基本介紹
- 中文名：航跡控制系統
- 外文名：flight path control system
- 作用：控制飛行器按計畫飛行
- 實現平台：地面控制站
航跡控制系統發展,數字地圖格式,光柵點陣圖及其優缺點,矢量數字地圖及其優缺點,工作模式,航線規劃模式,航跡控制監測模式,數據回放模式,數據分析模式,發展方向,矢量地圖的套用,航線規劃的智慧型操作,三維立體化顯示,模組化結構,
航跡控制系統發展
航跡控制系統是使航空飛機按預定航線飛行，實現全自動飛行的自動控制系統，其實現平台主要是地面控制站。目前該系統在無人機中運用較多。無人機系統中的地面控制站是指在地面用於對無人機的飛行狀態和機載任務設備工作狀態進行控制和監視以及對機載任務設備採集的信息進行處理的設備總稱。它通常由飛行控制設備和任務管理設備以及信息處理設備三部分組成。其作用是控制飛行器的飛行方向、速度、高度、飛行姿態，管理任務設備的工作狀態和處理信息。現代無人機已經從原來單一戰鬥任務中脫身而出，搭載了各種各樣多種用途的任務設備，對航跡規劃的要求越來越高。
隨著計算機技術的進步和GPS 系統的廣泛套用，無人機地面控制站中逐漸發展出了一個嶄新的獨立模組——“航跡控制系統”。利用航跡控制系統，可以直接在數字地圖上進行航跡控制的規劃，能夠實時、便捷地得到數字地圖中任意一點的多種信息。這一功能將航跡控制規劃所需的時間大大縮短。因此，航跡控制系統是現代無人機發展必不可少的技術。
數字地圖格式
光柵點陣圖及其優缺點
光柵點陣圖格式的數字地圖主要是通過掃描紙質地圖得到點陣圖，然後在點陣圖的特定位置標定經緯度信息，使用時在地圖上選取任意一點都可以經插值計算得到該點的經緯度信息。
採用光柵點陣圖格式的數字地圖最大好處就是各種比例尺的紙質地圖比較容易獲取，它們的標準是一樣的，但也存在幾個問題：
- 數據誤差大。一般情況下，一個點陣圖格式的地圖檔案要通過多次掃描並修正、拼接才能得到，而在拼接、旋轉點陣圖圖像時，都很有可能帶入較大的誤差。同時，在選取航點進行經緯度計算時，根據計算方法的不同，也會帶入一定的誤差。這樣導致選取航點的估算經緯度與實際經緯度相差較大。
- 可獲取的信息量少。由於地圖檔案中僅僅是標定了經緯度信息，沒有體現出點陣圖中點與點之間的拓撲關係，無法得到航點所在位置的高度等信息，也就無法為航線規劃的高度設定提供參考，例如地名一類的地理信息更是無從獲取。
矢量數字地圖及其優缺點
針對上述光柵點陣圖格式的缺點，矢量數字地圖是一種顯而易見的較好替代方式。在矢量地圖的數據結構中，地理實體用一系列的x，y 坐標作為位置標識符。矢量地圖不僅包含了三維的地圖信息，即經緯度和高度，還可以得到地名等其它有用的附加信息，同時，它還具有縮放、旋轉不失真等特點，能大大提高航跡控制規劃的精確度。在顯示地圖時，還可以根據操作者的要求，有選擇地禁止不需要顯示的內容，但是，目前矢量地圖的格式非常多，有Arcinfo 的Generate，ArcView 的Shape File，MapInfo 的MifFile，Auto CAD 的DXF，Titan 的Tsf 等格式。
由於地圖格式的出現，使得套用系統喪失了通用性，其結果是矢量地圖實現通用困難。另外，由於矢量地圖的本質是用一組指令來描述構成地圖的直線、圓、矩形等，當將矢量地圖顯示到螢幕上時，需要由軟體將描述圖形的指令轉換成在螢幕上顯示的顏色、位置和形狀，因此大大降低了矢量地圖的顯示速度。
由此可見，這兩種數字地圖的格式各有其優缺點。目前，在小型無人機套用方面，考慮到軟體的通用性和無人機技術的發展，多採用了光柵點陣圖格式的數字地圖。
工作模式
綜合分析國內外無人機系統的特點，航跡控制系統主要有4 種工作模式，即：航線規劃、航跡控制監測、數據回放和數據分析。
航線規劃模式
航線規劃模式用於規劃無人機的飛行航線。在航線規劃模式中，調入目標地區的數字地圖之後，隨著滑鼠的移動，滑鼠所在位置可以同時顯示出地圖上該點的經緯度信息，此時點擊滑鼠即將該點自動追加為航線中新的航點，同時，信息提示區中還將顯示出當前的航跡控制角以及估算的無人機總航程，這樣的操作明顯能方便操作人員，大大縮短了航線規劃所需的時間。當航線設定完畢後，可以利用航跡控制數據裝訂功能迅速地將航線數據傳送到無人機的飛控系統中。
航跡控制監測模式
航跡控制監測，是指實時接收無人機下傳的遙測信息，解析得到無人機的經緯度和高度等信息，並在地圖視窗中的相應位置顯示，使操作者可以直觀地得到無人機的位置信息。航跡控制及姿態監測過程中還能保存相應的數據，以便供給數據回放模式使用。在實際系統的實現中，是由地面控制系統通過無線鏈路實時接收無人機的遙測信息，並將相關信息通過網路傳送到航跡控制系統。初期的各種航跡控制監測系統中，無人機的姿態都是通過數據方式顯示的。當無人機處於視距之內時，操作手可以直接觀測其姿態，而當無人機飛出視距時，操作手只能通過飛機的遙測數據來判斷飛機姿態。與航跡控制監測類似，姿態監測也是實時地接收無人機的遙測數據，同時，以三維圖形方式顯示出無人機的空中姿態，使得操作者可以直觀地看到無人機的姿態。
數據回放模式
在無人機的實際飛行過程中獲得並保存數據之後，可以通過數據回放模式以與航跡控制監測模式完全相同的視覺效果離線地再現無人機某一次飛行的全過程，包括無人機的位置、姿態以及其他一些重要數據，方便對無人機的飛行狀況及任務執行狀況的分析。數據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 倍速來進行數據的回放，還可以利用系統給出的控制功能，方便地實現回放過程的快進、快退等。
數據分析模式
無人機系統中允許搭載各種不同的任務載荷，有些設備是通過一個單獨的無線信道直接進行數據傳輸的，並且地面有專用設備予以接收，無需航跡控制系統進行處理，例如攝像機、照相機等。但是，也有一些設備是通過無人機的下行遙測鏈路傳輸數據的，例如核探測儀器等。這些設備要求地面控制站能夠記錄、保存探測數據，能夠針對探測數據進行分析並在數字地圖上表現出地面的受污染情況等。
發展方向
隨著微電子、微電技術、信息技術、智慧型技術和航空技術的飛躍發展，無人機正向小型化、智慧型化、隱身化方向發展，這就給航跡控制系統提出了更高的要求，為了滿足現代無人機發展的需要，無人機航跡控制系統還應從重點發展以下幾個方向。
矢量地圖的套用
雖然矢量地圖仍有一些缺點，但它有更多的優越性，它的使用必然是一種發展趨勢。航跡控制系統必須在這方面加深研究。
航線規劃的智慧型操作
在航線規劃的過程中將自動進行航點高度合法性的檢測，當無人機因規劃航點的高度太低而可能導致危險時，航跡控制系統將給出警告提示並給出相應的修改意見。或者，通過輸入對航線的要求，由系統根據設定的航線自動給出各個航點的高度值，甚至包括插入一些必需的航點。遇到複雜地形，需要無人機改變飛行航線時，系統能夠自動給出航線。
三維立體化顯示
在採用矢量地圖之後，完全可以繪製出三維立體的地形，使得地圖的顯示不再局限於二維平面。由此，將使航跡控制系統發生巨大的變化，所有的操作和數據的顯示將更為直觀。系統的功能也不再局限於航線規劃和航跡控制監測等。
模組化結構
模組化、組件化結構是當前軟體系統發展的方向。不僅是航跡控制系統，整個地面控制站都將發展為模組化的結構。各種功能以組件的方式予以實現，構成一個組件庫，必要時只需各取所需，再加以拼裝，就可以迅速得到一個新的套用系統。
