测控系统优化设计与研究

周晨，张大高

航空工业直升机设计研究所

本文介绍了现代无人机测控系统的基本构成和通过引入新技术对现有无人机测控系统存在的不足进行优化，通过引入智能技术减轻操作人员的负担，使无人机测控系统更加稳定。通过使用AR技术和辅助控制系统，使操作人员对整个测控系统的状态进行全面掌控。

随着航天航空技术、无人控制技术以及智能技术的不断发展，测控系统从20世纪的人工控制逐渐向智能控制方向转化，电子设备高度集成化，使各类设备体积减小，所以21世纪的测控系统都是往高集成化和小型化发展。随着人工智能机器学习的普及，很多新兴技术都能提高测控系统的能力，使21世纪设计出的测控系统更具备竞争力。

地面测控站国内外发展研究及改进设计

测控系统是中大型无人机系统中较为关键的子系统之一，是集遥测、遥控、测距、测速、数传、图传等测控业务功能于一体的综合控制系统，具有多体制测控功能，其运行的可靠性和保障性决定了无人机飞行任务的成败，机载收集到的所有载荷设备的数据都由测控系统集中处理和反馈给操作人员。因此测控系统具有功能多、数据交互格式多、传输数据量大、传输频率高的特点。

测控系统主要由三个子系统组成，分别为地面测控站、便携式指控终端和地面机载链路系统。便携式指控终端主要控制无人直升机起降过程及近地面任务，地面测控站主要辅助对无人直升机状态进行监控、机载载荷数据显示和无人机任务规划，地面机载链路系统主要辅助地面测控站与机载间的数据传输和测距测向。

近年来的测控系统设计差别不大，基本沿用十年前的成熟技术，国内外测控系统基本都存在空间利用率低，线路复杂等问题。且现在通信技术急速发展，链路设备现也容易被民用设备污染频段，造成连接不稳定现象，故需使用新兴技术对现有测控系统进行改进。

传统无人机测控系统中的地面测控站体积庞大、维护性难、维护成本较高，其中使用的一体化地面通用控制台为了保障设备稳定，使用钢铁外壳进行加固，以巨大的体积换来使用过程中的稳定性，设计时未考虑空间利用率重复浪费空间。因此可以在之前测控站设计的基础上对其进行进一步优化，优化方案如图4所示，将各控制台的工作计算机集中放置在设备舱中，控制舱只需放置键鼠、控制屏和显示屏等交互设备，交互设备通过数据线与设备舱的工作计算机相连，这样就能极大的通高了空间利用率。

图1 测控系统是中大型无人机系统中较为关键的子系统之一。

图2 测控系统具有功能多、数据交互格式多、传输数据量大、传输频率高的特点。

图3 测控系统主要由三个子系统组成，分别为地面测控站、便携式指控终端和地面机载链路系统。

图4 地面测控站改进设计图。

便携式指控终端设计及主流通信技术研究

便携式指控终端是测控系统的重要组成部分，通过有线或者无线的方式与地面测控站相练。当今大部分便携式指控终端为了连接的稳定性都是使用的有线连接的方式，但这种方式也带来了缺陷，使操作人员无法自由移动，视野受到限制，便携式指控终端与地面测控站之间的连接线也不易维护，十分影响部署速度。使用无线连接方式的便携式指控终端，例如Futaba之类的设备，也存在远距离连接时断流问题，使控制指令断断续续，导致飞行任务存在风险。

为了改变当前设备的缺陷，可以在现有设备的基础上将无线通信模块更换为新型无线模块，例如：2.4GHzWIFI、5GHzWiFi、ZigBee、Z-Wave、移 动4G、移动5G、NB-loT和LoRa等。常用无线通信技术参数如表1和表2所示。

表1 常用无线通信技术参数表。

在表1和表2中可以发现，在进行无人机飞行任务过程中，环境一般是空旷地带，遮挡较少，而且操作人员为了更方便观察无人机的运行状态，会与机载距离更近，与地面测控站距离较远，因此在此使用场景下，蓝牙技术和Z-Wave技术不适用。且在无人机飞行试验过程中，便携式指控终端与地面测控站之间的连接要求稳定，因此容易受到干扰的2.4GWiFi技术、5GWiFi技术、移动4G技术和移动5G技术不能满足稳定性要求。综上所述，符合场景使用要求的为ZigBee技术、LoRa技术和NBloT技术，且这三种技术皆为物联网中常用技术，在符合使用要求的同时也满足了普遍性的要求。

表2 常用无线通信技术参数表。

ZigBee无线通信技术是一种新兴的短距离无线通信技术，ZigBee组网是一种高可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络。ZigBee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。ZigBee技术特点主要有低功耗、低成本、时延短、网络容量大、工作频段灵活、低速率、安全的数据传输等。其中低功耗是ZigBee技术最重要的特点。由于 ZigBee的传输速率相对较低发射功率较小，使得 ZigBee设备很省电，这是 ZigBee技术能够广泛应用的基石。但ZigBee无线通信技术使用2.4GHz频段，因较多技术使用该频段，如蓝牙、WiFi、移动4G等，故ZigBee信号容易受到干扰，且ZigBee相 比NBloT和LoRa使用的频段较高，在有遮挡物的情况下传输距离较短，故ZigBee技术不适用于便携式指控终端。

NB-IoT无线通信技术即窄带物联网，是一种非常新颖的低功耗广域(LPWA)蜂窝通信技术，它允许在低成本和低功耗的环境下于广域范围内创建一张连接设备的网络。NB-IoT只消耗大约180KHz的频段，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络支持待机时间短、对网络连接要求较高设备的高效连接。其主要特点是覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗少、架构优等特点。NB-IoT使用License频段，可采取带内、保护带或独立载波等三种部署方式，NB-IoT无线通信模块工作方式如图5所示。

图5 NB-loT通信技术模块工作原理图。

由图6所示，NB-IoT无线通信在传输数据过程中，必须通过NB-IoT基站中转，NB-IoT基站都是国内三大运营商负责，传输的数据可能会经过一段公共网络，这就导致数据出现安全隐患，所以NB-IoT技术不适合便携式指控终端。

图6 NB-loT通信技术模块工作原理图。

LoRa无线通信技术是物联网新兴技术之一，是semtech公司创建的低功耗局域网无线标准，最大特点就是在同样的功耗条件下比其他无线方式传播的距离更远，实现了低功耗和远距离的统一，它在同样的功耗下比传统的无线射频通信距离扩大3-5倍。LoRa无线通信模块工作原理如图7所示。

图7 LoRa通信技术模块工作原理图。

由图8所知，使用LoRa无线通信模块进行数据传输时为点对点通信方式，没有中转设备，可保障传输数据安全性。

图8 LoRa通信技术应用图。

综上所述，在地面测控站与便携式指控终端之间使用LoRa通信技术，相比ZigBee通信技术和NB-loT通信技术来说，LoRa通信技术在满足数据安全性的同时也满足了稳定性，适合在测控系统中使用，解决便携式指控终端存在的使用范围问题。

辅助控制系统研究及设计

随着科学技术的发展，无人机系统越来越复杂，操作人员需要关注的数据大量增加，导致操作人员出现看漏和错看等现象。为了能弥补人类操作出现的不稳定因素，辅助决策系统可以及时给出决策建议。辅助控制系统可以通过AR技术及设备辅助操作人员快速判断当前情况和选择，并引导操作人员快速解决突发情况，保障飞行任务的成功。

AR技术即增强现实技术，是一种实时地计算摄影机影像的位置及角度并加上相应图像、视频、3D模型的技术，这种技术的目标是在屏幕上把虚拟世界套在现实世界并进行互动。通过头戴式显示装置在原有实景的基础上添加虚拟景物，让操作人员及时注意到辅助控制系统给出的决策建议。

图9 为了能弥补人类操作出现的不稳定因素，辅助决策系统可以及时给出决策建议，具体可通过AR技术手段得以实现。

图10 测控系统的优化流程。

图11 测试系统要随时代不断改进。

辅助决策系统通过输入的以往类似情况的案例，以及预先制定好的解决方案，在飞行任务中出现多个紧急情况时，及时向操作人员反馈其解决方案，引导操作人员按情况的紧急程度依次解决各类问题。通过智能识别语音技术，当操作人员说出问题关键词时，也能反馈解决方案，可起到训练操作人员的问题处理能力。

总结

科技时时刻刻都在更新改进，我们设计测控系统也要跟上时代的脚步才能不落后其他国家，新技术带来新变化，设计测控系统需要按实际应用场景需求采用相对应的技术，使整个测控系统在之前的设计上更加人性化和稳定。