某型無人機(jī)機(jī)載任務(wù)管理計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)

皮祖成，王誠(chéng)，陳文

(中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院 特種飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100074)

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某型無人機(jī)機(jī)載任務(wù)管理計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)

皮祖成，王誠(chéng)，陳文

(中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院 特種飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100074)

某型無人機(jī)系統(tǒng)具有多掛載能力，能同時(shí)掛載多種任務(wù)載荷。為了統(tǒng)一管理和綜合使用多個(gè)任務(wù)載荷，通過分析機(jī)載任務(wù)設(shè)備接口的類型和通信需求，設(shè)計(jì)一種具有接入現(xiàn)有設(shè)備能力的任務(wù)管理計(jì)算機(jī)。該機(jī)采用成熟的插卡式集成設(shè)計(jì)方式，具備較好的使用靈活性和功能擴(kuò)展能力。通過該任務(wù)管理計(jì)算機(jī)可實(shí)現(xiàn)對(duì)任務(wù)載荷設(shè)備的控制，對(duì)遙控、遙測(cè)、載機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)的管理，以及授時(shí)同步功能。任務(wù)管理計(jì)算機(jī)對(duì)任務(wù)載荷設(shè)備的綜合管理，能夠提高無人機(jī)任務(wù)載荷的集成能力，減少了任務(wù)載荷與載機(jī)平臺(tái)之間的交聯(lián)關(guān)系，使任務(wù)載荷系統(tǒng)更加獨(dú)立，降低了任務(wù)載荷系統(tǒng)對(duì)飛行平臺(tái)安全的影響。

任務(wù)管理計(jì)算機(jī)；任務(wù)載荷；無人機(jī)；授時(shí)同步

0 引 言

中空長(zhǎng)航時(shí)無人機(jī)系統(tǒng)具有飛行高度較高、載荷能力強(qiáng)、航程大等優(yōu)點(diǎn)，可執(zhí)行長(zhǎng)時(shí)間的偵察和監(jiān)視任務(wù)，同時(shí)可掛載精確制導(dǎo)彈藥對(duì)地面固定和低速移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)打擊[1]。中空長(zhǎng)航時(shí)察打一體無人機(jī)可同時(shí)掛載光電偵察平臺(tái)、合成孔徑雷達(dá)、船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)、綜合防撞系統(tǒng)和制導(dǎo)武器等多種任務(wù)載荷，根據(jù)不同的飛行任務(wù)需求，還可將合成孔徑雷達(dá)或光電偵察平臺(tái)換裝為航空相機(jī)或電子戰(zhàn)設(shè)備。為了統(tǒng)一管理無人機(jī)上的各種任務(wù)載荷，使它們協(xié)同工作，從而讓無人機(jī)更高效地執(zhí)行各項(xiàng)任務(wù)[2]，需要設(shè)計(jì)專門用于任務(wù)載荷管理的任務(wù)管理計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱任管機(jī)。

國(guó)外，已對(duì)任務(wù)管理進(jìn)行了諸多研究[3-5]，尤其是對(duì)任務(wù)管理的系統(tǒng)架構(gòu)、任務(wù)管理相關(guān)的航空電子設(shè)備構(gòu)型和任務(wù)管理軟件層次結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了較為深入的研究。國(guó)內(nèi)，針對(duì)長(zhǎng)航時(shí)無人機(jī)和小型無人機(jī)的飛行器管理計(jì)算機(jī)也進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究[6-10]，但多數(shù)設(shè)計(jì)均將飛行控制和任務(wù)管理集中于一臺(tái)計(jì)算機(jī)，當(dāng)任務(wù)管理工作量較大時(shí)需占用較大的計(jì)算機(jī)資源，且飛行控制邏輯和任務(wù)管理邏輯相互耦合，使飛控計(jì)算機(jī)的軟件復(fù)雜度大幅增加，對(duì)飛行安全造成影響。何成軍等[11]、邢聯(lián)大等[12]、朱峰等[13]和陳福等[14]分別對(duì)管理計(jì)算機(jī)的嵌入式系統(tǒng)軟件進(jìn)行了分析研究，提出了高效可靠的軟件架構(gòu)，并使用VxWorks操作系統(tǒng)，通過任務(wù)劃分和狀態(tài)機(jī)等技術(shù)提高了軟件系統(tǒng)的可靠性和安全性。王向軍等[15]基于GPS時(shí)鐘和實(shí)時(shí)時(shí)鐘研究了時(shí)間同步授時(shí)，取得了較好效果。

本文針對(duì)中空長(zhǎng)航時(shí)無人機(jī)，通過分析其機(jī)載任務(wù)設(shè)備接口的類型和通信需求，設(shè)計(jì)一種用于任務(wù)載荷管理的任務(wù)管理計(jì)算機(jī)，該機(jī)采用插卡式集成設(shè)計(jì)方式，可接入所有的任務(wù)載荷設(shè)備，并由其集中管理。

1 功能架構(gòu)

任管機(jī)作為任務(wù)載荷與載機(jī)平臺(tái)、數(shù)據(jù)鏈路交聯(lián)的中樞設(shè)備，其交聯(lián)關(guān)系如圖 1所示。

圖1 任務(wù)管理計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備的交聯(lián)關(guān)系

任管機(jī)從飛控計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)獲取飛機(jī)的狀態(tài)信息，并向飛控計(jì)算機(jī)發(fā)送任務(wù)載荷通電/斷電等控制指令，同時(shí)為飛控計(jì)算機(jī)提供在軌彈藥數(shù)目等任務(wù)設(shè)備的狀態(tài)信息。任管機(jī)通過數(shù)據(jù)鏈路實(shí)現(xiàn)與地面站之間的遙控和遙測(cè)過程。任管機(jī)可以選擇是否對(duì)遙控指令進(jìn)行解析，并將遙控?cái)?shù)據(jù)發(fā)送給任務(wù)載荷；任務(wù)載荷的所有狀態(tài)數(shù)據(jù)、偵察情報(bào)等信息也直接傳輸?shù)饺喂軝C(jī)中，任管機(jī)對(duì)上述信息進(jìn)行匯總，并以任務(wù)狀態(tài)數(shù)據(jù)和遙測(cè)數(shù)據(jù)的形式分別提供給飛控計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)鏈路。本文從硬件和軟件兩方面對(duì)任管機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。硬件主要提供足夠的運(yùn)算能力和外部接口能力；軟件主要完成各種具體功能的實(shí)現(xiàn)，管理各種狀態(tài)數(shù)據(jù)并控制數(shù)據(jù)流。

2 硬件設(shè)計(jì)

為了使硬件平臺(tái)具有靈活性和可靠性，任管機(jī)的硬件設(shè)計(jì)采用插卡式架構(gòu)。任管機(jī)中的設(shè)計(jì)主控板卡用于管理其他資源并完成主控運(yùn)算功能，主控板卡采用基于PowerPC架構(gòu)的CPU，配置256 MB內(nèi)存和128 MB的Flash存儲(chǔ)空間，在主控板卡中運(yùn)行VxWorks操作系統(tǒng)。任管機(jī)的各種接口功能被分別設(shè)計(jì)為獨(dú)立的功能板卡，各個(gè)功能板卡與主控板卡之間通過背板ISA總線進(jìn)行通信。載機(jī)供電直接輸入到電源板卡中，經(jīng)電源板卡變換后的電源通過背板上的電源走線向所有板卡供電。任管機(jī)硬件結(jié)構(gòu)如圖 2所示。

圖2 任務(wù)管理計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)

任管機(jī)中包含四類功能板卡：異步422接口板卡、同步422接口板卡、邏輯和模擬信號(hào)接口板卡和視頻接口板卡。異步422接口板卡和同步422接口板卡均采用基于FPGA芯片為核心的硬件架構(gòu)。異步422接口板卡用于傳輸控制指令和狀態(tài)信息數(shù)據(jù)。同步422接口板卡用于傳輸圖像等需要占用較大帶寬的數(shù)據(jù)。邏輯和模擬信號(hào)接口板卡主要包含DI、DO和AI、AO接口電路，主要由數(shù)字邏輯芯片和A/D芯片組成，可輸入/輸出28和5 V電平信號(hào)的數(shù)字量，同時(shí)可對(duì)±10、±5 V的模擬量進(jìn)行數(shù)字化采樣，該功能板卡用于連接具有數(shù)字或模擬量接口的任務(wù)載荷，也用于秒脈沖信號(hào)的輸入。視頻接口板卡主要用于多路視頻信號(hào)的路由選擇功能，在板卡上設(shè)計(jì)6路視頻輸入和4路視頻輸出接口，輸入和輸出接口均采用HD-SDI視頻接口作為標(biāo)準(zhǔn)，采用HD-SDI接口芯片和阻抗匹配電路。輸入信號(hào)和輸出信號(hào)之間采用高速差分信號(hào)矩陣開關(guān)(如圖 3所示)，通過該矩陣開關(guān)可實(shí)現(xiàn)“輸出_N”(N=1～4)信號(hào)從“輸入_M”信號(hào)中(M=1～6)任意選擇的功能。輸出的視頻信號(hào)可通過數(shù)據(jù)鏈路發(fā)送到無人機(jī)地面站，也可提供給機(jī)載視頻存儲(chǔ)儀等其他設(shè)備使用。

圖3 視頻矩陣開關(guān)

3 軟件設(shè)計(jì)

從任管機(jī)需要完成的功能軟件層面來分析，軟件需要完成三種任務(wù)：數(shù)據(jù)管理、設(shè)備控制和授時(shí)同步。

3.1 遙控?cái)?shù)據(jù)管理

遙控?cái)?shù)據(jù)均來源于地面站通過數(shù)據(jù)鏈路向任務(wù)載荷(包括任管機(jī))發(fā)送的各種控制數(shù)據(jù)。由于存在多個(gè)任務(wù)載荷，需要對(duì)不同載荷的遙控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)分。通過在遙控?cái)?shù)據(jù)幀中增加目標(biāo)設(shè)備的識(shí)別號(hào)進(jìn)行判斷，遙控?cái)?shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖4所示。設(shè)備ID號(hào)由一個(gè)字節(jié)表示，可區(qū)分256種載荷設(shè)備，針對(duì)任管機(jī)遙控?cái)?shù)據(jù)的設(shè)備ID為0x00。

圖4 遙控?cái)?shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

Fig.4 Telemetry frame content

遙控?cái)?shù)據(jù)處理流程如圖5所示。將遙控?cái)?shù)據(jù)分為兩類，一類為地面站給任管機(jī)發(fā)送的遙控指令，該類指令用來實(shí)現(xiàn)對(duì)任管機(jī)內(nèi)部功能狀態(tài)的控制；另一類為地面站給任務(wù)載荷設(shè)備發(fā)送的遙控指令，該類指令在到達(dá)任管機(jī)后需由任管機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)到對(duì)應(yīng)的任務(wù)載荷設(shè)備。不同的任務(wù)載荷設(shè)備分別接入到任管機(jī)上的不同通信接口，每個(gè)接口有唯一的通信地址，故任管機(jī)只需將設(shè)備ID號(hào)與設(shè)備通信地址進(jìn)行綁定就可完成遙控指令的轉(zhuǎn)發(fā)。為了簡(jiǎn)化程序運(yùn)行過程，建立設(shè)備ID號(hào)與目標(biāo)任務(wù)載荷通信地址的映射表，如表1所示。任管機(jī)可將該表存儲(chǔ)在設(shè)備內(nèi)存中，通過維護(hù)該表的內(nèi)容，可以靈活地配置任務(wù)載荷接口的集成方式。

圖5 遙控?cái)?shù)據(jù)處理流程

設(shè)備ID通信地址設(shè)備名稱0x01“COM1”光電載荷0x02“COM6”雷達(dá)載荷………0xFF“COM8”船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)

3.2 遙測(cè)數(shù)據(jù)管理

遙測(cè)數(shù)據(jù)來源于多個(gè)任務(wù)載荷設(shè)備，大部分遙測(cè)數(shù)據(jù)為任務(wù)載荷所探測(cè)、收集到的偵察數(shù)據(jù)，也包含一小部分任務(wù)載荷的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)。任務(wù)載荷產(chǎn)生的遙測(cè)數(shù)據(jù)根據(jù)帶寬占用情況分為兩類：一類是占用帶寬大的圖像和視頻數(shù)據(jù)，另一類是占用帶寬小的其他數(shù)據(jù)。任管機(jī)對(duì)這兩種類型的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行管理。

3.2.1 圖像和視頻數(shù)據(jù)的遙測(cè)

由于數(shù)據(jù)鏈路帶寬的限制，無法將任務(wù)載荷所有占用帶寬大的數(shù)據(jù)同時(shí)傳給地面站，任管機(jī)將占用帶寬大的數(shù)據(jù)直接傳輸給由數(shù)據(jù)鏈路提供的圖像接口和同步422接口等帶寬較大的數(shù)據(jù)接口，以實(shí)現(xiàn)大帶寬數(shù)據(jù)的傳輸。數(shù)據(jù)切換功能由硬件來完成，故在任管機(jī)軟件中設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的控制接口即可，切換模式采用SwitchToDL函數(shù)完成圖像、視頻數(shù)據(jù)的遙測(cè)切換，如圖6所示。

圖6 占用帶寬大的數(shù)據(jù)切換模式

3.2.2 其他數(shù)據(jù)遙測(cè)

用于傳輸遙測(cè)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)鏈路，其帶寬為固定值，而不同無人機(jī)裝配的任務(wù)載荷設(shè)備各異，遙測(cè)數(shù)據(jù)所占用的帶寬也因無人機(jī)配型的不同而不同。為了管理各任務(wù)載荷設(shè)備對(duì)遙測(cè)帶寬的占用，任管機(jī)采用基于任務(wù)載荷設(shè)備優(yōu)先級(jí)的遙測(cè)管理方法。根據(jù)任務(wù)載荷設(shè)備在使用過程中的重要程度將其劃分優(yōu)先級(jí)，首先滿足優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)載荷設(shè)備的遙測(cè)需求，然后發(fā)送優(yōu)先級(jí)低的任務(wù)載荷設(shè)備的遙測(cè)數(shù)據(jù)，其處理流程如圖7所示。

圖7 遙測(cè)數(shù)據(jù)處理流程

在總帶寬不夠用的情況下，應(yīng)先丟棄優(yōu)先級(jí)低的任務(wù)載荷的遙測(cè)數(shù)據(jù)。遙測(cè)緩沖類如圖8所示，使用字節(jié)類型的數(shù)組“buffer”作為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，為了減少數(shù)據(jù)操作的時(shí)間，將其設(shè)計(jì)為環(huán)形緩沖區(qū)；使用幀定位數(shù)組“FrameArray”來定位緩沖區(qū)內(nèi)每個(gè)完整幀的頭尾位置，通過該數(shù)組可以快速地定位一幀數(shù)據(jù)在緩沖區(qū)中的位置，便于對(duì)完整一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。當(dāng)緩沖區(qū)滿時(shí)，可通過IsLoss標(biāo)識(shí)設(shè)置是否丟棄舊數(shù)據(jù)。用戶程序通過InBuffer和OutBuffer接口對(duì)該緩沖區(qū)對(duì)象進(jìn)行操作，用于存入和取出緩沖區(qū)內(nèi)容。

圖8 遙測(cè)緩沖類

3.3 載機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)管理

載機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)包含載機(jī)的姿態(tài)、位置、時(shí)間等信息，任管機(jī)通過與載機(jī)的接口獲取這些信息，同時(shí)，任管機(jī)通過與各任務(wù)載荷設(shè)備的接口獲取載荷狀態(tài)數(shù)據(jù)。由于有多個(gè)任務(wù)載荷需要使用載機(jī)信息，需要建立載機(jī)信息共享數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)域，共享方式如圖9所示。為了保持共享數(shù)據(jù)的完整性，還需要建立用于讀取和寫入數(shù)據(jù)的互斥機(jī)制。

圖9 載機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)共享方式

3.4 設(shè)備控制

由地面站發(fā)送到任管機(jī)的遙控?cái)?shù)據(jù)中包含兩類控制數(shù)據(jù)：一類用于對(duì)任管機(jī)外圍任務(wù)載荷進(jìn)行控制，另一類用于對(duì)任管機(jī)的各功能模塊進(jìn)行控制。任管機(jī)對(duì)外圍任務(wù)載荷的控制主要通過轉(zhuǎn)發(fā)地面站對(duì)任務(wù)載荷的遙控指令來實(shí)現(xiàn)，需要地面人員對(duì)遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察來完成對(duì)命令執(zhí)行效果的評(píng)判。對(duì)任管機(jī)各功能模塊的控制也通過地面站對(duì)任管機(jī)的遙控指令來實(shí)現(xiàn)，任管機(jī)接收遙控指令的軟件流程如圖5所示，對(duì)各功能模塊的控制執(zhí)行流程如圖10所示。

圖10 對(duì)任管機(jī)各功能模塊的控制

3.5 授時(shí)同步

3.5.1 不帶秒脈沖的授時(shí)

授時(shí)同步分為帶秒脈沖信號(hào)的精確同步和不帶秒脈沖信號(hào)的一般同步。對(duì)于不帶秒脈沖的一般授時(shí)同步，采取在通信口發(fā)送特殊的對(duì)時(shí)機(jī)制來實(shí)現(xiàn)，如圖11所示。由B設(shè)備向A設(shè)備(任管機(jī))發(fā)送對(duì)時(shí)請(qǐng)求，此時(shí)B設(shè)備記錄發(fā)送時(shí)刻TB0，A設(shè)備收到B設(shè)備的對(duì)時(shí)請(qǐng)求時(shí)，A設(shè)備記錄接收到該請(qǐng)求的時(shí)刻TA0，再由A設(shè)備向B設(shè)備發(fā)送當(dāng)前時(shí)刻TA1和TA0，B設(shè)備在TB1時(shí)刻接收到TA1和TA0數(shù)據(jù)，此時(shí)B設(shè)備按照公式(1)進(jìn)行時(shí)鐘校準(zhǔn)。

圖11 B設(shè)備向A設(shè)備請(qǐng)求準(zhǔn)確時(shí)間

(1)

某些情況下需要由A設(shè)備(任管機(jī))發(fā)起對(duì)時(shí)指令，此時(shí)由A設(shè)備向B設(shè)備發(fā)出對(duì)時(shí)指令，B設(shè)備按照如圖11所示的方式進(jìn)行對(duì)時(shí)即可，此時(shí)授時(shí)同步的流程如圖12所示。為了使授時(shí)更精確，A、B設(shè)備在發(fā)送和接收消息時(shí)需盡快處理時(shí)間信息，中間應(yīng)盡量減少因系統(tǒng)中斷而帶來的干擾。

圖12 由A設(shè)備啟動(dòng)的對(duì)B設(shè)備的授時(shí)

3.5.2 帶秒脈沖的授時(shí)

在需要高精度授時(shí)的情況下，采用帶秒脈沖信號(hào)的授時(shí)機(jī)制。時(shí)鐘源設(shè)備每秒發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)，該脈沖信號(hào)的上升沿與時(shí)鐘信息高精度對(duì)齊，由此可對(duì)其他設(shè)備進(jìn)行高精度授時(shí)。A設(shè)備(任管機(jī))向B設(shè)備發(fā)送啟動(dòng)授時(shí)指令，B設(shè)備收到后向A設(shè)備發(fā)送請(qǐng)求授時(shí)申請(qǐng)，A設(shè)備收到該申請(qǐng)后，在緊接著的一個(gè)秒脈沖發(fā)生后立刻向B設(shè)備發(fā)送當(dāng)產(chǎn)生前秒脈沖時(shí)的時(shí)刻TA0，B設(shè)備收到該時(shí)刻后在下一個(gè)接收到秒脈沖的時(shí)刻將B的系統(tǒng)時(shí)間設(shè)置為T=TA0+1，完成授時(shí)過程，如圖13所示。

圖13 秒脈沖授時(shí)

4 結(jié) 論

(1) 本文設(shè)計(jì)的任務(wù)管理計(jì)算機(jī)具有接入現(xiàn)有設(shè)備的能力，由任務(wù)載荷設(shè)備和任管機(jī)所組成的任務(wù)載荷系統(tǒng)對(duì)載機(jī)、數(shù)據(jù)鏈路等系統(tǒng)的所有接口通過任管機(jī)提供。任管機(jī)具備以下功能：①管理任務(wù)載荷的遙測(cè)和遙控?cái)?shù)據(jù)；②監(jiān)控任務(wù)載荷狀態(tài)；③實(shí)現(xiàn)多路視頻的接入和分配；④對(duì)任務(wù)載荷授時(shí)同步；⑤提供與其他系統(tǒng)的接口。實(shí)踐表明，該任務(wù)管理計(jì)算機(jī)具有較好的使用靈活性和功能擴(kuò)展能力。

(2) 任管機(jī)作為中空長(zhǎng)航時(shí)無人機(jī)系統(tǒng)中管理任務(wù)載荷的核心設(shè)備，它可以將任務(wù)載荷設(shè)備從無人機(jī)平臺(tái)系統(tǒng)中分離出來，使無人機(jī)平臺(tái)專注于對(duì)飛行平臺(tái)性能的控制，而不受任務(wù)載荷系統(tǒng)過多的影響。任管機(jī)對(duì)任務(wù)載荷設(shè)備的綜合管理，能夠提高任務(wù)載荷的集成能力；同時(shí)，載荷設(shè)備之間的協(xié)同應(yīng)用也可在此基礎(chǔ)上開展，為載荷應(yīng)用水平的提升奠定了硬件和軟件架構(gòu)基礎(chǔ)。

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(編輯：馬文靜)

The Design of Mission Management Computer for a Certain UAV

Pi Zucheng, Wang Cheng, Chen Wen

(Special Aerial Vehicle Design Institute, China Academy of Aerospace Aerodynamics, Beijing 100074, China)

A certain UAV can mount kinds of payloads at the same time. A kind of mission management computer(MMC) is introduced to manage and make full use of those payloads. By analyzing the interface types and communication requirements of the existing on-board mission equipment, a task management computer with the capability of accessing existing equipment is designed. The computer adopts mature plug-in integrated design mode, and is of better flexibility and function expandability. All the payloads are controlled by MMC. Telemetry and telecontrol data message of the payloads is managed by MMC. The MMC provide synchronization timing service for external devices. Payload integration capabilities can be improved by designing the MMC, and achieve independence to run the task system and flight control system. Thus the safety of the UAV platform can be improved.

mission management computer(MMC); payload; UAV; synchronization timing

2016-09-27；

2016-10-26

陳文,392117912@qq.com

1674-8190(2016)04-464-07

V247.1；V279

A

10.16615/j.cnki.1674-8190.2016.04.011

皮祖成(1985-)，男，碩士，工程師。主要研究方向：無人機(jī)載荷應(yīng)用和任務(wù)管理。

王 誠(chéng)(1981-)，男，碩士，高級(jí)工程師。主要研究方向：無人機(jī)指控系統(tǒng)設(shè)計(jì)、無人機(jī)載荷應(yīng)用。

陳 文(1986-)，男，碩士，工程師。主要研究方向：無人機(jī)載荷應(yīng)用、控制軟件設(shè)計(jì)。