现代无人机系统设计技术讲义

(2)现代无人机系统设计技术 讲 义 98毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日一、课程主要内容1. 无人机系统发展及趋势 无人机系统组成与功能； 无人机系统的地位与作用 无人机的分类； 国外无人机发展现状及趋势2. 无人机飞行控制、导航与制导技术 无人机控制与管理系统的地位与作用 无人机控制与管理系统的特点 无人机控制与管理系统的组成和功能 无人机控制模式 机载传感器 引导设备 伺服机构 导航系统 制导系统3. 无人机数据链技术 功能、分类、组成、指标体系 技术特点 以色列无人机数据链 美国的无人机数据链 未来数据链发展方向4. 先进无人机平台总体设计技术 先进无人机发展方向 先进无人机平台共性技术 高空长航时无人机设计技术 无人作战飞机设计技术 太阳能无人机设计技术二、无人机系统发展及趋势1 无人机系统组成与功能无人机的定义：无人机是一种由动力驱动、机上无人驾驶的航空器。无人机系统由无人机平台、任务载荷、数据链、指挥控制、发射与回收、保障与维修等分系统组成，各分系统组成和功能如下：(1) 无人机平台分系统：包括机体、动力装置、飞行控制与导航子系统等；无人机平台分系统是执行任务的载体，它携带任务载荷，飞行至目标区域完成要求的任务。(2) 任务载荷分系统：信息支援、信息对抗、火力打击等； 任务载荷分系统完成要求的信息支援、信息对抗、火力打击等任务。(3) 数据链分系统：无线电遥控/遥测设备、信息传输设备、中继转发设备等；数据链分系统通过上行信道，实现对无人机的遥控；通过下行信道，完成对无人机飞行状态参数的遥测，并传回任务信息。(4) 指挥控制分系统：飞行操纵设备、综合显示设备、飞行航迹与态势显示设备、任务规划设备、记录与回放设备、情报处理与通信设备、与其它任务载荷信息接口等；指挥控制分系统完成指挥，作战计划制定，任务数据加载，无人机地面和空中工作状态监视和操纵控制，以及飞行参数、态势和任务数据记录等任务。(5) 发射与回收分系统：与发射(起飞)和回收(着陆)有关的设备或装置，如发射车、发射箱、弹射装置、助推器、起落架、回收伞、拦阻网等；发射与回收分系统完成无人机的发射(起飞)和回收(着陆)任务。(6) 保障与维修分系统：基层级保障维修设备，基地级保障维修设备等。保障与维修分系统主要完成无人机系统的日常维护，以及无人机的状态测试和维修等任务。2 无人机的作用和地位无人机系统以其机动灵活、持久飞行和“零伤亡”等特点几乎渗透到战场空间的各个领域。近期几次局部战争中无人机的突出表现，更加引起了各国军方，尤其是军事强国的高度重视，已成为信息武器装备体系的关键节点和重要组成部分，在信息支援、信息对抗和火力打击等领域发挥着不可替代的作用。与有人驾驶飞机相比，无人机的优势主要体现在以下五个方面：一是可长时间执行空中任务；二是可替代有人驾驶飞机进入核/生/化等污染环境执行任务；三是不存在飞行员伤亡，政治和军事风险较小；四是由于不考虑人的因素，可承受更大的载荷，飞机的隐身和机动性上可实现质的飞跃；五是全寿命费用低、作战效费比高。与卫星相比，无人机系统具有时效性、针对性和灵活性强等优势。由于无人机系统的突出特点，决定它的地位和作用。a. 无人机是夺取信息权的有利工具。无人机能够提供长期持久的战场信息支持服务，可实时获取和战场信息，具有多维一体、全域覆盖、持续实时、准确精细的信息感知能力；不同类型不同高度的无人机系统组成了覆盖战场低空至临近空间区域范围的通讯、导航和定位等信息支持网络，形成灵活、机动、多层次、立体化的空基和近天基综合信息支持能力，提高了指挥的效率，增强了作战的联合性和灵活性。b. 无人机是未来战场信息对抗的重要支柱。信息对抗，是指对敌方信息系统实施电子干扰、电子欺骗、电子诱饵、网络攻击、和反辐射摧毁。不同类别的无人机系统能够满足战略、战役、战术多层次的信息对抗能力的需要，能够提供“软”“硬”不同类型的信息对抗手段，提供从战术信息对抗支援到战略战役信息对抗打击的作战能力，实现对敌方信息系统全频段、全时域、全天候的信息攻击，形成多层次的信息作战力量体系框架。c. 无人机将成为空中作战的主导力量。无人机将具备时敏目标察打能力、对敌纵深重要目标精确打击能力、临近空间作战能力和跨大气层作战能力，成为21世纪空中作战的主导力量。在联合作战中，无人作战飞机可执行防空压制任务，协调各种力量对敌领土纵深实施打击；无人机与地面和海上力量配合，可为地面和海上兵器指示目标和实施火力校射，提高打击精度；无人机还可以执行战斗求援、战场管理、战区导弹防御、反雷、心理战等。d. 无人机是执行最危险任务的最佳选择。高技术信息化战争使用精确制导武器的比重越来越大，核、生、化武器并存，杀伤力增大，参战人员将面临巨大危险。因此，无人机能够代替有人机执行最危险的任务，最大限度地避免人员伤亡。3 无人机的分类无人机可以按功能、大小、速度、活动半径、实用升限、续航时间等方法进行分类。按功能分类：无人机可以分为军用无人机和民用无人机两大类。军用无人机又分为信息支援、信息对抗、火力打击三大类，其中信息支援类无人机包括侦察监视、信号情报、目标指示、毁伤评估、预警探测、地形测绘、核生化/辐射和爆炸物侦测、水文监测、气象探测、作战搜索救援、通信中继、信息组网等类型无人机；信息对抗类无人机包括电子对抗（含电子侦察、电子防护、电子攻击）、网络战、诱饵/欺骗、心理战等类型无人机；火力打击类无人机包括时敏目标打击、对地攻击、制空作战、反潜/反舰、地雷/水雷探测、反水雷、防空反导等类型无人机。民用无人机包括检测巡视类无人机、通信中继类无人机、遥感绘制类无人机和时敏目标打击类无人机。检测巡视类无人机包括气象监测、(火灾、水灾、地震等)灾害监测、(交通、水利、地形地貌) 环境监测、电力线路和石油管路巡视等类型无人机；通信中继类无人机包括通信中继、通信组网类无人机；遥感绘制类无人机包括海洋、地质遥感遥测、地形测绘、矿藏勘测等类型无人机；时敏目标打击类无人机包括公安、边防、海关巡逻和反恐维和中对时敏目标打击的无人机。按大小分类：无人机可以分为微型无人机、小型无人机、中型无人机和大型无人机。微型无人机重量一般小于1kg，尺寸在15cm以内。小型无人机重量一般在1100kg内，中型无人机重量一般在1001000kg内，大型无人机重量一般大于1000kg。按速度分类： 无人机可以分为低速无人机、亚音速无人机、跨音速无人机、超音速无人机和高超音速无人机。低速无人机速度一般小于0.3Ma(Ma为马赫数)，亚音速无人机速度一般在0.30.7Ma，跨音速无人机速度一般在0.71.2Ma，超音速无人机速度一般在1.25Ma，高超音速无人机速度一般大于5Ma。按活动半径分类：无人机可以分为超近程无人机、近程无人机、短程无人机、中程无人机和远程无人机。超近程无人机活动半径在515km之间，近程无人机活动半径在1550km之间，短程无人机活动半径在50200km之间，中程无人机活动半径在200800km之间，远程无人机活动半径大于800km。按实用升限分类：无人机可以分为超低空无人机、低空无人机、中空无人机、高空无人机和超高空无人机。超低空无人机实用升限一般在0100m之间，低空无人机实用升限一般在1001000m之间，中空无人机实用升限一般在10007000m之间，高空无人机实用升限一般在700020000m之间，超高空无人机实用升限一般大于20000m。按续航时间分类：无人机可以分为正常航时无人机和长航时无人机。正常航时无人机续航时间小于24h，长航时无人机续航时间大于或等于24h。4 无人机的发展虽然无人机的出现比有人机早，但由于技术发展的限制，早期无人机发展很慢，直到上世纪六十年代，由于战争的牵引无人机才开始发展，到上世纪九十年代，由于技术发展的推动，无人机开始加速发展，目前，无人机已经进入了飞速发展时期。4.1 战争的牵引作用1960年冷战期间，美国曾多次派U-2有人驾驶侦察飞机前往前苏联侦察导弹基地，其中有的U-2被击落后飞行员被俘，使得美国声誉大跌。后来美国改用间谍卫星，由于当时卫星的不足，无法代替有人侦察机。1962年美国U-2侦察机再次前往前苏联，飞越古巴时，又被SAM导弹击毁，由此引发了采用无人飞行器进行侦察的思想，开始研制了D-21，AQM-34，主要功能是照相侦察。越南战争期间进一步发展了BQM-34轻型无人机，功能由照相侦察增加到实时影像，电子情报，电子对抗，实时通讯，散发传单，战场毁伤评估等。随着战争的结束，人们对无人机的兴趣逐渐淡化，直至1982年以色列与叙利亚在贝卡谷战争中，以色列使用无人机进行侦察、干扰、诱敌，无人机的作用再次被重视和开发。1985年，美国海军及海军陆战队购买了以色列AAI及IAI航空工业公司的“先锋”系统，该系统在发展过程中经受了大量的严峻考验。1991年初的海湾战争中无人机已成为 “必须有”的战场能力，六套先锋（Pioneer）无人机系统参战，其中三套在近海岸，出动151架次；两套在海军舰艇上，出动46架次；一套在海军陆战队，出动185架次，提供了高品质、近实时、全天时的侦察、监视、目标捕获、拦截和战损评估。此时，美国会要求成立“联合计划局”（JPO）,这样可以在各军种之间最大限度的发挥技术的通用性和相互操作性。科威特与伊拉克的战争让军事指挥者有机会在战斗中使用无人机，他们发现无人机有极高的价值。这场战争中有五种无人机系统参战：（1）美军的“先锋”（Pioneer）;（2）美军的“敢死蜂”（Exdrone）;（3）美军的“指针”（Pointer）；（4）法军的小型远程遥控侦察机（MART）；（5）英军的CL-289。虽然对无人机有许多奇闻逸事和成就的渲染，但在此次战争中并未起到决定性和关键性的作用。只是给了军方启发，使他们思考无人机“能做什么”，但可以肯定，无人机是一种有潜力的重要武器系统。科索沃战争中参战的无人机有“捕食者（TierII）”，“猎人（Hunter）”，“先锋”，“红隼”，“不死鸟”，“米拉奇26”以及“CL-289”等七种无人机，是历次战争中使用无人机架次最多的一次，也是发挥作用最大的一次。1995年第一次俄罗斯车臣反恐战争和1999年第二次俄罗斯车臣反恐战争中，俄军使用了无人侦察机对战区进行侦察和监视，尤其在第二次车臣战争中，俄军的“蜜蜂”无人侦察机侦察了大量叛军资料，为俄军精确打击提供准确资料。前述战争中，无人机担当的主要是侦察的角色，在阿富汗战争中，美国用“捕食者”作为载机，发射了“AGM-114C”“海尔法”空地导弹，首次在实战中实现了无人机发射导弹直接对地定点攻击，进一步发展了作战无人机的功能，也是对无人作战飞机的实战使用进行了验证，真正开始了无人化战争的起步。2003年的伊拉克战争中，美军使用了10种以上的无人机支援作战行动，实现了有人驾驶飞机与无人机、空中与地面武器系统的灵活运用。历次参战的无人机型号见表1.1。历次参战的无人机完成的主要作战功能见表1.2。表1.1历次参战的无人机机型历次战争名称参战的无人机机型越南战争AQM-34“火蜂”、QH50第四次中东战争BQM-74C“石鸡”多用途无人机贝卡谷地空战“猛犬”1991年海湾战争“先锋”、“敢死蜂”、“指针”， MART, CL-289等1995年科索沃战争“捕食者”、“猎人”、“先锋”、“红隼”、CL-289、“不死鸟”等俄罗斯车臣反恐战争“蜜蜂”1T、图2432001年阿富汗战争“捕食者”、“猎人”、“全球鹰”等2003年伊拉克战争“捕食者”等十几种无人机当前美、以反恐行动“捕食者”、 “猎人”、“搜索者”表1.2历次参战的无人机完成的主要作战功能历次战争名称主要作战功能侦察欺骗干扰监视中继对地攻击越南战争第四次中东战争贝卡谷地空战1991年海湾战争1995年科索沃战争俄罗斯车臣反恐战争2001年阿富汗战争2003年伊拉克战争当前美、以反恐行动4.2 技术的推动作用航空技术的发展是推动无人机技术发展的基础。无人机是依赖空气动力承载飞行的航空器，如何让无人机能够稳定可靠飞行，性能越来越好，这依赖于航空技术的应用和发展。航空技术包括空气动力技术、飞行动力学技术、航空结构技术、航空材料技术、航空发动机技术、飞行控制与导航技术、航空电子电气技术等，早期的航空技术发展主要解决无人机等飞行器能够飞行的问题，现代航空技术的发展促进无人机向飞行性能越来越高、飞行可靠性越来越好、执行任务的能力越来越强的方向发展。无线数据链技术的发展是推动无人机向可用化和实用化发展的条件。由于无人机是机上无人驾驶，必须靠地面控制站通过无线数据链实现对其操纵控制和飞行状态监视，因此无线数据链是推动无人机向可用化和实用化的条件。无人机数据链是双向体制，上行数据链实现对无人机的遥控，下行数据链实现对无人机的遥测。无人机早期数据链速度低、容量小、抗干扰能力差，只能解决无人机基本的操纵控制和飞行状态监视问题，使得无人机可用。现代数据链技术的发展使得无人机数据链向着高速、宽带、保密、抗截获、抗干扰能力强的方向发展，推动无人机实用化能力越来越强。任务设备技术的发展推动无人机向多用途多功能方向发展。无人机通过装载不同的任务设备实现不同的功能，如无人机装载光电、红外侦察设备可实现侦察功能，无人机装载通信中继设备可实现通信中继功能，无人机装载精确制导武器可实现对空、对地(海)面目标攻击，任务设备的种类越多、性能越高，无人机的用途也就越多、功能也就越强。科学技术的进步将对无人机发展的推动作用愈来愈强。自主飞行控制技术发展推动无人机向自主和智能化方向迈进，材料科学技术的进步和微机电技术发展将改变无人机系统平台设计理念，新能源技术发展将推进无人机实现超长时间飞行能力，高速宽带网络化的数据链路技术将实现无人机组网和互联互通，并促进无人机向多机编队、无人机与有人机联合编队、无人机与其它(空中、地面、天空)装备联合执行多样化任务的方向发展。4.3 国外无人机的发展现状与趋势自20世纪90年代起，世界范围内掀起了无人机系统发展的新高潮。许多国家将无人机发展置于重要地位，投入逐年增加。目前全球共有57个国家研制和发展无人机，研制和发展的无人机系统974种，其中已成为无人机产品的有369种。美国占据无人机发展的制高点，以色列起步较早，并在战术无人机、长航时无人机方面具有特色和优势，俄罗斯始终没有放松先进技术开发应用研究，欧洲各国则不甘人后，奋起直追，亚洲国家和地区不断加快无人机发展，第三世界国家也在引进、开发中、小型无人机。在当今无人机发展热潮中，各国无不结合实际、突出自身特点发展无人机。美国是世界上无人机发展速度最快、水平最高的国家，美国凭借雄厚的经济实力和先进的技术支持，在几十年的时间里研制开发出上百种无人机，已经形成一个远、中、近，高、中、低，大、中、小，用于执行战术、战役、战略作战需要的各个层面梯次搭配的无人机体系。装备部队主要有十几种，数量达1700多架。美国研制无人机主要有波音、诺斯.格鲁门、通用原子航空系统以及洛克希德.马丁等几大公司，研制的无人机产品主要有“龙眼”(Dragon Eye)、“扫描鹰”(ScanEagle)、“探路者大乌鸦”(Pathfinder Raven)、“影子-200”(Shadow 200)、“捕食者”(Predator)、“全球鹰”(Global Hawk) 等固定翼无人机，以及“火力侦察兵”(Fire Scout)无人直升机等，正在研制的无人机有“鹰眼”倾转旋翼无人机、“鸬鹚”潜射无人机、“蜂鸟” 无人直升机、X47N无人战斗机等。美国研制的无人机代表世界无人机研制的最高水平，引领着世界无人机的发展方向。以色列无人机研制水平处于紧随美国之后的世界第二地位，其研制的无人机覆盖了所有大小和任务系列，包括“侦察兵” (Scout)、“先锋”( Pioneer)、“搜索者” (Searcher)、“猎人” (Hunter)无人机，以及中空长航时、多用途“赫尔墨斯450”(Hermes450)、 “苍鹭” (Heron)无人机等，现正在研制具有侦察打击能力的 “艾坦”(EiTan)高空长航时无人机，其重量大于4000kg，任务载荷大于2000kg，续航时间大于50h。以色列是无人机系统装备与技术最大的输出国之一。作为航空大国的俄罗斯已发展的无人机大多为中、小型战术无人机，如“R-90”无人机、“图-141”无人机，“卡-137”无人直升机等。随着俄罗斯经济的好转，目前俄军对发展长航时无人机、电子战类无人机给予高度重视，同时也在探索“鳐鱼”（SKAT）无人作战飞机的发展。除了自研项目外，俄罗斯主要航空制造商还积极参与欧洲军用无人机方面的合作。进入21世纪后，欧洲为了缩短与美国和以色列在发展无人机领域的差距，提高独立自主能力，大大加强了无人机的研制力度。欧洲的法国、英国、德国、瑞典、意大利等国家先后启动了各类无人机项目。最具代表性的是由法国牵头研制的无人战斗机“神经元”项目，该项目有瑞典、意大利、西班牙、瑞士和希腊等国参与，计划在5年内开始演示验证工作。德国EADS公司正与美国的诺斯.格鲁门公司合作制造“欧洲鹰”，是一种“全球鹰”的欧洲版本，主要面向德国军用远程、高空侦察和监视需求，着重发展高级的信号情报获取能力，同时德国与西班牙还联合研制“梭鱼”(Barrracuda)无人作战验证机。英国已经研制了“大乌鸦”(Corax)低可探测性高空长航时无人机验证机，下一步计划研制 “守望者”(WatchKeeper)无人机，将为英国地面部队提供增强的情报、监视、目标获取和监视(ISTAR)能力。此外，瑞典启动了“高度先进研究布局”(SHARC)攻击型无人机设计研究项目，意大利研制了“天空-X”(Sky X)无人机。亚洲国家和地区近年来也在加快无人机的发展。日本、印度、韩国、巴基斯坦以及台湾都已研制出自己的无人机，在近/短程战术无人机领域已经取得一定的突破，并不断增加对高空长航时无人机的投资，如日本正在研制飞行高度20000m以上的长航时无人机，印度正在全面引进“苍鹭”无人机生产线，印度、印度尼西亚、日本、马来西亚、菲律宾、新加坡、泰国、韩国和斯里兰卡等将成立一个购买和使用“全球鹰”无人机的区域财团联合体。随着新技术的快速发展和在实战中的广泛应用，无人机系统的概念、任务和技术要求都发生了根本性的变化。无人机系统的概念，从空间无人飞行器扩展到临近空间无人飞行器；无人机系统的任务，从单一的侦察监视领域进入到信息对抗、通信中继等领域，正扩展到精确打击、制空作战等领域；无人机系统的技术进一步向自主控制、高生存力、高可靠性、互通互联互操作等方向发展，无人机未来发展呈现出如下趋势：a. 无人机需求从以产品性能需求向以任务能力需求转变。在美国国防部发布2009版的无人系统综合路线图中明确了无人机系统所需提供的8类能力：战场预警能力，后勤保障能力，军事运用能力，支持网络中心能力，部队防护能力，军事支援能力，指挥控制能力，形成了基于任务能力的无人机系统需求规划与发展计划。b. 无人机平台向高空长航时大型化和微小型使用灵活化两极发展。一方面各国均在发展中小型无人机的基础上，向新技术更密集、作战效率更高、覆盖面积更大、生存力更高的高空、高速、长航时大型无人机方向发展；另一方面由于微小型无人机操作简便灵活，具有较强的机动性能和低空飞行优势，随着全球反恐和特种作战任务的需要，各航空强国对微小型无人机的发展十分重视。c. 无人机任务领域向多样化方向发展。美国国防部发布2007版的无人系统路线图中指出：美国已经投入使用及正在发展的无人机系统覆盖了情报、监视与侦察，信息对抗，攻击/时敏目标打击，压制敌方防空力量、海面封锁行动等21个任务领域，这是到目前为止对于无人机系统可能涉及的任务领域较为全面的阐述，随着无人机技术的发展，无人机的任务领域和功能还在进一步拓展。d. 无人机高度向临近空间发展。临近空间是航天与航空的空间接合部，是航空技术与航天技术的交叉，一个大有作为的领域。高高空无人机等临近空间装备在对特定区域的持续广域侦察监视、通信中继、导航、电子战、导弹防御、空间对抗等方面有着独特的优势，是陆、海、空、天装备的重要补充力量，已成为世界武器装备发展的焦点领域。当今无人机技术能够蓬勃发展，一个重要的原因就是无人机技术能够不断与相关领域的高新技术融合和互动，不断开拓新的前沿领域。目前，特殊布局、变体机翼、先进主动流动控制、一体化设计、多电/全电飞机、射频综合、纳米复合材料、微机电、高超声速飞行与高超声速推进、智能蒙皮与智能结构、特种动力装置等一系列前沿技术正在不断产生新的重大突破，无人机发展必然更加迅猛。4.4 无人机发展需要的主要关键技术未来无人机向更高、更快、更远、更机动、更高效的方向发展，需要的主要关键技术有：(1) 平台技术（综合布局、气动、轻质结构、隐身）;(2) 大尺寸复合材料设计（规范）、加工工艺（成本）(3) 结构复合材料，抗紫外线材料，轻质材料，耐高温材料等(4) 微型加工装配技术、智能材料的应用（无舵面柔性机翼，微型、仿生无人机）(5) 先进的发射回收技术(6) 武器和设备的小型化及集成化(7) 隐身技术(8) 动力技术(9) 通信技术(10) 智能控制技术(11) 空域管理技术三、无人机飞行控制、导航与制导技术1 无人机控制与管理系统的地位与作用 飞行控制与管理系统(以下简称飞行控制系统)是无人机的关键系统之一。飞行控制系统是无人机完成起飞(发射)、空中飞行、执行任务、返场着陆(回收)等整个飞行过程的核心系统，对无人机实现全权限控制与管理，因此对无人机的功能和性能起关键、决定性作用。如果没有飞行控制系统，现代无人机就不可能上天飞行，完成各种任务。2 无人机控制与管理系统的特点 与有人驾驶飞机(有人机)相比，无人机最大的特点就是“无人”二字，因此无人机飞行控制系统与有人机飞行控制系统相比所具有的特点，也是从这二字而来。首先，飞行控制的范畴不同：有人机时刻强调人的作用，飞行控制系统的作用是保证如何发挥人的主观能动性，其控制是有权限的，因此其作用范畴为保证驾驶人员方便、灵活、有效地操纵飞机，有人机飞行控制系统在飞机起飞阶段、着陆最后阶段往往是不参与飞机控制的；而现代无人机的整个飞行过程都要靠飞行控制系统来进行有效管理与控制，其控制是全时全权限的，飞行控制系统的作用范畴覆盖了有人机飞行控制系统、驾驶员、甚至其它系统(如导航、制导、任务管理、载荷控制等)的所有功能，在无人机的整个工作过程，其飞行控制系统都参与无人机的控制，因此其作用范畴远远大于有人机飞行控制系统。其次，飞行控制的功能与作用不同：根据有人机飞行控制系统的作用范畴，有人机飞行控制系统主要完成飞机内回路的增稳与控制(战斗机、攻击机、直升机等)，强调操稳性或舒适性，部分飞行控制系统能够与导航系统耦合，完成外回路的航迹控制(轰炸机、运输机等)；而无人机飞行控制系统的作用范畴，其飞行控制系统除完成无人机内回路、外回路控制的所有功能外，还能够完成导航、制导、飞行任务管理、任务载荷管理与控制功能，远远超出了飞行控制功能，无人机飞行控制系统强调系统稳定性、控制与导航精度等性能指标和任务管理能力，特别是自主导航能力，因此经常被称为综合飞行控制系统。最后，飞行控制设计思想不同：无人机与有人机相比，不考虑人的生理限制，可以放宽由人生理限制而产生的对飞行状态的控制要求，同时可靠性级别一般低于有人机，余度配置低，大多采用非余度配置方案，就连美国功能和性能最为完善的“全球鹰”飞行控制系统也仅采用双余度配置。3 无人机控制与管理系统的组成和功能 根据无人机发展的历史时期和用途的不同，无人机控制系统在组成和功能上有相当大的差别。无人机飞行控制系统一般包含传感器、机载计算机和伺服作动设备三大部分。飞行控制系统的功能如下：a) 无人机姿态稳定与控制；b) 无人机自主导航飞行与航迹控制；c) 无人机起飞(发射)与着陆(回收)控制；d) 无人机飞行管理；e) 无人机任务设备管理与控制；f) 应急控制；g) 信息收集与传递。以上所列的功能中第a、d和f项是所有无人机飞行控制系统所必须具备的功能，而其它项不是每一种飞行控制系统都具备，也不是每一种无人机都需要的，根据具体无人机种类和型号可进行选择、裁剪和组合。4 无人机控制模式无人机的飞行控制系统是全时限、全权限的，飞行控制模式可以分为程序控制（时间程序控制）、遥控（通过地面站遥控指令控制）和自主飞行控制（二维、三维或四维）三种。前二种飞行控制方式常用作靶机、观测等类型无人机的飞行控制，第三种常用于侦察机、攻击机等类型无人机的飞行控制。 在遥控方式下，地面操作手根据无人机的状态信息和任务要求控制无人机的飞行； 在自主控制方式下，飞行控制系统根据传感器获取的飞机状态信息和任务规划信息自动控制无人机的飞行。 在半自主控制方式下，飞行控制系统一方面根据传感器获取的飞机状态信息和任务规划信息自主控制无人机的飞行，另一方面，接收地面控制站的遥控指令，改变飞行状态。5 机载传感器 无人机飞控系统常用的传感器包括角速率传感器、姿态传感器、航向传感器、高度空速传感器、飞机位置传感器、迎角传感器、过载传感器等。传感器的选择应根据实际系统的控制需要，在控制律初步设计与仿真的基础上进行。1) 角速率传感器角速率传感器是飞控系统的基本传感器之一，用于感受无人机绕机体轴的转动角速率，以构成角速率反馈，改善系统的阻尼特性、提高稳定性。角速率传感器的选择要考虑其测量范围、精度、输出特性、带宽等。角速率传感器应安装在无人机重心附近、一阶弯振的波节处，安装轴线与要感受的机体轴向平行，并特别注意极性的正确性。2）姿态、航向传感器姿态传感器用于感受无人机的俯仰和滚转角度，航向传感器用于感受无人机的航向角。姿态、航向传感器是无人机飞行控制系统的重要组成部分，用于实现姿态航向稳定与控制功能。姿态、航向传感器的选择要考虑其测量范围、精度、输出特性、动态特性等。姿态、航向传感器应安装在飞机重心附近，振动尽可能要小，有较高的安装精度要求。对于磁航向传感器要安装在受铁磁性物质影响最小且相对固定的地方，安装件应采用非磁性材料制造。3）高度、空速传感器（或大气数据计算机）高度、空速传感器（或大气数据计算机）用于感受无人机的飞行高度和空速，是高度保持和空速保持的必备传感器。一般和空速管、通气管路构成大气数据系统。高度、空速传感器的选择主要考虑测量范围和测量精度。其安装一般要求在空速管附近，尽量缩短管路。4）飞机位置传感器飞机位置传感器用于感受飞机的位置，是飞行轨迹控制的必要前提。惯性导航设备、GPS卫星导航接收机是典型的位置传感器。飞机位置传感器的选择一般考虑与飞行时间相关的导航精度、成本和可用性等问题。惯性导航设备有安装位置和较高的安装精度要求，GPS接收机的安装主要应避免天线的遮挡问题。6 引导设备精确引导是无人机自动着陆的基础。由于使用简易的机场，显然不可能使用一般的仪表着陆系统或者微波着陆系统。在此前提下，还有如下方法可供选择。 1) 全球定位系统（GPS）GPS是目前为止定位精度最高的导航设施,在世界各国有着广泛的应用。在SA取消后,商用GPS(C/A码)的定位精度大大提高,经过差分后（DGPS）可以提供精密进场着陆所需的飞机定位信息。GPS作为精密进场着陆引导系统时必须与INS和无线电高度表相组合。因为GPS易受美国的制约，不宜对其过分依赖。 2) 区域定位系统（RPS）区域定位系统（RPS）通过在地面一定区域内放置46个在功能上相当于定位卫星的设备（可称为伪卫星）来实现对空中目标的定位。该技术的详细情况国内有关厂所正在进一步的研究中。 3) 地面辅助引导设施通过地面的精密光学系统或者导引雷达对飞机定位，再由上行数据链将定位信息传给飞控计算机(图3-1)。最为现实的方法是本系统配备的地面测控系统视距链路。该链路具有的高精度无线电定位功能可用于起飞/着陆过程中无人机的空中定位。只要将其放置于跑道附近一定的区域中，在不附加任何设备的情况下可实现较好的地面引导。 4) 视见引导利用无人机上光电设备（此时应锁定在一定的角度上）实时拍摄的机场景象迭加无人机的姿态、航向、空速、高度等信息，形成类似于有人机上的平显画面，并结合机场人员对于无人机的目视结果，人工引导飞机进场着陆。视起飞/着陆的不同阶段和导引设备的可用度采用全自动/半自动/人工（遥控）多种引导与控制方式相结合的方案。在导引设备上，将DGPS/INS/无线电高度表组合定位系统作为主引导系统。当DGPS不可用时，再用备用的视距内测控链路代替DGPS, 产生自动引导所需的定位数据。在更为苛刻的条件下（比如主、辅引导设施都无法使用时），采用视见或纯目视人工引导方法。在DGPS可用的情况下，实现全自动的起飞与着陆。在DGPS不可用的情况下，如果备用的地面辅助导引设备具有精密进场所需的定位精度（比如CARS的引进成功）,仍可实现全自动的起飞与着陆。如果地面辅助导引设备的定位精度稍低（比如目前的测控系统视距内数据链），则可自动将飞机引导到跑道上空一定区域内，然后采用半自动或遥控方式控制无人机着陆。当地面引导设备也不可用时，结合视见或纯目视引导，采用半自动或遥控方式控制无人机着陆。地面测控设备数据链飞控与管理子系统机载测控终端精密导引雷达/光学系统 地面计算机图3-1 地面辅助导引原理框图a) 7 伺服机构伺服作动设备也称舵机，是飞控系统的执行部件。其作用在于接收飞行控制指令，进行功率放大，并驱动舵面或发动机节风门偏转，从而达到控制无人机姿态和轨迹的目的。 伺服作动设备可分为电动伺服作动设备、液压伺服作动设备和电液混合伺服作动设备。无人机上通常使用电动伺服作动设备。 伺服作动设备的设计要求主要有以下方面：1）性能要求a) 最大输出力矩 最大输出力矩指额定工作状态下伺服作动设备能够输出的最大力矩，该力矩应该大于折合到舵面相应位置的最大气动铰链力矩（或节风门偏转力矩）。 b) 偏转范围 伺服作动设备的偏转范围应满足相应舵面（或节风门）偏转范围的要求。c) 频带 伺服作动设备的频带一般应为无控飞机自然频带的35倍。d) 间隙 在工艺允许的情况下，伺服作动设备的间隙应尽可能的减小。e) 跟踪精度 伺服作动设备输出跟踪输入的精度应满足一定的要求。 2）外形尺寸与安装要求伺服作动设备的安装空间一般较小，应注意外形尺寸和安装要求的限制，特别是输出摇臂与舵面之间的连接方式、零位和偏转方向要求。 8 飞行控制律飞行控制律是飞行控制系统一个重要组成部分，它是指令及各种外部信息到飞机各执行机构的一种映射关系。飞行控制律的设计就是确定这种映射关系，使飞机在整个飞行包线内具有符合系统要求的飞行品质。飞行控制律设计的依据是系统研制任务合同及相关顶层技术文件。根据这些文件具体形成在具有控制系统下飞机的各种品质或性能，在对无控飞机的特性进行分析的基础上，为达到所要求的飞行品质或性能，确定初步的控制律结构，然后应用自动控制的设计方法具体确定控制律参数。通过非线性全量仿真、半物理仿真及飞行试验，验证或调整控制律结构及参数，使飞行品质或性能达到要求。控制律设计过程是一个迭代回归的过程。8.1 控制律结构 首先应明确飞机的控制面。一般控制面由升降舵、副翼、方向舵、襟翼、鸭翼、减速板等。根据对无人机的性能要求及无控无人机的特性确定控制律结构。控制律包括纵向控制律和横航向控制律。根据无人机的任务要求，选择以下控制律结构。8.2 俯仰角稳定与控制 俯仰角稳定与控制回路一般需要俯仰角及俯仰角速度反馈信号，其一般控制律结构如图32所示。图32 俯仰角稳定与控制结构 图32中前向控制通道可采用比例或比例+积分的形式，采用比例形式时控制存在静差，采用比例+积分形式时控制没有静差。根据具体需求选取前向控制通道的形式。俯仰角速度反馈用于增加短周期阻尼。8.3 滚转角稳定及控制 滚转角稳定与控制回路一般需要滚转角及滚转角速度反馈信号，其一般控制律结构如图33所示。图33 滚转角稳定与控制结构 图33中前向控制通道一般采用比例或比例+积分的形式。滚转角速度反馈用于增加滚转阻尼。对具有较大自然阻尼特性的飞机可略去滚转角速度反馈。8.4 航向稳定与控制航向角稳定与控制一般结构如图34所示。其中，图34 (a)的控制结构通过副翼进行航向控制，具有较高的控制效率，但控制中侧滑角较大；图34 (b)利用方向舵进行航向控制，该形式的控制效率较低，所引入的滚转角反馈用于部分消除侧滑角；图34 (c)则利用副翼和方向舵联合控制航向角，具有控制效率高及侧滑角小的特点。以上所引入的滚转角速度和航向角速度用于增角阻尼。(a)(b)(c)图34 航向角稳定与控制结构8.5 高度控制高度控制由俯仰内回路及外回路组成。俯仰内回路一般由俯仰角和俯仰角速度反馈组成，高度控制的外回路一般采用比例+积分+微分的形式，如图35所示。图35 高度控制结构8.6 空速控制空速控制分为节风门空速控制、俯仰空速控制和阻力空速控制。节风门空速控制通过调节发动机节风门实现空速的控制，俯仰空速控制通过升降舵偏转使飞机攻角变化，从而改变飞机空气动力实现空速的控制，阻力空速控制通过阻力板的偏转改变阻力实现空速的控制。节风门空速控制的结构如图36所示，俯仰空速控制结构如图37所示，阻力空速控制结构如图38所示。由于发动机一般具有较大的时间延迟，因此节风门空速控制一般相对缓慢，俯仰空速控制和阻力空速控制具有响应相对快的特点。图36 发动机节风门空速控制结构 图37 俯仰空速控制结构图38 阻力空速控制结构8.7 侧向偏离控制侧向偏离控制可实现侧向航迹控制。侧向偏离控制一般通过飞机的滚转控制实现，它由滚转内回路和侧偏外回路组成，如图39所示。侧偏距离为相对于期望航线的距离，即期望航线与实际航线之差。图39a结构为有差控制，一般用于巡航飞行阶段，图39b结构为无差控制，主要用于精确控制阶段，如着陆。(a) 侧偏距离控制结构(b) 侧偏距离控制结构图39 侧偏控制结构8.8 升降速度控制 升降速度控制一般用于自动轮式着陆的拉平阶段，其控制结构由俯仰内回路和升降速度外回路组成，如图310所示。图310 升降速度控制结构9 导航系统9.1 导航系统的功能与分类将运载体按规定的计划和要求，从起始点引导到目的地的过程称为导航。用来完成上述引导任务的设备称为导航系统。导航系统是无人机的重要组成部分。它的任务是确定无人机相对于所选定的参考坐标系的位置、速度、飞行姿态，引导无人机沿规定的航线安全、按时、准确地从一点飞到另一点。无人机导航系统主要具有以下功能： 获得必要的导航要素：高度、速度、姿态、航向； 给出满足精度要求的定位信息：经度、纬度； 引导飞机按规定计划飞行； 接收预定任务航线计划的装定、并对任务航线的执行进行动态管理； 接收地面指挥控制站的导航模式控制指令并执行；并具有指令导航模式与按预定航线飞行模式相互切换的功能； 具有接收并融合无人机其它设备的辅助导航定位信息的能力； 配合其它系统完成军事上的各种任务。 导航方法通常分为自主与非自主两大类。所谓自主导航，其严格的定义为：运动体完全依靠所载的设备，自主地完成导航任务，和外界不发生任何光、电联系；否则，称为非自主导航。自主导航隐蔽性好，导航信息不依靠外界条件的支持。无人机自主导航至今尚无完全统一的定义。在20世纪70年代初，美国学者Lemay提出用以下4个特点来代表航天器自主导航的概念：自给或者独立；实时；无发射；不依靠地面站。无人机自主导航暂时引用航天器自主导航的上述概念。9.2 非自主式导航系统 非自主式导航系统主要指机载设备依靠外部基准(地面基准或卫星基准)导航台获取导航信息、数据的一种导航方式，如无线电导航定位法。具体地，它是通过测量无线电电波从发射台(已知位置或通过计算可获得)到用户接收机的传输时间来定位的一种方法，也可以通过测量无线电信号的相位或相角来定位的一种方法。按照发射机或转发器所在的位置，无线电导航可分为地面基导航系统或空间基导航系统。 这类系统的缺点是系统功能和性能受地基设备的限制，尤其严重的是战时易受到敌方的破坏和干扰。无线电导航主要分为如下几类：(1) 无线电跟踪定位系统无线电数据链系统完成对无人机的跟踪测角与测距，实现对无人机的跟踪定位。由无线电数据链系统的地面设备获得飞机的方位、斜距，与机载传感器获得的气压高度一起构成飞机的三维位置坐标。(2) 双曲线系统 我国新近研制的“北斗”卫星定位系统属于双曲线系统。在已知运载体的高度条件下，利用两颗同步卫星完成运载体的水平定位。其水平定位精度与运载体的高度测量精度直接相关。(3) 卫星导航系统 卫星导航系统是一种全新的空基无线电导航系统，具有全天候、全区域和连续精确定位能力，其中美国研制成功的全球卫星定位系统(GPS)是当前最先进的卫星导航系统，前苏联研制的GLONASS系统与之类似。目前，无人机最常用的卫星导航系统为GPS、GPS+GLONASS组合系统。a) 全球定位系统(GPS)GPS系统是由美国开发的用来授时和测距定位的导航系统，其基本原理是，通过用户的GPS接收机将分布于空间的GPS卫星作为观察对象,接收它发射的星历数据,经过处理后,测得它到达用户(或无人机)的观测距离(称为测码伪距)。若能同时观察到四颗以上的卫星，即可得到含x、y、z及接收机钟差导致的误差项在内的四元方程组，通过解算就获得其定位信息。GPS用户接收机分为民用CA 码和军用P码两类接收机。对CA码接收机按信号接收和处理原理，又分为CA 码伪距接收机和CA码载波相位接收机。在实际应用上为了获得较高的位置精度，常采用机上差分(或者称正向差分)方式，成为差分GPS系统(DGPS)。这种方式由地面基准站的实时观测同一区域的卫星参数，将其定位信息与地面基准比较，并将差分误差信息发送给机载GPS接收机；机载设备接收差分信息后进行差分，消除误差后送出高精度定位信息。b) 全球轨道导航卫星系统(GLONASS)GLONASS是由前苏联开发的全球卫星导航系统。它与GPS的主要差别在于：GLONASS采用频分制，即每颗卫星采用不同的射电频率；而GPS是采用码分制。(4) 无线电着陆系统用于引导无人机滑跑进场着陆。9.3 自主式导航系统(1) 航程推算(DR)系统航程推算是利用空速、磁航向、飞机姿态及风场等参数进行滤波再积分推算出水平方向的位置坐标，与机载气压高度值组成三维飞机坐标，连续输出。其优点是完全自主且成本低廉，缺点是由于受机载传感器精度偏低以及难于获取准确风场信息的影响，推算精度低，且随着推算时间的增加，累积误差越来越大。(2) 惯性导航系统(INS)惯性导航利用惯性敏感元件测量飞机相对惯性空间的线运动和角运动参数。在给定的运动初始条件下，由计算机推算出飞机的姿态、方位、速度和位置等参数，引导飞机完成规定的飞行任务。惯导系统的分类可以根据结构形式分为三环平台、四环平台和无环(“数学”)平台式惯导系统；还可根据惯性元件的不同分为液浮陀螺、挠性陀螺、激光陀螺和二自由度陀螺、三自由度陀螺等构成的惯导系统；目前比较普遍的是根据参考坐标系的方式分类，对于近地面的惯性导航来说，主要的导航参数都是由导航坐标系相对惯性坐标系的位置关系求出的。根据惯导系统实现这两种参考坐标系的方式不同，可以分为三种类型：几何式、解析式和半解析式。目前航空惯性导航系统几乎都属于半解析式惯导系统，目前常用的此类系统可分为平台式惯导系统和捷联式惯导系统。惯性导航系统的突出优点是自主性强，它可以连续地提供包括姿态基准在内的全部导航信息与制导信息，并且具有很好的短期精度和稳定性。但是，从初始对准开始，其导航误差随时间增加。同时，对一般惯导系统来说，加温和初始对准所需的时间也比较长，这对远距离、高精度的导航和某些特定条件下的快速反应等性能要求，就成了突出的问题。正因如此，对单纯的惯性导航系统来说，就需要具有高质量的惯性元件和温度控制系统，尤其是陀螺。然而要研制高精度的惯性元件要花费相当大的精力和经济代价。(3) 地形匹配/景象匹配辅助定位系统地形轮廓匹配和景象匹配都属于相关匹配技术，其基本原理相同。即利用机载计算机预先存储的基准数据(数字地图或景象图)，与飞机飞到预定位置时机载传感器测出的地形轮廓或实时景象图进行相关处理，确定出飞机当前位置，进而得到偏离预定位置的纵向和横向偏差，对惯导或其他导航设备进行修正。地形匹配与惯导组合是完全自主的导航系统，是一种很好的辅助修正定位手段，适应于丘陵、低高度地区，不适宜在非常平坦的地带和海平面上工作。景象匹配定位辅助导航技术，是基于地表特征与地理位置之间的对应关系，实现精确导航或制导的一种先进技术。具体地，它把两个不同传感器从同一地块录取下来的两幅景象图在空间上进行对准，由此可确定飞机实际飞行的地理位置及其与标准位置的偏差。其基本原理为：在飞机执行任务前形成景象匹配的基准图。在飞行过程中，利用机载传感器摄取实时景象图，并从基准图中裁取大小适中的图像块，作为匹配的搜索区域进行匹配，最终获得飞机当前的确切位置。景象匹配速度慢，如何提高匹配与搜索的准确性和快速性，是实现飞机实时景象匹配导航的技术关键。(4) 天文导航天文导航是利用光学仪器观测星体高度角和方位角，进而确定飞机的位置。星体跟踪器，就是利用光学或射电望远镜接收星体发射的电磁波进而测量高度角及方位角，推算飞机在地球上的位置及航向。在空气稀薄的高空，天文导航是比较理想的；但在低空，天文导航受到云层及气象条件的限制。9.4 组合导航系统每一种导航设备单独使用，都有其优缺点。如广泛使用的GPS，其优点是体积小、价格低、定位精度高；缺点也是显著的：非自主，易受干扰和电子欺骗等。惯导系统(INS)其优点是完全自主，且可以以很高的数据率实时输出载体的位置、速度和姿态等导航参数；其缺点是导航定位误差会随时间积累增大。无人机不同于导弹，待机时间很长，惯导系统单独长时间工作无法满足导航精度要求。而组合导航系统是现代无人机导航的一个主要发展方向。通过组合，取长补短，可显著提高系统的导航精度，增强可靠性。无人机常用的组合导航系统有：(1) INS/ GPS组合INS/ GPS组合，具有惯导系统较高的相对精度与GPS较高的绝对精度的结合，比单一导航形式具有更高的精度和更好的性能。而且，利用故障自动检测和软件控制，可实现不同工作方式的自动转换。当GPS受到干扰时，惯导系统仍能可靠地工作。根据不同的应用技术，其组合有不同的方式：即组合的深度不同。按组合深度分类，可以分为松散组合及紧密组合两大类。松散组合的主要特点是：GPS和惯导独立工作，组合仅表现在GPS辅助惯导。紧密组合的特点是GPS和惯导系统相互辅助。(2) 航程推算(DR)/卫星定位系统组合以GPS或 GPS+GLONASS或北斗卫星定位信息为依据，与航程推算(DR)组合进行导航。在飞行过程中，利用卫星定位信息和机载传感器信息，进行风场估计，实时修正航程推算模型。在卫星定位失效的情况下，利用失效前估计出的风场信息或利用预先装定的任务规划数据中气象预测的风场信息以及机载传感器信息，进行航程推算定位。 航程推算与卫星导航定位系统存在很强的互补关系，一方面，卫星定位提供的绝对位置信息可以为DR提供推算定位的初试值并进行误差修正；另一方面，DR的推算结果连续性和自主性好，可用于补偿卫星定位的不连续性，提高定位数据输出的频率。(3) 航程推算/GPS/无线电定位组合导航系统当GPS定位状态正常时，用GPS修正航程推算；GPS受干扰工作不正常时，当无线电