这类飞机飞行高度可达12000米以上，飞行速度在600～800㎞／h，可以装载电子侦察设备、干扰设备、SAR等任务设备。

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1.2研究背景
小型无人机在军事领域的应用主要有二类：一类是用于侦察、干扰任务的无人机，另一类就是用于防空部队训练和演习的无人靶机。

近年来，我国的国防工业得到了迅猛的发展，大量的新式装备列装投入使用，部队训练、演习在强度和技术水平上大大加强，军工科研部门的新式武器的研制试验工作也取得了较大的进展。

其中，在部队的训练、大型演习、高炮和导弹的试验中，都对高性能的无人机提出了要求。

1.2.1无人机的测控系统现状及存在的问题
采用比例遥控和目视测量控制无人机的飞行，无人机只能在可视距离内飞行（一般2—3公里），仅能满足一般高炮的基本动作训练，应用范围有限。

采用双通道无线遥控遥测虽能满足一般训练使用，但是也存在以下问题：上行、下行分别采用无线电通信通道，于是地面和机上就都有了二套电台、天线、频率，一方面设备增加，使系统复杂，重量加大；另一方面，在靶机上放置二根天线，一般只能垂直尾翼上放一根，在水平副翼上放一根，这样，这两个电线极化方向是不同的，而地面站架设的天线则是二根天线全是垂直放置，结果总是出现一路通信距离差的问题。

靶机飞行前需要调参，而目前的方式采用有线调参，在靶机飞行场地，地面站距发射架有数十米距离，每次靶机发射时必须搬动地面站至飞机处调参，使用极为不便。

靶机可以在空中按予设航线程控自动驾驶飞行，目前的航线装定是有线装定，只能在靶机发射前有线装入航线。

如果飞行时发现有偏差，只能伞降回收后，重新装定，再升空飞行。

性能太差，使用中不能满足打靶需求。

1.2.2新型无人机测控系统性能指标
基于以上问题，研制开发新一代无人机测控系统就成为一项急迫的任务。

基于某型号无人机项目，本文研制开发了针对目前军队使用的主要无人机的测控系统。

主要功能和指标要求为：
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1.遥控命令：完成无人机32个遥控指令的上传，指令周期小于等于1秒。

2. 参数装定：对靶机的8个参数（Kθ、Kr、Kφ、Kh、γ左、γ右、θ升.、θ俯，）采用无线方式实时的予以调整和装定。

响应时间小于100ms。

3. 原点坐标装定：采用无线方式向靶机发出原点坐标值，可以选择机上GPS当前值或人为设定值，装订用时小于600ms。

4. 航线装定：可在地面准备和空中飞行过程中采用无线方式实时的向靶机逐点发出所选定的航线，包括程控航线各点的序号、地理位置坐标值等。

装订用时小于600ms×点数。

5.通信距离：地面大于8Km。

空中100km (飞行高度800m时)。

6.空中传输速率：4800bps误帧率小于1%。

7.连续工作时间：地面站大于4小时，飞控系统大于2小时。

经过开发、试验、方案设计、桌面调试、联合试车、小批量飞行试验，研制成功了新一代无人机测控系统。

这种新型测控系统，采用单频半双工MSK数传电台，由一个无线通道实现了靶机的测控一体。

简化了设备，降低了机载设备重量，相同功率情况下，提高了测控距离50%以上，而且，无人机参数调整、航线装定全部采用无线方式，靶机在空中飞行中也可以进行航线装入和修改
由于以上优点，使测控系统的使用大大简化，而功能又得到较大提高，经部队多次训练、演习使用，获得好评。

此外，由于该测控系统设计中，兼顾考虑了其它机型的测控要求，所以可以方便地改装为其它机型测控系统，使其可以在军事、民用无人机领域有广泛的应用。

1.3 本文所做的工作
无人机数据传输系统涵盖了无人机的测控和飞行控制系统，本文对无人机的数据传输系统进行了设计、试验，最终在某无人机项目中得到了实现，取得了较好的应用效果。

本文包含六个章节：
第一章 绪论。

简要分析了无人机相关技术的发展现状及存在的问题，指出了新型飞行控制和遥测遥控系统应该具有的技术和特点。

第二章 无人机测控系统的概述与地面站传输系统的设计。

介绍了无人机
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测控系统由机载和地面两部分组成。

简介了飞行控制器和无人机测控系统，无人机控制技术数据传输系统地面站的功能和组成，描述了主要数据传输通道的作用、电路工作原理、器件、工作时序和性能指标。

第三章 无线数据传输系统设计与实现。

在对传统双通道测控和新型收发一体单通道测控方式进行了综合比较之后，详细描述了单通道收发一体化测控系统遥控、遥测无线传输的通道电路、工作时序和性能指标。

第四章 飞行控制系统设计与实现。

介绍了无人机数据传输系统飞行控制器中主要数据传输通道，详细描述了各数据传输通道接口的电路工作原理、器件、工作时序。

第五章 系统可靠性措施和测试结果。

介绍了无人机数据传输系统中多种可靠性措施的原理、实现方式和测试结果。

第六章 结束语。

总结全文内容。

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第二章 无人机测控系统的理论基础与地面站传输系统的设计
无人机测控系统由机载和地面两部分组成。

机载包括飞行控制器、无人机驱动系统、GPS接收机与电子罗盘定位系统、遥控与遥测发射系统等组成。

地面部分称为地面站。

地面站设备包括测控主站、副站、手操纵器、测控数传电台及天线、三角架等。

2.1 无人机测控系统概述
2.1.1无人机飞行控制器
飞行控制器是负责飞行控制系统信号的采集、控制律的解算、飞机的姿态和速度，以及与地面设备的通讯等工作。

飞行控制器控制设备由传感器，操作面板，数据及算术处理设备和电源组成，通信控制设备由编码器/解码器控制，通信控制盒和自动跟踪控制器组成。

无人机数据采集及测控系统集成了模拟、数字、通讯总线、时间码等无人机上通用的各种航电信号采集和测试功能。

无人驾驶仪的控制系统进行测试，主要完成包括对控制系统的各个硬件（传感器、敏感元件、执行机构等）、自动驾驶仪以及中间装置的参数特性、动态过程监测，以及控制系统的航空专用总线。

飞控器是以单片机为核心的计算机控制系统，其功能是实现由输入信息的含义决策输出信息的过程，简单地说是信息处理过程，其输入信息主要是指遥控接收机送来的指令信息，当然也含故障应急处理信息。

根据输入信息来决策输出控制及遥测显示信息。

因此，其功能主要有：
1）保持飞机按给定的高度稳定飞行
2）保持飞机按预定的航线稳定飞行
3）控制飞机按给定的航向角飞行
4）控制飞机按给定的姿态角机动飞行
5）控制飞机按预定程序自主飞行
6）随着高度和速度的变化自动改变控制系统
7）采集飞行状态参数，送至遥测发射系统
8）进行故障应急处理
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9）完成飞机开关指令功能对任务设备的控制
其中1）～5）、9）条是飞控器根据地面遥控指令切换不同控制模态来实现，第6）、7）、8）条由飞控器自行完成。

飞控器的控制回路构成见图2-1所示。

图2-1飞控器的控制回路
飞行控制器采用了三种控制方式，四个反馈回路、五种控制模态。

（一）控制方式
三种控制方式是：无线电指令控制下的自动模态飞行方式、无线电遥控静默下的全自主飞行控制方式以及程控飞行方式。

（二）反馈回路
四个反馈回路：以TC-3D垂直陀螺仪构成的反馈回路，构成飞行姿态稳定与控制的内回路。

是飞行控制系统的核心控制回路，靶机的转弯、爬升、下滑飞行是由内回路给定相应参考姿态角来实现的。

以磁航向传感器信号作为反馈信号，送到无人机的横向控制通道上，构成飞行航向控制的外回路。

以气压高度传感器的输出信号作为反馈信号，送到无人机的纵向控制通道上，构成飞行航向控制的外回路。

以气压高度传感器的输出信号作为反馈信号，送到无人机的纵向控制通道上，构成飞行高度的外回路。

以GPS接收机接收到的靶机位置和飞行速度信息，通过信息融合后，反馈
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到横向控制通道上，进一步提高航迹的控制精度。

在反馈回路中，以阻尼、带宽、静差、容错性为要点，进行回路的反馈控制参数设计，以增强飞行控制系统全飞行包络的控制鲁棒性。

（三）控制模态
飞控系统采用了五种控制模态，即：三轴稳定控制模态、高度保持模态、航向保持模态、自动导航模态、自动归航模态。

模态之间的切换时机主要是由地面遥控人员通过指令来实现的，而在飞行控制系统中则是通过调整控制参数、切换给定参考变量来实现。

三轴稳定模态即为垂直陀螺仪控制模态，飞机无论处于什么指令下，飞控器接通垂直陀螺仪。

高度保持模态：即飞控器接通“垂直陀螺仪＋高度传感器”的控制模态。

当飞机收到“纵平”指令后，即接通高度传感器，当飞机收到“爬升”或“俯冲”指令时，切断高度传感器。

航向保持模态：即飞控器接通“垂直陀螺仪＋高度传感器＋航向传感器”的控制模态。

当飞机收到“远航”或是“返航”指令后，即接通航向传感器，当飞机收到“横平”指令时，切断航向传感器。

自动导航模态：当飞机收到“程控”指令时，飞行控制器将自动引导飞机飞行在预设的航路上。

用“横平”指令解除“程控”。

归航模态：即飞控器接通“垂直陀螺＋高度传感器＋航向传感器＋GPS”控制模态。

当飞机接收到“归航”指令，或是飞机在30秒内没有接收到地面的遥控信号（包括空指令信号）时，飞控器转入归航模态，飞控器从内存中调出起飞点的坐标，不断进行比较，引导飞机朝起飞点上空飞行，到达起飞点后盘旋3分钟，然后自动开伞回收。

在此过程中随时可以通过“横平”指令来解除“归航”模态。

2.1.2无人机测控系统技术
无人机测控系统是用于传输地面操作人员的指令，引导飞机按地面人员的要求飞行，遥测系统是传送飞机的飞行状态参数、位置坐标等，供地面人员掌握机上信息，并记录在飞行记录中，以便调用复查。

遥控、遥测系统简称为测控系统、设备平台为一体化设计。

测控系统由地
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面测控系统和机上测控系统组成。

地面测控系统由测控主站、副站、副操纵器、测控数传电台及天线等设备组成。

其中主站包括主操纵器、地面综合管理控制器、工控机、显示器。

副站主要为测控提供电源、为电池充电以及盛装副操纵器和其它设备。

机上测控系统按照遥控指令，可完成无人机的机动、程控飞行等动作，同时有数据采集部分，可通过测控电台传送飞机的状态参数、位置坐标，供地面人员实时监控飞机上的有关信息，并存贮所有传送信息，以便随时调用复查，它是无人机和地面操作人员之间联系的纽带，通过接收遥测信息，地面操作人员可以得到无人机当前所有的飞行参数信息，从而正确地操纵无人机完成飞行任务。

目前军队使用的无人机，其测控系统主要可以分为以下两类：
1、比例操控+目视测量：
这种方式主要用于较小型靶机，它采用遥控比例操纵设备，实现无线电4—8通道的遥控。

至于飞机的状态，则要通过目视来调整。

2、双通道测控系统：
采用了遥控通道和遥测通道的分离，单工双向双通道分别完成遥控指令的上传和飞机遥测数据的下传。

其组成见图2-2所示。

这种方式可以实现靶机的真正测控，目前为主要应用方式。

图2-2 目前无人机测控系统组成
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2.2系统功能及组成框图
地面站完成遥控指令的产生及发送、飞行参数的装订、遥测信息的显示、飞行状态的记录及回放。

组成框图如图2-3所示。

测控计算机采用工控机加高亮度的液晶显示屏，加装对应于各型号无人机的专用软件，完成飞行参数、原点坐标、航路信息的装订，以及遥测信息的实时显示。

手操纵通过电缆（约1.5米长）连接至地面主站，用于操控手手持操作，产生32条无人机遥控指令，控制无人机的飞行。

主操纵位于地面站面板上，也可产生32条遥控指令，作为备份的操纵器。

主站完成工控机调参信息、手操纵指令、主操纵指令的转发和优先级控制并产生定时的空指令。

无人机测控系统的时序基准由主站产生。

电台采用半双工MSK数传电台，通过地面天线完成遥控指令的上行及遥测信息的接收，实现了测控一体化。

地面站实际效果如图2-4所示。

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