無人機(jī)地面控制站通用化研究

何文志

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

0 引 言

地面控制站是無人機(jī)[1-4]系統(tǒng)控制的核心，可以完成對無人機(jī)的視距和超視距控制，在無人機(jī)系統(tǒng)從無人機(jī)任務(wù)起始的準(zhǔn)備階段，關(guān)鍵的無人機(jī)任務(wù)執(zhí)行階段，直到最后無人機(jī)系統(tǒng)的信息處理與分發(fā)階段的各個階段都承擔(dān)著重要工作。它的使命是監(jiān)視飛機(jī)的飛行狀態(tài)和機(jī)載有效載荷的工作狀態(tài)，使地面操作人員能夠有效地對飛機(jī)和有效載荷實施控制[5-12]。它的主要功能包括任務(wù)規(guī)劃、飛行監(jiān)視與控制、圖像顯示與有效載荷管理、系統(tǒng)監(jiān)控、情報分發(fā)和數(shù)據(jù)記錄等。

現(xiàn)有的無人機(jī)地面控制站絕大多數(shù)隨無人機(jī)平臺研制，各型號之間不能通用，相當(dāng)程度上影響了系統(tǒng)的發(fā)展、推廣，同時也增加了無人機(jī)裝備、培訓(xùn)、使用和維護(hù)費用[5-6]。文獻(xiàn)[5]分析了國內(nèi)飛行器的地面控制系統(tǒng)體系架構(gòu)，對照國外飛行器地面控制系統(tǒng)通用化發(fā)展趨勢，設(shè)計了適合國內(nèi)多種飛行器平臺的通用地面控制系統(tǒng)體系架構(gòu)。文獻(xiàn)[6]闡述了無人機(jī)地面站軟件系統(tǒng)通用化，并設(shè)計了地面站軟件系統(tǒng)。文獻(xiàn)[7]通過構(gòu)建決策要素數(shù)據(jù)庫，優(yōu)化了無人機(jī)通用地面控制站控制決策系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)，建立了無人機(jī)通用地面控制站人機(jī)協(xié)同動態(tài)決策模型。文獻(xiàn)[8]進(jìn)行了無人機(jī)地面站的通用化設(shè)計和各個分系統(tǒng)模塊的具體設(shè)計，設(shè)計實現(xiàn)了一套具有一定通用性，同時具有其他地面站所具有的基本功能的無人機(jī)地面站軟件系統(tǒng)。文獻(xiàn)[9]描述了通用地面控制站的各功能模塊和邏輯結(jié)構(gòu)，著重介紹了戰(zhàn)術(shù)控制組件功能模塊和邏輯結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[10]設(shè)計了基于通用測控協(xié)議的協(xié)議轉(zhuǎn)換軟件、基于“觸摸屏+硬按鍵+可配置軟件”的通用控制臺、基于組合化控制機(jī)柜的操控席位和基于TCP/IP 協(xié)議的全網(wǎng)絡(luò)化信息傳輸環(huán)境，給出了系統(tǒng)的軟、硬件組成和信息流程。文獻(xiàn)[13-15]主要是開展地面控制站通用控制軟件研究。

相關(guān)文獻(xiàn)主要是解決軟件或硬件平臺如何具體實現(xiàn)通用化，本文面向無人機(jī)地面控制站未來發(fā)展趨勢，結(jié)合我國地面控制站建設(shè)最新成果，分析了當(dāng)前通用化面臨的主要問題和原因，提出了地面控制站通用化的關(guān)鍵技術(shù)問題及解決方案。

1 國內(nèi)外現(xiàn)狀及差距分析

1.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

國外無人機(jī)地面站以美軍發(fā)展的各型裝備為典型代表，美軍基于全球作戰(zhàn)思想，為提升無人機(jī)系統(tǒng)的控制效能和生存能力，構(gòu)建了固定式、機(jī)動式相結(jié)合，型譜完善的無人機(jī)地面站裝備體系，推行了遠(yuǎn)程分離部署的無人機(jī)運用模式，依托衛(wèi)星通信資源實現(xiàn)了無人機(jī)全球遠(yuǎn)程測控。

美軍典型固定式地面站系統(tǒng)包括“全球鷹”無人機(jī)作戰(zhàn)中心（GHOC），位于愛德華茲空軍基地，擔(dān)負(fù)“全球鷹”無人機(jī)的地面測試、飛行任務(wù)操作和模擬訓(xùn)練等任務(wù)，主要用于完成無人機(jī)的指揮控制、飛行監(jiān)控、空中交通管制、任務(wù)規(guī)劃及載荷處理等工作，整個作戰(zhàn)中心共由飛行操作室、載荷操作室和支持設(shè)備室三部分組成，如圖1 所示。

圖1 “全球鷹”無人機(jī)作戰(zhàn)中心

“全球鷹”無人機(jī)機(jī)動式地面站主要包括發(fā)射回收單元（LRE）和任務(wù)控制單元（MCE），為方艙或拖車形式[16]，如圖2、圖3 所示。

圖3 “全球鷹”無人機(jī)發(fā)射回收單元

為實現(xiàn)無人機(jī)系統(tǒng)資源解耦、高效信息共享以及多國、多軍種聯(lián)合作戰(zhàn)，北約、美國先后發(fā)布了STANAG 北約無人機(jī)互操作系列消息標(biāo)準(zhǔn)[17]、JAUS 無人系統(tǒng)聯(lián)合架構(gòu)系列消息標(biāo)準(zhǔn)，對無人機(jī)消息分類、消息格式、消息元素等進(jìn)行了詳盡的定義，覆蓋了無人機(jī)系統(tǒng)互操作應(yīng)用的所有關(guān)鍵環(huán)節(jié)，且兩套標(biāo)準(zhǔn)體系之間正在逐步實現(xiàn)融合，形成一套完備、協(xié)調(diào)的消息標(biāo)準(zhǔn)體系，打破了無人機(jī)互操作性限制，大幅提升了無人機(jī)系統(tǒng)信息共享能力。

1.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

對于界面顯示，采用模塊化窗口的設(shè)計方法。這里可以將航跡顯示、圖像顯示、儀表三姿顯示、任務(wù)平臺俯仰、方位儀表顯示等設(shè)計成為通用模塊；同時對于其他遙測參數(shù)的結(jié)果，通過分析各型號無人機(jī)地面控制站軟件操作界面，找出界面的共同點和特殊點，針對共同點進(jìn)行通用設(shè)計，針對特殊點地面控制站軟件可進(jìn)行靈活配置，通過界面在線配置和界面配置庫實現(xiàn)通用。

界面顯示窗口的大小、位置都可以進(jìn)行調(diào)整，并且窗口中顯示的內(nèi)容也都根據(jù)不同飛機(jī)定制的內(nèi)容自動變化，而且每一個窗口元素都可以通過選擇顯示任意的參數(shù)，通過這種模塊化窗口的設(shè)計，可以適應(yīng)不同類型無人機(jī)的需求。我國無人機(jī)研究與應(yīng)用自20 世紀(jì)60 年代起步，至今已有60 多年的歷史，初步形成了包括遠(yuǎn)程、中程、近程、超近程無人機(jī)、無人直升機(jī)和特種飛機(jī)的裝備體系，得到了廣泛的應(yīng)用。目前國內(nèi)的地面控制站主要為機(jī)動車載形式，按照用途可以分為：任務(wù)控制站、起降控制站、單收站。

任務(wù)控制站一般采用單獨裝車方式，與視距數(shù)據(jù)鏈和衛(wèi)通數(shù)據(jù)鏈連接，車內(nèi)一般配置6 個席位，可以同時完成對2 架無人機(jī)的控制；起降控制站指揮控制設(shè)備與數(shù)據(jù)鏈路設(shè)備共同裝車，配置3 個席位，同時只能通過視距鏈路控制一架無人機(jī)；單收站一般采用加固筆記本實現(xiàn)對無人機(jī)圖像和數(shù)據(jù)的顯示。對于各種規(guī)模的指揮控制站，軟件功能都設(shè)計為獨立的模塊，在各種規(guī)模的指揮控制站上，根據(jù)用戶的作戰(zhàn)使用需求配置相應(yīng)的模塊。它的主要功能包括任務(wù)規(guī)劃、飛行監(jiān)視與控制、圖像顯示與有效載荷管理、系統(tǒng)監(jiān)控、情報分發(fā)和數(shù)據(jù)記錄等。

國內(nèi)主流的控制方式都是一個地面控制站控制一架無人機(jī)，一站控制多架同型號無人機(jī)甚至控制幾十架微型蜂群無人機(jī)也有相關(guān)試驗。據(jù)國內(nèi)媒體公開報道，國產(chǎn)彩虹無人機(jī)地面控制站實現(xiàn)了同時控制彩虹4、彩虹5 兩型無人機(jī)，實現(xiàn)了一個控制站同時控制2 架異型大型無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)，該試驗提升了我國無人機(jī)地面控制站通用化能力。國內(nèi)地面控制站最新研制成果如圖4 所示。

圖4 國內(nèi)地面控制站最新研制成果

1.3 差距分析

STANAG 4586 標(biāo)準(zhǔn)自頒布以來，在以美國為首的北約國家廣泛使用，尤其用于能操作和管理多架無人機(jī)的通用地面控制站的設(shè)計。符合STANAG 4586 的通用地面控制站可以實現(xiàn)多架無人機(jī)之間的互操作，操作員利用它可同時操縱多架來自不同軍種、不同種類、性能指標(biāo)和特性各異的無人機(jī)，這就意味著相同數(shù)量的操作員可控制數(shù)量更多的無人機(jī)，使飛行的無人機(jī)數(shù)量更多，從而可降低成本，加快操作員的培訓(xùn)速度，減少操作人員數(shù)量，大大降低因人機(jī)接口不標(biāo)準(zhǔn)或駕駛員失誤造成的事故率。

我國無人機(jī)系統(tǒng)的組成、任務(wù)載荷、系統(tǒng)功能、組織運用模式和使用流程都不盡相同。不同無人機(jī)型號間的消息格式、數(shù)據(jù)元素、封裝方式、交換協(xié)議、壓縮算法等差別較大，系統(tǒng)間信息共享效率低。不同類型的無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈傳輸波形有差異，相同頻段波形因調(diào)制方式、傳輸幀結(jié)構(gòu)等細(xì)節(jié)參數(shù)不同，相互間不能互聯(lián)互通。

我國各無人機(jī)型號消息格式的定義工作仍然由無人機(jī)平臺和載荷廠家主導(dǎo)，不同無人機(jī)型號間的消息格式及元素的定義差別較大。目前國內(nèi)在推進(jìn)無人機(jī)系統(tǒng)通用性和互聯(lián)性方面，圍繞無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的消息格式開展了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的研究，并發(fā)布了相關(guān)國家軍用標(biāo)準(zhǔn)，但尚未形成完善的標(biāo)準(zhǔn)體系。雖然各型號無人機(jī)地面控制站的功能要求基本一致，但是各型號地面控制站都有專用的系統(tǒng)體系架構(gòu)、軟件體系架構(gòu)、專用硬件、軟件及協(xié)議，各型號之間不能通用。

因此，地面控制站通用化的關(guān)鍵技術(shù)問題主要是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及消息格式的制定、系統(tǒng)體系架構(gòu)設(shè)計、軟件體系架構(gòu)設(shè)計，解決了這些關(guān)鍵的技術(shù)問題，通用地面控制站才具備研制的基礎(chǔ)。

2 關(guān)鍵技術(shù)及解決方案

2.1 構(gòu)建通用地面控制站型譜

根據(jù)各型無人機(jī)對地面控制站的不同需求，構(gòu)建通用地面控制站型譜，如表1 所示，提出對每型通用地面控制站的功能、性能、指標(biāo)、接口、通用化范圍等要求。地面控制站的型譜可以按照其配套形式并結(jié)合無人機(jī)平臺任務(wù)半徑進(jìn)行劃分，分為便攜站、車載站和固定站形式，其中車載站又可細(xì)分為綜合小型車載站、綜合標(biāo)準(zhǔn)車載站、獨立標(biāo)準(zhǔn)車載站。

表1 地面控制站型譜產(chǎn)品

便攜站將地面鏈路設(shè)備和地面控制站功能進(jìn)行合并，設(shè)計成便攜形式，滿足單兵背負(fù)需要。標(biāo)準(zhǔn)配置為便攜處理機(jī)（筆記本/平板電腦/控制盒等）和便攜鏈路設(shè)備，主要用于超近程無人機(jī)的控制，可作為單收站使用。

小型車載站一般采用小型車載形式（依維柯/獵豹等車型），數(shù)據(jù)鏈設(shè)備與指揮控制設(shè)備共同裝車，具有機(jī)動靈活的特點。標(biāo)準(zhǔn)配置為飛行控制席、載荷控制席、規(guī)劃監(jiān)控席和鏈路終端機(jī)柜，每個席位都是單屏。主要用于近程無人機(jī)的控制、中遠(yuǎn)程無人機(jī)的近距離控制以及情報單收。

綜合標(biāo)準(zhǔn)車載站一般采用車載方艙形式，數(shù)據(jù)鏈設(shè)備與指揮控制設(shè)備共同裝車，機(jī)動性較強(qiáng)，只能同時控制單架無人機(jī)。標(biāo)準(zhǔn)配置為飛行控制席、載荷控制席、規(guī)劃監(jiān)控席和鏈路終端機(jī)柜，每個席位都是雙屏。主要用于中程無人機(jī)的控制，可作為起降控制站使用。

獨立標(biāo)準(zhǔn)車載站采用車載方艙形式，數(shù)據(jù)鏈設(shè)備與指揮控制設(shè)備單獨裝車，可以同時控制2 架無人機(jī)。可以外接單獨的衛(wèi)通鏈路車和情報處理車，主要用于中遠(yuǎn)程無人機(jī)的控制，可作為任務(wù)控制站使用。

固定站一般裝備在指揮所大廳，一般采用商用貨架設(shè)備，通過通信衛(wèi)星對無人機(jī)進(jìn)行超遠(yuǎn)程監(jiān)控，固定站對席位一般沒有限制，可通過增加席位完成對多架無人機(jī)的同時監(jiān)控。固定站具有“遠(yuǎn)程控制”的特點，一般完成航路和任務(wù)階段的無人機(jī)控制，用于完成大規(guī)模無人機(jī)的集中控制。

2.2 建立通用化標(biāo)準(zhǔn)體系

在以往通用化成果的基礎(chǔ)上，研究國內(nèi)和國外地面控制站通用化成果，整理仿真和驗證結(jié)果，梳理和制定各項標(biāo)準(zhǔn)，建立標(biāo)準(zhǔn)體系，指導(dǎo)后續(xù)型號研制工作。主要包括以下標(biāo)準(zhǔn)：

1）通用化設(shè)計要求

規(guī)定無人機(jī)地面控制站的功能、性能、設(shè)計、可靠性和保障性等通用要求。

2）硬件設(shè)備設(shè)計要求

規(guī)定無人機(jī)指揮控制硬件設(shè)備相關(guān)的硬件設(shè)備功能、布局、要求、連接關(guān)系、選型。

3）外部接口設(shè)計要求

規(guī)定無人機(jī)地面指揮控制系統(tǒng)硬件接口種類劃分、設(shè)計要求、性能要求。

4）外部接口協(xié)議要求

規(guī)定無人機(jī)地面指揮控制系統(tǒng)對外接口協(xié)議種類劃分、接口標(biāo)準(zhǔn)。

5）遙控遙測消息格式要求

專門規(guī)定無人機(jī)地面控制站與飛機(jī)之間遙控遙測數(shù)據(jù)的消息格式、遙控指令、遙測參數(shù)、處理方法的標(biāo)準(zhǔn)。

6）軟件接口規(guī)范

規(guī)定無人機(jī)地面指揮控制內(nèi)部各個軟件模塊之間的接口內(nèi)容、信息流程、接口協(xié)議，其中包括通用控制核心模塊和VSM 之間的接口。

7）軟件界面設(shè)計規(guī)范

規(guī)定無人機(jī)地面控制站軟件界面要求。

8）無人機(jī)地面控制站軟件功能要求

規(guī)定無人機(jī)地面控制站軟件功能要求、性能要求。

2.3 系統(tǒng)體系架構(gòu)設(shè)計

目前國內(nèi)現(xiàn)役無人機(jī)控制系統(tǒng)基本上都是基于專用的硬件平臺和軟件模塊，無法滿足系統(tǒng)對不同類型無人機(jī)進(jìn)行通用處理及互操作的需求。通用地面控制站系統(tǒng)根據(jù)TCS 的設(shè)計思想，借鑒北約STANAG 4586 的體系架構(gòu)進(jìn)行通用化體系結(jié)構(gòu)設(shè)計。地面控制站系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 地面控制站系統(tǒng)體系架構(gòu)圖

通用控制站核心模塊完成支持標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的通用處理、控制、顯示以及分發(fā)功能，核心模塊支持標(biāo)準(zhǔn)測控信息協(xié)議、標(biāo)準(zhǔn)外網(wǎng)接入?yún)f(xié)議和人機(jī)接口的各種要求。

飛機(jī)特定處理模塊完成相應(yīng)飛機(jī)特殊的、專用的處理功能以及協(xié)議轉(zhuǎn)換，對于未來的無人機(jī)系統(tǒng)，如果采用了標(biāo)準(zhǔn)測控協(xié)議，則飛機(jī)特定處理模塊完成的是該飛機(jī)特殊的、專用的處理；對于以往的無人機(jī)，如果沒有采用標(biāo)準(zhǔn)測控協(xié)議，則飛機(jī)特定處理模塊除了完成該飛機(jī)特殊的、專用的處理以外，還要完成從標(biāo)準(zhǔn)測控協(xié)議到該飛機(jī)測控協(xié)議之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換工作。

接入特定處理模塊完成特殊對外接口協(xié)議與指揮信息系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，使無人機(jī)控制站與特定的C4I系統(tǒng)兼容。

測控信息接口規(guī)定了無人機(jī)系統(tǒng)中通用地面控制站核心模塊和飛機(jī)之間的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，通信協(xié)議主要包括數(shù)據(jù)幀格式、數(shù)據(jù)格式。

外網(wǎng)接入接口規(guī)定了指揮信息系統(tǒng)和通用地面控制站核心模塊之間的接口，外網(wǎng)接入接口直接采用符合指揮信息系統(tǒng)的通信標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，實現(xiàn)與指揮信息系統(tǒng)連接的其他控制站或者指揮系統(tǒng)的指揮、態(tài)勢等信息的互聯(lián)。

2.4 軟件體系架構(gòu)設(shè)計

地面控制站軟件是一個復(fù)雜的軟件系統(tǒng)，具有功能類別多、管理設(shè)備多、接口種類多、運行模式多等特點。地面控制站軟件設(shè)計為一個開放式系統(tǒng)，它提供必要的接口、開發(fā)環(huán)境、開發(fā)工具、檢測工具，易于集成第三方技術(shù)，充分借用各廠家的技術(shù)力量，鼓勵第三方引入各自的VSM 等專用模塊，以最少的修改實現(xiàn)對不同無人機(jī)的支持，從而支持實現(xiàn)整個系統(tǒng)的通用化。

地面控制站軟件采用開放式體系架構(gòu)，基于模塊化分層設(shè)計思想，劃分為系統(tǒng)平臺層、接口層、數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)層。

軟件體系架構(gòu)如圖6 所示。

圖6 軟件體系架構(gòu)圖

各層軟件介紹如下：

1）系統(tǒng)平臺層，主要包括操作系統(tǒng)類軟件和開發(fā)、運行環(huán)境，系統(tǒng)平臺層是地面控制站軟件的開發(fā)、運行、管理平臺，它負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)的硬件設(shè)備和各種軟件平臺，并向上層提供基礎(chǔ)服務(wù)和調(diào)用接口。

2）接口層，主要包括數(shù)據(jù)層需要調(diào)用的各種通信接口和專用設(shè)備的驅(qū)動接口，通過調(diào)用系統(tǒng)平臺層提供的基礎(chǔ)服務(wù)和系統(tǒng)調(diào)用為數(shù)據(jù)層的對外數(shù)據(jù)接入提供支撐。這一層軟件通常與通信質(zhì)量密切相關(guān)，而與數(shù)據(jù)內(nèi)容和通信協(xié)議無關(guān)。

3）數(shù)據(jù)層，主要完成下行數(shù)據(jù)的解幀和上行數(shù)據(jù)的組幀以及C4I 接入工作。數(shù)據(jù)層從下層（接口層）獲取下行數(shù)據(jù)后進(jìn)行基本的處理和解幀，向上層（業(yè)務(wù)層）提供數(shù)據(jù)引擎；數(shù)據(jù)層從上層（業(yè)務(wù)層）獲取上行數(shù)據(jù)后進(jìn)行組幀或協(xié)議轉(zhuǎn)換，通過下層（接口層）發(fā)送到數(shù)據(jù)鏈設(shè)備。

4）業(yè)務(wù)層，主要實現(xiàn)地面控制站的各種業(yè)務(wù)，包括遙控、遙測、鏈路監(jiān)控、任務(wù)規(guī)劃等，是地面控制站實現(xiàn)通用化的關(guān)鍵部分。應(yīng)用層軟件分為多個通用模塊和專用模塊，各模塊設(shè)計為網(wǎng)絡(luò)浮動形式，它們之間通過DDS 交換數(shù)據(jù)。通過增加、更換或配置軟件模塊實現(xiàn)功能擴(kuò)充或變更，構(gòu)造出一個分布式、可配置、可擴(kuò)展的業(yè)務(wù)層。通用模塊處理在各型無人機(jī)之間能夠統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的功能或數(shù)據(jù)，專用模塊完成各型飛機(jī)特有的功能或數(shù)據(jù)處理。通用模塊通過和不同機(jī)型的專用模塊配合，實現(xiàn)對多型無人機(jī)的控制。

3 結(jié) 語

無人機(jī)控制站技術(shù)正在向通用化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、多功能及小型化等方向發(fā)展，國外先進(jìn)的無人機(jī)地面控制站已基本實現(xiàn)通用，智能化自主任務(wù)控制、綜合系統(tǒng)健康管理、面向操作員的多無人機(jī)協(xié)同等先進(jìn)技術(shù)也在研究中。

本文提出的通用化解決方案后續(xù)還需完善標(biāo)準(zhǔn)體系，分步驟在今后新研制的型號上進(jìn)行具體實施，最終實現(xiàn)系列化的通用地面控制站。