作者：徐冠華

1.1 民用無人機現狀

無人機在民用領域的應用僅有十餘年的歷史，在世界各國都處於起步階段。根據我國2003年頒佈的《通用航空飛機管制條例》，我國無人機用於民用業務飛行應當作通用航空飛機對待。這極大的促進了無人機民用化的發展。

近年來，隨着無人機技術的飛速發展，其研製、成本、使用等要求也已降低，正逐步爲大衆所認識和接受。與此同時，民用領域對無人機的需求也日趨旺盛，以無人機爲平臺，通過裝載各種民用任務載荷，就可執行相應的民用任務，比如環境監測、通信中繼、地質勘探、森林防火、電力巡線、航空拍攝、遙感測繪等。

1．搶險救災

2005年美國南佛羅里達州大學機器人輔助搜救中心的科學家參加了“卡特里娜”颶風引起的密西西比河水災救援行動。在這次行動中使用一架小型固定翼無人機和一架小型無人直升機，這是美國在救災行動中的首次使用無人機。2008年5月13日，針對5.12四川漢川特大地震，中國科學院遙感應用研究所(簡稱遙感所)成立了災區一線的“無人機”遙感小分隊，爲抗震救災提供直觀可靠的實時災情信息，爲抗震救災指揮決策提供實時有效的支撐。

2．地理測繪

利用小型無人機的超低空飛行方式對地面拍攝高分辨率相片，利用立體測圖儀及測量學的原理，配合相關測繪軟件，爲地質科考和測繪人員提供高精度的圖像數據。卡耐基一梅隆大學在1998年利用小型無人直升機對加拿大北極圈的部分地區進行高精度的地圖繪製項目計劃。由於飛行平臺的小型化，與衛星遙測、大飛機測繪相比，無人機遙感航測在市縣範圍具有得天獨厚的優勢。

3．農林施肥

利用小型無人機可對農林場進行施肥、噴灑農藥以及農林場間的病蟲害監控與防治、農情信息收集、對作物長勢的監測、種植面積與產量估計等工作。用低空遙感技術可進行早期的防治與監控，這樣一方面降低了人力成本，另一方面還減少了化學物質對人身健康的危害。農用的小型無人機在一些發達國家的農林業生產中獲得了相當廣泛的應用。

4．影視娛樂

小型無人機成爲當今電影拍攝中的重要手段之一，它搭載高清攝像機，可以在不能人爲貼近以及航空管制及法律條款限制的拍攝點拍攝，通過不同的視角達到更完美的視覺效果。如吳宇森導演的電影《赤壁》，其中的很多高難度的特效鏡頭都是一架名爲flycom的甲醇發動機直升機拍攝的。法國的派諾特(parrot)公司2010年推出了一款名爲AR(Augmented Reality)“擴增實境”的無人機，在拉斯維加斯消費類電子產品展上首次推出就引起巨大轟動。這款無人機是專門爲視頻遊戲而設計的，它把電子遊戲變成一種戶外運動。

5．管道巡檢

小型無人機在空中對高壓輸電線路電網、天然氣、石油等管道、鐵路線路以及高速公路的巡檢。2010年11月山東電力自主研製的線路巡檢無人機通過鑑定，該系統通過無人旋翼飛行平臺攜帶檢測設備、控制設備和通訊設備，可沿着輸電線路走廊近距離自主飛行和跟蹤巡檢，能夠應對複雜多變的地形地貌，完成對架空輸電線路的設備缺陷檢測。大大提升了巡線檢測的水平和質量，提高了作業效率，降低了人員作業的勞動強度和工作風險。

6．科學研究

在科研領域中，小型無人機能應用於大氣探測與取樣(特別是諸如放射性塵埃這樣一類有害物質的探測)，大氣、海洋研究，新型佈局飛行器的模擬試驗，新技術研究的飛行驗證，科學考察、勘測、探險等。而小型無人機本身的研製與設計也是集許多科研成果爲一體的科學技術問題。它涵蓋了諸如製造技術、圖像處理與通信技術、高效能源、空氣動力學、自主飛行控制與導航、微機電技術、結構設計、材料工程等多種交叉學科的專業領域。

綜上所述，小型無人機系統的研究與設計有着廣闊的應用前景，其研究內容涉及到衆多學科的交叉結合，它的研製與開發受到了各國研究機構的重視。因此對小型無人機系統的研究無論在軍事領域，還是在民用領域都有重要的意義。

1.2 產品的背景

無人機地面站作爲整個無人機系統的“大腦”，其正常工作對於保障系統各項功能的順利實現具有決定性的意義。地面站系統可實現的功能包括對無人機的飛行路徑進行規劃、控制，對飛行全過程進行狀態監控，自主飛行仿真和飛行性能分析等。無人機地面站系統應該發揮和實現的功能也應該是整個無人機系統的重要組成部分，除了基本的數據存儲與顯示、狀態監控、指令上傳，還應該能夠適應複雜多變的現實環境，通過自適應調整和功能擴展等保證地面站系統的正常運轉以及整個無人機系統功能的成功實現。同時，從無人機系統的發展趨勢來看，新型地面站系統除了能夠實現上述功能以外，還應該可以通過區域組網、全國聯網的方式，實現數據信息及時、快速的傳輸和共享等新的功能也應該給予充分的考慮。

圖1-1 捕食者地面站

從美國、俄羅斯等發達國家的發展現狀和趨勢來看，地面站正在從“單站單機”向“單站多機”的方向發展。所謂“單站多機”就是指一個單獨的地面站控制系統可以對多架次、同類型或不同類型的無人機進行控制。無人機地面站系統也將朝着通用化、智能化的方向不斷發展。

1.2.1 國外現狀

無人機地面站正在朝着通用化、智能化、單站多機的方向發展。以美國國防部制定的戰術無人機系列地面控制站架構開發的TCS系統，不僅可以實現向指定分系統(包括指揮、調度、控制、通信、情報和決策)分發數據，還可以爲所有戰略戰術無人機、具有中等及以上續航能力的無人機和來自同一地面站的有效載荷提供指揮控制和技術支持。操作員可以通過TCS系統實現對無人機的任務規劃與派遣、下達飛行指令，與飛控計算機進行通信並蒐集有用信息，向各個分系統分發來自無人機的飛行數據。

美國UAV Flight Systems公司針對本公司的AP40和AP50自動駕駛儀，研發了一款名爲“Ground Pilot”的地面站，軟件界面如圖1-2所示。該地面站通過數字和儀表的方式，可以較爲全面的反映無人機飛行過程中的飛機高度、當前位置、速度、馬赫數、過載、迎角、滾轉角、航向和航跡等信息，並可以通過操作界面實現對無人機飛行模式、航路點、滾轉角、偏航角和俯仰角的控制。

圖1-2 Ground Pilot地面站

另一款較爲典型的地面站系統是加拿大Micro Pilot公司針對MP2028自動駕駛儀研製的名爲“Horizon”的地面站，軟件界面如圖1-3所示。該地面站界面簡潔，除可以實現其他地面站所能實現的基本功能以外，還集成了任務模擬器，可以用於日常的飛行測試和訓練，便於使用者對既定的規劃任務進行分析和和修改，降低了訓練成本，提高了使用效率。

圖1-3 Horizon地面站

1.2.2 國內現狀

包括北航、北京零度智控、成都縱橫自動化等在內的國內一些高等院校、研究所和企事業單位也對無人機地面站的前沿開發技術展開研究，並取得了一定的成果。

北航智能技術與裝備實驗室IFLY研發團隊通過刻苦攻關研製出一款具有自主知識產權、完全國產化的GCS300無人機地面站系統，軟件界面如圖1-4所示。該地面站的性能可以與國外同類產品相媲美，它適用於所有IFLY自動駕駛儀，可以實現無人機的編隊組網，採用分時控制最多可對16架無人機進行控制，1個主控地面站通過網絡可以向另外15個分支地面站系統分發、傳送數據，實現對飛行狀態的多終端遠程監控。

圖 1-4 國產化的GCS300無人機地面站系統

北京普洛特科技公司通過數年攻關和實際飛行測試，開發出了UP20自動駕駛儀及其相配套的地面站，軟件界面如圖1-5所示。北京麥克普特公司也研發了類似Autopilot的AP50中文地面控制站軟件。桂林飛宇科技公司開發的FY-2地面站軟件界面如圖1-6。界面左邊爲飛行控制區，可以實現對高度、速度、航向以及工作模式的設置，右邊爲飛行導航區，用於對飛行航路進行規劃，可實現直接在上部正中央的地圖區進行鼠標規劃的功能，界面下方爲虛擬儀表區，可對目標速度和高度等進行實時顯示。

UP20配套的地面站系統

圖1-5 桂林飛宇科技公司開發的FY-2地面站軟件界面