無人機控制站監控軟件通用化設計

張大高

摘 要 為適應新一代控制站發展需求，從軟件框架結構、通用接口協議、通信服務、組件化模式以及多信息融合5個方面講述了無人機控制站軟件通用化開發設計約束。并對控制站監控軟件的典型應用進行功能分配。

【關鍵詞】無人機控制站 監控軟件 通用化設計

1 引言

無人機的控制站是無人機系統的重要組成部分，是無人機系統的指揮控制中心，可以完成無人機的操縱、數據鏈管理、機載任務設備控制，以及無人機全機狀態監控、任務載荷信息處理與顯示、任務規劃、多信息融合等功能。而控制站監控軟件（簡稱監控軟件）則是控制站的最重要的組成之一，是人與控制站交互的主要手段和渠道。目前，國內外都在極大對控制站的研究力度，根據需求的引導，無人機的控制站正向著多元化發展。從規模上可簡單的分為大型站、小型站以及便攜站等。而這些控制站都有著共同發展趨勢或特點：

1.1 多樣化的部署方式

從部署方式上，分為空機部署方式、地面部署方式和海基部署方式。其中地面部署方式應用最多，有分為固定式和車載移動式。

1.2 高智能化

隨著人工智能發展，未來的無人機系統將會是具備智慧的系統，短期內，無人機系統將會是“飛行員/操作員決策”+“智能控制站”+“智能無人機平臺”的工作模式。無人機平臺和控制站完成大部分信息處理，判斷、分析以及一些簡單的決策。而人則僅僅參與重要/核心的決策。

1.3 高通用性

隨著無人機型號越來越多，應用越來越廣泛，一套通用化的控制站越來越顯得格外重要。隨著無人機市場發展，必然會出現對應的標準與規范，大家按照同一套標準與規范，達到控制的互通，即使用一個控制站可控制多個或多種無人機。

1.4 智能的人機交互

未來無人直升機，新技術、新材料的推廣和應用，新一代智能的人機交互系統，逼真的仿真體驗、友好用戶操控。特別是作戰用的無人機，信息總類與數量很大，高信息融合。除此之外，隨著無人機型號越來越多，用戶對無人機的互操作性提出了更高的要求。這就要求人機交互界面的OOP（操作程序）就像汽車的顯示與操作流程一樣，有統一的規范和標準。

1.5 復雜的環境使用策略

單一的無人機系統執行任務的時代慢慢離我們遠去。多無人機機協同、有人機無機人協同以及多任務協同的腳步已經越來越近。隨著無人機發展，民用空域越來越多，特別是在通航開放以后，將會出現更多種類的空域細分。高復雜度的空域將是無人機系統必須面臨的問題，因此要求控制站能適應復雜的使用環境。

為了適應以上無人機系統的發展，需要新一代的通用型控制站，同時慢慢衍生出相應的通用化規范與標準。而通用型控制站的設計很大取決于控制站監控軟件的通用化設計。本文則講述我們在通用化監控軟件的方法與思路。

2 控制站監控軟件通用化開發設計

針對我們單位當前無人直升機的型號特點與發展需求，主要從層次化架構、通用接口協議、通信服務、組件化軟件結構、多信息融合等5個方面，講述控制站監控軟件通用設計主要思路與設計約束。

2.1 層次化構架

無人機控制站監控軟件架構采用分層結構，將系統軟件架構劃分為系統屏蔽層、集成工具層、應用控件層。該分層結構實現了各層之間、各功能模塊之間的松耦合交聯關系，便于系統的聯合開發與升級擴展，如圖1所示。

2.1.1 系統屏蔽層

系統屏蔽層為了使地面站相關的應用軟件在各個操作系統平臺下均能夠正常穩定的運行，建設一套專屬的跨平臺軟件適配層。通過系統屏蔽層該無人機控制站監控軟件可以運行在Windows、Linux操作系統，實現地面站訪問操作系統的管控，同時對應用軟件提供一致的訪問層，支撐地面站應用軟件的開發與運行。

通過抽象技術，把應用程序的核心部分分離出來，把代碼的移植工作集中在抽象層，提供軟件架構中各個層次間的標準服務接口，以屏蔽應用軟件模塊對底層軟件運行環境的依賴，以最小的代價完成代碼的移植。將硬件抽象化，隱藏了特定平臺的硬件接口細節，為操作系統提供虛擬硬件平臺，使其具有硬件無關性。

2.1.2 集成工具層

應用集成框架是控制站監控軟件的基礎運行環境，以開放式技術體系結構、數據分布式通信服務等技術為核心，為系統集成提供模塊集成、信息處理集成、人機界面集成、通信服務集成等功能。面向服務的軟件架構允許用戶向軟件框架中集成一系列標準的服務。在這種設計思路下，通過將GIS訪問、數據庫訪問、界面管理等常用公共服務集成在軟件框架內，并向應用軟件暴露統一的接口，以服務中間件的形式存在，可以為不同的應用軟件提供標準的公共服務，在應用軟件之間共享，一方面降低了應用軟件的重復開發工作，另一方面，標準化的接口也為軟件的安全性、可移植性提供了保障。

在集成工具層還包含了大量輔助開發測試工具，如通信接口測試工具、控件管理工具、界面布局工具等。

2.1.3 應用控件層

應用控件層由控件組成，控件是基本的功能單元，是實現業務邏輯、功能服務的主體。當用戶的行為和數據模型改變時，接收并處理事件命令，觸發業務邏輯，調用相應的功能服務進行業務處理，并通過相應的表現視圖將處理結果顯示出來。考慮到不同無人機型號顯示控制的特殊性，可以將控件分為通用控件和專有控件。通用控件可滿足不同型號需求，而專有控件則是針對具體型號和任務設備進行開發，滿足特殊需求。

2.2 通用接口協議

無人機控制站監控軟件按功能可簡單的分為飛行監控類、任務監控類、任務規劃類、鏈路/通信監控類以及情報與態勢處理類。針對每一類軟件，我們自定義一種通用接口協議。這種通用接口協議采用“固定+可變”結構格式。對于目前無人機系統已經成熟各種指令的類型進行固化，同時預留了指令擴展空間。

為兼顧已有的不同類型的無人機，并支持未來無人機的通信的通用化需求，需制定一個通用協議集，從而逐步實現地面站對各型無人機的互操作。

若無人機不支持通用協議集的約定，則需要經過飛行器專用協議轉換模塊進行轉換，采用此方式可以向下兼容已有型號的無人機。反之，若無人機完全支持通用協議集的約定，則不需要單獨的飛行器專用協議轉換模塊進行轉換，如圖2所示。

2.3 通信服務

通用數據傳輸服務以一系列標準服務接口實現應用軟件模塊間的邏輯數據通道，從而解除核心軟件邏輯對數據傳輸細節的依賴。可實現周期、離散、非周期消息等類型的數據格式的傳遞；為了解決不同硬件平臺、操作系統、編程環境下的差異，實現分布式異構環境下對應用層數據交互行為的統一規范，實現不同系統下的資源共享，提升應用軟件可移植致性的問題，使用DDS軟總線，以滿足所有控件的通信需求。

DDS定義了分布式實時系統中數據發布、傳遞和接收的接口和行為，定義了以數據為中心的發布/訂閱機制，提供了一個與平臺無關的數據模型，該模型能夠映射到各種具體的平臺和編程語言。此外DDS去中心化的對等架構設計允許應用在運行期間被自動發現和連接。它具有以下優勢：

（1）降低系統耦合；

（2）屏蔽異構系統的復雜性；

（3）屏蔽網絡通信細節；

（4）提高應用伸縮性；

（5）加快開發進度，減少技術負擔。

同時提供了豐富的實時QoS（Quality of Service），即可以滿足應用的各種性能和對資源的控制要求，包括可靠性、數據的持久度、數據的歷史記錄、周期數據的超時、基于時間的過濾、數據的所有權、分區、資源限制等，并且提供每一個主題、每一個訂閱者的定制化QoS服務。

經實踐證明，引入DDS后，當影響系統復雜度的因素大量增加時，使用DDS數據通信服務明顯降低了系統復雜度，如圖3所示。

2.4 組件化軟件結構

規范構件標準及安裝管理操作，并支持構件的動態升級及通信。構件遵循我們自定義的一種內部標準。它具有以下特點：

2.4.1 支持模塊化的動態部署

可以以模塊化的方式動態地部署至框架中，從而增加、擴展或改變系統的功能。

2.4.2 支持模塊化的封裝和交互

可以將系統按照模塊或其他方式劃分為不同的工程，使得模塊從物理上隔離。

2.4.3 支持模塊的動態配置

基礎平臺軟件通過提供配置管理服務來實現模塊的動態配置和統一管理，基于此服務各模塊的配置可在運行期間進行增加、修改和刪除。

2.4.4 模塊化的設計

可以定義模塊的范圍、模塊對外提供的服務和所依賴的服務。

2.4.5 可擴展的設計

可以采用可擴展式的設計，即可通過系統中預設的擴展點來擴充系統的功能。

2.5 多信息融合

多信息融合態勢系統，是在支持數據庫信息、動態情報信息、民用信息、無人機狀態信息等多種信息的情況下，基于虛擬現實技術，構建逼真的虛擬場景態勢，以一種全新的方式增強操作員對整個態勢的感知與把握。有力的提高無人機系統的飛行、偵查、作戰、評估等能力。

3 控制站監控軟件通用功能設計

上文從層次化架構、通用化接口協議、數據通信服務、組件化軟件架構以及多信息融合等5個方面，從軟件開發與維護的角度闡述了某型地面站軟件通用化設計的思路。而對于控制站監控軟件通用化設計來說，人機交互和功能的通用化設計是非常重要的。

控制站監控軟件的功能以一般主要包括飛行監控、任務監控、鏈路監控、任務規劃、綜合態勢與信息處理以及綜合HUD顯控等。由于應用控件是整個監控軟件的最基本的功能單元，與實現主體。因此對于整個控制站監控軟件的每個功能都有若干應用控件/功能單元組成。通過面向服務軟件集成框架，將一個或多個構件組合在一起，然后加載配置與定義模塊功能實現軟件功能與人機交互界面的布局，同時軟件集成架構為構件的加載和運行提供了生命周期管理、服務管理、事件管理等服務。根據加載控件不同，輸出不同的功能應用軟件。圖4為控制站監控軟件結構圖。

對于最后通過軟件集成框架生成應用軟件的功能組成有對應的要求與規范，現將功能應用軟件的典型功能進行分配，當然根據用戶特殊要求可以刪減功能組成。

飛行監控主要包含典型的功能單元（控件）如下：

（1）PFD信息：余度融合后速度、高度、航向、姿態等信息；

（2）EMS信息：轉速、燃油信息、滑油信息、壓力信息、溫度信息等；

（3）飛行信息：飛行模式、航線信息、已飛與待飛信息、燃油匹配信息等；

（4）飛機系統狀態信息：電器信息、傳動系統信息、控制距量/舵量等；

（5）故障及告警信息：無人機全系統告警信息；

（6）輔助決策信息：針對告警信息的一些應急策略與處理意見，只提供處理方案，由操作員決策；

（7）信息輸出：根據用戶需求定制對外輸出信息內容以及一些告警指示燈輸出；

（8）飛行控制：控制桿、油門桿、硬件按鍵、軟件按鍵、控制遙調等信息捕獲，控制指令生成與發送，該模塊可獨立成軟件配置項；

（9）其他專有信息等：其他信息。

鏈路監控主要包含典型的功能單元（控件）如下：

（1）鏈路選擇：鏈路選擇等；

（2）鏈路狀態信息：工作頻段、發射功率等；

（3）天線伺服：伺服狀態信息；

（4）鏈路控制：頻段控制、鏈路控制、功率控制；

任務規劃主要包含典型的功能單元（控件）如下：

（1）鏈路選擇：選擇不同通信鏈路；

（2）任務場景建立：戰區、任務區、空域、規避區、威脅區等建立、任務類型等；

（3）航路規劃：離線規劃、在線規劃、航線安全分析等；

（4）任務設備使用規劃：任務設備及傳感器等使用規劃；

（5）鏈路通信規劃：鏈路工作模式、使用類型、開啟靜默時間等；

（6）編隊規劃：無人機編隊信息；

（7）武器規劃：武器使用提示信息；

（8）信息輸出：將任務規劃結果通過特定格式輸出上報指揮決策；

任務監控主要包含典型的功能單元（控件）如下：

（1）光電監控：光電吊艙控制與狀態監測；

（2）雷達偵察監控：雷達偵察設備控制與狀態監測；

（3）中繼設備監控：中繼設備控制與狀態監測；

（4）其他任務設備：其他任務設備操控與狀態信息；

（5）信息輸出：將任務監控信息通過特定格式輸出上報指揮決策；

綜合態勢主要包含典型的功能單元（控件）如下：

（1）三維地理信息：包含高程信息、地貌信息、人文信息等；

（2）無人機信息：無人機的站位等信息；

（3）空域信息：無人機工作區域空域信息；

（4）任務設備/傳感器信息：任務載荷設備/傳感器工作范圍等信息；

（5）無人機飛行信息：無人機的飛行航線相關信息；

（6）無人機協同信息：多無人機或無人機與有人機間協同作戰信息；

綜合HUD主要包含典型的功能單元（控件）如下：

（1）飛行監控（精簡信息）：精簡的飛行監控信息；

（2）鏈路監控（精簡信息）：精簡的鏈路監控信息；

（3）任務監控（精簡信息）：精簡的任務監控信息；

（4）載荷監控（精簡信息）：精簡的載荷監控信息；

（5）二維地圖及態勢（精簡信息）：精簡的二維地圖和簡單態勢信息；

（6）控制管理：控制桿/手柄、周邊按鍵等設備控制權分配與管理、控制指令生成與發送等；

4 總結

軟件通用化設計是一種思想，在這種思想的指導下，降低軟件軟件開發周期與成本。在通用化設計的基礎和前提下，投入更多時間、人力到核心技術開發上。真正做到軟件智能化，讓軟件有智慧，從而使控制站是具備智慧的控制站，使無人機系統是智能的無人機系統。

參考文獻

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