任務(wù)請求模式下無人機(jī)戰(zhàn)場態(tài)勢顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

徐冠華，董彥非，王超，王釗

（1.南昌航空大學(xué)飛行器工程學(xué)院，南昌330063；2.西安航空學(xué)院，西安710077）

任務(wù)請求模式下無人機(jī)戰(zhàn)場態(tài)勢顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

徐冠華1，董彥非2，王超1，王釗1

（1.南昌航空大學(xué)飛行器工程學(xué)院，南昌330063；2.西安航空學(xué)院，西安710077）

任務(wù)請求模式是高空長航時無人機(jī)重要的作戰(zhàn)使用模式，該模式下無人機(jī)偵察數(shù)據(jù)的判讀和綜合信息的顯示存在著判讀數(shù)據(jù)和綜合信息所需的背景情報分散、目標(biāo)關(guān)聯(lián)困難等問題，需要將無人機(jī)的偵察數(shù)據(jù)、無人機(jī)綜合信息與戰(zhàn)場態(tài)勢等相關(guān)背景信息進(jìn)行情報結(jié)合和關(guān)聯(lián)顯示。為此，通過分析任務(wù)請求模式下高空長航時無人機(jī)作戰(zhàn)模式和態(tài)勢信息流程，總結(jié)該作戰(zhàn)模式下無人機(jī)態(tài)勢信息顯示的可行性需求，進(jìn)行了任務(wù)請求模式下無人機(jī)戰(zhàn)場態(tài)勢顯示系統(tǒng)的概要設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)利用通用戰(zhàn)場態(tài)勢等背景信息輔助進(jìn)行無人機(jī)偵察數(shù)據(jù)的判讀和綜合信息的顯示，可有效輔助無人機(jī)偵察任務(wù)的開展和執(zhí)行。

任務(wù)請求模式，高空長航時無人機(jī)，戰(zhàn)場態(tài)勢，顯示系統(tǒng)

0 引言

戰(zhàn)場態(tài)勢顯示是把復(fù)雜的、不可見的戰(zhàn)場態(tài)勢以可視化的方式顯示出來，以方便作戰(zhàn)人員通過視覺快速理解復(fù)雜的戰(zhàn)場情況。高空長航時無人機(jī)搭載中繼通信設(shè)備，可以快速有效地建立通信網(wǎng)絡(luò)，為任務(wù)區(qū)域提供實(shí)時態(tài)勢信息保障［1］。

高空長航時無人機(jī)在作戰(zhàn)使用中，根據(jù)無人機(jī)作戰(zhàn)配置、地面站分布、戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用及支援對象的不同，大體上可以分為態(tài)勢廣播、任務(wù)請求、專屬支援、時敏打擊4種作戰(zhàn)模式［2-7］。任務(wù)請求模式作為高空長航時無人機(jī)最重要的作戰(zhàn)模式之一，用于戰(zhàn)斗開始后，應(yīng)對前線作戰(zhàn)單位提出的及時偵察請求，執(zhí)行快速偵察、防線預(yù)警、跟蹤監(jiān)視等及時任務(wù)，并利用無人機(jī)中繼通信設(shè)備，對前線作戰(zhàn)單位進(jìn)行偵察成果和態(tài)勢信息實(shí)時保障。

傳統(tǒng)的高空長航時無人機(jī)在偵察數(shù)據(jù)判讀和綜合信息顯示方面存在著判讀數(shù)據(jù)和綜合信息所需的背景情報分散、目標(biāo)關(guān)聯(lián)困難等問題，需要將無人機(jī)偵察數(shù)據(jù)、無人機(jī)狀態(tài)信息等結(jié)合戰(zhàn)場態(tài)勢等信息在同一系統(tǒng)下關(guān)聯(lián)顯示。如通過設(shè)計(jì)一套顯示系統(tǒng)，將其應(yīng)用于遙測控制無人機(jī)的無人機(jī)任務(wù)控制站，處理無人機(jī)載荷數(shù)據(jù)的無人機(jī)情報處理站，以及位于戰(zhàn)場前線各作戰(zhàn)單位開展情報應(yīng)用的小型地面站等。該系統(tǒng)基于任務(wù)請求模式下的高空長航時無人機(jī)實(shí)時偵察數(shù)據(jù)和中繼態(tài)勢保障，利用通用戰(zhàn)場態(tài)勢、情報產(chǎn)品等背景情報信息與無人機(jī)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的算法關(guān)聯(lián)，來輔助高空長航時無人機(jī)偵察數(shù)據(jù)的判讀。同時，系統(tǒng)根據(jù)無人機(jī)任務(wù)請求模式作戰(zhàn)使用和態(tài)勢信息流特點(diǎn)，通過任務(wù)輔助控件的手段，結(jié)合無人機(jī)實(shí)時狀態(tài)信息，機(jī)載偵察設(shè)備的GMTI（雷達(dá)地面運(yùn)動目標(biāo)檢測）信息、電子偵察信息，以及戰(zhàn)區(qū)內(nèi)其他作戰(zhàn)平臺提供的及時情報產(chǎn)品等進(jìn)行情報數(shù)據(jù)融合，并按作戰(zhàn)模式和支援任務(wù)的需要進(jìn)行顯示［7-10］。則該系統(tǒng)可有效輔助高空長航時無人機(jī)偵察任務(wù)的開展和執(zhí)行。

1 任務(wù)請求模式下無人機(jī)態(tài)勢顯示需求

1.1 任務(wù)請求模式的作戰(zhàn)使用和態(tài)勢信息一般流程

戰(zhàn)斗開始后，隨著局勢的變化，戰(zhàn)場各區(qū)域作戰(zhàn)情況趨近復(fù)雜，各級作戰(zhàn)單位分配有各自的作戰(zhàn)任務(wù)，不同的作戰(zhàn)任務(wù)對應(yīng)著不同的偵察需要。此時高空長航時無人機(jī)可采用任務(wù)請求模式進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)支援。

首先，各級作戰(zhàn)單位根據(jù)自身作戰(zhàn)需要，由其所屬的前線地面站向無人機(jī)情報處理站，提出關(guān)注區(qū)域或關(guān)注目標(biāo)的偵察和監(jiān)視請求。無人機(jī)情報處理站對所有收到的請求進(jìn)行匯總、分類，可分為歷史查詢、及時情報、保持監(jiān)視和偵察預(yù)定等。同時按照請求單位級別、緊急程度結(jié)合已有偵察情報對請求進(jìn)行優(yōu)先級排序，并以此輔助高空長航時無人機(jī)任務(wù)控制站或其他偵察平臺進(jìn)行偵察任務(wù)規(guī)劃和調(diào)整。

無人機(jī)任務(wù)控制站控制無人機(jī)按照規(guī)劃航跡開展偵察、監(jiān)視任務(wù)。將傳感器偵察數(shù)據(jù)視距鏈路下傳至無人機(jī)情報處理站，情報處理站以偵察請求為目標(biāo)，結(jié)合實(shí)時無人機(jī)傳感器數(shù)據(jù)、通用戰(zhàn)場態(tài)勢等信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)情報的分析處理工作。處理結(jié)果以情報產(chǎn)品的形式，通過無人機(jī)中繼發(fā)送至請求提出單位所屬地面站。部分重要地點(diǎn)的聚束成像數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)量微小的電子偵察數(shù)據(jù)和GMTI數(shù)據(jù)可直接通過高空長航時無人機(jī)Ku波段天線經(jīng)通信衛(wèi)星傳遞至情報與指揮中心用于戰(zhàn)術(shù)分析和預(yù)警等作用。

無人機(jī)情報處理站在處理過程中，將所有處理后的情報數(shù)據(jù)上報給情報中心，用于通用戰(zhàn)場態(tài)勢的生成。場景和態(tài)勢信息流如圖1和下頁圖2所示。

1.2 任務(wù)請求模式態(tài)勢信息顯示需求

圖1 任務(wù)請求模式場景視圖

根據(jù)任務(wù)請求模式下的高空長航時無人機(jī)作戰(zhàn)場景和態(tài)勢信息流程，總結(jié)和提煉出顯示系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的基本使用需求如下：

①以高空長航時無人機(jī)的任務(wù)請求任務(wù)為中心，實(shí)現(xiàn)將無人機(jī)預(yù)定/及時任務(wù)、實(shí)時無人機(jī)傳感器信息、情報產(chǎn)品、通用戰(zhàn)場態(tài)勢對應(yīng)區(qū)域/時間進(jìn)行融合顯示。

②建立一套模塊化的任務(wù)輔助控件機(jī)制，通過增減控件的方式，實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)偵察任務(wù)全面輔助。

圖2 任務(wù)請求模式態(tài)勢信息流圖

2 態(tài)勢顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)基本框架和數(shù)據(jù)交互設(shè)計(jì)

根據(jù)高空長航時無人機(jī)任務(wù)請求模式的態(tài)勢信息處理傳輸流程，無人機(jī)平臺載荷數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)信息資源和通用戰(zhàn)場態(tài)勢數(shù)據(jù)需要統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理進(jìn)行分類整合，同時制作生成的無人機(jī)戰(zhàn)場態(tài)勢結(jié)果本身也作為后續(xù)數(shù)據(jù)分類、價值篩選的重要依據(jù)。因此，將數(shù)據(jù)管理模塊作為內(nèi)、外部信息交互和分類、篩選的核心模塊，二、三維GIS組件、圖層控件管理模塊通過訪問數(shù)據(jù)管理模塊數(shù)據(jù)進(jìn)行按需顯示。由于系統(tǒng)內(nèi)外部數(shù)據(jù)的處理、情報/圖層疊加、控件算法、態(tài)勢制作等消耗大量運(yùn)算資源，為了避免對顯示系統(tǒng)正常的數(shù)據(jù)接收和顯示運(yùn)行照成影響，需要額外設(shè)計(jì)一個高性能終端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

基于上述分析，基于任務(wù)請求模式的無人機(jī)態(tài)勢顯示系統(tǒng)內(nèi)部框架設(shè)計(jì)為2個終端：接收顯示端和數(shù)據(jù)處理端，接收顯示端設(shè)計(jì)為4個模塊：人機(jī)交互模塊、信息調(diào)用模塊、數(shù)據(jù)管理模塊和本地數(shù)據(jù)庫；數(shù)據(jù)處理端設(shè)計(jì)為2個模塊：數(shù)據(jù)處理模塊和態(tài)勢制作模塊。

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)交互設(shè)計(jì)如下頁圖3所示。

2.2 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

根據(jù)高空長航時無人機(jī)作戰(zhàn)使用方式和戰(zhàn)場態(tài)勢信息顯示需求，顯示系統(tǒng)人機(jī)交互界面可包含主態(tài)勢顯示窗口、情報產(chǎn)品/圖層管理邊側(cè)欄、無人機(jī)狀態(tài)信息欄、主要協(xié)同單位狀態(tài)信息欄等共11個部分［11-12］（見圖4）。

（1）主態(tài)勢顯示窗口：采用二、三維GIS組件實(shí)現(xiàn)無人機(jī)主要戰(zhàn)場態(tài)勢信息的顯示［13］。

（2）情報產(chǎn)品/圖層管理邊側(cè)欄：為可縮放邊側(cè)欄，實(shí)現(xiàn)對情報產(chǎn)品/圖層的顯示管理。

（3）無人機(jī)狀態(tài)信息欄：顯示當(dāng)前高空長航時無人機(jī)和機(jī)載傳感器的簡要狀態(tài)信息。對其選定后，詳細(xì)信息欄將進(jìn)一步顯示更為詳盡的狀態(tài)信息。

（4）主要協(xié)同單位狀態(tài)信息欄：顯示主要協(xié)同地面站、其他無人機(jī)等作戰(zhàn)單元的簡要狀態(tài)信息。實(shí)現(xiàn)開啟與協(xié)同單位進(jìn)行短消息、語音、視頻、文件通信或者建立傳感器/武器控制鏈路等功能服務(wù)。

（5）態(tài)勢時間控制欄：可對戰(zhàn)場態(tài)勢信息按時間軸進(jìn)行回放、暫停、快進(jìn)、倒退等操作。進(jìn)度條至最末為近實(shí)時態(tài)勢，并保持自動更新。

（6）詳細(xì)信息欄：顯示鼠標(biāo)指針?？?選定目標(biāo)、地點(diǎn)、窗口等的詳細(xì)信息和相關(guān)簡報。詳細(xì)信息的相關(guān)鏈接可進(jìn)行進(jìn)一步的二級查看操作。

圖3 態(tài)勢顯示系統(tǒng)系統(tǒng)基本框架和數(shù)據(jù)交互設(shè)計(jì)圖

圖4 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

（7）任務(wù)輔助控件功能條：實(shí)現(xiàn)無人機(jī)任務(wù)請求任務(wù)各種技術(shù)輔助和偵察效果的評估等功能。

（8）標(biāo)繪功能欄：提供通用軍標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對情報產(chǎn)品信息的標(biāo)繪制作或修改［14］。

（9）常用工具欄：提供二、三維地圖測距、路徑規(guī)劃、戰(zhàn)術(shù)/態(tài)勢分析等通用態(tài)勢顯示所需的常用工具。

（10）聯(lián)動小地圖：可以在不丟失當(dāng)前主態(tài)勢顯示窗口視野的情況下實(shí)時監(jiān)視下一個縮放級的概略態(tài)勢信息（如威脅告警信息等），實(shí)現(xiàn)快速定位漫游，聯(lián)動縮放等功能。

W5500與內(nèi)核芯片的連接方式比較容易。W5500總線方式有三種分別是SPI、直接并行、間接并行。W5500的通信接口電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

（11）任務(wù)信息邊側(cè)欄：可縮放邊側(cè)欄，設(shè)有預(yù)定任務(wù)、及時任務(wù)兩種無人機(jī)任務(wù)類型，提供任務(wù)優(yōu)先級排序等功能。

2.3 輔助任務(wù)控件設(shè)計(jì)

輔助任務(wù)控件采用模塊化設(shè)計(jì)的獨(dú)立數(shù)據(jù)接口從數(shù)據(jù)管理模塊調(diào)用實(shí)時數(shù)據(jù)，結(jié)合相應(yīng)的算法，為無人機(jī)的任務(wù)的輔助和偵察效果的評估提供有效支撐。根據(jù)作戰(zhàn)模式和任務(wù)的不同，輔助任務(wù)控件的種類可以有很多。本文根據(jù)任務(wù)請求模式的無人機(jī)使用需求設(shè)計(jì)了2個典型的控件樣例：

2.3.1 無人機(jī)通信鏈路指示控件

隨著無人機(jī)航跡的變化，機(jī)載中繼通信鏈路、定向視距下傳鏈路、衛(wèi)星通信鏈路等的鏈路可用情況會發(fā)生變化。另一方面，前線作戰(zhàn)單位地面站的布置較為分散而隱蔽可接收中繼信號的方位角較為有限。因此，設(shè)計(jì)通信鏈路指示控件用于對無人機(jī)航線的各個階段的通信鏈路狀態(tài)有一個較為直觀的預(yù)期，可為前線地面站的作戰(zhàn)布置和無人機(jī)任務(wù)控制站規(guī)劃無人機(jī)航路提供參考［15］?？丶慕缑嬖驮O(shè)計(jì)樣例如圖5所示。

圖5 無人機(jī)鏈路情況綜合指示控件設(shè)計(jì)

由于戰(zhàn)區(qū)地形遮蔽、雷達(dá)陰影等的影像，高空長航時無人機(jī)根據(jù)預(yù)定任務(wù)規(guī)劃的航跡所能提供的傳感器通視覆蓋范圍，可能無法滿足前線作戰(zhàn)單位提出及時任務(wù)所需的覆蓋范圍。通過傳感器通視輔助控件，可以對預(yù)定航跡下無人機(jī)執(zhí)行及時偵察任務(wù)的傳感器如CCD相機(jī)、SAR的最優(yōu)成像時間、偵察效果等進(jìn)行模擬和評估［16］?？丶慕缑嬖驮O(shè)計(jì)樣例如圖6所示。

圖6 聚束SAR傾斜相機(jī)輔助控件設(shè)計(jì)

3 結(jié)論

通過“無人機(jī)通信鏈路指示控件”、“聚束SAR傾斜相機(jī)輔助控件”等模塊化的任務(wù)輔助控件的設(shè)計(jì)方式，可以有效利用通用戰(zhàn)場態(tài)勢等背景信息輔助進(jìn)行無人機(jī)偵察數(shù)據(jù)的判讀和綜合信息的顯示，輔助高空長航時無人機(jī)偵察任務(wù)的開展和執(zhí)行。

任務(wù)請求模式無人機(jī)戰(zhàn)場態(tài)勢顯示系統(tǒng)的模塊布置、界面布局、原型樣例、以及控件等的設(shè)計(jì)思路可為無人機(jī)戰(zhàn)場態(tài)勢顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)人員提供一些參考和依據(jù)。

任務(wù)請求模式的無人機(jī)戰(zhàn)場態(tài)勢顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)，是基于作戰(zhàn)使用需求進(jìn)行的一個概念性設(shè)計(jì)，在實(shí)際使用中，其系統(tǒng)構(gòu)架、界面布局和相關(guān)輔助控件算法等應(yīng)綜合考慮具體任務(wù)和所獲得的數(shù)據(jù)情況，進(jìn)一步調(diào)整和修正。

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Design of UAV Battlefield Situation Display System in Task-Request Mode

XU Guan-hua1，DONG Yan-fei2，WANG Chao1，WANG Zhao1
（1.School of Aircraft Engineering NanChang HangKong University，Nanchang 330063，China；2.Xi’an Aeronautical University，Xi’an 710077，China）

Task-Request mode is an important operational mode used by HALE（high-altitude long-endurance）UAV，under this mode，problems like background intelligence dispersion，target association difficulty and so on exist in reconnaissance data interpretation and comprehensive information display of UAV，it’s necessary to conduct association display of UAV reconnaissance data and UAV integrated information combined with information like battlefield situation under the same display system.By analyzing operational mode and situation information flow of HALE UAV in Task-Request mode，concluded UAV situation feasible display need under this mode，the outline design of the UAV battlefield situation display system is carried out.This system conducts interpretation of UAV reconnaissance data and display ofcomprehensiveinformationwithassistanceofbackground information like general battlefield situation，by which it could effectively assist in implementation and execution of UAV reconnaissance missions.

Task-Request mode，HALE UAV，battlefield situation，display system

V271.4；E926

A

1002-0640（2017）02-0109-05

2016-01-05

2016-02-19

航空科學(xué)基金（2011ZA56001）；校級研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（YC2015038）

徐冠華（1988-），男，江西南昌人，碩士研究生。研究方向：飛行器總體設(shè)計(jì)與無人機(jī)作戰(zhàn)。