基于通用接口的無人機(jī)指揮控制仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

彭鵬菲，黃 亮，李啟元

（海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430033））

基于通用接口的無人機(jī)指揮控制仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

彭鵬菲，黃 亮，李啟元

（海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430033））

通過分析無人機(jī)的主要作戰(zhàn)模式和無人機(jī)在聯(lián)合作戰(zhàn)體制下的指揮控制相關(guān)需求，該文研究了相應(yīng)的STANAG 4586標(biāo)準(zhǔn)，提出了基于通用接口（數(shù)據(jù)鏈接口、指揮控制接口、人工控制接口）數(shù)據(jù)模型的無人機(jī)指揮控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，給出了相應(yīng)的系統(tǒng)目標(biāo)、主要功能、組成結(jié)構(gòu)和通用接口構(gòu)件模型。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)無人機(jī)系統(tǒng)指揮控制過程及相關(guān)技術(shù)的功能演示及驗(yàn)證，體現(xiàn)通用接口在無人機(jī)一體化指揮控制系統(tǒng)中的重要作用，在未來聯(lián)合作戰(zhàn)體制下無人機(jī)指揮控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究與教學(xué)中具有很好的應(yīng)用前景。

無人機(jī)；指揮控制；通用接口；控制站；構(gòu)件

無人機(jī)（UAV）井噴式的發(fā)展，其作戰(zhàn)任務(wù)逐步從戰(zhàn)術(shù)級向戰(zhàn)役戰(zhàn)略級方向延伸，機(jī)型進(jìn)一步智能化和隱身化，任務(wù)載荷向綜合化、高分辨率、全天候化發(fā)展，無人機(jī)的作戰(zhàn)模式逐漸趨于成熟。同時(shí)為了與未來以網(wǎng)絡(luò)為中心的聯(lián)合一體化作戰(zhàn)相適應(yīng)，對無人機(jī)一體化作戰(zhàn)指揮控制的需求也日益迫切［1］。因此，采用通用接口的設(shè)計(jì)及標(biāo)準(zhǔn)化，也成為無人機(jī)指揮控制系統(tǒng)構(gòu)建及研制中的主要技術(shù)方法。本文通過分析無人機(jī)作戰(zhàn)的主要模式和無人機(jī)在聯(lián)合作戰(zhàn)體制下的指揮控制相關(guān)需求，研究了相應(yīng)的通用接口標(biāo)準(zhǔn)，提出了以通用接口數(shù)據(jù)模型為基礎(chǔ)，進(jìn)行無人機(jī)指揮控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方案。通過構(gòu)建這種基于通用接口的無人機(jī)指揮控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可有效驗(yàn)證無人機(jī)系統(tǒng)指揮控制站的主要功能，體現(xiàn)聯(lián)合作戰(zhàn)體制下的無人機(jī)系統(tǒng)作戰(zhàn)能力，為未來無人機(jī)指揮控制關(guān)鍵技術(shù)及其一體化聯(lián)合作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)的研制與教學(xué)提供良好的仿真演示驗(yàn)證平臺。

1 無人機(jī)作戰(zhàn)模式及指揮控制需求分析

1.1 無人機(jī)主要作戰(zhàn)模式

目前，無人機(jī)在實(shí)際作戰(zhàn)中的主要作戰(zhàn)模式是遠(yuǎn)程分工作戰(zhàn)，即由部署在前線的小規(guī)模無人機(jī)發(fā)射／回收部隊(duì)負(fù)責(zé)無人機(jī)的發(fā)射和回收操作以及職責(zé)范圍內(nèi)的維護(hù)工作，而無人機(jī)在空中的飛行控制和各項(xiàng)任務(wù)操作則由后方的操作／指揮人員來完成。這種作戰(zhàn)模式將無人機(jī)的控制放在了指揮控制中心，因而也被稱為集中控制模式［2］。該作戰(zhàn)模式的具體流程為：

1）前線的無人機(jī)發(fā)射／回收部隊(duì)發(fā)射無人機(jī)，一旦飛機(jī)飛到預(yù)定高度且機(jī)上各種系統(tǒng)和有效載荷開始運(yùn)轉(zhuǎn)，就把控制權(quán)轉(zhuǎn)交給地面指揮控制中心的無人機(jī)操作／指揮人員；

2）地面指揮控制中心的無人機(jī)操作／指揮人員通過衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈控制無人機(jī)在空中執(zhí)行各項(xiàng)作戰(zhàn)任務(wù)；

3）完成作戰(zhàn)任務(wù)后，無人機(jī)操作／指揮人員控制無人機(jī)飛到預(yù)定高度再將控制權(quán)交回前線的發(fā)射／回收部隊(duì)，完成無人機(jī)的著陸和回收。

美國在“捕食者”“收割者”和“全球鷹”等無人機(jī)的作戰(zhàn)使用中都采用了上述模式。如在實(shí)戰(zhàn)中，將“捕食者”發(fā)射回收單元部署在伊拉克和阿富汗，但它們的作戰(zhàn)行動經(jīng)常是由設(shè)在美國本土指揮控制中心的地面控制站操縱的，如圖1所示。

圖1 “捕食者”無人機(jī)遠(yuǎn)程分工作戰(zhàn)模式

1.2 無人機(jī)作戰(zhàn)應(yīng)用對指揮控制的需求

進(jìn)入21世紀(jì)以來，在多個(gè)美軍新版作戰(zhàn)條令中，面向作戰(zhàn)指揮官和作戰(zhàn)任務(wù)對無人機(jī)的不同需求，為無人機(jī)的作戰(zhàn)應(yīng)用新增了相關(guān)條例，將統(tǒng)一指揮、集中控制與分散實(shí)施作為無人機(jī)作戰(zhàn)應(yīng)用的3大原則。

而在2010年發(fā)布的新版美軍《聯(lián)合空中作戰(zhàn)指揮與控制指令》中，新增了有關(guān)無人機(jī)的相關(guān)條例，對無人機(jī)在聯(lián)合空中作戰(zhàn)中的任務(wù)指派、計(jì)劃制定、作戰(zhàn)實(shí)施、作戰(zhàn)協(xié)同和空域管理等層面的應(yīng)用進(jìn)行明確的定義。在新版指令中明確指出，應(yīng)基于無人機(jī)特性的充分考慮，采用與有人機(jī)相似的指揮控制模式實(shí)施對無人機(jī)的指揮控制，并充分利用現(xiàn)有的指揮控制體系以實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)戰(zhàn)斗力的最優(yōu)發(fā)揮［3］。

2 無人機(jī)指揮控制通用接口分析

為了滿足多軍兵種聯(lián)合作戰(zhàn)的具體需求，實(shí)現(xiàn)各類異構(gòu)無人機(jī)系統(tǒng)互聯(lián)互通互操作的協(xié)同作戰(zhàn)，制定無人機(jī)指揮控制通用接口標(biāo)準(zhǔn)的需求日益迫切。STANAG 4586正是北約為實(shí)現(xiàn)無人機(jī)互操作而制定的無人機(jī)控制系統(tǒng)通用接口標(biāo)準(zhǔn)，美國、以色列等無人機(jī)研制大國已陸續(xù)采用北約的標(biāo)準(zhǔn)為無人機(jī)研制通用地面控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)鏈，從而使北約的無人機(jī)標(biāo)準(zhǔn)成為目前世界上通用的無人機(jī)標(biāo)準(zhǔn)。STANAG 4586為未來的無人機(jī)指揮控制系統(tǒng)勾畫了一個(gè)功能性的結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)［4－5］，具體包括無人機(jī)控制站和飛行器之間的接口（數(shù)據(jù)鏈接口，DLI）、無人機(jī)控制站和外部C4I系統(tǒng)之間的接口（指揮控制接口，CCI）、無人機(jī)控制站和無人機(jī)系統(tǒng)操作員之間的接口（人工控制接口，HCI）。

其中，CCI處于無人機(jī)系統(tǒng)和外部C4I系統(tǒng)之間，其數(shù)據(jù)模型如圖2所示。它詳細(xì)定義了在無人機(jī)任務(wù)的各階段無人機(jī)系統(tǒng)和外部C4I系統(tǒng)之間需要互傳的消息和數(shù)據(jù)的類型，可以按照起飛前、起飛中和起飛后3個(gè)階段描述。

1）起飛前：任務(wù)分配、戰(zhàn)場狀態(tài)、環(huán)境數(shù)據(jù)、一般任務(wù)約束、任務(wù)計(jì)劃。

2）飛行中：狀態(tài)和服務(wù)消息、控制權(quán)交接、有效載荷數(shù)據(jù)、任務(wù)進(jìn)展報(bào)告。

3）降落后：狀態(tài)和服務(wù)消息、任務(wù)載荷數(shù)據(jù)、任務(wù)報(bào)告。

圖2 CCI數(shù)據(jù)模型

美空軍在其相關(guān)型號的無人機(jī)集成應(yīng)用中正是遵循了STANAG 4586標(biāo)準(zhǔn)中的通用接口來實(shí)施的，完成無人機(jī)系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)化體系中的其他系統(tǒng)、作戰(zhàn)單元或兵力之間的交互數(shù)據(jù)、信息、資源及服務(wù)，實(shí)現(xiàn)有效協(xié)同作戰(zhàn)，以滿足網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)需要。

3 基于通用接口的無人機(jī)指揮控制仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)總體目標(biāo)及主要功能

無人機(jī)系統(tǒng)通常包括無人機(jī)平臺、有效載荷、通信鏈路、控制站與保障設(shè)施等。其中，控制站是無人機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，也是無人機(jī)系統(tǒng)指揮控制的中心［6－8］。因此，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下構(gòu)建的無人機(jī)指揮控制仿真系統(tǒng)將主要實(shí)現(xiàn)無人機(jī)控制站的綜合功能。按照通用接口的基本要求，該無人機(jī)指揮控制仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體目標(biāo)是：

1）采用基于通用接口的系統(tǒng)集成技術(shù)，以實(shí)物與虛擬相結(jié)合的方式，仿真驗(yàn)證無人機(jī)指揮控制過程中的信息綜合與決策優(yōu)化技術(shù)；

2）演示“與各級指揮控制系統(tǒng)交聯(lián)，根據(jù)任務(wù)要求制定相應(yīng)的任務(wù)規(guī)劃，組織和指揮無人機(jī)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，控制無人機(jī)飛行姿態(tài)與航跡，執(zhí)行預(yù)定任務(wù)，并獲取戰(zhàn)場信息”的全過程。

由此，無人機(jī)指揮控制仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)具有以下主要功能：

1）飛行狀態(tài)監(jiān)控功能；

2）任務(wù)狀態(tài)監(jiān)控功能；

3）任務(wù)規(guī)劃功能；

4）信息綜合管理功能；

5）情報(bào)預(yù)處理功能；

6）數(shù)據(jù)鏈管理功能。

3.2 系統(tǒng)組成及結(jié)構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體目標(biāo)及主要功能要求，該仿真系統(tǒng)由無人機(jī)控制站仿真、任務(wù)載荷（光電探測設(shè)備）半實(shí)物仿真、無人機(jī)平臺半實(shí)物仿真、數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)仿真、戰(zhàn)場環(huán)境模擬數(shù)據(jù)庫和仿真引擎管理等子系統(tǒng)組成，利用半實(shí)物與仿真模型及環(huán)境相結(jié)合的方式，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 基于通用接口數(shù)據(jù)模型的無人機(jī)指揮控制仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.3 基于構(gòu)件的通用接口數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)

在無人機(jī)指揮控制仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建中，3類通用接口數(shù)據(jù)模型可以采用基于構(gòu)件的設(shè)計(jì)方法，并利用WebService技術(shù)實(shí)現(xiàn)通用接口構(gòu)件庫在仿真環(huán)境中的柔性生成［9］，如圖4所示。

基于構(gòu)件的通用接口數(shù)據(jù)模型本質(zhì)上也是一種面向?qū)ο蟮慕Y(jié)構(gòu)［10］，其思想是采用基于構(gòu)件的開發(fā)方法創(chuàng)建可重用的構(gòu)件并將其組合［11－12］，動態(tài)的生成可在仿真環(huán)境中使用的接口數(shù)據(jù)模型，以支撐大型而復(fù)雜仿真系統(tǒng)的構(gòu)建與運(yùn)行。在具體的實(shí)現(xiàn)中，通用接口構(gòu)件庫中包括Object類構(gòu)件、View類構(gòu)件、Process類構(gòu)件以及Data類構(gòu)件等，再利用WebService技術(shù)，提供分布式的通用接口數(shù)據(jù)模型網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。Object類構(gòu)件體現(xiàn)接口的基本屬性及功能，Process類構(gòu)件體現(xiàn)了不同接口的處理內(nèi)容，Data類構(gòu)件體現(xiàn)接口中相關(guān)數(shù)據(jù)的定義與類型，View類構(gòu)件則體現(xiàn)了不同接口的對外表現(xiàn)形式。根據(jù)仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互的UML圖和順序圖，可將3類通用接口數(shù)據(jù)模型的構(gòu)件組成分別映射到通用接口構(gòu)件庫中。

圖4 基于構(gòu)件的通用接口數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)

4 結(jié)束語

基于通用接口的無人機(jī)指揮控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案在STANAG 4586標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，提出了數(shù)據(jù)鏈接口、指揮控制接口和人工控制接口3類數(shù)據(jù)模型在無人機(jī)指揮控制系統(tǒng)仿真中具體應(yīng)用方法，并給出了相應(yīng)的系統(tǒng)目標(biāo)、主要功能、組成結(jié)構(gòu)和通用接口構(gòu)件模型。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建將能夠充分體現(xiàn)無人機(jī)遠(yuǎn)程分工的作戰(zhàn)模式，演示驗(yàn)證無人機(jī)在聯(lián)合作戰(zhàn)體制下的指揮控制過程及相關(guān)技術(shù)功能，可為下一步開展聯(lián)合作戰(zhàn)體制下無人機(jī)指揮控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究與教學(xué)提供良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

［1］Chairman of National Security Agency.Standardisation Agreement（STANAG）4586：Standard interfaces of UAV control system（UCS）for NATO UAV interoperability［R］.USA：NATO，2007.

［2］許鶯，熊朝華，王芳.美空軍無人機(jī)一體化作戰(zhàn)指揮方法分析［C］／／2014年中國無人機(jī)大會會議論文集.北京：中國航空學(xué)會，2014：121－124.

［3］郝飛.美國空軍指揮控制星座網(wǎng)近期發(fā)展概況［J］.指揮信息系統(tǒng)與技術(shù)，2010（2）：29－33.

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The Design Project of UAV Command and Control Simulation System Based on General Interfaces

PENG Pengfei，HUANG Liang，LI Qiyuan
（School of Electronic Engineering，Navy University of Engineering，Wuhan 430033，China）

By analyzing the main operational mode of unmanned aerial vehicles（UAVs）and the related needs of command and control under the joint combat system，the corresponding STANAG 4586 standard is studied.The design project of UAV command and control simulation system，with the corresponding targets of system，the main functions，the structure and the general interface component models，are proposed based on common interfaces（data link interface，command and control interface，human control interface）in this paper，.This experimental system can achieve some functional demonstrations and validations of the UAV command and control process with related technologies，can reflect the important role of general interfaces on integrated command and control system of UAV，and thus will has good application prospects for the key technologies research and teaching of UAV command and control systems for the future joint combat environment.

unmanned aerial vehicle，command and control，common interface，control station，component.

V249

A

10.3969／j.issn.1672－4550.2016.06.005

2014－12－29；修改日期：2015－02－26

湖北省自然科學(xué)基金（2014EKB013）。

彭鵬菲（1977－），男，博士，副教授，主要從事指揮信息系統(tǒng)技術(shù)、裝備維修保障方面研究。