無人機地面控制站軟件通用化研究

何文志

（中國電子科技集團公司第五十四研究所， 河北 石家莊 050081）

0 引 言

地面控制站是無人機[1-4]系統(tǒng)控制的核心，可以完成對無人機的視距和超視距控制，它作為無人機系統(tǒng)控制的核心，在無人機系統(tǒng)的任務準備階段、關鍵任務執(zhí)行階段直到最后的事后分析階段都承擔著重要工作。地面控制站完成對無人機的控制，監(jiān)視無人機的飛行狀態(tài)和有效載荷的工作狀態(tài)，實現(xiàn)對無人機的遠距離操縱以及信息的實時監(jiān)視、記錄、分發(fā)[5-10]。它的核心功能主要由軟件系統(tǒng)實現(xiàn)，一般包括任務規(guī)劃、飛行監(jiān)視與控制、任務載荷監(jiān)視與控制、鏈路監(jiān)視與控制、綜合數(shù)據(jù)管理和情報分發(fā)等。

任務規(guī)劃的功能是：接收下達的無人機偵察任務，生成無人機偵察計劃；根據(jù)飛行偵察任務的要求，制定出若干條可能的飛行航線，并生成相應的航線裝訂數(shù)據(jù)；同時依據(jù)接收到的無人機位置信息，在數(shù)字地圖背景下繪制飛行軌跡。

飛行監(jiān)視與控制的功能是：實現(xiàn)對無人機的操縱和監(jiān)視，完成無人機飛行控制指令生成和發(fā)送，完成無人機遙測數(shù)據(jù)的接收和監(jiān)視。使操作員在操作席位上可以監(jiān)視無人機的航跡、飛行姿態(tài)、飛行狀態(tài)、設備狀態(tài)等；輔助完成無人機飛行控制。

任務載荷監(jiān)視與控制的功能是：實現(xiàn)對無人機任務載荷設備的操縱和監(jiān)視，完成無人機任務載荷（CCD、SAR、照相機等）控制指令的生成和發(fā)送、載荷狀態(tài)數(shù)據(jù)的接收和監(jiān)視。使操作員在屏幕上可以觀看實時傳回的偵察圖像信息，實時優(yōu)化任務載荷的工作狀態(tài)。

系統(tǒng)監(jiān)控的功能是：監(jiān)控無人機各數(shù)據(jù)鏈設備的工作狀況及鏈路工作狀況，完成鏈路控制和設備管理；通過人工干預或自動控制使無人機與地面站之間保持穩(wěn)定、可靠、高速的雙向通信。

綜合數(shù)據(jù)管理主要是記錄各種原始數(shù)據(jù)和過程數(shù)據(jù)，供系統(tǒng)做事后分析，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)檢索和數(shù)據(jù)回放等功能。記錄的主要數(shù)據(jù)有遙測數(shù)據(jù)、原始圖像數(shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù)、鏈路監(jiān)控數(shù)據(jù)等。

情報分發(fā)功能是指地面控制站可以將情報信息通過通用接入分發(fā)設備發(fā)送到公共通信系統(tǒng)的情報應用節(jié)點，實現(xiàn)偵察數(shù)據(jù)的廣域共享。

無人機地面控制站基本上都是基于專用的硬件平臺和軟件平臺，多數(shù)無法實現(xiàn)不同型號之間無人機共用，而軟件作為地面控制站的核心，同樣面臨如何實現(xiàn)通用化的問題。文獻[11]提出了一種采用平臺+插件的軟件架構，并分析了軟件架構、基于XML 技術的幀格式信號和參數(shù)信息描述、動態(tài)報文解析和組包、軟件界面定制等關鍵技術。文獻[12]設計與實現(xiàn)了任務規(guī)劃與控制演示系統(tǒng)。文獻[13]對控制站中的監(jiān)控軟件的典型應用進行了功能分配。文獻[14]進行了航跡規(guī)劃體系和在線航跡規(guī)劃算法研究。相關文獻主要是解決地面控制站軟件如何具體實現(xiàn)，而本文面向無人機通用地面控制站建設，通過分析地面控制站軟件通用化技術途徑，建立了基于DDS 的地面控制站軟件架構，給出了按照通用模塊和專用模塊劃分的通用地面控制站軟件模塊。

1 軟件通用化技術途徑

1.1 軟件通用處理

對于不同類型的飛機，地面控制站軟件通過事先配置好的相應飛機的資源信息庫（主要包括遙控幀信息、遙測幀信息、指令碼表信息、遙測參數(shù)信息等），由通用數(shù)據(jù)處理模塊進行統(tǒng)一處理。當幀的格式發(fā)生變化時，無需再對程序代碼進行修改，僅需修改資源信息庫的內(nèi)容，即可使軟件適應新的數(shù)據(jù)協(xié)議的需要。對于界面顯示模塊，設計時應該盡量保證不同飛機的一致性，由底層軟件區(qū)別飛機的處理，在顯示層設計為通用化的顯示。

1.2 操作界面的通用設計

對于界面顯示，采用模塊化窗口的設計方法。本文將航跡顯示、圖像顯示、儀表三姿顯示、任務平臺俯仰、方位儀表顯示等設計成為通用的模塊；同時對于其他遙測參數(shù)的結(jié)果，通過分析各型號無人機地面控制站軟件操作界面，找出界面的共同點和特殊點，針對共同點進行通用設計，針對特殊點地面控制站軟件可進行靈活配置，通過界面在線配置和界面配置庫實現(xiàn)通用。

界面顯示窗口的大小、位置都可以進行調(diào)整，并且窗口中顯示的內(nèi)容也都根據(jù)不同飛機定制的內(nèi)容自動變化，每一個窗口元素都可以通過選擇顯示任意的參數(shù)。通過這種模塊化窗口的設計可以適應不同類型無人機的需求。

1.3 DDS 中間件技術

采用DDS 中間件技術將應用層與底層隔離開，使得應用層和底層具備通用、互換、即插即用特性。DDS是一種架構在協(xié)議層和應用層之間的中間件技術，它將API 和UDP/IP 進行封裝，通過對數(shù)據(jù)進行分類，以及對軟件之間的交互模式進行標準化定義，實現(xiàn)應用層軟件之間更實時、準確、快捷的交互。

1.4 信息接入與分發(fā)的通用設計

采用模塊化方法設計一個獨立的軟件，專門負責廣域網(wǎng)信息接入與分發(fā)。該軟件對內(nèi)作為客戶端，可獲取系統(tǒng)內(nèi)部各種數(shù)據(jù)；對外作為服務器，可以向遠程客戶端分發(fā)數(shù)據(jù)。

信息接入與分發(fā)模塊對傳輸協(xié)議和信息格式進行標準化設計，采用標準TCP/IP 協(xié)議將遙測信息、數(shù)據(jù)文件等與遠端的情報處理終端或者指揮中心進行收發(fā)。

2 基于DDS 的地面控制站軟件架構

2.1 OMG DDS 規(guī)范

DDS 是OMG 組織下的國際標準[15]，DDS 規(guī)范了分布式實時系統(tǒng)中數(shù)據(jù)發(fā)布、傳遞和接收的接口和行為，定義了以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布/訂閱（Data-Centric Publish/Subscribe, DCPS）機制，提供了一個與平臺無關的數(shù)據(jù)模型，該模型能夠映射到各種具體的平臺和編程語言。DDS 規(guī)范的目的是簡化分布式系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的有效發(fā)布，它主要應用在要求高性能、可預見性和對資源有效使用的關鍵任務領域。DCPS 層是DDS 規(guī)范的核心，它提供了數(shù)據(jù)發(fā)布的基礎架構。DDS 信息分發(fā)中間件是一種輕便的、能夠提供實時信息傳送的中間件技術。

按照DDS 規(guī)范實現(xiàn)的網(wǎng)絡中間件集成了DDS API，能夠提供高度故障冗余并降低設計風險，減少初始開發(fā)與整體系統(tǒng)的成本。DDS 還在平臺、語言與傳輸機制方面提供了更大的靈活性，其可靠性與靈活性可滿足仿真、電信、工業(yè)自動化、醫(yī)療設備以及航空設備等應用的需求。 基于DDS 規(guī)范的開發(fā)人員可設定多種QoS 策略，如發(fā)布/訂閱速率以及通過網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)長度等。DDS 網(wǎng)絡中間件利用DCPS 模型的功能為實時與嵌入式系統(tǒng)提供高質(zhì)量的運行保障，盡可能地降低數(shù)據(jù)復制的需要，從而提高系統(tǒng)性能，同時還允許應用預分配資源提高可靠性和實時確定性。

DDS 總體架構如圖1 所示。

圖1 DDS 總體架構

DDS 可以向系統(tǒng)提供以下服務：

1） 可以提供實時的數(shù)據(jù)分發(fā)服務；

2） 可以實現(xiàn)上千個參數(shù)的監(jiān)控與分發(fā)，變量長度非常小，發(fā)送頻率快；

3） 可以適應各種刷新頻率不一樣的數(shù)據(jù)，最高頻率能到每秒千次，通過QoS 實現(xiàn)其同步控制；

4） 實現(xiàn)動態(tài)發(fā)布和訂閱數(shù)據(jù)，不再依賴固態(tài)的網(wǎng)絡結(jié)構；

5） 完全實現(xiàn)以數(shù)據(jù)為中心，應用層與傳輸層隔離，大幅度減小開發(fā)的工作量；

6） 提供強大的QoS 策略來保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行；

7） 大數(shù)據(jù)量的情況下，可以通過QoS 策略實現(xiàn)數(shù)據(jù)的壓縮以減小網(wǎng)絡開銷，支持多種硬件平臺、操作系統(tǒng)和編程語言，易于擴展。

2.2 基于DDS 規(guī)范的地面控制站軟件架構

目前的無人機地面控制系統(tǒng)中軟件體系架構一般采用服務器-客戶端模式，在通用化和擴展性方面存在以下幾個問題：

1） 各個軟件模塊之間的接口路徑固定，模塊間依賴性強，靈活性差；

2） 系統(tǒng)難以擴展，增加新模塊和刪除已有模塊需要較多的工作量；

3） 現(xiàn)有的服務器-客戶端架構存在單個模塊失效，可能會導致系統(tǒng)崩潰的危險，需要采用更好的QoS 策略來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行；

4） 各地面站、各無人機系統(tǒng)之間難以實現(xiàn)信息、情報共享。

DDS 中間件作為地面控制系統(tǒng)的“軟總線”，負責系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)分發(fā)，可以使系統(tǒng)開發(fā)者有更多的精力處理系統(tǒng)邏輯部分。DDS 中間件適用于大型控制系統(tǒng)中，特別是嚴苛的軍事系統(tǒng)中。DDS 作為中間件，產(chǎn)品的核內(nèi)延時一般小于10 μs。通用地面控制站軟件采用基于DDS 規(guī)范的軟件結(jié)構，其軟件架構圖如圖2 所示。

圖2 基于DDS 規(guī)范的地面控制站軟件架構

通過部署DDS 中間件，無人機地面控制站軟件可以實現(xiàn)通用化的軟件體系架構，主要表現(xiàn)在：

1） 系統(tǒng)以數(shù)據(jù)為中心，采用訂閱者/發(fā)布者模型來分發(fā)數(shù)據(jù)，各軟件模塊全部通過DDS進行數(shù)據(jù)交換，可以方便加入和退出系統(tǒng)。無論是通用的軟件模塊還是特定飛機軟件模塊，只需按照DDS 要求的規(guī)范開發(fā)，即可實現(xiàn)軟件模塊的“即插即用”，使系統(tǒng)獲得良好的擴展性；

2） 更加有利于軟件模塊化，針對“一站多機”需求勢必需要更多的軟件模塊以適應不同機型的數(shù)據(jù)。在DDS 支撐下，各軟件模塊只需專注于對數(shù)據(jù)的處理即可，無需擔心數(shù)據(jù)的獲取問題；

3） 通過訂閱/發(fā)布數(shù)據(jù)分發(fā)服務，地面站之間容易實現(xiàn)信息、情報共享，有利于實現(xiàn)多種無人機編隊飛行。

3 軟件功能模塊設計

3.1 功能模塊組成

無人機地面控制站按照通用化思路，軟件功能模塊組成圖如圖3所示。

圖3 軟件功能模塊組成圖

全系統(tǒng)由8個子系統(tǒng)組成，包含47個模塊級產(chǎn)品，各子系統(tǒng)及產(chǎn)品模塊說明如下。

3.2 任務規(guī)劃子系統(tǒng)（A）

任務規(guī)劃子系統(tǒng)承擔無人機的任務規(guī)劃任務，該子系統(tǒng)為軟件子系統(tǒng)，可獨立于特定硬件平臺，運行于通用計算機平臺。該子系統(tǒng)由7 個軟件模塊組成：

1） 集成規(guī)劃環(huán)境（AA）：該模塊為操作員提供高度集成的、圖形化、可視化、具有良好人機交互平臺的集成任務規(guī)劃環(huán)境，便于操作員完成任務規(guī)劃工作。

2） 飛行規(guī)劃模塊（AB）：該模塊為操作員提供飛行相關規(guī)劃能力。

3） 載荷規(guī)劃模塊（AC）：該模塊為操作員提供載荷相關規(guī)劃能力。

4） 數(shù)據(jù)鏈規(guī)劃模塊（AD）：該模塊為操作員提供數(shù)據(jù)鏈相關規(guī)劃能力。

5） 環(huán)境規(guī)劃模塊（AE）：該模塊為操作員提供地理環(huán)境、氣象環(huán)境、戰(zhàn)場環(huán)境、電磁環(huán)境等多種環(huán)境規(guī)劃能力。

6） 規(guī)劃產(chǎn)品生成模塊（AF）：該模塊將任務規(guī)劃成果轉(zhuǎn)換為各無人機及任務設備能夠識別的產(chǎn)品格式，供裝備使用。

7） 任務推演和重演模塊（AG）：該模塊在執(zhí)行任務前根據(jù)任務規(guī)劃結(jié)果及各種態(tài)勢信息進行任務預演，事后可以接收回放數(shù)據(jù)，重演任務執(zhí)行過程。

3.3 飛行器顯控子系統(tǒng)（B）

飛行器顯控子系統(tǒng)具有顯示無人機飛行器綜合數(shù)據(jù)與狀態(tài)、為無人機操作員提供飛行器控制的功能，確保無人機可靠、安全地完成任務。該子系統(tǒng)由5 個模塊組成：

1） 通用飛行控制模塊（BA）：該模塊對各型無人機的通用狀態(tài)與參數(shù)進行圖形化綜合顯示，并能夠完成通用指令的生成和發(fā)送。

2） 專用飛行控制模塊（BB）：該模塊對各型無人機的專用狀態(tài)與參數(shù)進行圖形化綜合顯示，并能夠完成專用指令的生成和發(fā)送。

3） 實時視頻顯示模塊（BC）：該模塊實時顯示飛行器的前視視頻，為操作員控制飛行器提供視頻參考。

4） 視頻疊加模塊（BD）：該模塊在實時視頻顯示的基礎上，疊加顯示各型無人機的通用狀態(tài)與參數(shù)。

5） 航跡顯示模塊（BE）：該模塊顯示無人機預設航線信息、地理信息、態(tài)勢信息，并在此基礎上實時顯示飛行航跡。

3.4 載荷顯控子系統(tǒng)（C）

載荷顯控子系統(tǒng)具有顯示無人機多種載荷設備的綜合參數(shù)與狀態(tài)、載荷偵察信息，并為載荷操作員提供對載荷的控制功能，完成無人機偵察任務。該子系統(tǒng)由8 個模塊組成：

1） 靜態(tài)圖像解壓模塊（CA）：該模塊依據(jù)所接收到的CCD 相機偵察數(shù)據(jù)，對圖像進行解壓恢復。

2） SAR 圖像解壓模塊（CB）：該模塊依據(jù)所接收到的SAR 偵察數(shù)據(jù)，對圖像進行解壓恢復。

3） 視頻圖像解壓模塊（CC）：該模塊依據(jù)所接收到的視頻圖像偵察數(shù)據(jù)，對圖像進行解壓恢復。

4） 圖像預處理模塊（CD）：該模塊對偵察圖像進行對比度、亮度、去噪、銳化等方面的預處理，以便于載荷操作員的設備控制。

5） 通用相機控制模塊（CE）：該模塊對機載相機的通用狀態(tài)與參數(shù)進行綜合顯示，并能夠完成通用指令的生成和發(fā)送。

6） 通用SAR 控制模塊（CF）：該模塊對機載SAR 設備的通用狀態(tài)與參數(shù)進行綜合顯示，并能夠完成通用指令的生成和發(fā)送。

7） 通用CCD 控制模塊（CG）：該模塊對機載CCD 設備的通用狀態(tài)與參數(shù)進行綜合顯示，并能夠完成通用指令的生成和發(fā)送。

8） 專用載荷控制模塊（CH）：該模塊對專用載荷設備的狀態(tài)與參數(shù)進行綜合顯示，并能夠完成專用指令的生成和發(fā)送。

3.5 數(shù)據(jù)鏈管理子系統(tǒng)（D）

數(shù)據(jù)鏈管理子系統(tǒng)為地面控制站提供多數(shù)據(jù)鏈接入、鏈路切換與管理功能，確保無人機與地面控制站之間的高速、高可靠、實時數(shù)據(jù)傳輸能力。該子系統(tǒng)由7個模塊組成：

1） 視距主鏈路控制模塊（DA）：該模塊用于對地面控制站所接入的視距主鏈路數(shù)據(jù)鏈設備進行狀態(tài)監(jiān)視與設備控制。

2） 定向天線控制模塊（DB）：該模塊用于對地面控制站所接入的視距主鏈路定向進行狀態(tài)監(jiān)視與設備控制，完成天線定標、控制、數(shù)字引導等功能。

3） 視距副鏈路控制模塊（DC）：該模塊用于對地面控制站所接入的視距副鏈路數(shù)據(jù)鏈設備進行狀態(tài)監(jiān)視與設備控制。

4） 衛(wèi)通鏈路控制模塊（DD）：該模塊用于對地面控制站所接入的Ku 波段衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)鏈設備進行狀態(tài)監(jiān)視與設備控制。

5） 自動化運行模塊（DE）：該模塊用于對各種數(shù)據(jù)鏈的自動標校、自動切換、自動化運行等控制。

6） 控制權管理模塊（DF）：該模塊用于監(jiān)測和管理對飛行器的控制權，包括管理控制權交接過程。

7） 數(shù)據(jù)鏈綜管模塊（DG）：該模塊配合數(shù)據(jù)鏈綜管設備，進行數(shù)據(jù)鏈選擇、切換；信息路由功能；信息復分接功能；信息分發(fā)與廣播功能。

3.6 綜合業(yè)務子系統(tǒng)（E）

綜合業(yè)務子系統(tǒng)為地面控制站提供系統(tǒng)監(jiān)控、綜合告警、地圖航跡顯示、數(shù)據(jù)記錄等功能。該子系統(tǒng)由3個模塊組成：

1） 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)管理模塊（EA）：該模塊對地面控制站所接收、發(fā)送的全部數(shù)據(jù)進行記錄管理，并能夠進行事后分析及回放。

2） 綜合告警模塊（EB）：該模塊為操作員提供飛行器通用狀態(tài)和參數(shù)的綜合告警，包括鏈路告警、飛行器告警、載荷設備告警。

3） VSM 管理模塊（EC）：該模塊監(jiān)測和管理全系統(tǒng)的VSM 模塊，為操作員提供各VSM 總狀態(tài)顯示及VSM的調(diào)用方法。

3.7 接入分發(fā)子系統(tǒng)（F）

通信接入子系統(tǒng)為地面控制站提供任務控制站與軍用通信網(wǎng)之間的多種接入能力。該子系統(tǒng)由3 個模塊組成：

1） C4I 接入模塊（FA）：該模塊提供與C4I 系統(tǒng)之間的接入能力。

2） 起降引導接入模塊（FB）：該模塊提供與起降引導設備之間的接入能力。

3） 情報接入模塊（FC）：該模塊提供與情報處理之間的接入能力。

3.8 信息處理傳輸子系統(tǒng)（G）

信息處理傳輸子系統(tǒng)為地面控制站提供高實時、高可靠的上行信息傳輸服務，及高數(shù)據(jù)量、高可靠、多路共享的下行信息傳輸服務。該子系統(tǒng)由9 個模塊組成：

1） 通用上行組幀模塊（GA）：該模塊采集各控制模塊發(fā)送的各種控制指令，完成通用上行遙控幀的組幀和發(fā)送。

2） 專用上行組幀模塊（GB）：該模塊采集各控制模塊發(fā)送的各種控制指令，完成專用上行遙控幀的組幀和發(fā)送。

3） 通用下行解幀模塊（GC）：該模塊通過各種接口接收下行數(shù)據(jù)，對符合通用遙測協(xié)議的數(shù)據(jù)完成解幀和DDS 發(fā)送。

4） 專用下行解幀模塊（GD）：該模塊通過各種接口接收下行數(shù)據(jù)，對符合專用遙測協(xié)議的數(shù)據(jù)完成解幀和DDS 發(fā)送。

5） 下行數(shù)據(jù)選擇模塊（GE）：該模塊監(jiān)測各鏈路下行數(shù)據(jù)的接收狀態(tài)，根據(jù)優(yōu)先級、數(shù)據(jù)質(zhì)量或在人工控制下選擇最優(yōu)的各種下行數(shù)據(jù)，選擇結(jié)果供其他軟件模塊使用。

6） 通用解碼器（GF）：該模塊在配置庫的支持下，完成從遙測數(shù)據(jù)幀中解算出通用的遙測參數(shù)結(jié)果。

7） 專用解碼器（GG）：該模塊在配置庫的支持下完成從遙測數(shù)據(jù)幀中解算出專用遙測參數(shù)結(jié)果。

8） 通用編碼器（GH）：該模塊在配置庫的支持下完成對通用遙控指令的指令編碼。

9） 專用編碼器（GI）：該模塊在配置庫的支持下完成對專用遙控指令的指令編碼。

3.9 輔助指揮子系統(tǒng)（H）

輔助指揮子系統(tǒng)為地面控制站指揮員提供任務管理、輔助指揮、模擬訓練及系統(tǒng)監(jiān)測功能。該子系統(tǒng)由5 個模塊組成：

1） 任務管理模塊（HA）：該模塊為指揮員提供對無人機任務的管理能力，指揮員可利用該模塊對無人機進行任務切換、任務參數(shù)修改等工作，各席位使用該模塊可協(xié)調(diào)各軟件模塊的飛機類型和飛機地址選擇。

2） 輔助指揮模塊（HB）：該模塊依據(jù)無人機及地面控制站系統(tǒng)狀態(tài)與參數(shù)，有針對性地為指揮員提供輔助建議，供指揮員在應急情況下借鑒參考。

3） 模擬訓練模塊（HC）：該模塊依據(jù)任務規(guī)劃或真實飛行數(shù)據(jù)，驅(qū)動地面控制站設備模擬真實環(huán)境工作，供無人機操作員訓練使用。

4） 系統(tǒng)監(jiān)測模塊（HD）：該模塊監(jiān)測全系統(tǒng)軟件模塊的運行狀態(tài)，管理各種數(shù)據(jù)的交互情況，監(jiān)視和分析遙控指令是否產(chǎn)生沖突。

5） 空管及指揮處理模塊（HE）：該模塊完成與地面空管系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，接收空管系統(tǒng)指令，發(fā)送飛機當前位置及航點信息。

4 結(jié) 語

地面控制站軟件是一個復雜的軟件系統(tǒng)，具有功能類別多、管理設備多、接口種類多、運行模式多等特點。在多種型號無人機之間實現(xiàn)地面控制站通用化和多機協(xié)同控制，首先必須完成軟件通用化。

軟件系統(tǒng)是地面指揮控制站的核心，通過“通用+專用模塊”設計，底層采用DDS 中間件技術，界面顯示采用模塊化設計方法，基本可以實現(xiàn)地面控制站軟件的通用化，后續(xù)還需分步驟在新研制的型號上進行具體實施，尤其還需研究消息標準的建立，最終實現(xiàn)無人機地面控制站軟件通用化。