[科普中国]-航迹控制系统

航迹控制系统发展

航迹控制系统是使航空飞机按预定航线飞行，实现全自动飞行的自动控制系统，其实现平台主要是地面控制站。目前该系统在无人机中运用较多。无人机系统中的地面控制站是指在地面用于对无人机的飞行状态和机载任务设备工作状态进行控制和监视以及对机载任务设备采集的信息进行处理的设备总称。它通常由飞行控制设备和任务管理设备以及信息处理设备三部分组成。其作用是控制飞行器的飞行方向、速度、高度、飞行姿态，管理任务设备的工作状态和处理信息。现代无人机已经从原来单一战斗任务中脱身而出，搭载了各种各样多种用途的任务设备，对航迹规划的要求越来越高。

随着计算机技术的进步和GPS 系统的广泛应用，无人机地面控制站中逐渐发展出了一个崭新的独立模块——“航迹控制系统”。利用航迹控制系统，可以直接在数字地图上进行航迹控制的规划，能够实时、便捷地得到数字地图中任意一点的多种信息。这一功能将航迹控制规划所需的时间大大缩短。因此，航迹控制系统是现代无人机发展必不可少的技术。1

数字地图格式航迹控制系统中最重要的部分就是数字地图。目前，航迹控制系统中采用的数字地图主要有两种格式：光栅位图和矢量形式。

光栅位图及其优缺点光栅位图格式的数字地图主要是通过扫描纸质地图得到位图，然后在位图的特定位置标定经纬度信息，使用时在地图上选取任意一点都可以经插值计算得到该点的经纬度信息。

采用光栅位图格式的数字地图最大好处就是各种比例尺的纸质地图比较容易获取，它们的标准是一样的，但也存在几个问题：

数据误差大。一般情况下，一个位图格式的地图文件要通过多次扫描并修正、拼接才能得到，而在拼接、旋转位图图像时，都很有可能带入较大的误差。同时，在选取航点进行经纬度计算时，根据计算方法的不同，也会带入一定的误差。这样导致选取航点的估算经纬度与实际经纬度相差较大。

可获取的信息量少。由于地图文件中仅仅是标定了经纬度信息，没有体现出位图中点与点之间的拓扑关系，无法得到航点所在位置的高度等信息，也就无法为航线规划的高度设定提供参考，例如地名一类的地理信息更是无从获取。1

矢量数字地图及其优缺点针对上述光栅位图格式的缺点，矢量数字地图是一种显而易见的较好替代方式。在矢量地图的数据结构中，地理实体用一系列的x，y 坐标作为位置标识符。矢量地图不仅包含了三维的地图信息，即经纬度和高度，还可以得到地名等其它有用的附加信息，同时，它还具有缩放、旋转不失真等特点，能大大提高航迹控制规划的精确度。在显示地图时，还可以根据操作者的要求，有选择地屏蔽不需要显示的内容，但是，目前矢量地图的格式非常多，有Arcinfo 的Generate，ArcView 的Shape File，MapInfo 的MifFile，Auto CAD 的DXF，Titan 的Tsf 等格式。

由于地图格式的出现，使得应用系统丧失了通用性，其结果是矢量地图实现通用困难。另外，由于矢量地图的本质是用一组指令来描述构成地图的直线、圆、矩形等，当将矢量地图显示到屏幕上时，需要由软件将描述图形的指令转换成在屏幕上显示的颜色、位置和形状，因此大大降低了矢量地图的显示速度。

由此可见，这两种数字地图的格式各有其优缺点。目前，在小型无人机应用方面，考虑到软件的通用性和无人机技术的发展，多采用了光栅位图格式的数字地图。1

工作模式综合分析国内外无人机系统的特点，航迹控制系统主要有4 种工作模式，即：航线规划、航迹控制监测、数据回放和数据分析。

航线规划模式航线规划模式用于规划无人机的飞行航线。在航线规划模式中，调入目标地区的数字地图之后，随着鼠标的移动，鼠标所在位置可以同时显示出地图上该点的经纬度信息，此时点击鼠标即将该点自动追加为航线中新的航点，同时，信息提示区中还将显示出当前的航迹控制角以及估算的无人机总航程，这样的操作明显能方便操作人员，大大缩短了航线规划所需的时间。当航线设定完毕后，可以利用航迹控制数据装订功能迅速地将航线数据传送到无人机的飞控系统中。1

航迹控制监测模式航迹控制监测，是指实时接收无人机下传的遥测信息，解析得到无人机的经纬度和高度等信息，并在地图窗口中的相应位置显示，使操作者可以直观地得到无人机的位置信息。航迹控制及姿态监测过程中还能保存相应的数据，以便供给数据回放模式使用。在实际系统的实现中，是由地面控制系统通过无线链路实时接收无人机的遥测信息，并将相关信息通过网络传送到航迹控制系统。初期的各种航迹控制监测系统中，无人机的姿态都是通过数据方式显示的。当无人机处于视距之内时，操作手可以直接观测其姿态，而当无人机飞出视距时，操作手只能通过飞机的遥测数据来判断飞机姿态。与航迹控制监测类似，姿态监测也是实时地接收无人机的遥测数据，同时，以三维图形方式显示出无人机的空中姿态，使得操作者可以直观地看到无人机的姿态。1

数据回放模式在无人机的实际飞行过程中获得并保存数据之后，可以通过数据回放模式以与航迹控制监测模式完全相同的视觉效果离线地再现无人机某一次飞行的全过程，包括无人机的位置、姿态以及其他一些重要数据，方便对无人机的飞行状况及任务执行状况的分析。数据回放模式具有回放速度控制的功能，可以用半速、原速、2 倍速或4 倍速来进行数据的回放，还可以利用系统给出的控制功能，方便地实现回放过程的快进、快退等。1

数据分析模式无人机系统中允许搭载各种不同的任务载荷，有些设备是通过一个单独的无线信道直接进行数据传输的，并且地面有专用设备予以接收，无需航迹控制系统进行处理，例如摄像机、照相机等。但是，也有一些设备是通过无人机的下行遥测链路传输数据的，例如核探测仪器等。这些设备要求地面控制站能够记录、保存探测数据，能够针对探测数据进行分析并在数字地图上表现出地面的受污染情况等。1

发展方向随着微电子、微电技术、信息技术、智能技术和航空技术的飞跃发展，无人机正向小型化、智能化、隐身化方向发展，这就给航迹控制系统提出了更高的要求，为了满足现代无人机发展的需要，无人机航迹控制系统还应从重点发展以下几个方向。

矢量地图的应用虽然矢量地图仍有一些缺点，但它有更多的优越性，它的使用必然是一种发展趋势。航迹控制系统必须在这方面加深研究。1

航线规划的智能操作在航线规划的过程中将自动进行航点高度合法性的检测，当无人机因规划航点的高度太低而可能导致危险时，航迹控制系统将给出警告提示并给出相应的修改意见。或者，通过输入对航线的要求，由系统根据设定的航线自动给出各个航点的高度值，甚至包括插入一些必需的航点。遇到复杂地形，需要无人机改变飞行航线时，系统能够自动给出航线。1

三维立体化显示在采用矢量地图之后，完全可以绘制出三维立体的地形，使得地图的显示不再局限于二维平面。由此，将使航迹控制系统发生巨大的变化，所有的操作和数据的显示将更为直观。系统的功能也不再局限于航线规划和航迹控制监测等。1

模块化结构模块化、组件化结构是当前软件系统发展的方向。不仅是航迹控制系统，整个地面控制站都将发展为模块化的结构。各种功能以组件的方式予以实现，构成一个组件库，必要时只需各取所需，再加以拼装，就可以迅速得到一个新的应用系统。1