艦載無人機指揮控制系統(tǒng)設計與開發(fā)?

師鵬宇

（92493部隊參謀部測控處 葫蘆島 125000）

1 引言

艦載無人機作為一種增強艦艇作戰(zhàn)能力的裝備，目前正受到越來越多國家海軍的重視。艦載無人機可以執(zhí)行多種軍事任務，包括照相偵查、情報搜集、航路偵查、為武器系統(tǒng)提供目標定位、指示、艦炮火力修正、動態(tài)監(jiān)視和毀傷評估的實時情報等，顯示出巨大的軍用價值和發(fā)展?jié)摿Γ鸶鬈娛聫妵年P(guān)注。

隨著技術(shù)的發(fā)展，艦載無人機的自主控制能力和智能化程度得到了明顯提高，但任務執(zhí)行過程中地面操作人員依然擁有最高的決策權(quán)和最終的決定權(quán)，無人機執(zhí)行任務離不開艦載指揮控制系統(tǒng)的支持。因為作戰(zhàn)任務的多重性與復雜性，今后一架無人作戰(zhàn)飛機單獨執(zhí)行任務的可能性越來越小，艦載指揮控制系統(tǒng)需要實現(xiàn)對多架艦載無人機的協(xié)同任務控制，使其相互協(xié)作去完成復雜的任務。

2 艦載無人機系統(tǒng)組成

艦載無人機系統(tǒng)由艦載無人機、指揮控制系統(tǒng)、任務載荷、通信鏈路、艦面助降、輔助設備等分系統(tǒng)組成，如圖1所示。

1）艦載無人機（無人飛行器平臺）

飛行器平臺是無人機系統(tǒng)的基礎部分，包括飛機機體、推進裝置、飛行控制與導航系統(tǒng)、機載供電系統(tǒng)、北斗通信導航定位單元等。

2）任務載荷分系統(tǒng)

任務載荷是單通道可見光機載吊艙，主要由吊艙框架體、圖像跟蹤器、中央控制計算機、伺服控制組件、可見光攝像機等構(gòu)成，任務系統(tǒng)的信息數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)鏈路傳輸?shù)街笓]控制系統(tǒng)。

圖1 艦載無人機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3）數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)

為無人機系統(tǒng)提供控制（數(shù)傳）、載荷（圖傳）信息傳輸?shù)臒o線電鏈路，是無人機與指揮控制系統(tǒng)間的信息橋梁，主要包括視距數(shù)據(jù)鏈機載設備和艦載設備。機載設備完成上行遙控信號接收、偵查信息壓縮與發(fā)送、遙測信號發(fā)送、上下行信息幀同步等任務。艦載設備完成飛控和偵查任務指令發(fā)送、對無人機跟蹤測角和測距、下行遙測信號接收、偵查信息接收與解壓等任務。同時要求具有抗干擾、保密通信的能力。

4）艦面助降分系統(tǒng)

飛機降落時，采取自主起降+人工遙控起降混合模式。無人機自主飛行到起降區(qū)域，無人機按指令自動下降一根帶鉤的繩子，鉤子鉤住艦載回收平臺的拉線，絞盤將繩子卷拉，隨后將無人機固定在回收平臺上。

5）指揮控制系統(tǒng)

指揮控制系統(tǒng)是無人機系統(tǒng)的指揮控制中心，主要完成偵查任務受領、飛行指揮、任務規(guī)劃、系統(tǒng)監(jiān)控、飛行控制與監(jiān)視、偵查任務載荷控制、偵查圖像數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)記錄與回放及對外通聯(lián)等任務。

6）輔助設備

輔助設備是艦載無人機系統(tǒng)可靠、有效執(zhí)行偵察任務的有力保障，主要完成系統(tǒng)的機務保障、勤務保障等任務，包括防爆油桶、存放機箱、檢測維修設備和著艦輔助設備等。

3 艦載無人機指揮控制系統(tǒng)需求

艦載指揮控制系統(tǒng)接收并分析用戶分配給艦載無人機系統(tǒng)的任務，進行任務規(guī)劃，包括載荷選配、航路規(guī)劃、飛行計劃；控制無人機起飛、按計劃飛行，控制載荷執(zhí)行目標探測、通信中繼、傳感器與武器標校等任務，指揮控制無人機返航并著艦；在整個任務執(zhí)行過程中，監(jiān)視無人機作業(yè)環(huán)境、無人機設備與飛行狀態(tài)、鏈路狀態(tài)、任務載荷狀態(tài)；進行任務載荷數(shù)據(jù)處理（含數(shù)據(jù)記錄與回放），評估任務執(zhí)行情況；必要時，變更無人機任務目標，對無人機的航路和航行計劃進行修改；支持無人機任務執(zhí)行效能評估，并保存評估結(jié)果。

4 艦載無人機指揮控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)與臺位配置

4.1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

艦載無人機系統(tǒng)的指揮控制系統(tǒng)以無線網(wǎng)絡/有線網(wǎng)絡接入本艦指控、編隊系統(tǒng)，以數(shù)據(jù)鏈與無人機及其載荷進行數(shù)據(jù)交換，系統(tǒng)內(nèi)部通過以太網(wǎng)絡連接，系統(tǒng)外部的串口、USB接口、視頻SDI等接口，通過接口轉(zhuǎn)換設備轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，經(jīng)內(nèi)部交換機發(fā)送給各相關(guān)臺位。各臺位以數(shù)據(jù)為中心，構(gòu)成面向服務的全分布開放式體系結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 艦載無人機系統(tǒng)指揮控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)示意圖

4.2 功能分配

艦載無人機系統(tǒng)指揮控制系統(tǒng)基本配置為三個臺位，三個臺位的配置相同，功能可根據(jù)需要定義，缺省功能分配如表1所示。

4.3 軟件體系結(jié)構(gòu)

艦載無人機系統(tǒng)指揮控制系統(tǒng)軟件采用層次化、面向服務的體系結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)軟件之間的松散耦合，使軟件能根據(jù)使用需求，按需組裝，實現(xiàn)系統(tǒng)的靈活組織、配置。其體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1）凌久構(gòu)件集成框架

凌久構(gòu)件集成框架基于開放式體系結(jié)構(gòu)（OA）和面向服務的體系結(jié)構(gòu)（SOA）等技術(shù)，通過構(gòu)件化/服務化軟件支撐平臺，將各種專用應用程序等以服務構(gòu)件形式封裝，隔離了各具體應用程序同底層操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡基礎設施的相互影響，打破原有各類業(yè)務軟件間緊密耦合、復雜的信息接口關(guān)系，在確保原有實時性和可靠性的前提下實現(xiàn)了業(yè)務功能的靈活重組和動態(tài)集成，提高業(yè)務軟件可擴展性和開發(fā)集成的效率。

凌久構(gòu)件集成框架將在成熟軍事裝備應用的基礎上，進一步完善服務構(gòu)件接口封裝和運行調(diào)度功能，提升服務構(gòu)件組裝能力，提供了一整套適應于海警艦船裝備軟件的構(gòu)件化開發(fā)、部署和管理等全生命周期的軟件工程解決方案和可視化工具支撐環(huán)境。

2）凌久實時數(shù)據(jù)分發(fā)服務平臺

凌久實時數(shù)據(jù)分發(fā)服務平臺是基于實時發(fā)布/訂閱業(yè)務服務技術(shù)，能夠集成各類數(shù)據(jù)源，將不同應用、設備、系統(tǒng)和網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)連接起來，通過各種網(wǎng)絡將實時系統(tǒng)和非實時系統(tǒng)、現(xiàn)役系統(tǒng)與新研系統(tǒng)的數(shù)據(jù)無縫集成，構(gòu)建敏捷的分布式系統(tǒng)，主要功能包括：

（1）兼容OMG RTPS 2.1網(wǎng)絡通信協(xié)議標準，實現(xiàn)不同應用程序、平臺和編程語言之間的無縫集成和互操作性；

圖3 艦載無人機指揮控制系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)圖

（2）高級的服務質(zhì)量策略（QoS）支持；

（3）提供對所有系統(tǒng)的實時可視化、實時調(diào)度和實時管理；

（4）實時數(shù)據(jù)分發(fā)服務框架代碼的自動化生成。

4.4 運行組織

4.4.1 作業(yè)模式

在作業(yè)模式下，任務控制臺負責組織指揮艦載無人機系統(tǒng)執(zhí)行作業(yè)。

任務控制臺通過有線網(wǎng)絡或無線通信終端接收任務指令，進行任務分析、任務規(guī)劃，形成任務計劃，下發(fā)給飛行操控臺、載荷操制臺。

飛行操控臺接收任務控制臺的任務計劃，制定保障計劃、飛行計劃，監(jiān)督保障工作按計劃開展，按計劃通過無線數(shù)據(jù)鏈控制無人機起飛、航行到任務區(qū)，與載荷操控臺配合執(zhí)行任務，包括操控無人機飛行航路、航速或懸停等。

載荷操控臺與飛行操控臺配合執(zhí)行任務，包括控制載荷的視線、視角等。

在任務執(zhí)行過程中，任務控制臺、飛行操控臺、載荷操控臺對任務執(zhí)行的環(huán)境和進展進行監(jiān)視；任務控制臺適時判定任務完成、變更任務要求、暫?；蚪K止任務、調(diào)整任務計劃等，飛行操控臺按任務控制臺要求適時調(diào)整飛行計劃，操控無人機按新計劃飛行。

任務控制臺判定無人機完成所有任務后，飛行操控臺控制無人機返航、著艦。

在無人機返航、著艦過程中，任務控制臺、飛行操控臺對飛行環(huán)境和進程進行監(jiān)視；任務控制臺適時調(diào)整任務計劃等，飛行操控臺按任務控制臺要求適時調(diào)整飛行計劃，操控無人機按新計劃飛行，直到無人機完成所有任務并安全著艦。

在臺位故障或人員緊缺的情況下，任意兩項或全部三項控制功能均可以合并在任意指定臺位上運行。當兩臺位運行時，建議將任務控制和飛行控制任務交由一個臺位執(zhí)行。

4.4.2 訓練模式

在實裝訓練模式下，由任務控制臺編輯訓練任務想定，并組織指揮控制系統(tǒng)開展訓練。訓練過程中，系統(tǒng)的組織運行方式與作業(yè)模式相同。

在模擬訓練模式下，在任務控制臺編輯訓練任務想定，并以計算機仿真模擬無人機、有效載荷及其工作環(huán)境，生成無人機設備狀態(tài)、無人機飛行狀態(tài)、載荷設備狀態(tài)、載荷視頻或圖像信息等信息，通過指揮控制系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡分發(fā)給相應的臺位，三臺位在任務控制臺的組織指揮下，開展訓練。訓練過程中，系統(tǒng)的運行組織方式與作業(yè)模式相同。模擬訓練模式支持指揮控制系統(tǒng)在無線通信終端不開機、無人機不起飛的情況下，開展分系統(tǒng)的應用訓練。

5 艦載無人機指揮控制系統(tǒng)主要功能

5.1 信息接收功能

5.1.1 接收無人機任務信息

通過無線通信設備或有線網(wǎng)絡接收用戶以格式化文檔描述的作業(yè)任務信息、以格式化報文描述的指揮控制信息。

5.1.2 接收無人機作業(yè)環(huán)境信息

實時接收無人機作業(yè)環(huán)境信息（當前信息與預報信息），包括無人機作業(yè)區(qū)域/航路/當前位置的風速、風向、溫度、濕度、氣壓、浪高、地形、地物等氣象水文地理信息。

圖4 作業(yè)模式下艦載無人機指揮控制系統(tǒng)運行組織示意圖

圖5 模擬訓練模式下無人機指揮控制系統(tǒng)運行組織示意圖

5.1.3 接收無人機工作狀態(tài)信息

1）位姿及速度信息

實時接收無人機的導航定位信息，包括無人機的位置、姿態(tài)、航向、航速等信息。

2）燃油及溫控信息

實時接收無人機的剩余燃油油量信息、發(fā)動機的溫度信息。

5.1.4 接收無人機載荷信息

1）載荷工作狀態(tài)信息

實時接收無人機有效載荷狀態(tài)信息，包括光電探測設備的光軸指向、視場大小、云臺工作狀態(tài)信息等。

2）載荷目標探測信息

實時接收無人機有效載荷狀態(tài)信息，包括光電探測設備獲取的圖像、視頻等信息。

5.1.5 接收鏈路設備狀態(tài)信息

實時接收機載數(shù)據(jù)鏈機載終端設備狀態(tài)等信息、地面天線設備狀態(tài)信息。

5.1.6 接收綜合態(tài)勢信息

實時接收載艦本艦、編隊系統(tǒng)下發(fā)的態(tài)勢信息（含載艦位置與運動狀態(tài)信息）。

5.1.7 獲取人工錄入信息

可以通過人工輸入無人機工作環(huán)境、各種目標信息等。

5.2 載荷探測信息處理與顯示功能

5.2.1 圖像信息處理與顯示

對光電探測設備獲取的圖像、視頻信息進行縮放、增強、去噪、分割等處理與顯示。

5.2.2 目標檢測與運動要素解算

從圖像中檢測并識別出目標、計算并確定目標方位、進行目標運動要素解算，解算結(jié)果顯示在態(tài)勢圖和目標表頁中。

5.2.3 目標定位與狀態(tài)估計

無人機單機情況下，對慢速目標，通過無人機機動獲得的目標連續(xù)探測數(shù)據(jù)實現(xiàn)目標定位與狀態(tài)估計；無人機雙機/多機情況下，通過交叉定位實現(xiàn)目標定位與狀態(tài)估計。目標定位與狀態(tài)估計結(jié)果顯示在態(tài)勢圖和目標表頁中。

5.2.4 視頻與圖像信息管理

對光電探測設備獲取的圖像、視頻信息及處理形成的中間產(chǎn)品進行記錄、回放、編輯/剪輯、歸檔、調(diào)閱與維護等。

5.3 綜合態(tài)勢顯控

5.3.1 電子海圖顯示

支持航保部發(fā)布的標準S57/S63；支持S63保護的海圖單元許可導入和用戶許可生成，支持海圖數(shù)據(jù)的卸載和重新加載；支持手動或自動的海圖更新；在放大、縮小、漫游過程中，支持電子海圖的無縫拼接顯示。

5.3.2 海圖作業(yè)標繪

1）海圖顯示控制

支持海圖的縮放、漫游、分層顯示；支持符號的簡化符號和紙圖符號顯示等顯示設置，支持符號邊界和簡化邊界樣式顯示設置；支持經(jīng)緯網(wǎng)顯示和隱藏；提供白天、晨昏、黑夜等顏色模式的設置，支持操作界面背景灰黑、寶藍、墨綠三種顏色切換顯示模式。

2）海圖標注

提供避險線、危險高亮物標、事件、特征物標、注釋、位置信息、矢量物標標注功能，支持人員落水標記（MOB）功能，支持電子方位線（EBL）和活動距標環(huán)（VRM）標注。

3）海圖量測與計算

提供海圖測量工具、AIS信息顯示工具、雷達目標信息查詢工具、導航符號顯示控制工具、地理位置定位工具等功能。

提供海圖量算功能，包含大圓和等角航線計算、換算，方位和距離計算、地理坐標與地理坐標點之間方位距離的換算、面積量算等。

海圖顯示和操作符合S52顯示標準或GB12319-1998《中國海圖圖示》標準（后續(xù)支持）。

5.3.3 綜合態(tài)勢顯示

1）圖形顯示目標信息

支持全海域?？涨槟繕诵畔@示，具備基于海圖疊加的目標信息顯示方式，能以浮動標簽顯示目標重要信息，對不同來源或融合后目標能夠分層顯示，輔助指揮員掌握現(xiàn)場情況。

2）目標標記與醒目顯示

支持我方艦船、重要目標的標記并醒目顯示；可按船只隸屬單位、警戒級別、作業(yè)區(qū)域、航速、噸位等目標信息選擇突出顯示；能夠按信息來源、目標屬性、國籍、類型、區(qū)域等進行過濾顯示。

3）列表顯示目標信息

支持列表顯示目標信息，可按目標航速、航向、敵我屬性、噸位等信息進行排序。

4）顯示載艦及無人機航行信息

在醒目位置顯示載艦及無人機的航行信息，包括位置、姿態(tài)、航速、航向、航跡、當前時間、最遲返航時間等信息。

5.3.4 態(tài)勢編輯

1）目標管理

目標參數(shù)修改，包括對目標的批號、名稱、屬性、類型等進行修改；目標刪除等操作。

2）人工目標設置和修改

根據(jù)用戶設定的目標位置、速度、屬性、類型等信息產(chǎn)生人工目標；用戶對人工目標的批號、位置、運動、屬性、類型等進行修改；人工目標刪除等操作。

5.4 任務規(guī)劃與控制功能

5.4.1 任務分配功能

提供任務分析、分解功能，明確每個子任務要求，包括任務類型、任務預期開始時間、判定任務完成程度的標準、作業(yè)區(qū)域、作業(yè)預期持續(xù)時間等；提供任務分配工具，為各子任務分配無人機和載荷資源；檢測資源分配中存在的沖突，并進行告警。

5.4.2 航線設計與顯示功能

提供航路（航路點、速度、高度等）設計的輸入、編輯、刪除、保存、管理、評估、顯示、參數(shù)管理等功能。當需要執(zhí)行搜索時，可以通過設置相關(guān)參數(shù)，自動生成航路，提供平行搜索、擴方搜索、扇形搜索三種搜索模式。

5.4.3 計劃制定與顯示功能

確定無人機出航時間，制定無人機保障與飛行計劃等。

5.4.4 模擬推演功能

提供態(tài)勢想定方案設定和態(tài)勢推演功能，方便用戶開展作業(yè)任務仿真模擬訓練與任務規(guī)劃效果評估。可根據(jù)想定態(tài)勢或?qū)肴蝿辗桨?，在指定海域，設定載艦、模擬船舶目標、模擬無人機等目標航線、運動信息，形成模擬態(tài)勢想定方案；按照想定態(tài)勢進行態(tài)勢推演，在電子海圖上顯示綜合想定態(tài)勢；在態(tài)勢推演過程中，可修改指定目標航線、運動參數(shù)，并按修改參數(shù)進行態(tài)勢推演；按用戶要求記錄、保存修改的模擬態(tài)勢想定方案。

5.4.5 任務控制功能

監(jiān)視無人機任務執(zhí)行狀態(tài)，暫停、恢復、終止、刪除、插入無人機子任務，修改無人機子任務的執(zhí)行順序、修改飛行航路；在多無人機協(xié)同工作的情況下，監(jiān)視無人機作業(yè)的同步狀態(tài)，提出無人機作業(yè)同步控制策略建議，提出無人機協(xié)同作業(yè)的航路及飛行建議。

5.4.6 任務計劃/方案/文電互通功能

提供載艦本艦、編隊系統(tǒng)與本系統(tǒng)間的任務計劃/方案/文電互通功能?？山邮?、顯示載艦本艦、編隊系統(tǒng)下發(fā)的無人機任務計劃和方案，并保存；也可將本系統(tǒng)的任務方案上報載艦本艦、編隊系統(tǒng)；提供文電編輯、發(fā)送/接收（帶附件）、查詢、索引功能，以及即時文電互通功能。

5.5 飛行控制功能

5.5.1 狀態(tài)監(jiān)視

監(jiān)視飛機設備運行狀態(tài)，監(jiān)視飛機航路附近區(qū)域的空海目標，監(jiān)視飛行區(qū)域的氣象水文地貌等環(huán)境信息，監(jiān)視飛機飛行狀態(tài)，監(jiān)視飛機剩余燃油數(shù)量，評估無人機飛行安全；監(jiān)視并評估任務執(zhí)行狀況；必要時給出告警提示。

5.5.2 飛行控制

根據(jù)飛行計劃、任務控制指令，操控無人機的起飛、航行；在作業(yè)區(qū)域內(nèi)操控飛機機動飛行、懸停，以配合載荷操控人員完成作業(yè)任務。根據(jù)環(huán)境與任務執(zhí)行情況，適時提出飛行航路、飛行計劃的修改建議。

5.6 載荷控制功能

5.6.1 狀態(tài)監(jiān)視

監(jiān)視任務載荷運行狀態(tài)；監(jiān)視、分析光電載荷獲取的圖像視頻信息，控制圖像的增強、放大、視頻暫停、回放等，進行目標檢測、識別與確認，評估任務執(zhí)行情況；監(jiān)視飛行區(qū)域的氣象水文地貌等環(huán)境信息，評估其對完成任務的影響；適時提出飛機機動飛行、任務執(zhí)行的建議。

5.6.2 載荷操控

控制載荷開關(guān)機；控制載荷的工作模式；控制光電載荷的視場大小與光軸指向。

5.7 通信功能

5.7.1 通信管理功能

提供實時通信設備、通信鏈路、通信業(yè)務的運行狀態(tài)顯示，提供通信系統(tǒng)設備連接關(guān)系、網(wǎng)絡運行組成情況等網(wǎng)絡拓撲、通信性能的設置與狀態(tài)監(jiān)視；提供通信系統(tǒng)故障、告警提示。

5.7.2 數(shù)據(jù)通信功能

通過數(shù)據(jù)鏈、有線網(wǎng)絡等多種手段與載艦本艦、編隊系統(tǒng)等進行數(shù)據(jù)通信；通過數(shù)據(jù)鏈與無人機進行數(shù)據(jù)通信，通過北斗短信引導失控飛機返航。

5.7.3 話務通信功能

具有短波、超短波、衛(wèi)通等多頻段話音通信功能，有線的話音通信功能。

5.8 輔助功能

具有開機自檢功能；系統(tǒng)內(nèi)時間統(tǒng)一功能；飛機、載荷等設備的工作時間累計與維護提示功能；飛機遙控自毀/自救功能。

6 結(jié)語

本文提出了艦載無人機指揮控制系統(tǒng)的方案，對艦載無人機指揮控制系統(tǒng)的需求，功能，體系結(jié)構(gòu)和臺位配置以及戰(zhàn)技性能進行了描述。

現(xiàn)代戰(zhàn)場的新特征使戰(zhàn)場管理發(fā)生了重大變化，決策中需要考慮的實體數(shù)量大幅度增加。在未來戰(zhàn)場中，人將依然作為戰(zhàn)場管理中的關(guān)鍵決策因素，因此需要通過指揮控制系統(tǒng)對戰(zhàn)場管理系統(tǒng)和人的認知因素進行研究，探索新的監(jiān)視和控制手段，實現(xiàn)較少數(shù)量操作員對大規(guī)模無人作戰(zhàn)平臺的控制。以人為中心、人在回路的混合主動控制是指揮控制系統(tǒng)一個研究重點。