CN109240330A - 一种无人机系统站机分离的飞行控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机系统站机分离的飞行控制方法，该方法重构了无人机系统的配置方式，通过提出自动测偏及纠正技术，配置机载检测器，从而裁剪机场数据链和地面站，提出机载和地面系统的新型组成方案。支持无人机系统的站和机分离使用，操作队伍分工组建，降低航线建设成本和运营成本，便利机场和航线调配。本发明提供产业型无人机新的配置设计和使用方法，实现低成本配置和应用，特别适合用于航空运输，也为无人机空中作业提供降低成本和灵活使用的解决方案，为现行通航企业转型发展提供新途径，为无人机实现产业化发展提供新动能。

Description

一种无人机系统站机分离的飞行控制方法

技术领域

本发明涉及航空导航与控制领域，特别是飞行器的飞行控制应用，以及飞行器远程和低空飞行的通信技术应用。

技术背景

固定翼无人机在进近下滑着陆、起飞和着陆滑行过程经常受到侧风干扰，由于机载导航飞控系统全称为导航与飞行控制计算机系统的纠偏控制响应存在时间滞后，造成偏离预定滑行道中心线或航线，严重情况可导致发生较大侧偏而滑出跑道。目前，纠正侧偏的技术措施主要采取人工遥控指令的辅助控制给予纠正。更常用的遥控方法是离散量化的遥调纠偏，通过多次遥调的积累达到所需的航线偏离纠正量，避免模拟量的连续遥控方法出现过度遥控的危险。无人机保持和调整航线航向的依据，主要基于机载导航系统对感知的预制航线偏差量所产生的反馈控制量，由机载控制系统驱动伺服机构的动作量，伺服机构包括气动舵面，机轮，或纠偏的直接动力。偏差在预定范围内则保持由导航飞控系统测偏并控制，偏差超出预定范围则实施调整外部辅助测偏并控制。目前现役无人机在起飞和着陆过程发生较大侧偏时，由机场飞行控制员通过地面站或机场观察员使用遥控器，目视侧偏情况，发出纠偏的遥调指令得以实现纠正。问题是，发出的纠偏遥调指令中，经常不及时或出错。另一种在机场进近下滑、起飞和着陆滑行过程提供纠偏指令的方法是，在机场地面布置观测导引设备，对无人机的进近下滑、起飞和着陆滑行过程的侧偏进行测量，给出侧偏量及反馈信息，通过数据链发送给无人机的地面站再转发给机载控制系统，实现外测反馈的纠偏控制。问题是，这需要在机场和无人机上预先布置测偏导引设备，如光学或微波设备，以及机载反射面，以及在要求地面站上数据链能够接收该测偏信息并再转发给机载导航飞控系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种无人机系统站机分离的飞行控制方法，使其能够通用化、产业化使用。

本发明是这样实现的：

本发明是一种无人机系统站机分离的飞行控制方法，这里的无人机系统由以下几个配置组成。在无人机上，安装导航飞控系统或配合使用的任务管理系统，混合数据链，测偏纠正系统，机载地面检测器，开舱锁系统，以及其他机载系统设备。在无人机起降的机场里，配置机场通用链路，机场信号站，以及机场其它系统设备。在机场里或机场外布置飞行监控站，作业监控站，以及其他系统设备。

其中，导航飞控系统即导航与飞行控制计算机系统的简称，所述任务管理系统为导航飞控系统提供设置辅助功能的人机界面，以便修改或扩展导航飞控系统的功能及参数从而使用更多潜在功能。根据详细设计方案，任务管理系统也提供安全性辅助导航及飞控功能，如提供热备份的辅助导航数据含航线推算，或者提供限制飞行范围的地理信息和飞行性能预制数据。任务管理系统还为导航飞控系统对无人机的控制响应提供动态监测反馈及辅助飞控功能，及时提供相应的限制地理位置如限制飞行航线及飞行高度范围，限制飞行性能的辅助飞控功能如飞行速度范围，飞行时间或航程，飞行过载或飞行姿态等限制性控制。导航飞控系统和任务管理系统之间能够构建互余系统，通常以导航飞控系统为主系统并可根据对设备的详细设计方案确定两者的应急转换方案，机载系统的连接原则是涉及安全检测和辅助控制的以连接任务管理系统为主。

其中，所述混合数据链由机载的和地面的两部分组成，各自都包括直通数据链和中继数据链，也分别包括机载数据链和地面数据链。机载数据链与导航飞控系统连接，并与地面数据链上相应的数据链无线连接。(1)机载数据链的直通数据链包括：通用测控数据链，简称通用链路，点对点测控数据链，简称视距数据链，短波测控数据链，简称短波链路，ADS-B数据链，高频(HF)话音通信。机载数据链的中继数据链包括：4/5G通信，卫星移动通信，北斗(BD)短信通信，卫星点对点测控数据链。机载数据链与机场通用链路，简称通用链路，飞行监控站或作业监控站等相应的地面数据链通过无线电连接，相互传送信息，或指令。(2)地面数据链所包括的直通数据链和中继数据链，均与机载数据链相对应的数据链无线连接。混合数据链所包括的各子链的具体设计方案是，根据应用需求，裁剪出混合方案并选择接通各子链的优先权设计方案，而形成系列应用产品。其中，(1)简节直通数据链包括：机载和地面的通用链路，短波链路，ADS-B数据链，高频(HF)话音通信。(2)简节中继数据链包括：机载和地面的4/5G通信，卫星移动通信，北斗(BD)短信通信。机上和地面的通用链路，短波链路，4/5G通信和卫星移动通信，通过无线连接，双向传送信息，或地面对机上发送指令，而北斗(BD)短信通信用于简要通信，包括地面对机载发送应急指令。ADS-B数据链扩展，自动与机场空中交通管制部门ATC连通信息，即发送监视与扩展信息含本机运行人联系电话信息，自动与地面飞行服务站FSS/AFSS连通信息，以及自动与卫星ADS-B转发器连接信息，并设计通过专用软件如APP应用软件，构建网联信息服务平台。对ADS-B的带宽资源深化设计可包括提供话音通信和指令传送。通过高频(HF)话音通信，以及短波链路，4/5G通信和卫星移动通信的话音载波转接，实现空地互联人工呼叫通话外，并通过AI辅助航空话音系统的设计，以话音识别激活话音通信，或者由地理空间位置的识别激活话音通信，接通与空中交通管制部门的话音通信，发出AI辅助标准航空话音。机场通用链路对在同机场多架无人机起飞或着陆监控时，可以设置不同的测控频点加以隔离。

进一步的，所述测偏纠正系统是一种机载的独立测量飞行航线侧偏量并为机载导航飞控了系统提供纠正因为自己的响应滞后而产生航线侧偏过大的辅助测量系统设备，由安装在定位定向航姿伺服机构上的视频机构和电控设备组成，电控设备控制视频机构识别锁定可作为机场跑道航线基准的固定参照物而获得对机场跑道航线基准的侧偏量测量及纠偏视频信息，通过与机载导航飞控系统连接传送侧偏数据，由导航飞控系统处理解算侧偏量及生成纠偏控制指令，并按照纠偏控制策略的时机发出纠偏控制指令优先实施对无人机航线侧偏的辅助纠偏控制，控制无人机的进近下滑着陆及起飞和滑行回归到测偏纠正系统所设定的航线基准的偏离范围。或者，电控设备根据测偏信息及自己的导航航姿设备独立解算并生成纠偏控制指令，按照纠偏控制策略的时机通过电控设备的数据链无线连接到机载通用数据链，从而传送纠偏控制指令，由导航飞控系统优先实施对无人机航线侧偏的辅助纠偏控制，从而控制无人机回归到航线基准的偏离范围。测偏视频信息可由数据链传输给传统地面监控站，用于起飞或着陆以及滑行的辅助监控甚至遥调操控。其中，机场观测操作员或机场塔台人员为纠正无人机航线侧偏使用地面监控站所发送的纠偏控制指令，通过设备所配的机场通用链路，无线连接到机载导航飞控系统并优先实施对无人机的辅助纠偏控制，从而控制无人机回归到航线基准的偏离范围。而在机场其它系统设备中，可以选配一种机场起降导引系统，通过导引设备的电台链路与机载通用链路的无线连接，直接与机载导航飞控系统连接，将所获得对无人机的航线基准的侧偏量测量及纠偏视频信息传送给机载导航飞控系统并生成纠偏控制指令，按照纠偏控制策略的时机发出纠偏控制指令并优先实施对无人机航线侧偏的纠偏控制，从而控制无人机回归到基准的偏离范围。多种侧偏纠正方法可以同时使用，构成一种余度的或替代的设计方案。测偏纠正系统的其他可选的测偏功能或纠偏功能的设计方案还包括，机载的能用于测偏的设备，或能用于辅助纠偏的设备。

测偏视频机构可选的探测器设备包括可见光，微光和各种波长的红外，推荐短波红外视频设备。设计上，视频机构的安装位置满足前向跑道可视，并可根据太阳时间的调整避开太阳光线照射的干扰。跑道上设置的固定参照物包括机场跑道中心线及材料，并可设计中心线形状，可在材料中添加特种材料成分增强识别效果，以及在跑道近处布置有红外特征的固定参照物，能提供可持续推算侧偏量的测偏基准。

进一步的，所述机载地面检测器安装在机载的专用或兼用的计算机中，与导航飞控系统连接，并与其他机载系统设备中的地检开关和地面检查接口连接。当地面检查人员接通机上地检开关后，机载系统自动进行机内自检并可以显示，机内自检数据通过机载通用链路，以及选择混合数据链中其它数据链，并无线传送给机场塔台及飞行监控站，再由飞行监控站给机载系统装订任务航线或发送起飞指令。通过机载地面检测器由机场人员对无人机进行飞前自检和日常维护，自检数据通过所选链路实时传给机场塔台及飞行监控站复检。通过对地面检测器的检测程序定制化设计实现多种自动放飞的流程，一种是正常起飞流程，按照检测程序判读未显示异常数据后，无人机按放飞流程自动驶入跑道起飞点即自动起飞，可以设计起飞前再次自检的强化流程，另一种是应急起飞流程，按照检测程序判读未显示严重异常数据后，无人机按放飞流程自动驶入跑道起飞点即自动起飞，再一种是遥控起飞流程，按照检测程序，检测数据经地面人员判读或传送到机场塔台及飞行监控站判读后，人工辅助发出起飞指令，无人机按照放飞流程自动驶入跑道起飞点即自动起飞，也可以设计起飞前地面人员再次判读检测数据后发出起飞指令的强化流程。另一种外接的地面检测途径是，地面人员将检查电脑接入地面检查接口，能够读取或操作机载系统的机内自检，并装订任务航线等数据。地面人员通过检查电脑切换到发送自检数据的状态后，机载系统的自检数据和装订数据可选择发送到机场塔台及飞行监控站，设计上发送的主要途径是通过机载通用链路或混合数据链，或通过光纤传送或由机场的4/5G通信链路转发到飞行监控站。地面检测器连接传感器对无人机的重量重心进行自动检测，并对检测中的重量重心偏离量自动接通报警指示，其中，激光测距仪可以用于测量起落架压缩量变化而换算为重量重心变化，压力传感器设计为独立自动解算重量重心偏离量。

进一步的，所述开舱锁系统安装在无人机结构上，提供安全开锁门禁和流程。用于打开动力开关舱门，也用于打开多种重要设备舱门，包括放飞开关的舱门，货物舱们，或电源舱门。开锁门禁包括选择部分人体特征识别，如指纹识别，面部识别，虹膜识别。以及选择部分数字信息识别，如读卡识别，密码识别。也采用物体识别，如钥匙识别。可设计多种门禁的组合用法。流程设计推荐两级开锁，一级为电子开锁及应急开锁，也便于授权或委托异地人员代理操作，另一级为机械开锁，可防止电子误码。电子开锁后可直接操作机械开锁。

进一步的，所述机场信号站用于自动发送或发布可更新的机场气压场高，卫星差分信号和机场滑行道数据。在无人机飞临机场时辅助无人机获得并自动修订机场气压场高，获得卫星差分信号并作为起动驶入驶出的安全滑行判据开关，以及获得机场可以驶入驶出跑道的路线数据并自动或指令装订。这些机场数据可以集中由一种设备提供或分别由独立设备提供。

进一步的，所述飞行监控站上安装混合数据链及人机界面设备，包括ADS-B数据链地面设备及扩展报文显示设备(CDTI)或其它专用的报文显示设备，并集中安装混合数据链所包括的与机载数据链相应的链路设备，其中多选的设计方案是，通过光纤与机场通用链路连接扩展距离，通过短波数据链与无人机机载短波链路连接，通过4/5G网络建立地面与机载设备连接，通过卫星通信链路特别是卫星移动通信设备与无人机机载卫星设备连接，包括与混合数据链的子链相对应的卫星通信设备。在飞行监控站上，安装ADS-B地面设备，卫星差分电台，气象信息网络，数据链编码AI辅助航空话音应答系统。飞行监控站上的ADS-B数据链可以与FSS/AFSS连接使用，以及与卫星ADS-B转发器连接信息。对空中危险接近自动发出报警。通过设计专用APP软件提供无人机实时飞行动态和附加服务信息。对机载系统携带的专用高频(HF)短波航空话音通信系统，可以相应配置地面设备，便于高频航空话音通信。在飞行监控站配置短波通信系统，可采用基于互联网或移动互联网的异地多部短波电台远程控制系统，实现对异地电台的监控和进行话音通信。飞行监控站可以设计成移动的或固定的方式，使用场地可以布置在机场外或机场里。

进一步的，所述作业监控站属于可选配的无人机系统设备，作业监控站内安装混合数据链设备以及人机界面设备，用于无人机航空作业的视距测控及通信链路，也可兼用作无人机起降的地面站或遥控器，也包括ADS-B数据链扩展报文显示设备(CDTI)或其它专用的报文显示设备。在作业监控站上，安装ADS-B地面基站，卫星差分电台，气象信息网络。作业监控站上的ADS-B数据链可以与FSS/AFSS连接使用，以及与卫星ADS-B转发器连接信息。对空中危险接近自动发出报警。在作业监控站配置短波通信系统，可采用基于互联网或移动互联网的异地多部短波电台远程控制系统，实现对异地电台的监控和进行话音通信。机载系统可以选装高频(HF)航空话音通信设备，或通过数据链编码的语音通信设备。作业监控站可以设计成移动的或固定的方式，使用场地可以布置在作业现场或机场里。

进一步的，机载系统配置自动防撞功能系统，基本系统采用机载ADS-B数据链并选用包含OUT和IN双功能模式。通过ADS-B IN数据链接收其他航空器交通信息，连接到导航飞控系统或飞行管理系统处理交通信息，除了按照飞行规则和避让策略自动调用或自动生成空中待机航线以及备降或返航航线外，采用综合的自动避撞功能设计方案，包括，1)适时播发本机联系电话信息，2)播发本机生成的规避/超越航线数据图像，3)授权机场塔台或授权的飞行监控站或授权的作业监控站或授权的FSS/AFSS可以混合数据链之一发送预定的应急指令让本无人机按照预定航线待机或规避它机，4)机载系统接收机场GNSS差分信号并作为滑行安全识别信号，也接收地面发送的机场滑行路线图数据并生成滑行路线自动控制无人机滑行至停机位。根据有关安全要求，可以设计备份ADS-B数据链及其信号检测器以便提供安全裕度。根据用户要求，可以给导航飞行控制系统增加设计具有主动探测信号的防撞探测及自动避撞的飞行控制逻辑，或给导航飞行控制系统接入依据地理信息的飞行规则分层信息或近地告警信息，以及所需自动避让的民航及其它固定航线数据库。还可以在无人机机身上安装角反射器以增强它机之间的目标探测性能。

该无人机系统的配置以及前述各项要求，适用于运输无人机，适用于其它用途的固定翼无人机，也适用于其他固定翼飞行器。

本发明所提出一种机载视频纠偏系统，用于测量无人机在进近下滑、起飞和着陆滑行过程的侧偏量，或将该侧偏量及反馈信息通过数据连接传送给机载导航飞控系统并由导航飞控系统解算生成纠偏控制指令从而执行纠偏的控制，或由电控设备独立的自动解算并生成纠偏控制指令，再通过通用数据链发送给机载导航飞控系统从而执行纠偏的控制，实现机载系统自动测偏与纠偏，并且采用安全的遥调指令纠偏。提出的机载纠偏系统好处是，不依赖机场设备，不依赖机场人工，解决了远程操控的时延难题，并且不需要提前在机场布置设备，为选择使用机场提供了灵活性。因此，纠偏控制作为机场地面站的一项重要功能，由机载视频纠偏系统替代。原来无人机在机场布置地面站，重要功能是为无人机起飞和着陆实施纠偏，优点是在视距内纠偏克服数据链的时延负面影响，保证及时纠偏的效果和安全。

本发明部分保留了传统的机场人工控制纠偏功能，以及引入地面导引着陆设备，但对前者所使用的设备性能进行简配和用途改变，而后者改进为地面导引信号直接无线连接到无人机机载系统，不再经过地面站才到达无人机。如果替代了这项重要功能，机场布置地面站的必要性就显著降低。现役无人机的机场地面站，可以改变用途，称为任务地面站，用于在无人机的作业空域对无人机进行视距的遥测遥控作业，如此带来的变化大而好处比较多。一是现役无人机在机场用于起降的地面站视距数据链的作用距离可以缩短到10-100km，甚至30km以内，比较经济，作用改为起降站或简化为遥控器。二是机场地面站可以但不必要执行纠偏控制功能，纠偏信息和指令可改为主要由无人机机载测偏纠正系统自动执行或由异地的飞行监控站辅助执行，机场操控员或起降站只需要给无人机发送起飞指令、滑行信息和滑行控制指令，因而也可以改为无人值守起降站。对于着陆阶段为无人机提供场高重新装订或高度拨正的能力，本发明改为自动装订。三是起降站与无人机之间的视距数据链可以通用化，各种无人机共享机场起降站，无人机系统价格下降，而机场设施建设简化，无人机起降控制的技术难度降低，甚至人员减少或无人值守。特别是采用ADS-B数据链(Automatic Depenent Surveillance-Broadcast广播式自动相关监视)辅助，实现与机场管制所需的数据链通用。四是原来需要布置在机场的地面站功能由起降站替代后，转变为作业地面站，可以离开机场前出到作业区，替代卫星的超视距测控作用对作业区飞行的无人机提供测控，从而不配置卫星通信设备，降低卫星租用费。五是取消机场地面站后，与地面站配套使用的卫星通信设备的作用也重新定位，即卫星通信设备与视距测控设备可以分离使用。卫星通信设备加上必要的人机界面设备作为独立的设备，通过卫星中继遥测遥控与信息传输系统及其它卫星移动通信设备与无人机机载卫星中继数据链连接，也可通过光纤或4/5G网络或短波数据链与机场通用链路连接，构成并称为飞行监视与控制站，简称飞行监控站，或远程监控站，或地面站，新的地面站可以离开机场在机场外进行异地布置并对无人机空中飞行阶段使用，而原来在远程操控无人机起飞和着陆过程中存在无线电时延的难题由前述的多种纠偏方法解决，其中，自动纠偏为主，人工干预或导引设备不必要，但可以备用。因此，对现役无人机系统可由在机场或起降场的集中配置改为分离配置。而现役无人机操作队伍的配置，体现的是“人在线”的监控技术，可由集中组建改为分别组建，按照本发明提出的系统分离配置方式后，无人机系统空地一体的基本原理没有改变，突出体现的是“人离线”的监控技术，进一步深化了无人机的自动控制技术应用，减少对操作人员的依赖，从而推动无人机飞行和运行方式的显著改变。今后，无人机系统可以异地配置或分别购买，包括分别购买无人机，分别购买作业地面站，分别购买飞行监控站或飞行服务，从而降低操控无人机的技术门槛，而机场起降站可以由多种无人机通用共享，无人机的成本和使用成本显著降低。

现役无人机系统可以称为原理型无人机，本发明改变后的无人机系统可以称为产业型无人机。购买产业型无人机的单位，比如通航公司，主要人员是机务人员等与机场业务及飞机维护关联度较高的人员，兼有机场服务站FBO(Fixed Base Operator)的作用。购买卫星通信遥测遥控与信息传输系统的单位，比如飞行服务公司，主要人员是飞行操控员，链路监视与维护员，空域及航线管理员，飞行指挥员等与起飞和着陆，以及航线飞行关联度较高的人员，兼有飞行服务站FSS(Flight Service Station)或自动飞行服务站AFSS(Automated Flight Service Station)的作用，简称FSS/AFSS。对于产业型无人机，作业地面站既可以是通航公司购买和使用，也可以是用户购买、租赁和使用，方便特殊作业现场的自主控制。可见，产业型和原理型相比较，通航公司可以不配置卫星通信设备，减免卫星租用费，减少卫星链路技术人员，通过购买飞行服务公司的飞行服务就可以运营。飞行服务公司能为多个通航公司提供飞行服务，收入也能保持运营。这些改变能够让专业的人做专业的事，特别是现役的通航公司可以现有队伍人员结构、低成本运营大量无人机，改变现役通航公司的业务结构和运营不佳的现状，实现自身转型。更进一步的配置方案的发展是，通过ADS-B数据链及人工智能话音辅助功能，飞行监控站的功能由提供公共服务的飞行服务站FSS/AFSS替代，甚至取消。也就是不需要设立飞行服务公司，无人机的飞行作业更接近航班化运营。

产业型无人机改变了无人机系统的配置方式，带来的改变更加深刻。机场不用配置现役的地面站，改为机场起降站或遥控器，甚至取消，对各种无人机数据链通用，而且可无人值守。因此，起降站可以成为机场通用设备由机场方建设。本发明提出将机场起降站与异地飞行监控站连接，实现无人机的起飞和着陆既可以委托机场方或由通航公司自己负责，也可以交给飞行服务公司负责，而飞行过程的监控交给飞行服务公司负责。不止于此，通过机载ADS-B数据链和人工智能话音辅助系统，无人机深度接受机场终端空中交通管制部门的监视和指挥后，无人机的航线飞行可以纳入航班管理，通过专用APP应用软件能够全程监视实时飞行动态和附加服务信息，构建通信网络连接的公共信息服务。借助ADS-B数据链作为起飞和下滑着陆阶段航空器信息互联的主要手段，借助专用短波通信系统又称高频(HF)话音电台作为起飞和下滑着陆阶段话音通信的主要手段。产业型无人机从A机场起飞，到B机场着陆，以及临时备降机场或应急备降机场等，实现灵活的机场及航线规划，从而，无站起降成为无人机应用的基本样式。而且对于使用机场的通航公司，机场建设费用显著降低、建设过程简化。为适应蛙跳式机场飞行，原理型无人机的地面检测方法也可以随之改变，节省每个机场可能配置的专业检测设备，本发明提出的将现役地面检测软件变为随机检测软件并安装在无人机机载系统中(装载到专用电脑或共享机载电脑里)，可以设计地面检测接口，供地面人员手持电脑连接，进行地面检测，地面检测数据自动发送给通航公司地面人员，同时可以发送到卫星通信遥测遥控与信息传输系统，经过技术人员核实正确后，允许无人机起飞，包括以检测流程构建执行程序直至自动起飞。如果无人机委托异地机场人员代管，可以通过本发明提出的开舱安全锁系统，经过授权，开启无人机给机载系统上电，以及进行起飞前地面检测等准备工作，甚至授权放飞。

原理型无人机点对点视距数据链专用改为通用链路并作为机场起降通用设备，一是作用距离可以缩短，大约只在机场附近发挥进近下滑、起飞和着陆滑行过程的控制作用，一般进近航线10km或机场空域30km，即至多发挥起降站的主要功能即可。二是改用通用数据链，可以由机场负责建设，成为机场标配设施。对于无人机在超视距的飞行监控，本发明提出设计无人机混合数据链，能够在视距和超视距都起作用，其中部分数据链加载话音码实现话音通信，采用AI语音识别激活应答或者生成控制指令的辅助信息互联。包括：一是4/5G通信提供全程测控信息和传送指令，目前适合相对高3000m以下低空空域使用，通信信号越到低空越稳定。二是ADS-B数据链和短波通信适合低空空域、远程高空空域使用，提供300km内的测控信息，并可扩展报文和传送指令。三是继续使用北斗卫星短报文应急通信，超视距应急通信。四是继续使用原理型无人机常用的200km左右的点对点视距数据链，包括全向和定向的，安装在任务地面站上。五是继续选用原理型无人机常用的点对点卫星通信遥测遥控与信息传输系统，以及国产S频段卫星移动通信如天通一号或不常用的海事卫星通信，这些属于收费的备选超视距卫星通信系统，可选择与飞行监控站配套使用。

克服无线电时延的纠偏方法，引来一系列的改变。本发明提出的解决方法，技术成熟，有助于改变无人机系统的配置方式，为低成本和便捷应用无人机，提供了更为广阔的途径，有助于无人机产业化发展。本发明提出的解决无人机进近下滑阶段、起飞和着陆滑行过程的自动纠偏的控制方法，以及系统配置方式，适用于其他固定翼飞行器。回顾原理型无人机的特点，一是一套地面设备、多专业人员组成的一套队伍需要集中配置和使用，队伍技术结构和培训熟练造成技术门槛高。二是原理型的视距与卫星通信设备可以分开配置和使用，但至少视距地面站和一套队伍需要配置在每个起降的机场，设备数量和价格高。三是原理型成套设备集中在一个运营企业，设备折旧费，卫星中继费，人员数量多等附加成本高。目前，国内外工业级无人机基本是按照原理型这样运行。这些特点带来的经济和技术要求对任何使用固定翼无人机的运行单位都是比较高的门槛。

相应的，本发明提出无人机的地面检测的新方法，即为每架无人机上配置系统自检软件及新功能。目前现行的无人机检测是在地面进行，使用专门检测设备对无人机飞行前或在例行维护中进行地面检测。优点是方便自动检测，缺点是无人机所在机场需要配置检测设备，不便于经常转场的无人机使用。并且，本发明改变了检测数据仅用于机务人员，而是可将监测数据汇集到飞行监控站的数据库，为持续监测无人机健康状况，为进一步用于无人机技术状态监控，开展预防性维护维修，为远程技术分析和服务提供数据依据。本发明提出还重量重心检测新方法，一是纳入地面检测器功能，二是适合自动检测。这对于货运无人机很重要，每次装货的过程中除了人工按照装货操作流程加以控制外，过程中的警示或语音辅助，以及最终数量化的检测反馈更重要，有利于提高效率和安全性。

本发明为解决无人机异地机场着陆后，便于委托第三方进行机务检查维护，装货及卸货等，特别设计了开舱锁系统。

总之，本发明基于原理型无人机技术基础，保留其技术成熟和安全可靠的优势，着重解决技术成本高，运行技术门槛高等缺点，提出的产业型无人机技术方案显著降低成本，降低运行技术门槛。这为无人机的产业化应用和规模化推广翻开新的一页。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1：

无人机货物运输的新型作业方式举例。

无人机用于货物运输的特点是，从A机场装货起飞，到B机场着陆卸货。

在起飞机场，目前无人机的起飞需要地面站，还需要一个操作团队。而在着陆机场，同样需要相同的地面站，也需要一个操作团队。

现在的无人机系统，是包括无人机和地面站组成的，由多个专业的操作人员共同使用的飞行系统。一般是在机场起飞，起飞后在空中作业，然后在本机场着陆。以这样的组成和使用方式，是目前无人机的典型配置和使用方式，可以称为原理型无人机。

原理型无人机购置和使用的成本比较高，团队的技术门槛比较高。应用到货物运输上不合适，A机场和B机场都要配置地面站。如果飞行中急需备降邻近机场，或是中途需要转运到其他机场，都需要这些机场提前配置地面站。问题是，一方面机场设备的建设成本高。二是运行地面站和组件技术团队门槛高，运行不灵活。三是运营管理成本高，作为货物运输的将会成本居高不下。

应用本发明的技术方案后，A机场和B机场配置地面站的价格显著降低，改为起降站则成本降低很多，目前的地面站每套约600万元，起降站约30万元。并且机场通用链路是通用设备，由机场建设和管理，因此货运或备降机场的配置比较灵活。作为飞行监控的技术团队，使用飞行监控站，或作业监控站，为多家购买使用无人机的通航公司提供飞行服务，双方分别经营的运营成本和技术门槛都降低。目前的飞行监控站约650万元。应用无人机做货物运输的新方式具有盈利性，可持续。应用本发明方式的无人机系统，可以称为产业型无人机。可以不再以“套”购买无人机，维护无人机和飞行无人机的队伍可以分别组建，队伍结构优化，符合专业的人做专业的事。

特别是现有的通航企业，其部分作业业务被无人机替代，其主要人员结构不适合操作原理型无人机。因此，通过应用产业型无人机能够获得企业转型。

根据本发明的方案，货运无人机运行的典型流程如下：

通航公司配置货运无人机，主要负责承揽作业合同及日常机务，购买无人机但不购买地面站，费用节省折旧降低，操作人员减少，团队的专业集中。

飞行服务公司配置飞行监控站，主要为通航公司提供飞行保障服务，购买飞行监控站但不购买无人机，费用节省折旧降低，操作人员减少，团队的专业集中。

修理公司配置备件，主要为通航公司和飞行服务公司提供换件维修服务，仅仅购买备件，费用节省折旧降低，维修人员较少，团队的专业集中。

飞机租赁公司配置无人机和飞行监控站或作业监控站，主要提供销售和租赁业务，按照订单订货，通过销售或租赁获利，也为别人降低购置成本。

在典型的货物运输流程中，通航公司派出或委托2名机场人员负责起飞前准备：通过开舱锁系统打开设备舱门，给无人机上电，机场装货公司完成货物装载，发动机开车，接通地检开关起动机内自检，由通用链路发送自检数据给飞行监控站，完成后打开机轮开关准备起飞。由飞行监控站在之前完成飞行申请和航线规划，此时，发送驶入指令，无人机按照预制的驶入路线滑入跑道，再复检后发送指令自动起飞。滑行中自动纠偏，超过预定侧偏量时地面导引设备辅助纠偏。飞行监控站通过混合数据链的无线连接完成飞行中的监控。到达目的机场着陆，一方面，下滑中由视频测偏纠正系统自动纠偏安全着陆。一方面，到达目的地机场期间，机场通用链路自动监视下滑过程并将无人机侧偏数据传送给飞行监控站，机场导引系统在侧偏超过预定量时附注纠偏，协助安全着陆。而无人机根据飞行临空时接收的机场数据，自动装订场高和驶出跑道的路线，着陆后在机场卫星差分信号正常时自动滑行，不正常时由机场人员引导减速滑行，滑行到停机位，发动机停车，机轮上锁，机场人员打开货舱门，机场装货公司完成卸货，同时机场人员打开机内自检开关完成自检，系统下电，锁闭舱门，安装防风拉索。遇到需要备降的情况，由无人机自动按照预定备降航线转入备降，或由飞行监控站与机场塔台协调进行备降。

实施例2：

无人机应用于航空测绘和农林观测的新型空中作业方式举例。

1、航空测绘

无人机在距离起飞机场400km以远地区执行航空测绘航高2600m，预计航时10h。测区面积约1万km²。

原理型无人机用于空中测绘作业，在本场起飞，飞抵作业空域作业后，返回原机场着陆。地面站配置在机场里，操作人员也集中配置。而新型作业方式的改变比较明显：

在机场，由通航公司负责无人机飞前机务准备，使用机场通用链路指令起飞。

在作业区，租用一台移动式作业监控站布置在测区，避免使用卫星通信通信。按照预计作业12天，可节省卫星通信费用约40万元。作业监控站持续对作业无人机进行视距测控，接收实施快视图，对作业航线和效果评估。相比较，按现在价格购买一套工业级视距地面站约600万元，再购买一套卫星通信设备约650万元，节省费用明显。

为保证全航线飞行安全，向邻近飞行监控站申请飞行保障服务，支付月费用10万元。由飞行监控站提供飞行申请保障，测区航线技术方案，飞行全程监控保障，以及测区气象信息支持等服务。飞行监控站借助双方的混合数据链实施飞行保障。其中，借助4/5G通信和短波链路保障远程低空作业的监控，用BDI短报文提供应急保障，BDI用户申请由飞行监控站提供申请服务，申请到的用户卡安装在无人机上。

为应对天气变化保障安全，或为节省机载燃油，由飞行监控站代测绘无人机申请了邻近机场的备件申请。备降方案是，着陆机场侧风不满足着陆条件时，无人机就近机场着陆，请机场代为加注燃油，次日起飞继续作业。无人机在备降机场的着陆全过程自动完成，而飞行监控站持续观察，准备提供实时协助。对于节省燃油的情况，通过使用邻近机场的方法，可以降低对无人机载油量的要求，降低无人机的采购价格。

为此，邻近机场人员获得通航公司开舱授权，代为无人机加注燃油。并根据授权，开舱后接通上电开关对无人机上电，机场地面人员接通地面检测器开关，机载系统起动机内自检，自检数据通过机载通用链路，经过机场通用链路传给飞行监控站复核，包括机载系统接收到并储存的机场滑行道数据。由飞行监控站根据机场滑行道数据，装订起飞的驶入路线。准备就绪后，由飞行监控站发送指令，无人机发动机起动开车，再次进行完成机内自检。申请机场塔台起飞获准，飞行监控站发送指令，无人机驶入跑道起飞，继续测绘作业。

结束测绘作业，返回通航公司机场。着陆全过程自动完成。机场人员借助机场通用链路实时监视着陆过程，准备协助纠偏控制。

2、农林观测

针对作业田地和林区范围宽阔，在周边几个机场进行往返起降作业，可以规避机场恶劣天气提高出勤率，节省燃油。特别是针对林区的防火观测及灭火作业，借助机场近距离作业，有利于缩短航程航时而多装载灭火材料。

以上只是本发明的具体应用范例，本发明还有其他的实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明所要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无人机系统站机分离的飞行控制方法，其特征在于：

所述无人机系统由以下几个配置组成：

在无人机上，包括：导航飞控系统或配合使用的任务管理系统，混合数据链，测偏纠正系统，机载地面检测器和开舱锁系统；其中，任务管理系统作为设计选项，为导航飞控系统提供设置辅助功能的人机界面，提供安全性辅助导航功能，为导航飞控系统对无人机飞行控制响应提供动态监测反馈及辅助飞控功能。

在无人机起降的机场里，包括：机场通用链路，机场信号站；

在机场里或机场外，包括：飞行监控站，作业监控站。

2.根据权利要求1所述的无人机系统站机分离的飞行控制方法，其特征在于：所述混合数据链由机载的和地面的两部分组成，各自都包括直通数据链和中继数据链，也分别包括机载数据链和地面数据链；机载数据链与导航飞控系统连接，并与地面数据链相应的数据链无线连接；

机载数据链的直通数据链包括：通用测控数据链，点对点测控数据链，短波测控数据链，ADS-B数据链，高频(HF)话音通信；机载数据链的中继数据链包括：4/5G通信，卫星移动通信，北斗(BD)短信通信，卫星点对点测控数据链；机载数据链与包括机场通用链路，飞行监控站或作业监控站在内的相应的地面数据链通过无线电连接，相互传送信息，或指令；

地面数据链所包括的直通数据链和中继数据链，均与机载数据链相对应的数据链无线连接。

3.根据权利要求1所述的无人机系统站机分离的飞行控制方法，其特征在于：混合数据链的各子链的具体设计方案是，根据应用需求，裁剪出混合方案并选择接通的优先权设计方案，而形成系列应用产品，包括简节直通数据链和简节中继数据链；

其中，简节直通数据链包括：机载和地面的通用链路，含地面观测操控员或机场塔台所用的通用链路，短波链路，ADS-B数据链，高频(HF)话音通信；

简节中继数据链包括：机载和地面的4/5G通信，卫星移动通信，北斗(BD)短信通信；机上和地面的通用链路，短波链路，4/5G通信和卫星移动通信，通过无线连接，双向传送信息，或地面对机上发送指令，而北斗(BD)短信通信用于简要通信，包括地面对机载发送应急指令；ADS-B数据链扩展，自动与机场空中交通管制部门ATC连通信息，并自动与地面飞行服务站FSS/AFSS连通信息，以及自动与卫星ADS-B转发器连接信息，扩展的设计方案可选择以APP应用软件建立网联信息服务；通过高频(HF)话音通信，以及短波链路，4/5G通信和卫星移动通信的话音载波转接，实现空地互联人工呼叫通话外，并通过AI辅助航空话音系统的设计，以话音识别激活话音通信，或者由空间位置的识别激活话音通信，接通与空中交通管制部门的话音通信，发出AI辅助标准航空话音。

4.根据权利要求1所述的无人机系统站机分离的飞行控制方法，其特征在于：所述测偏纠正系统是一种独立测量飞行航线侧偏量并为机载导航飞控系统提供纠正航线侧偏的辅助机载系统设备，由安装在定位定向航姿伺服机构上的视频机构和电控设备组成；

电控设备控制视频机构获得对机场跑道航线基准的侧偏量测量及纠偏视频信息，通过与机载导航飞控系统连接传送侧偏数据，由导航飞控系统处理解算侧偏量及生成纠偏控制指令，并按照纠偏控制策略的时机发出纠偏控制指令并优先实施对无人机航线侧偏的辅助纠偏控制，控制无人机的进近下滑着陆及起飞和滑行回归到测偏纠正系统所设定的航线基准的偏离范围；

或者，电控设备根据测偏信息及自己的导航航姿设备独立解算并生成纠偏控制指令，通过电控设备的数据链无线连接到机载通用链路，从而按照纠偏控制策略的时机传送纠偏控制指令，由导航飞控系统优先实施对无人机航线侧偏的辅助纠偏控制，从而控制无人机回归到航线基准的偏离范围；

纠偏视频信息由数据链传输给地面监控站，用于起飞或着陆以及滑行的监控甚至操控；其中，机场观测操作员或机场塔台人员为纠正无人机航线侧偏发送的纠偏控制指令，通过机场通用链路，无线连接到机载导航飞控系统并优先实施对无人机的辅助纠偏控制；另外，可以选配一种布置在机场的起降导引系统，通过导引设备的电台链路与机载通用链路的无线连接，直接与机载导航飞控系统连接，将所获得对无人机的航线基准的侧偏量测量及纠偏视频信息传送给机载导航飞控系统并生成纠偏控制指令，也按照纠偏控制策略的时机发出纠偏控制指令并优先实施对无人机航线侧偏的纠偏控制，从而控制无人机回归到基准的偏离范围。

测偏纠正系统的其他可选的测偏功能或纠偏功能的设计方案还包括，机载的能用于测偏的设备，或能用于辅助纠偏的设备。

5.根据权利要求1所述的无人机系统站机分离的飞行控制方法，其特征在于：所述机载地面检测器安装在机载的专用或兼用的计算机中，与导航飞控系统连接，并与其他机载系统设备中的地检开关和地面检查接口连接；当地面检查人员接通机上地检开关后，机载系统自动进行机内自检并可以显示，机内自检数据通过机载通用链路，以及选择混合数据链中其它数据链，无线传送给机场塔台及飞行监控站；通过对地面检测器的检测程序定制化设计实现多种自动放飞的流程；

另一种地面检测途径是，地面人员将检查电脑接入地面检查接口，能够读取或操作机载系统的机内自检，并装订任务航线等数据；地面人员通过检查电脑切换到发送自检数据的状态后，机载系统的自检数据和装订数据可选择发送到机场塔台及飞行监控站，设计上发送的主要途径是通过机载通用链路或混合数据链，或通过光纤传送或由机场的4/5G通信链路转发到飞行监控站；

地面检测器连接传感器对无人机的重量重心进行自动检测，并对检测中的重量重心偏离量自动接通报警指示，其中，激光测距仪用于测量起落架压缩量变化而换算为重量重心变化，压力传感器设计为独立自动解算重量重心偏离量。

6.根据权利要求1所述的无人机系统站机分离的飞行控制方法，其特征在于：所述开舱锁系统安装在无人机结构上，提供安全开锁门禁和流程；用于打开动力开关舱门，也用于打开多种重要设备舱门，包括放飞开关的舱门，货物舱们，或电源舱门；开锁门禁包括选择部分人体特征识别，以及选择部分数字信息识别，或者采用物体识别。

7.根据权利要求1所述的无人机系统站机分离的飞行控制方法，其特征在于：所述机场信号站用于自动发送或发布可更新的机场气压场高，卫星差分信号和机场滑行道数据；在无人机飞临机场时辅助无人机获得并自动修订机场气压场高，获得卫星差分信号并作为起动驶入驶出的安全滑行判据开关，以及获得机场可以驶入驶出跑道的路线数据并自动或指令装订；这些机场数据集中由一种设备提供或分别由独立设备提供。

8.根据权利要求1和2所述的无人机系统站机分离的飞行控制方法，其特征在于：所述飞行监控站上安装混合数据链及人机界面设备，包括ADS-B数据链地面设备及扩展报文显示设备(CDTI)，并集中安装混合数据链所包括的与机载数据链相应的链路设备；在飞行监控站上，安装ADS-B地面设备，卫星差分电台，气象信息网络，数据链编码AI辅助航空话音应答系统；飞行监控站上的ADS-B数据链与FSS/AFSS连接使用，以及与卫星ADSB转发器连接信息；对空中危险接近自动发出报警；在飞行监控站配置短波通信系统，采用基于互联网或移动互联网的异地多部短波电台远程控制系统，实现对异地电台的监控和进行话音通信。

9.根据权利要求1和2所述的无人机系统站机分离的飞行控制方法，其特征在于：所述作业监控站内安装混合数据链设备以及人机界面设备，用于无人机航空作业的视距测控及通信链路，兼用作无人机起降的地面站，包括ADS-B数据链扩展报文显示设备(CDTI)或其它专用的报文显示设备；在作业监控站上，安装ADS-B地面基站，卫星差分电台，气象信息网络，作业监控站上的ADS-B数据链与FSS/AFSS连接使用，以及与卫星ADS-B转发器连接信息；对空中危险接近自动发出报警；在作业监控站配置短波通信系统，采用基于互联网或移动互联网的异地多部短波电台远程控制系统，实现对异地电台的监控和进行话音通信。机载系统预留接口可选装高频(HF)航空话音通信设备，或通过数据链编码的语音通信设备并设计AI辅助识别和响应。作业监控站可以选择设计成移动的或固定的方式，其使用场地可以布置在作业现场或停放在机场里。

10.根据权利要求1和2所述的无人机系统站机分离的飞行控制方法，其特征在于：机载系统配置自动防撞功能系统，基本系统采用机载ADS-B数据链并选用包含OUT和IN双功能模式；通过ADS-BIN数据链接收其他航空器交通信息，连接到导航飞控系统或任务管理系统处理交通信息，除了按照飞行规则和避让策略自动调用或自动生成空中待机航线以及备降或返航航线外，并采用综合的自动避让功能设计方案。