無(wú)人機(jī)地面站的冗余設(shè)計(jì)與可靠性

文/肖光華

當(dāng)前無(wú)人機(jī)發(fā)展如火如荼，在軍事領(lǐng)域和民用領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用需求。無(wú)人機(jī)地面站作為整個(gè)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，有無(wú)人機(jī)“神經(jīng)中樞”之稱(chēng)，通過(guò)它主要完成對(duì)無(wú)人機(jī)平臺(tái)、數(shù)據(jù)鏈、機(jī)載任務(wù)設(shè)備的控制，并實(shí)現(xiàn)對(duì)全系統(tǒng)的監(jiān)控功能。無(wú)人機(jī)地面站的可靠性直接影響無(wú)人機(jī)的飛行安全和執(zhí)行任務(wù)的成功率，因此要求無(wú)人機(jī)地面站的工作具備連續(xù)、穩(wěn)定和可靠等特點(diǎn)。采用冗余設(shè)計(jì)是提高無(wú)人機(jī)地面控制站任務(wù)可靠性的有效途徑。

1 無(wú)人機(jī)地面站組成及功能

無(wú)人機(jī)地面站根據(jù)使用場(chǎng)所和外形尺寸一般分為固定塔臺(tái)式、車(chē)載式和便攜式三大類(lèi)，各類(lèi)無(wú)人機(jī)地面站的典型組成基本一致，組成框圖如圖1所示。一般包括操作手控制器、1 套或多套顯控臺(tái)、中央處理單元和測(cè)控地面終端(GDT)，這些設(shè)備構(gòu)成的系統(tǒng)是無(wú)人機(jī)地面站的關(guān)鍵系統(tǒng)，負(fù)責(zé)完成飛行監(jiān)控、任務(wù)載荷監(jiān)控、任務(wù)規(guī)劃、鏈路監(jiān)控等功能。固定塔臺(tái)式和車(chē)載式一般還包括環(huán)空系統(tǒng)和供配電系統(tǒng)，另外根據(jù)需求可能還包括語(yǔ)言通話(huà)設(shè)備、與后方指揮中心通信設(shè)備等。其中操作手控制器主要用于人工控制無(wú)人機(jī)起降和飛行，顯控臺(tái)用于發(fā)出飛行、鏈路、任務(wù)控制指令以及處理和顯示飛行參數(shù)、鏈路信息和任務(wù)載荷信息，中央處理單元主要用于上行遙控?cái)?shù)據(jù)處理和組幀、行數(shù)據(jù)的分發(fā)以及系統(tǒng)狀態(tài)管理。GDT 和測(cè)控機(jī)載終端(ADT)組成測(cè)控系統(tǒng)完成對(duì)無(wú)人機(jī)平臺(tái)的遙控、遙測(cè)、信息傳輸和跟蹤定位。

2 冗余設(shè)計(jì)原則

圖1：無(wú)人機(jī)地面站的典型組成框圖

圖2：無(wú)人機(jī)地面站關(guān)鍵系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)框圖

冗余設(shè)計(jì)技術(shù)是在費(fèi)用、重量、體積等因素的限制條件下，通過(guò)配置冗余單元，使系統(tǒng)可靠性達(dá)到最大。需要注意的是，雖然冗余設(shè)計(jì)能提高系統(tǒng)的任務(wù)可靠性，但也使故障點(diǎn)增多，降低了系統(tǒng)的基本可靠性（MTBF），同時(shí)導(dǎo)致質(zhì)量、體積、復(fù)雜度和成本等成倍地增加，以及設(shè)計(jì)、制造、裝配和試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)。因此，在進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)前，不僅需要對(duì)將獲得的效益與所付出的代價(jià)進(jìn)行仔細(xì)地分析、比較，而且需要收集大量的相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析，并進(jìn)行必要的可靠性分析，以便評(píng)估采用什么樣的冗余方式是最有效的。通常情況下，有效的冗余設(shè)計(jì)不僅能夠提高系統(tǒng)的任務(wù)可靠性，而且能夠降低費(fèi)用，是一種用來(lái)彌補(bǔ)低任務(wù)可靠性的效費(fèi)比較高的途徑。所以必須確定使用什么樣的冗余是最有效的方式，在使用冗余設(shè)計(jì)前應(yīng)全面考慮其優(yōu)點(diǎn)及不足。冗余具有多種不同的方式：并聯(lián)冗余、表決冗余、串并組合冗余、非工作冗余，在無(wú)人機(jī)地面站的關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)計(jì)中四種冗余設(shè)計(jì)方式均有采用。

3 無(wú)人機(jī)地面站冗余設(shè)計(jì)

無(wú)人機(jī)地面站關(guān)鍵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖如圖2所示，通過(guò)設(shè)備冗余、接口冗余、軟件冗余和數(shù)據(jù)冗余等多個(gè)方面設(shè)計(jì)，以提高系統(tǒng)的任務(wù)可靠性。

3.1 設(shè)備冗余設(shè)計(jì)

在地面控制站組成中，操作手控制器、顯控臺(tái)、中央處理單元和測(cè)控地面終端設(shè)備是關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)這些關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行冗余備份是提供系統(tǒng)任務(wù)可靠性的重要途徑。

根據(jù)實(shí)際需求，熱冗余備份設(shè)計(jì)一個(gè)或多個(gè)顯控臺(tái)，為保證顯控臺(tái)之間功能可完全備份，所有顯控臺(tái)的軟硬件完成一致。不因軟硬件組成差異區(qū)分為飛行監(jiān)控臺(tái)、載荷監(jiān)控臺(tái)和鏈路監(jiān)控臺(tái)等，可根據(jù)機(jī)組人員組成、任務(wù)特點(diǎn)以及地面站狀態(tài)等把任意一個(gè)顯控臺(tái)定義為飛行監(jiān)控臺(tái)、載荷監(jiān)控臺(tái)或鏈路監(jiān)控臺(tái)，保證最大效能地完成任務(wù)。

中央處理單元是無(wú)人機(jī)地面站的數(shù)據(jù)交互中心，綜合考慮成本和系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜度，熱備份設(shè)計(jì)一臺(tái)中央處理單元，兩個(gè)中央處理單元的軟硬件組成完全一致。當(dāng)中央處理單元A故障時(shí)，可自動(dòng)或人工把中央處理單元B 切換為主設(shè)備，保證工作的連續(xù)性。

表1：各單元工作2000h 的可靠度

表2：最小割集及不可靠度

圖3：關(guān)鍵指令表決冗余設(shè)計(jì)示例

圖4：數(shù)據(jù)幀多級(jí)校驗(yàn)冗余設(shè)計(jì)示例

圖5：冗余設(shè)計(jì)前任務(wù)可靠性框圖

為保證地面站與機(jī)上的無(wú)線通信的可靠性，設(shè)計(jì)主鏈GDT 和副鏈GDT，主鏈可選擇寬帶數(shù)據(jù)鏈，如Ku、C 或L 波段數(shù)據(jù)鏈，用于傳輸飛行遙控遙測(cè)數(shù)據(jù)、下傳寬帶載荷數(shù)據(jù)以及實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)跟蹤和測(cè)距功能。副鏈作為熱備份數(shù)據(jù)鏈，一般選擇成本較低的窄帶數(shù)據(jù)鏈，如UHF 波段等數(shù)據(jù)鏈，窄帶數(shù)據(jù)鏈由于帶寬限制只能傳輸飛行遙控遙測(cè)數(shù)據(jù)。正常工作時(shí)，地面站通過(guò)主數(shù)據(jù)鏈實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)平臺(tái)的監(jiān)控以及載荷數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)主數(shù)據(jù)鏈異常時(shí)，地面站可通過(guò)副鏈實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)平臺(tái)的監(jiān)控，保證無(wú)人機(jī)的飛行安全。

考慮到一個(gè)無(wú)人機(jī)機(jī)組中一般只配置一個(gè)飛行操作手，以及人工操縱的實(shí)時(shí)性特點(diǎn)，對(duì)操作手控制器進(jìn)行備份配置的意義不大，所以操作手控制器不進(jìn)行冗余備份配置。

3.2 接口冗余設(shè)計(jì)

地面站內(nèi)的信號(hào)接口類(lèi)型主要為以太網(wǎng)口和RS422 串口。操作手控制器、所有顯控臺(tái)和主副測(cè)控地面終端均通過(guò)以太網(wǎng)口與中央處理單元A、B 連接，另外操作手控制器、所有顯控臺(tái)和主副測(cè)控地面終端均通過(guò)RS422串口與中央處理單元A。當(dāng)中央處理單元A設(shè)置為主設(shè)備時(shí)，優(yōu)先接收和處理網(wǎng)絡(luò)通道數(shù)據(jù)，與其交聯(lián)的設(shè)備優(yōu)先接收處理中央處理單元A 通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通道發(fā)送的數(shù)據(jù)，當(dāng)中央處理單元A 與某設(shè)備間的網(wǎng)絡(luò)通信異常時(shí)，則切換至串口通道實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)。為降低系統(tǒng)復(fù)雜度，中央處理單元B 與其他設(shè)備間不備份串口連接。

3.3 軟件冗余設(shè)計(jì)

對(duì)地面站內(nèi)的關(guān)鍵軟件和功能模塊進(jìn)行軟件冗余設(shè)計(jì)是提高地面站可靠性的有效途徑。

3.3.1 關(guān)鍵軟件冗余設(shè)計(jì)

地面站內(nèi)在顯控臺(tái)上運(yùn)行的飛行監(jiān)控軟件、鏈路監(jiān)控軟件、載荷監(jiān)控軟件是保證無(wú)人機(jī)飛行安全、任務(wù)正常執(zhí)行的關(guān)鍵軟件，這些軟件可在任意一臺(tái)顯控臺(tái)上布置啟動(dòng)，并通過(guò)設(shè)置執(zhí)行相應(yīng)的功能。在綜合中央處理單元中運(yùn)行的數(shù)據(jù)協(xié)議處理軟件等是整個(gè)地面站的核心軟件，可以在中央處理單元A 和B 上無(wú)差別的運(yùn)行，相互間進(jìn)行冗余熱備份。

3.3.2 關(guān)鍵功能軟件冗余設(shè)計(jì)

顯控臺(tái)上一般會(huì)通過(guò)設(shè)計(jì)機(jī)械按鍵鍵盤(pán)或可編程觸摸按鍵來(lái)產(chǎn)生遙控指令，這樣指令都是控制飛行和任務(wù)設(shè)備的關(guān)鍵指令，為保證機(jī)械按鍵鍵盤(pán)或可編程觸摸按鍵失效后不影響飛行安全、任務(wù)正常執(zhí)行，在飛行監(jiān)控軟件、任務(wù)監(jiān)控軟件等軟件界面上冗余設(shè)計(jì)軟指令鍵盤(pán)。

3.4 數(shù)據(jù)冗余設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)冗余設(shè)計(jì)是從控制站內(nèi)部或控制站與機(jī)載平臺(tái)之間的通信協(xié)議層面進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)。對(duì)于數(shù)據(jù)幀中影響飛行安全的遙控指令、遙調(diào)指令等進(jìn)行多字節(jié)冗余組幀發(fā)送，如圖3所示，如一個(gè)編碼EA 的遙控指令，在一包上行遙控?cái)?shù)據(jù)幀連續(xù)發(fā)送N 字節(jié)（一般N 取3～5），接收端設(shè)備或機(jī)上在接收到的數(shù)據(jù)幀中對(duì)該指令采用“N 判N-1”原則，判斷該遙控指令的有效性，確保這些關(guān)鍵指令可靠執(zhí)行，這是表決冗余設(shè)計(jì)思想。

為了保證數(shù)據(jù)通信的可靠性，一般會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)幀加校驗(yàn)進(jìn)行保護(hù)，為了保證關(guān)鍵數(shù)據(jù)的傳輸?shù)目煽啃?，地面站中?duì)上行遙控?cái)?shù)據(jù)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)區(qū)再進(jìn)行獨(dú)立的校驗(yàn)，增加一級(jí)校驗(yàn)保護(hù)，如圖4所示，圖中“23”為關(guān)鍵數(shù)據(jù)區(qū)的獨(dú)立校驗(yàn)位，“C9 08”為整個(gè)數(shù)據(jù)幀的校驗(yàn)位，數(shù)據(jù)幀校驗(yàn)可采用較為復(fù)雜的算法。通過(guò)兩級(jí)校驗(yàn)保證關(guān)鍵數(shù)據(jù)的在傳輸過(guò)程中的正確性。

4 可靠性分析

下面對(duì)無(wú)人機(jī)地面站關(guān)鍵系統(tǒng)進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)前后的可靠性進(jìn)行分析和比較。因數(shù)據(jù)冗余設(shè)計(jì)后的可靠性不便進(jìn)行分析，所以只對(duì)開(kāi)展設(shè)備冗余、接口冗余和軟件冗余設(shè)計(jì)后執(zhí)行某一任務(wù)可靠性進(jìn)行分析。

這里選取執(zhí)行”地面站發(fā)送飛行遙控指令”這一任務(wù)的可靠性進(jìn)行分析比較。在進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)前任務(wù)可靠性框圖如圖5所示，進(jìn)行余度設(shè)計(jì)后的任務(wù)可靠性框圖6所示

一般系統(tǒng)所包含單元的故障時(shí)間服從指數(shù)分布，則可靠度與平均故障間隔時(shí)間（MTBF）和時(shí)間（t）的關(guān)系如下：

根據(jù)公式（1）和各單元的MTBF 計(jì)算得出各單元的2000h 的可靠度如表1所示。

冗余設(shè)計(jì)前任務(wù)可靠性框圖為簡(jiǎn)單的串聯(lián)模型，求得執(zhí)行以上任務(wù)關(guān)鍵系統(tǒng)2000h 可靠度為

0.9137×0.8346×0.8931×0.8187×0.7866 = 0.5357。

由于冗余設(shè)計(jì)后網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠性框圖復(fù)雜，為了便于定量計(jì)算執(zhí)行以上任務(wù)該系統(tǒng)的可靠度，這里采用簡(jiǎn)化最小割集法估算系統(tǒng)的可靠度。

簡(jiǎn)化最小割集法的原理是以串-并聯(lián)系統(tǒng)替代網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，該方法是將所有的最小割集作為并聯(lián)單元，再將這些并單元串聯(lián)起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)串-并聯(lián)系統(tǒng)來(lái)計(jì)算系統(tǒng)的可靠度。在已知最小割集的情況下，系統(tǒng)可靠度由式(1)近似求得。

式中：

Rs——整個(gè)系統(tǒng)的可靠度；

m——最小割集的數(shù)量；

ci——第i 個(gè)最小割集；

Rn——第n 個(gè)單元的可靠度；

Fi——第i 個(gè)最小割集的不可靠度。

對(duì)圖中顯控臺(tái)上相關(guān)軟硬件可靠性框圖進(jìn)行并串合并，并對(duì)合并后可靠性框圖中的單元進(jìn)行編號(hào)，如圖7所示，經(jīng)分析該系統(tǒng)的最小割集有17 個(gè)，各最小割集及經(jīng)計(jì)算后的不可靠度如表2所示。

把表2中數(shù)據(jù)帶入公式（2）可得，冗余設(shè)計(jì)后系統(tǒng)2000h 可靠度Rs ≥0.8428。

由此可見(jiàn)，地面控制站緊冗余設(shè)計(jì)后，執(zhí)行以上任務(wù)，關(guān)鍵系統(tǒng)2000h 可靠度可以得到提升，即關(guān)鍵系統(tǒng)的任務(wù)可靠性得到了很大提高。

5 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)人機(jī)地面站的可靠性關(guān)系到飛行安全和任務(wù)執(zhí)行的成功率，通過(guò)有效的冗余設(shè)計(jì)可大幅提高無(wú)人機(jī)地面站的任務(wù)可靠性。本文提出的無(wú)人機(jī)地面站關(guān)鍵系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)架構(gòu)和冗余設(shè)計(jì)方法已應(yīng)用于無(wú)人機(jī)地面站實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，任務(wù)可靠性得到了明顯提高。

圖6：冗余設(shè)計(jì)后任務(wù)可靠性框圖