无人机航空电子系统研究

无人机航空电子系统研究*

高劲松邹庆元杨慧

中国航空工业第一集团公司第六一三研究所

摘要 本文在分析无人机系统的基础上，研究了无人机航空电子系统。本文认为一套无人机航电系统应该看成是由空中和地面三个相对独立的不同平台上的局域网组成的对外开发可扩展的具有互操作性的分布式系统。空中的一个局域网和地面的控制站及发射回收系统两个局域网通过数据链路连接。空中部分的局域网由飞机上的飞行器和有效载荷通过数据总线连接。空中部分的局域网和地面部分的局域网通过数据链连接。无人机航空电子系统的这三个局域网是整个作战网络中的三个节点，可以和网络中的其它节点进行信息交联和互操作。

关键词 UAV，航空电子系统

一般一套UAV系统常由五部分组成：飞行器、有效载荷、数据链系统、控制站、发射回收系统，以及相关的辅助系统组成。飞行器载着有效载荷和数据链系统的一部分在空中飞行。数据链的另一部分和控制站在一起，可能在空中，也可能在地面，操作员（包括飞行器和有效载荷操作员）通过控制站对UAV 进行控制。无人机系统是一种电子系统，又是一种机械系统。UAV系统的功能通过机械和电子信息系统完的电子信息系统，即航空电子系统。

成，这里主要研究UAV

1 无人机系统组成

*本文受航空科学基金04D13003和火力控制国防科技重点实验室资助

一套无人机系统的物理实体由五个主要的子系统组成，一般都至少应包括多个飞行器、根据任务安排配置的有效载荷、一个或多个控制站（可能在空中，也可能在地面）、数据链路系统，和一个发射与回收系统（有些UAV可能没有），以及一些相应的地面支援设备。无人机系统通过装载有效载荷的飞行器、控制站和发射回收系统与外界发生信息交联，图1为“捕食者”无人机系统的作战过程示意图。

飞行器是无人机系统的空中部分，包括飞机机体、推进装置、飞行操纵装置、供电系统，以及飞行器管理系统和相关的支持设备。飞行器管理系统对飞行器进行管理，和有效载荷中的任务管理系统进行信息交联，并通过数据链路和地面控制站进行信息交联。飞行数据终端被安装在无人机上，它是数据链路的机载部分。

有效载荷虽然是机载的，但在无人机系统研究中它却被认为是独立的子系统，能够在不同的飞行器之间通用，并且经过特别设计，能够完成各种不同任务。携带有效载荷是使用无人机系统的主要原因。在无人机系统中术语“有效载荷”指那些为了执行任务而装备到无人机上的设备，无人机是这些设备的平台和运输工具。有效载荷包括执行侦察、电子战、通讯中继和对地、对空攻击火控任务的传感器、发射机和相关武器管理系统，以及对这些任务进行管理的任务管理系统和相关设备。根据不同的任务在无人机起飞前加装不同的载荷，当加装了武器后就是UCAV。任务管理系统对全部载荷进行管理，和飞行器管理系统进行信息交联，通过数据链路和地面控制站进行信息交联。

控制站（CS），或任务规划与控制站（MPCS）是无人机系统的作战指挥中心。可以在空中别的飞机上，一般是在地面，叫地面控制站（GCS）。无人机上传输过来的图像、指令及遥测数据在此进行处理及显示。数据通常通过地面终端进行中转，地面数据终端是数据链路的地面部分。地面控制站由任务规划设备、控制及显控台、图像及遥测设施、计算机及信号处理器、通讯设备、环境控制及生存能力保护设备组成。进行任务规划和有效载荷操纵的有效载荷操作员和对飞行器飞行进行操纵的飞行器操作员都在地面控制站。

数据链路能根据要求提供无人机系统空中和地面部分的双向通讯。数据链路的上行链路提供对无人机飞行器飞行路线的控制及对有效载荷下达指令，下行链路对地面控制站传输无人机飞行器和有效载荷的状态信息，以及有效载荷获得的各种信息，包括视频信号。数据链路还可以通过测定无人机相对于地面控制站的距离和方位测定自身的位置，以便导航和对目标的精确定位。数据链路的硬件设备包括通过硬电缆（常是光纤电缆）和地面控制站相连的地面数据终端和装在飞行器上的空中数据终端。数据链路在战时必须具有抗干扰的功能。

发射和回收系统负责进行无人机的发射和回收，以及在飞行器发射前为其装定初始任务。虽然它是无人机系统中非常重要的部分，但是因为它是为飞行器的起飞和着陆服务的，所以在某些无人机系统中可能没有这个系统。

地面支援设备包括移动无人机的设备（如将无人机放置到发射架上），电源，以及测试和维护设备。

2 无人机航空电子系统研究

对无人机航空电子系统理解取决于从何种角度看无人机系统（这里讨论的一套无人机系统由一个飞行器和有效载荷、数据链系统、一个地面控制站和一个发射回收系统组成）。从传统的基于平台的角度看，一套无人机系统是作为一个整体出现在整个作战体系中的，是整个体系中完成某特定任务的一个节点，体系中的其它部分不能对无人机系统的特定部分进行信息交联和操作，如图2所示。

从现在的基于网络的网络中心战的角度看，一套无人机系统虽然是在整个作战体系中的一个子系统，但是在作战网络中是分布在不同地域的三个节点，即一个地面控制站节点、一个无人机发射回收节点、以及一个带有特定载荷的特定飞行器，网络中的其它节点可以与三个节点进行信息交联和互操作，如图3所示。

实际上，一套无人机系统应该看成是由空中和地面三个相对独立的不同平台上的局域网组成的对外开发可扩展的具有互操作性的分布式系统。空中的一个局域网和地面的两个局域网通过数据链路连接。

空中部分的局域网由飞机上的飞行器和有效载荷通过数据总线连接。其中飞行器中飞行器管理系统

和有效载荷中的任务管理系统在功能上应互为备份。

地面部分的地面控制站局域网和发射回收系统局域网根据情况可能在一起，也可能不在同一地点，它们之间通过数据总线，或其它方式包括有线或无线方式进行联系。在飞行器发射前，发射回收系统通过数据线给飞行器中的任务管理系统装定初始任务。

在设计UAV 的航电系统时应注意和过去飞机航电系统的关系。UAV 航电系统是在过去飞机航电系统的基础上进行设计的，它继承了过去飞机的航电系统的一些特点，但是它也有自身的特点。飞机的航电系统是在一架飞机上，但是一套UAV 系统是一个异平台分布系统，各平台之间通过有线和无线通讯，所以一套UAV 航电系统是由无人机系统空中部分、控制站和发射回收系统三个相对独立的部分组成，其中无人机系统空中部分和控制站尤为重要。UAV 航电系统的三个独立局域网具有扩展性，它们各自可以和外界发生信息交联和互操作。图4 为一套UAV 航电系统示意图。

3 结束语