民用无人机地面站发展的分析研究

何松儒 周超 叶佳 贾平法

摘要：简要概括了无人机地面站自产生到现在的发展过程，介绍了国内外典型无人机的结构性能，归纳对比了不同种类的民用无人机地面站的特点，阐述了当今民用无人机地面站的结构框架和核心功能。最后提出了民用无人机地面站发展的一些新思路。

关键词：无人机;地面站;发展;分析

中图分类号：V11 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）10-0227-03

0 引言

民用无人机因具有功能丰富、机动灵活、成本低廉等诸多优点，已成为诸多领域研究的热点。目前，几乎每个国家都在发展自己的无人机产业，这也加速了世界范围内无人机产业的整体发展。无人机地面站软件是无人机系统的重要组成部分，可以在无人机系统的指挥控制功能中发挥重要作用[1]。地面站软件能够使地面人员实现对无人机的控制与管理，其重要性在其发展和应用过程中逐渐被人们认识和重视。由于当今民用无人机的控制系统、制造生产设置等不同，因此不同的无人机具有自己专用的地面站软件，以实现和提高对无人机的飞行监测和操控能力。一般来说，地面站系统硬件部分包含地面站计算机、通信数据链路和辅助操控设备等，配合相应的软件系统，从而实现对无人机的远程控制和操作[2]。无人机执行任务的能力，不仅取决于无人机设备本身的性能，还取决地面人员利用地面站软件对无人机进行的遥控和指挥。目前，关于无人机地面站系统的研究有很多，先后出现了各种适用于不同无人机的地面站系统。本文简要地回顾了无人机地面站的发展历史，并对一些具有代表性的地面站系统进行了分析研究。

1 无人机地面站的发展

无人机最初被应用于军事领域中，因此最初的无人机地面站也出现在军事领域中，之后随着无人机技术在民用领域的发展，逐渐发展出相应的的民用无人机地面站系统。

从1917年，世界上第一架无人机在英国伍尔维奇军械学院研制成功，到20世纪30年代，由于科技水平的限制，人类尚未发展出能够在地面对无人机进行监测、遥控的设备系统，只能够使用简单设备和仪器实现类似的简单功能。1918年3月6日，人类历史上首次无人机飞行由美国海军研制的“柯蒂斯”完成，该飞机利用陀螺仪指示方向，无液气压表指示高度，飞行距离达到900m。1933年1月，英国空军成功试飞了由标准“费尔雷”ⅢF水上侦察机改装成“费尔雷·昆士”无线电遥控飞机[3]。早期的无人机用于军事领域，普遍被视为一种类似飞行炸弹的武器，所以大多利用其自带的设备进行简单的控制。

20世纪50至70年代，最初的地面站系统出现在美国军方的无人机装备系统，从此地面站系统进入快速发展阶段。美国军方利用地面站系统完成了对无人机的控制，完成了各种作战任务。例如，在越南战争期间，美军无人机地面站使用预编程技术控制无人机进行电子窃听、无线电干扰和超低空侦查拍摄等任务。上世纪70年代，美军开始通过地面站发送控制命令，远程控制无人机，在夜间执行精确的侦察任务[4]。

20世纪90年代，经过预编程序控制无人侦察机、命令遥控无人侦察机和复合控制多用途无人机等发展阶段，军用无人机技术日趋成熟，性能不断提高。美国西方国家设计并采用了以“捕食者”无人机地面站为代表的多功能无人机地面站。此时，地面站系统设计开始向集群化、功能智能化发展，技术逐渐成熟[3]。

进入21世纪以后，军用无人机的微型化设计趋势催生了民用无人机产业，无人机地面站系统进入了高速发展的时代。2010年8月Michael Oborne发布了Mission Planner开源地面站软件[5]。另一当前主流的开源地面站软件QGroundControl在2011年被发布在开源社区。几乎占据当前全球消费级微型无人机市场的中国DJI公司（大疆创新）、法国Parrort公司、美国3DR公司也陆续发布了与自家无人机匹配的电脑端无人机地面站软件。随着便携智能设备的普及，各大公司也纷纷发布平板电脑端、智能手机端的无人机地面站应用[6]，例如，2014年Parrort公司发布了Windows平板电脑端的无人机地面站应用AR.FreeFlight，2017年大疆公司发布了专业版地面站软件DJI GS Pro，使用iPad可以自动控制无人机以“区域模式”和“环绕模式”两种模式进行测绘飞行，并借助3D建模软件生成3D地图。

2 无人机地面站现状

2.1 国内外典型无人机地面站介绍

（1）Mission Planner。Mission Planner地面站是一款基于 Mavlink通信协议协议的开源地面站软件，由Michael Oborne开发，支持多种类型的自驾仪，如固定翼无人机，多旋翼无人机以及自驾车等。Mission Planner地面站的功能十分全面，既可以让普通玩家实现简便地对无人机的操控，也可以供专业人员对飞控的复杂参数进行调试。地面站通过Xbee无线数传电台与无人机相连时，控制距离超过1600米[7]，地面站可以实时监测并显示无人机的飞行参数以及GPS定位信息，采用GMap模块对无人机进行定位和航迹现实，同时也可以使用地面站想无人机发送控制指令，支持对无人机进行航线规划，并支持一台地面站系统控制多架无人机。Mission Planner地面站如图1所示。

（2）大疆地面站。大疆公司开发的地面站系统是专门供大疆无人机使用的专门配套软件，如图2所示，地面站系统使用独特的3D图形操作界面，直观便捷易上手，与其他表现形式单一、重点数据显示的地面站系统形成鲜明对比。得益于大疆公司在飞控芯片领域的技术优势，配合独特的飞行控制算法，地面站可以使飞行器始终保持飞行稳定性、机动性和精准度，实现遇险自动返航、一键返航、自主起飞降落等功能。大疆地面站可以按照任务计划规划整个飞行航線，预先设置拍照、空投等作业动作点，即使在飞行任务执行期间，仍然可以重新编辑任务，修改飞行航线或航点属性，实时调整飞行任务目标。与其他地面站平台相比，大疆地面站大大减少了规划飞行任务的复杂度，节省了时间，提高了准确率，同时也支持键盘或自定义摇杆飞行控制不同的操作方法。