中大型無人機通用化地面站

吳琴峰 孫志全 嚴小強/ 中航華東光電深圳有限公司，深圳市 羅湖區(qū) 518001

導(dǎo)讀：由于應(yīng)用場景的多樣性，現(xiàn)階段工業(yè)級無人機的種類越來越多，地面站的控制方式也是多種多樣。文章通過對數(shù)據(jù)鏈信號處理方式、操作席位布局以及指揮控制軟件等進行分析，提出了一種針對中大型無人機通用化地面站的解決方案，整合地面控制站資源。

無人機誕生于20世紀初的第一次世界大戰(zhàn)期間，其研制目的是為了減少飛機的失事，降低人員傷亡以及實現(xiàn)遠程打擊。隨著21世紀科學技術(shù)的進步，無人機技術(shù)以及無人機產(chǎn)業(yè)得到了迅速發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。

在軍事應(yīng)用方面，包括光電偵察、雷達偵察、電子對抗、察打一體、無人機反潛以及戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練等應(yīng)用場景；在工業(yè)應(yīng)用方面，包括城市安防、測繪、森林防火、VR直播、應(yīng)急救援、海事監(jiān)測以及農(nóng)林植保等應(yīng)用場景。

隨著無人機應(yīng)用越來越廣泛，無人機種類也是越來越多。目前民用市場上，中大型無人機以ZT-R100無人直升機、“鷂鷹”無人機、“翼龍”無人機以及“彩虹”無人機為典型代表。軍用級無人機種類更具多樣性。然而，針對不同型號的無人機，地面站都是定制的，也就是說同一個無人機地面站只能控制一種型號的無人機，通用化很差。為了整合地面站資源，實現(xiàn)“一站多機”的控制方式，通用化地面站的需求越來越迫切。

通用化地面站解決方案

地面站概述

地面站作為無人機的指揮中樞，在作用范圍內(nèi)，主要完成對無人機的整個飛行過程，包括起飛、航線飛行、著陸等過程進行控制，以及在任務(wù)區(qū)對載荷設(shè)備進行實時操縱；同時，地面站具有實時監(jiān)控無人機平臺、載荷設(shè)備的狀態(tài)，以及載荷圖像的顯示及數(shù)據(jù)對外分發(fā)等功能。

地面站設(shè)備數(shù)據(jù)流程如圖1所示。

地面站由鏈路地面終端以及指揮控制站組成。其中鏈路地面終端由視距鏈路地面終端和超視距鏈路地面終端組成(部分無人機無超視距地面終端)，指揮控制部分由飛控席位、載荷席位、鏈路席位以及網(wǎng)絡(luò)交換機等組成。

視距鏈路地面終端和超視距鏈路地面終端分別接收機載視距鏈路以及超視距鏈路發(fā)送的無線信號，經(jīng)過解調(diào)、解碼、解密處理后還原為原始的遙測及圖像數(shù)據(jù)，發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)交換機，指揮控制站飛控席位、載荷席位、鏈路席位通過TCP/IP協(xié)議接收網(wǎng)絡(luò)交換機發(fā)送的遙測及圖像數(shù)據(jù)并顯示。同時，可通過千兆以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送至遠端的指揮中心。

飛控席位、載荷席位、鏈路席位分別生成飛控指令、載荷指令以及鏈路指令，通過網(wǎng)絡(luò)交換機發(fā)送至視距鏈路地面終端、超視距鏈路地面終端，經(jīng)過加密、編碼、擴頻以及調(diào)制后發(fā)送至機載設(shè)備。

鏈路地面終端

數(shù)據(jù)鏈路產(chǎn)品供應(yīng)商很多，導(dǎo)致生產(chǎn)的數(shù)據(jù)鏈路產(chǎn)品各種各樣，信號處理方式以及對外接口多種多樣。要解決鏈路地面終端的通用化問題，首先就需要解決信號處理以及電氣接口的通用化問題。

圖1 地面站設(shè)備數(shù)據(jù)流程

(1) 信號處理

信號處理包括遙控信號的加密、編碼、擴頻與調(diào)制，遙測及圖像信號的解調(diào)、解碼與解密等。

要想實現(xiàn)一套地面站鏈路地面終端與多套不同機載數(shù)據(jù)鏈路終端的通信，則需要機載數(shù)據(jù)鏈路終端與地面數(shù)據(jù)鏈路終端的信號處理方式具有一致性，即具有一致的加解密方式、編解碼方式、擴解碼方式與調(diào)制解調(diào)方式。比如調(diào)制解調(diào)可采用QPSK方式，擴解碼可采用一致的偽隨機序列碼序列，編解碼可采用統(tǒng)一的糾錯編解碼技術(shù)，加解密可采用統(tǒng)一的AES加解密方式。

鏈路地面終端可采用軟件無線電的方式，軟件無線電的硬件平臺是一種通用的平臺，它可能對某種特定的通信系統(tǒng)不是最高效的，但是它的開放性和可伸縮性使其可以適用于多種無線通信系統(tǒng)，并可以對參數(shù)進行靈活的修改。軟件無線電的軟件用來實現(xiàn)無線通信的功能，包括上下變頻、調(diào)制解調(diào)、編解碼、加解密等。

由于中大型無人機通信鏈路頻譜范圍較寬，覆蓋范圍涵蓋400MHz至30GHz，而不同的頻率段數(shù)據(jù)鏈路設(shè)備的制造成本相差很大，因此可將數(shù)據(jù)鏈路頻譜劃分為UHF波段、L波段、S波段、L波段、C波段、Ku波段等，對不同的波段采用軟件無線電的方式實現(xiàn)波段內(nèi)信號的通用化處理。

(2) 電氣接口

鏈路地面終端接收指揮控制站的遙控數(shù)據(jù)，經(jīng)過信號處理后發(fā)送給機載設(shè)備；同時，接收機載設(shè)備的遙測及圖像信號，經(jīng)過信號變換后還原為原始的遙測及圖像數(shù)據(jù)，并發(fā)送給指揮控制站。

表1 通信協(xié)議框架結(jié)構(gòu)

鏈路地面終端與指揮控制站的接口可選用以太網(wǎng)接口，采用標準的TCP/IP協(xié)議，實現(xiàn)鏈路地面終端與指揮控制站之間的數(shù)據(jù)交互。

指揮控制站

指揮控制站采用方艙布局，由指揮控制站設(shè)備和指揮控制站軟件組成。

(1) 指揮控制站設(shè)備

指揮控制站設(shè)備由飛行控制席位、載荷控制席位以及鏈路控制席位組成。指揮控制站設(shè)備采用三席位布局，飛行控制席位主要承載飛行控制計算機以及飛行控制軟件，載荷控制席位主要承載載荷控制計算機以及載荷控制軟件，鏈路控制席位主要承載鏈路控制計算機以及鏈路控制軟件等。載荷控制席位可作為飛行控制席位的備份，當飛行控制席位出現(xiàn)故障時，載荷控制席位可控制無人機安全返航。

(2) 指揮控制站軟件

指揮控制站軟件包括飛行控制軟件、載荷控制軟件以及鏈路控制軟件。飛行控制軟件生成飛控指令，用于控制無人機平臺，同時接收無人機平臺數(shù)據(jù)并顯示；載荷控制軟件生成載荷指令，用于控制機載任務(wù)設(shè)備，同時接收載荷工作狀態(tài)及載荷圖像數(shù)據(jù)并顯示；鏈路控制軟件生成鏈路指令，用于對鏈路工作模式的切換，同時接收鏈路工作狀態(tài)并顯示。

由于不同型號的無人機，其工作狀態(tài)、工作參數(shù)以及搭載任務(wù)載荷具有多樣性，因此對于每一型無人機均具有其獨特的通信協(xié)議，同樣指揮控制站軟件須與其通信協(xié)議相對應(yīng)。

圖2 席位布局圖

要實現(xiàn)指揮控制軟件的通用化首先要實現(xiàn)通信協(xié)議的通用化。

1)通信協(xié)議的通用化

通信協(xié)議可采用框架式結(jié)構(gòu)，對無人機平臺及任務(wù)設(shè)備進行功能細分，每一項功能均對應(yīng)唯一的信息ID號。通信協(xié)議框架結(jié)構(gòu)如表1所示。

2)指揮控制軟件的通用化

要求指揮控制站軟件應(yīng)具有跨平臺性，能適用于各種不同的運行環(huán)境。

指揮控制軟件采用模塊化設(shè)計，通過選擇無人機的機型結(jié)構(gòu)，加載基本的軟件功能模塊，同時可根據(jù)其獨有的特點手動添加相應(yīng)軟件模塊。

結(jié)論

綜上所訴，由于數(shù)據(jù)鏈設(shè)備信號處理的多樣性、通信協(xié)議的多樣性以及指揮控制軟件的多樣性，無人機通用化地面站的道路仍然很長遠。未來，隨著軟件無線電技術(shù)的進一步發(fā)展以及無人機集群作戰(zhàn)、多機種編隊作戰(zhàn)的迫切需求，相關(guān)部門對通用化地面站的相關(guān)功能進行進一步細分，并形成標準。那么通用化地面站的腳步將越來越快，一站多型飛機的控制方式將變?yōu)楝F(xiàn)實。 ■