夏長(zhǎng)俊，孫校書，李 冰

（海軍航空大學(xué)，山東煙臺(tái)264001）

基于飛行數(shù)據(jù)的無人機(jī)平飛質(zhì)量分析方法

夏長(zhǎng)俊，孫校書，李 冰

（海軍航空大學(xué)，山東煙臺(tái)264001）

利用無人機(jī)飛行數(shù)據(jù)管理記錄系統(tǒng)記錄的飛行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)無人機(jī)的平飛狀態(tài)進(jìn)行了分析。介紹了試驗(yàn)用無人機(jī)的結(jié)構(gòu)及性能，概述了無人機(jī)飛行數(shù)據(jù)管理記錄系統(tǒng)的功能、構(gòu)成及記錄的主要數(shù)據(jù)，對(duì)無人機(jī)平飛質(zhì)量分析的主要內(nèi)容及計(jì)算分析方法做了詳細(xì)闡述，并對(duì)無人機(jī)平飛的高度、速度狀態(tài)及橫側(cè)向誤差進(jìn)行計(jì)算分析，分析方法及結(jié)果可為無人機(jī)的訓(xùn)練、使用提供參考。

無人機(jī)；飛行數(shù)據(jù)管理記錄系統(tǒng)；航跡；高度誤差；橫向誤差

水平直線飛行是無人機(jī)保持恒定航向和高度的飛行，簡(jiǎn)稱平飛。無人機(jī)的其他飛行機(jī)動(dòng)，比如轉(zhuǎn)彎、下降和爬升等，都是從水平直線飛行演變而來的[1]。無人機(jī)的平飛狀況可以反映無人機(jī)的技術(shù)性能狀態(tài)及操控人員的操控狀況。和有人機(jī)的駕駛相比，無人機(jī)的操控缺少飛行員身體對(duì)飛機(jī)狀態(tài)的感受。因此，操控?zé)o人機(jī)的快速性和準(zhǔn)確性難以保證，無人機(jī)的飛行質(zhì)量，特別是平飛質(zhì)量，成為無人機(jī)使用者關(guān)注的重要參數(shù)，它也是評(píng)價(jià)無人機(jī)操控人員的重要依據(jù)。對(duì)無人機(jī)平飛質(zhì)量分析的途徑有2種：一種是利用地面雷達(dá)遙測(cè)系統(tǒng)的遙測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)無人機(jī)平飛狀況進(jìn)行分析；另一種是利用嵌入在無人機(jī)地面站及飛控系統(tǒng)中的飛行數(shù)據(jù)管理記錄系統(tǒng)（Flight Data Managementamp;Recorder System，F(xiàn)DMRS）的飛行數(shù)據(jù)對(duì)無人機(jī)平飛質(zhì)量進(jìn)行分析。其中，F(xiàn)DMRS是能夠完成實(shí)時(shí)采集、記錄無人機(jī)飛行過程的數(shù)據(jù)信息，并將其迅速轉(zhuǎn)化為有價(jià)值信息的一種綜合處理分析系統(tǒng)，依托FDMRS，可以建立完整的無人機(jī)檢測(cè)維護(hù)、飛行安全及飛行質(zhì)量管理體系，它是保證無人機(jī)飛行安全、提高完好率和訓(xùn)練效果的有力工具[2-4]。因此，利用無人機(jī)的FDMRS數(shù)據(jù)，可以對(duì)無人機(jī)的飛行質(zhì)量及對(duì)無人機(jī)的操控過程進(jìn)行評(píng)估分析。

1993年，國(guó)際飛行安全基金會(huì)與美國(guó)聯(lián)邦航空局聯(lián)合出版了飛行操作質(zhì)量保證（Flight Operational Quality Assurance，F(xiàn)OQA）計(jì)劃的項(xiàng)目研究報(bào)告。FOQA是一個(gè)可以“獲取并分析飛機(jī)在航行過程中由飛行數(shù)據(jù)記錄器所記錄下來的飛行數(shù)據(jù)，從而提高飛行操作的安全性，改善空中交通管制程序，指導(dǎo)機(jī)場(chǎng)與飛機(jī)的設(shè)計(jì)與維護(hù)”的項(xiàng)目[5-6]。而對(duì)于無人機(jī)，在對(duì)其快速、準(zhǔn)確操控難以保證的條件下，其每次飛行質(zhì)量也各有千秋，因而有必要依據(jù)飛行數(shù)據(jù)對(duì)無人機(jī)的飛行質(zhì)量及無人機(jī)操控人員的操作狀況進(jìn)行分析研究[7-8]。本文依托XL-2G型無人機(jī)FDMRS的飛行數(shù)據(jù)，對(duì)XL-2G型無人機(jī)的平飛質(zhì)量及操控人員的操作狀況進(jìn)行分析研究。

1 XL-2 G型無人機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

XL-2G型無人機(jī)為某學(xué)院研制的小型固定翼艦載無人機(jī)，見圖1，主要用于科研實(shí)驗(yàn)、飛行及掛索著艦訓(xùn)練，它可以完成自主起飛、在航線飛行中搜索靶標(biāo)并空投物品、觸艦復(fù)飛和掛索著艦等任務(wù)。XL-2G無人機(jī)系統(tǒng)主要由遙控手柄、地面控制站及無人機(jī)平臺(tái)3部分組成。

遙控手柄用于清晰視距內(nèi)對(duì)無人機(jī)的操控；地面控制站通過無線通訊對(duì)無人機(jī)進(jìn)行檢測(cè)、參數(shù)設(shè)置及遠(yuǎn)程飛行時(shí)對(duì)無人機(jī)進(jìn)行指令控制[9-10]；無人機(jī)平臺(tái)采用常規(guī)氣動(dòng)布局，前置單缸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，螺旋槳驅(qū)動(dòng)，機(jī)翼為無后掠梯形翼。無人機(jī)平臺(tái)的主要組成有：螺旋槳、發(fā)動(dòng)機(jī)及減速器、機(jī)翼及副翼、平尾及升降舵、垂尾及方向舵、機(jī)艙及輪胎、尾鉤及收放系統(tǒng)、油箱、加泄油系統(tǒng)及管路、飛控系統(tǒng)、無線通訊系統(tǒng)、磁羅盤及GPS、可見光/紅外攝像機(jī)、傳感系統(tǒng)，包括空速管、氣壓計(jì)等、電源系統(tǒng)。[11-14]

飛控系統(tǒng)的主要功能是航線規(guī)劃及飛行時(shí)對(duì)無人機(jī)的實(shí)時(shí)控制，其另一個(gè)重要功能是利用內(nèi)嵌的FDMRS對(duì)飛行數(shù)據(jù)的收集記錄；無線通訊系統(tǒng)包括無人機(jī)與遙控手柄的通訊通道以及與地面控制站的指令數(shù)據(jù)通訊通道。XL-2G型無人機(jī)系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)如表1所示。

表1 XL-2G型無人機(jī)系統(tǒng)主要性能指標(biāo)Tab.1 Main performance of XL-2G UAV

2 無人機(jī)飛行數(shù)據(jù)管理記錄系統(tǒng)

無人機(jī)飛行數(shù)據(jù)管理記錄系統(tǒng)用以實(shí)時(shí)采集、處理、存儲(chǔ)記錄和實(shí)時(shí)傳輸飛行參數(shù)，用以監(jiān)視無人機(jī)飛行狀態(tài)和無人機(jī)各部件的使用狀況。如自動(dòng)執(zhí)行對(duì)無人機(jī)電源的實(shí)時(shí)檢測(cè)，以及飛行操縱情況的監(jiān)視記錄，其檢測(cè)結(jié)果被記錄在飛行數(shù)據(jù)管理記錄系統(tǒng)的存儲(chǔ)設(shè)備上。飛行數(shù)據(jù)管理記錄系統(tǒng)有以下重要的作用[15-18]：①飛行訓(xùn)練數(shù)據(jù)的記錄與重現(xiàn)，以便監(jiān)視飛行操縱、評(píng)估飛行質(zhì)量；②飛行事故數(shù)據(jù)的監(jiān)視與重現(xiàn)，以便對(duì)意外事件和事故的鑒定分析；③單機(jī)狀態(tài)跟蹤，以便分析出各種飛行狀態(tài)的最佳條件，并建立單機(jī)數(shù)據(jù)檔案；④無人機(jī)維護(hù)診斷，以便發(fā)現(xiàn)故障并進(jìn)行診斷分析；⑤保證無人機(jī)狀態(tài)有效，以便進(jìn)行飛機(jī)安全性評(píng)估分析；⑥為新機(jī)的改進(jìn)、改型研制提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

XL-2G型無人機(jī)的飛行數(shù)據(jù)管理記錄系統(tǒng)把無人機(jī)平臺(tái)上的無線通訊系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、羅盤及GPS系統(tǒng)、電源系統(tǒng)等系統(tǒng)設(shè)備上的數(shù)據(jù)采集起來，并收集飛控系統(tǒng)計(jì)算的多種飛行控制參數(shù)，聯(lián)合后按照一定的數(shù)據(jù)格式、編碼標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范壓縮存儲(chǔ)在存儲(chǔ)設(shè)備上，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。FDMRS記錄的數(shù)據(jù)主要有航跡信息、無人機(jī)姿態(tài)信息、GPS信息、慣導(dǎo)測(cè)量信息、大氣狀態(tài)信息、飛行控制器輸出信息、指令信息及機(jī)載設(shè)備信息等，利用這些信息，即可對(duì)無人機(jī)的飛行質(zhì)量進(jìn)行分析。

3 XL-2 G型無人機(jī)平飛質(zhì)量分析

無人機(jī)平飛質(zhì)量分析的主要工作是分析無人機(jī)實(shí)際飛行航線與規(guī)劃航線間的誤差，包括航線的高度誤差、橫側(cè)向誤差及飛行速度誤差[19-20]。

圖3展示了無人機(jī)航線上每一個(gè)航跡點(diǎn)的誤差測(cè)量方法。其中，高度誤差為航跡點(diǎn)V與V在計(jì)劃航線水平面上投影點(diǎn)P1之間的距離l2，或者為航跡點(diǎn)V在計(jì)劃航線鉛垂面上投影點(diǎn)P2與計(jì)劃航線之間的距離l4；橫側(cè)向誤差為航跡點(diǎn)V與V在計(jì)劃航線鉛垂面上投影點(diǎn)P2之間的距離l1，或者為航跡點(diǎn)V在計(jì)劃航線水平面上投影點(diǎn)P1與計(jì)劃航線之間的距離l3；速度誤差為航跡點(diǎn)V在計(jì)劃航線上的投影點(diǎn)P3的速度與計(jì)劃航速的差值。

為分析XL-2G型無人機(jī)平飛質(zhì)量，規(guī)劃了5條平飛航線，見表2。飛行實(shí)施后，可將飛行數(shù)據(jù)管理記錄系統(tǒng)的飛行航跡數(shù)據(jù)由地理坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為東-北-天大地坐標(biāo)系，轉(zhuǎn)換后的計(jì)劃航線和實(shí)際飛行航線如圖4所示。

表2 規(guī)劃的平飛航線Tab.2 Planning level flight line

3.1 平飛高度分析

利用FDMRS的高度數(shù)據(jù)，可對(duì)無人機(jī)航線的高度飛行狀態(tài)進(jìn)行分析，其5條航線的高度飛行狀況見表3。其中，4號(hào)航線沿航向的高度誤差狀態(tài)如圖5所示。4號(hào)航線的飛行高度區(qū)間為147.3～154.4 m，平均高度為150.2 m，標(biāo)準(zhǔn)差為1.8 m。比較5條航線飛行高度的分析結(jié)果：1號(hào)航線的高度區(qū)間大小是3.8 m，標(biāo)準(zhǔn)差為1.2 m，飛行高度保持很好；5號(hào)航線的高度區(qū)間大小是9.7 m，標(biāo)準(zhǔn)差為2.3 m，飛行高度保持較差。

表3 航線的高度分析結(jié)果Tab.3 Height analysis result of practical line

3.2 橫側(cè)向誤差分析

FDMRS的飛行數(shù)據(jù)中沒有飛行航線的橫側(cè)向數(shù)據(jù)，但可以根據(jù)航跡的地理坐標(biāo)系計(jì)算航跡橫側(cè)向偏差。把航跡的地理坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)系，航跡的大地坐標(biāo)為航跡在計(jì)劃航線水平面的投影。計(jì)算航跡的大地坐標(biāo)與計(jì)劃航線的垂直距離，就得到航線的橫側(cè)向誤差。經(jīng)計(jì)算得到的5條航線的橫側(cè)向誤差如表4所示。其中，4號(hào)航線的橫側(cè)向誤差如圖6所示。4號(hào)航線的橫側(cè)向誤差區(qū)間為-9.2～7.8 m，平均誤差為0.03 m，標(biāo)準(zhǔn)差為5.5 m。把5條航線的橫側(cè)向誤差分析結(jié)果做比較：5號(hào)航線的橫側(cè)向誤差區(qū)間大小是9.0 m，標(biāo)準(zhǔn)差為2.1 m，橫側(cè)向誤差較小，航向保持較好；4號(hào)航線的橫側(cè)向誤差區(qū)間大小是17.0 m，標(biāo)準(zhǔn)差為5.5 m，橫側(cè)向誤差較小，航向保持較差。

表4 航線的橫側(cè)向誤差分析結(jié)果Tab.4 Cross error analysis result of practical line

3.3 平飛速度分析

航跡點(diǎn)在計(jì)劃航線上投影點(diǎn)的速度為無人機(jī)的平飛速度，也可以用航跡的大地坐標(biāo)系位置在計(jì)劃航線上投影的變化速率來代替。經(jīng)過計(jì)算得到5條航線的飛行速度如表5所示。其中，4號(hào)航線的速度狀態(tài)如圖8所示。4號(hào)航線的飛行速度區(qū)間在13.5～39.9 m，平均航速為22.1 m/s，標(biāo)準(zhǔn)差為6.4 m/s。對(duì)5條航線的平飛速度進(jìn)行綜合分析：1號(hào)航線和5號(hào)航線的平飛速度區(qū)間大小分別為6.3 m/s、7.0 m/s，標(biāo)準(zhǔn)差分別為1.7 m/s、1.5 m/s，飛行速度保持較好；2號(hào)航線、3號(hào)航線、4號(hào)航線的飛行速度區(qū)間大小及標(biāo)準(zhǔn)差都較大，平飛速度保持較差。

表5 無人機(jī)平飛速度分析結(jié)果Tab.5 Level flight speed analysis result of UAV

4 結(jié)束語

本文利用XL-2G型無人機(jī)FDMRS的飛行數(shù)據(jù)對(duì)無人機(jī)的平飛質(zhì)量進(jìn)行了研究分析，分析結(jié)果可以作為評(píng)判無人機(jī)操控人員的評(píng)價(jià)依據(jù)。如果把分析結(jié)果和無人機(jī)的飛行任務(wù)數(shù)據(jù)做比較，可以評(píng)價(jià)無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)的精確程度。后期的研究中，可以根據(jù)本文提出的無人機(jī)平飛質(zhì)量的分析方法，統(tǒng)籌考慮各分析參數(shù)，建立無人機(jī)平飛質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，為無人機(jī)操控人員的訓(xùn)練及評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

[1]美國(guó)聯(lián)邦航空局.飛機(jī)飛行手冊(cè)[M].陳新河，譯.上海：上海交通大學(xué)出版社，2010：32-52.FEDERALAVIATIONADMINISTRATION.Airplane flying handbook[M].CHEN XINHE，Translated.Shanghai：Shanghai Jiaotong University Press，2010：32-52.（in Chinese）

[2]湯麗.飛行數(shù)據(jù)管理記錄系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2004：1-5.TANG LI.Research on the key technology of flight data managementamp;recorder system[D].Xi’an：Northwestern Polytechnical University，2004：1-5.（in Chinese）

[3]王鵬，王曉亮，張喆，等.基于存儲(chǔ)過程的通航飛行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2015，36（4）：1084-1089.WANG PENG，WANG XIAOLIANG，ZHANG ZHE，et al.General aviation flight data processing system based on stored procedure[J].Computer Engineering and Design，2015，36（4）：1084-1089.（in Chinese）

[4]韓瑋，翟正軍，姜紅梅，等.飛行數(shù)據(jù)綜合記錄與分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2007，28（17）：4195-4197.HAN WEI，ZHAI ZHENGJUN，JIANG HONGMEI，et al.Design and realization of on-aero integration data collection and analysis system[J].Computer Engineering and Design，2007，28（17）：4195-4197.（in Chinese）

[5]孫同江.飛行數(shù)據(jù)的應(yīng)用研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2003：25-31.SUN TONGJIANG.Research on the application of flight data[D].Nanjing：Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2003：25-31.（in Chinese）

[6]蔣支運(yùn)，胡文春，陳欣.無人機(jī)動(dòng)態(tài)飛行參數(shù)處理及應(yīng)用策略[J].飛機(jī)設(shè)計(jì)，2007，27（1）：43-46.JIANG ZHIYUN，HU WENCHUN，CHEN XIN.A dynamic flight processing technique and its application strategy for unmanned aerial vehicles[J].Aircraft Design，2007，27（1）：43-46.（in Chinese）

[7]周勝明，趙育良，張玉葉，等.用于飛行動(dòng)作評(píng)估的飛參數(shù)據(jù)預(yù)處理方法[J].兵工自動(dòng)化，2015，34（5）：22-25.ZHOU SHENGMING，ZHAO YULIANG，ZHANG YUYE，et al.The preprocess method of the flight parameter data applied to the evaluation of acrobatic maneuver[J].Ordnance Industry Automation，2015，34（5）：22-25.（in Chinese）

[8]曲建嶺，唐昌盛，李萬泉.基于飛參數(shù)據(jù)的監(jiān)控算法研究[J].自動(dòng)化儀表，2009，30（2）：15-17.QU JIANLING，TANG CHANGSHENG，LI WANQUAN.Research on monitoring algorithm based on flight parameters data[J].Process Automation Instrumen-tation，2009，30（2）：15-17.（in Chinese）

[9]REG AUSTIN.無人機(jī)系統(tǒng)——設(shè)計(jì)、開發(fā)與應(yīng)用[M].陳自力，江濤，董海瑞，譯.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2013：10-12.REG AUSTIN.Unmanned aircraft systems——UAVS design，development and deployment[M].CHEN ZILI，JIANG TAO，DONG HAIRUI，Translated.Beijing：National Defense Industry Press，2013：10-12.（in Chinese）

[10]劉智騰.小型無人機(jī)地面站軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].南昌：南昌航空大學(xué)，2015：29-42.LIU ZHITENG.Design and implementation for small uav ground station software[D].Nanchang：Nanchang Hangkong University，2015：29-42.（in Chinese）

[11]PANAGIOTOU P，KAPAROS P，SALPINGIDOU C，et al.Aerodynamic design of a MALE UAV[J].Aerospace Science and Technology，2016，50：127-138.

[12]PANAGIOTOU P，TSAVLIDIS I，YAKINTHOS K.Conceptual design of a hybrid solar MALE UAV[J].Aerospace Science and Technology，2016，53：207-219.

[13]CETINSOY E，DIKYAR S，HANCER C，et al.Design and construction of a novel quad tilt-wing UAV[J].Mechatronics，2012，22：723-745.

[14]ANDREW RENAULT.A model for assessing UAV system architectures[J].Procedia Computer Science，2015，61：160-167.

[15]陳永剛，倪世宏，黃志宇.基于飛行數(shù)據(jù)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)壽命監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2002（4）：12-15.CHEN YONGGANG，NI SHIHONG，HUANG ZHIYU.Design of aero engine life monitor system based on flight data[J].Aero Engine，2002（4）：12-15.（in Chinese）

[16]趙振宇.空管系統(tǒng)中飛行數(shù)據(jù)處理的研究與應(yīng)用[J].電子測(cè)試，2015（12）：22-23.ZHAO ZHENYU.Research and application of flight data processing in air traffic control system[J].Electronic Test，2015（12）：22-23.（in Chinese）

[17]徐新愛.無人機(jī)海量飛行數(shù)據(jù)快速檢索方法研究[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2014，22（12）：4181-4183.XU XINAI.Unmanned aerial vehicle mass rapid flight data retrieval method research[J].Computer Measurementamp;Control，2014，22（12）：4181-4183.（in Chinese）

[18]李春香.飛行數(shù)據(jù)可視化技術(shù)研究[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，19（1）：166-171.LI CHUNXIANG.Research on the visualization technology of flight data[J].China Safety Science Journal，2009，19（1）：166-171.（in Chinese）

[19]劉莉雯，張?zhí)靷ィ惚?多參數(shù)融合的飛行品質(zhì)評(píng)估模型的建立[J].計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)，2016，38（6）：1262-1268.LIU LIWEN，ZHANG TIANWEI，RU BIN.A flying qualities assessment model based on multi-parameter integration[J].Computer Engineeringamp;Science，2016，38（6）：1262-1268.（in Chinese）

[20]郭天豪.無人機(jī)飛行品質(zhì)評(píng)價(jià)研究[D].長(zhǎng)沙：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2013：47-49.GUO TIANHAO.Research on flying quality evaluation of unmanned aerial vehicles[D].Changsha：National University of Defense Technology，2013：47-49.（in Chinese）

Analysis Method of UAV Level Flight Quality Based on Flight Data

XIA Changjun,SUN Xiaoshu,LI Bing
（Naval Aviation University,Yantai Shandong 264001,China）

The UAV level flight state was analyzed by using flight testing data that were recorded in UAV flight data management and recorder system.Firstly,the structure and performance of the UAV used is introduced.Secondly,the function,structure and main recorded data of the UAV flight data management and recorder system were illustrated.Thirdly,the analyzing main contents and calculating method of the UAV level fight quality were expounded in detail.Lastly,the level flight height,speed and cross error of UAV were calculation and analyzed.The analysis method and result may be reference for training and using UAV.

UAV;flight data management and recorder system;flight track;height error;cross error

V279；V247.5

A

1673-1522（2017）05-0478-05

10.7682/j.issn.1673-1522.2017.05.012

2017-02-16；

2017-07-22

夏長(zhǎng)?。?979-），男，講師，博士。