无人机地面站及理论基础

地面站作为整个无人机系统的作战指挥中心，其控制内容包括:飞行器的飞行过程，飞行航迹，有效载荷的任务功能，通讯链路的正常工作，以及飞行器的发射和回收。

GCS除了完成基本的飞行与任务控制功能外，同时也要求能够灵活地克服各种未知的自然与人为因素的不利影响，适应各种复杂的环境，保证全系统整体功能的成功实现。未来的地面站系统还应实现与远距离的更高一级的指挥中心联网通讯，及时有效地传输数据、接收指令，在网络化的现代作战环境中发挥独特作用。

目前，一个典型的地面站由一个或多个操作控制分站组成，主要实现对飞行器的控制、任务控制、载荷操作、载荷数据分析和系统维护等。

(1)系统控制站。

在线监视系统的具体参数，包括飞行期间飞行器的健康状况、显示飞行数据和告警信息。

(2)飞行器操作控制站。

它提供良好的人机界面来控制无人机飞行，其组成包括命令控制台、飞行参数显示、无人机轨道显示和一个可选的载荷视频显示。

(3)任务载荷控制站。

用于控制无人机所携带的传感器，它由一个或几个视频监视仪和视频记录仪组成。

(4)数据分发系统。

用于分析和解释从无人机获得的图像。

(5)数据链路地面终端。

包括发送上行链路信号的天线和发射机，捕获下行链路信号的天线和接收机。

(6)中央处理单元。

包括一台或多台计算机，主要功能：获得并处理从UAV来的实时数据；显示处理；确认任务规划并上传给UAV；电子地图处理；数据分发；飞行前分析；系统诊断。

(1)飞行器的姿态控制。

在各机载传感器获得相应的飞行器飞行状态信息后，通过数据链路将这些数据以预定义的格式传输到地面站。在地面站由GCS计算机处理这些信息，根据控制律解算出控制要求，形成控制指令和控制参数，再通过数据链路将控制指令和控制参数传输到无人机上的飞控计算机，通过后者实现对飞行器的操控。

(2)有效载荷数据的显示和有效载荷的控制。

有效载荷是无人机任务的执行单元。地面控制站根据任务要求实现对有效载荷的控制，并通过对有效载荷状态的显示来实现对任务执行情况的监管。

(3)任务规划、飞行器位置监控及航线的地图显示。任务规划主要包括处理战术信息、研究任务区域地图、标定飞行路线及向操作员提供规划数据等。飞行器位置监控及航线的地图显示部分主要便于操作人员实时地监控飞行器和航迹的状态。

(4)导航和目标定位。

无人机在执行任务过程中通过无线数据链路与地面控制站之间保持着联系。在遇到特殊情况时，需要地面控制站对其实现导航控制，使飞机按照安全的路线飞行。随着空间技术的发展，传统的惯性导航结合先进的GPS导航技术成为了无人机系统导航的主流导航技术。目标定位是指飞行器发送给地面的方位角，高度及距离数据需要附加时间标注，以便这些量可与正确的飞行器瞬时位置数据相结合来实现目标位置的最精确计算。为了精确确定目标的位置，必须通过导航技术掌握飞行器的位置，同时还要确定飞行器至目标的短矢量的角度和距离，因此目标定位技术和飞行器导航技术之间有着非常紧密的联系。

(5)与其他子系统的通信链路。

该通信链路 用于指挥、控制和分发无人机收集的信息。随着计 算机和网络技术的发展，现行的通信链路主要借助 局域网来进行数据的共享，这样与其他组织的通讯 不单纯的是在任务结束以后，更重要的是在任务执 行期间，通过相关专业的人员对共享数据进行多层 次的分析，及时地提出反馈意见，再由现场指挥人 员根据这些意见，对预先规划的任务立即做出修 改，从而能充分利用很多资源，从战场全局对完成 任务提供有力的支持和合理的建议，使得地面站当前的工作更加有效。

(1)一致性。

提示：菜单和帮助应使用相同的术语，其颜色、布局、大小写、字体等应当自始至终保持一致。

(2)允许熟练用户使用快捷键。

(3)提供有价值的反馈。

(4)设计说明对话框以生成结束信息。操作序列划分成组，每组操作结束后都应有反馈信息。

(5)允许轻松的反向操作以减轻用户的焦虑，鼓励用户大胆尝试不熟悉的选项和操作。

(6)支持内部控制点。某些有经验的用户可以控制系统，并根据操作获得适当与正确的反馈。

(7)减少短时记忆。由于人凭借短时记忆进行信息处理存在局限性，所以要求显示简单。

地面站目前正向一站多机的方向发展，即指一个地面站系统控制多架、甚至是多种无人机。未来无人机地面站将朝着高性能、低成本、通用性方向发展，所以一站多机是发展趋势，这也对地面站的显示和控制提出了更严格的要求。

随着无人机技术的不断发展，无人机航空电子系统与地面站系统之间的通信量越来越大，这就要求地面站系统的无线通信、任务处理、图像处理能力不断增强，因而采用高带宽、低延迟的总线网络实现各部分之间的互连成为必然趋势。从目前的发展来看，只有Gbps级的互连总线网络才能满足未来地面控制站发展对总线的需求。鉴于光纤通道(Fc)具有高带宽、低延迟、低误码率、灵活的拓扑结构和服务类型、支持多种上层协议和底层传输介质以及具有流控制功能，因此可采用光纤通道(FC)来实现其需求。FC己经成功应用于F-35JSF高度综合化和开放式的航空电子系统结构中，相信FC一定能很好地满足地面站的要求。

发展安全、可跨地平线、抗干扰的宽带数据链是无人机的关键技术之一。近年来，射频和激光数据链技术的发展为其奠定了基础。

除了带宽要增加外，数据链也要求可用和可靠。数据链的可用是指一特定星群的覆盖区域和范围。可靠是指信号的健壮性。对于不可避免的电子干扰，数据链需要采用复杂的信号处理和抗干扰技术(如扩频、调频技术等)，并能够确保在数据链失效的情况下，飞机能安全返回基地。