无人机动态校准系统研究

2019-03-25黎琼炜李效辉朱春阳

宇航计测技术 2019年1期

黎琼炜李效辉刘旋朱春阳

（北京航空工程技术研究中心计量站，北京100076）

1 引言

近年来，以“翼龙”、“彩虹”为代表的中国无人机技术获得长足发展，在反辐射无人机、隐身无人机以及无人机集群等领域紧跟国际前沿甚至局部领先。

目前，国内无人机计量工作主要集中在研制生产过程中的计量保证工作，使用维护阶段的计量保障还处于一种初级阶段。型号研制生产单位编制《计量保证大纲》，对研制、生产、试验过程进行计量控制，确保无人机研制、试验、生产过程中计量单位统一、量值准确一致、测量数据可靠［1，2］。由于没有很好地贯彻GJB 5109《装备计量保障通用要求检测和校准》［3］，无人机在交付使用后，缺少预留的测试接口和专用的测量校准设备，现场维护人员无法对其进行校准或检定，一般采用高可靠性设计思路，依靠PMA 自动测试程序获取传感器状态；基层使用维护人员在对整机性能验证时，大多采用“拉距离”的方式，对无人机进行简易测试。

针对无人机使用维护阶段的计量保障需求，结合无人机使用特点，在无人机各参数指标进行深入分析的基础上，笔者提出以无线电数据链路计量保障为重点的无人机动态校准设计方案。

2 无人机系统分析

2.1 无人机系统组成

我们按照功能将无人机系统分四部分。

1）无线电测控系统

这一部分也称为数据链系统，包括遥测、遥控、跟踪测量设备，信息传输设备，数据中继设备等，用以指挥操纵无人机飞行，并将无人机的状态参数及侦察信息数据传到控制站［4，5］。因为数据链的信息中几乎包含了无人机系统的所有状态信息，因此对数据链的校准是无人机校准的重点；

2）飞行器系统

包括无人机，发射与回收设备，飞行控制与导航设备，传感器装置等，主要用以保证飞机完成各种飞行动作；

3）任务系统

包括为完成各种任务而需要在无人机上装载的各类设备；

4）保障系统

包括各类检测校准设备，维修设备，运输设备，后勤设备等。

2.2 无人机计量保障需求

现有无人机的维修保障采用二级维修模式：在基层级，通过PMA 获取机载传感器状态并初始化传感器，更换LRM；在基地级对无人机进行拆解和修理。这种维修保障模式使得传统计量保障模式不再适用。

传统手段需要对无人机部件进行拆解，按照通用校准检定规程，在实验室环境下，由专业计量人员进行校准测试。这种方法的测试步骤复杂，同时会降低部分关键部件的可靠性，且不能直接反映整机性能。传统的计量是将无人机各组成要素作为独立的对象处理，开展的主要是单设备计量。在这种方式下，即使无人机所有单元均计量合格，也不能保证整机能达到应有的效能。

因此，需要在无人机计量保障中推行全系统计量理念，核心是研究和建立无人机全系统的计量参数体系、计量方法和计量手段，解决系统间互相影响的问题，精准掌控无人机系统级技术状态，支撑体系对抗能力的形成和保持。

3 无人机动态专用校准系统研究

3.1 工作原理

利用雷达和无线电通信技术，采用多点定位的方法，模拟不同条件下的电磁环境，拟合航行轨迹的方式［6－8］，对无人机的飞行性能、动力装置、起飞／着陆、飞行控制系统、导航系统、机械电子电气设备、无线电测控与信息传输系统、地面控制站、机载任务系统，进行整机计量，验证无人机的整机参数。

3.2 动态专用校准系统组成

无人机动态校准系统由电磁环境模拟分系统、无线电信号测量分系统和校准数据处理分系统组成。

1）电磁环境模拟分系统主要作用是模拟真实场电磁环境背景，确定不同干扰信号强度对无人机系统的影响；

2）无线电信号测量分系统在模拟的电磁环境条件下，采用非接触方式，对无人机系统机载和地面控制站之间的数据链进行真实信号测量，并利用无线定位手段绘制航行轨迹，分析无人机真实状态；

3）校准数据处理分系统对不同数据进行记录、不确定度分析和指标判定，并完成检定或校准证书的生成等工作。

3.3 电磁环境模拟分系统

电磁环境模拟分系统由一个多通道数字信号发生器产生可能对无人机数据链造成干扰的短波、超短波、微波等频段内所有信号，通过功率放大，和选用高增益天线，在划定区域内模拟出复杂的电磁环境，并调整信号增益，通过测量信号质量的变化或锁定电平的变化，得到不同功率的干扰信号对无人机数据链系统的影响。系统组成如图1所示。

电磁环境模拟分系统主要功能如下。

1）具备时域、空域、频域、能量域等多维构设能力；

2）具备播放预先采集的背景信号，并可编辑、筛选播放信号，实现特定区域背景电磁环境搬迁；

3）具备对多频段、多种样式电磁信号模拟重构功能，可根据重构策略按时域、空域、频域、能量域动态模拟背景电磁信号，并具有可编程能力；

4）具备电磁信号、信道数字化生成能力，可与实际环境采集数据进行融合为无人机试验推演与评估，整机性能校准提供电磁环境数据支持；

5）具备机动式构设能力，具备本地控制、远程控制、集中控制其他电磁信号模拟设备的能力；

6）具备数据记录管理功能，能够记录系统工作日志、设备状态、生成信号等信息，可建立电磁环境信息数据库，可进行数据库导入、导出、检索、编辑等操作；

7）具备系统运行状态实时监视功能，可观察二维／三维电磁态势，可与计量保障基地测控系统互联，实现信息交互功能；

8）具备时间统一和寻北定位功能。

3.4 无线电信号测量分系统

无线电信号测量分系统采用一体化多天线模式，按照小型化、集成化要求，以多点组网测试为主，也可完成独立校准测试任务。在执行计量保障任务时，通过部署于无人机起降机场周边或特定试验区域，采取远程遥控方式或人工现场操控方式完成无线信号的监控和测量。

该分系统可以实现宽频段、多种类信号的功率、频率等参数的测试和校准，并利用信号监测技术描绘出无人机航线轨迹，从而准确获得飞行高度、速度、定位精度、通信能力、抗干扰能力等无人机关键性技术指标参数校准数据。无线电测量分系统的组成如图2所示。

无线电测量分系统主要功能如下。

1）信号测向和定位

具备单信号测向、宽带多信号测向、离散信道测向、触发测向等功能，能够利用多个无线电测量分系统组网，采用交汇定位的方式，获取无人机位置信息，并在态势显示软件中显示定位结果，锁定跟踪无人机；

图2 无人机动态校准系统无线电测量分系统框图Fig.2 The radio measurement subsystem of dynamic calibration system for UAV

2）信号测量

测试频率、场强、带宽、调制样式、码速率、脉宽、功率等参数；

3）频段扫描监测；

4）监听录音

能够对指定的AM，FM，USB 等语音信号进行监听，可根据设定条件录音，根据频段、时间段等组合条件选择回放，并显示音频波形；

5）告警功能

比照标准基础数据库实现对监测频段信号的自动告警；

6）瞬态信号监测

能够捕捉瞬态信号，并完成瞬态信号累积显示；

7）数据管理

具有测量信息数据库，具有记录系统工作日志、设备状态、生成信号的功能；

8）控制功能；

9）电子地图；

10）具备自动寻北定位能力；

11）具有系统自检、故障诊断告警及系统状态实时监视上报功能；

12）具备时间统一功能。

3.5 测向和定位

传统的雷达和GPS 定位系统能够提供运动目标某时刻的精确位置，但是缺乏运动目标的状态信息（如运动速度和方向等），雷达在利用多普勒效应在测速时，只能提供速度信息，无法准确提供运动位置和方向。光电经纬仪是迄今为止在空间动态目标定位测量中精度最高的航迹测量系统，由于其具有实时、高精度、动态跟踪和图像再现等优点，在飞行试验中被广泛采用。这种方法需要在无人机上安装激光反射器，不符合实际工作需要，光电经纬仪还需要辅助外跟踪雷达等设备，成本高，架设复杂。另外，测量算法的精确性和测试方法的完备性在很大程度上影响到测量结果的准确性，通常由于对观测数据的误差修正不够完善，并在交会计算中常常将大目标当作点目标对待，对于机动飞行的大目标就产生了计算模型的原理性误差和方法误差。同样目标布站几何、站址系统误差也严重影响测量精度。

为了能够实现精确定位并描绘航行轨迹，我们在无人机动态校准系统中，采用时差定位TDOA 技术提高测向和定位准确度。时差定位测向是通过测出电波从发射机传播到多个接收机的传播时间差（TDOA）来确定目标移动台的位置。对于TDOA方法，可通过直接计算TOA 差值或直接估计时延差等方法得到TDOA 测量值，一个TDOA 测量值对应的是以两个接收机为焦点的一对双曲线，多个TDOA 测量值对应的多条双曲线的交点即为移动无人机的位置，如图3所示。

3 个测试点的接收机可以选用TDOA 专用室外接收机，目前该产品技术成熟，价格相对较低，和主站（无线电测量分系统）组网，可以精确测量位置、速度等信息，该方法对于合作目标而言，主要受GPS时钟影响，位置准确度可达米级，合作目标的位置越远，相对误差越小。

3 个TDOA 测向接收机和无线电测量系统位于4 个不同位置的站点上，同时接收一个信号，经过相关运算，计算其到达信号的时间差，根据时间差曲线确定检测信号的方位。系统采用快速时差定位技术测向，根据目标信号的带宽，采用接近奈奎斯特采样定位的采样率对信号进行采样，大幅降低数据传输量，同吋通过改进时差定位算法，只要较短的有效时间数据就能得到高精度时差定位方向。

通过对移动目标的定位，系统可以实现对最大航行高度、航行速度、无人机导航系统等多个指标或设备进行校准测试。