提高无人机航拍飞控系统生存力的研究

越南战争后，美国开始在军用飞机的概念设计中研究作战生存力问题，并在多种型号的飞机生产中全面贯穿了生存力设计思想。生存力设计的好坏将直接影响整个飞机系统的效能和费用。虽然我国对生存力问题的研究尚处于初步研究阶段，但飞机的生存力问题已经越来越引起我们的注意，在无人机领域亦是如此。无人机主要执行战略侦察、监视、空中预警、通信中继和电子干扰等任务。目前国际上先进的无人机大多是续航时间长、飞行高度高、作战半径大、装备精良和功能先进的大中型无人机，采用数字计算机控制系统，可实现全过程自主飞行。此类大中型无人机多搭载大型侦察或攻击设备，造成全机造价大幅飙升。以美国RQ-4“全球鹰”为例，其第Block20批次的单价已经达到5800 万美元，此价格已接近F16。对于大中型无人机而言，低成本的形象已经彻底颠覆，此时提高无人机的生存能力便显得格外有意义。因此要求无人机的飞行管理与控制系统具有全程、全自主、全任务的工作能力，同时还必须有很高的生存力。

无人机在完成高度、长航时飞行任务时，随着飞行时间的增加，飞行控制系统出现故障的概率也在不断增加，具体表现如飞行控制计算机故障、舵机故障、舵面损伤以及机载传感器故障等。为了使无人机在受到非致命性损伤和故障情况时仍能够完成侦察任务或安全返回，需要研制一种高可靠性、高生存力的飞行控制系统。

解决办法

保证无人机高生存力的核心是要构成一个可重构飞行控制系统（Restructurable Flight ControlSystem，RFCS）[2]，以及采用余度技术。一般说来， 实现故障安全的方法有：

（1） 把故障影响减小到最低限度，即设计一个无人机鲁棒飞控系统，当故障产生后使其对整体性能不产生显著影响；

（2） 增加余度设备和机构；

（3） 改变故障隔离后剩余系统的运行规则，进行补偿。

方法1 主要针对系统出现不严重的故障。方法2 适用于成本较低、易于维护且余度设备在无人机承载能力范围内的情况。方法3 应用情况较全面。

RFCS 方案

RFCS 方案的基本组成：

（1） 故障的检测与识别（F a u l tDe t e c t i o n a n d I d e n t i f i c a t i o n ,FDI）。确定故障性质、地点和程度。

（2） 飞行控制系统的再设计。在所得到的信息基础上，使用剩余的部件和元件，补偿故障元部件功能，改变反馈增益，进一步附加新的控制回路进行控制律的修正。

（3） 构成能够承受轻微故障和环境改变的鲁棒飞行控制系统。

当舵面损坏或出现故障时，通过重组(Reconfiguration) 提供余度舵面。舵面重组是指当飞机的操纵面发生故障时，重新组织飞机构造形式的一种技术措施。采用控制工程的概念，重组是指通过控制器结构和参数的变化来改变控制器与被控对象之间的输入- 输出关系。

余度技术

余度技术的基本思想是增加余度资源、提高可靠性。余度资源包括：飞控计算机硬件和软件余度、时间重复、信息余度（传感器余度）以及设置余度逻辑状态等。从相反的一面来看，增加余度资源的同时也增加了系统的复杂程度，增加了系统的出错率。如果设计不当，系统可靠性反而会下降。所以方案设计上就需要在资源和可靠性指标之间进行折中。

通常飞机的生存力还包括战伤抢修性，即遭到损伤后能以应急手段和维修方法使得飞机恢复到完成某种任务所需的功能或自救的能力。由于无人机系统在执行侦查作战任务期间一旦发生故障，不可能像普通飞机那样实时排除并修复故障。所以在进行无人机可重构飞行控制系统可靠性预计和分配时，必须考虑无人机的特殊性。

以某型飞控系统为例，该飞控系统设计为三余度飞控系统[3]，它具有余度管理功能。在飞机飞控系统发生故障（包括飞机的舵面、机载传感器、飞行控制计算机等故障）时，能够继续完成无人机的侦查作战任务（一次故障工作）；在飞机飞控系统发生二次故障时，应至少保持稳定和安全（二次故障安全）。此时，可控制飞机返回机场。

无人机采用了硬件余度和软件余度相结合的方式。硬件余度包括：操纵面的余度配置、三余度飞控计算机和多余度传感器等；软件余度包括相似余度计算机软件和解析余度传感器。