一種偵察打擊一體化無(wú)人機(jī)地面站軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所，河南鄭州 450047

關(guān)鍵字：無(wú)人機(jī)；地面站；多線程

一、引言

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)憑借設(shè)計(jì)靈活，成本低，零傷亡的特點(diǎn)，在多次戰(zhàn)爭(zhēng)中都起到了重要的作用。偵察打擊一體化無(wú)人機(jī)，既能偵察，又具有打擊毀傷能力，引起了各方的廣泛關(guān)注[1]。無(wú)人機(jī)能不能發(fā)揮其最大的攻擊潛能，取決于全自主飛行控制系統(tǒng)和火力控制系統(tǒng)綜合形成的自主協(xié)調(diào)攻擊能力，從而實(shí)現(xiàn)偵察打擊一體化的能力[2]。作為無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，地面站系統(tǒng)[3-4]如何控制好偵察打擊一體化無(wú)人機(jī)，順利完成對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行操縱、偵察和打擊，也是提高自主控制能力以及打擊精度的技術(shù)關(guān)鍵，是一項(xiàng)十分重要的工作。

本研究主要完成偵察打擊一體化無(wú)人機(jī)地面站系統(tǒng)部分控制軟件的規(guī)劃和設(shè)計(jì)，基于分層模塊化的設(shè)計(jì)思想，采用事件驅(qū)動(dòng)的通信機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)偵察打擊一體化無(wú)人機(jī)的飛行控制。

二、需求分析

1、設(shè)計(jì)目標(biāo)

地面站軟件系統(tǒng)是整個(gè)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的地面神經(jīng)中樞，主要完成控制無(wú)人機(jī)的發(fā)射、起飛和回收，接收和處理無(wú)人機(jī)系統(tǒng)飛行數(shù)據(jù)，完成對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行航線管理、操作與控制、飛行參數(shù)與飛行軌跡的綜合顯示、導(dǎo)引頭工作參數(shù)以及視頻圖像的顯示、數(shù)據(jù)記錄、回放以及數(shù)據(jù)分析等任務(wù)。

2、軟件功能需求

根據(jù)偵察打擊一體化無(wú)人機(jī)地面站系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)以及實(shí)際應(yīng)用需要，軟件功能可概括為以下幾個(gè)方面：

（1）能夠制定飛行任務(wù)，支持任務(wù)的添加、修改、刪除，可以根據(jù)不同的策略自動(dòng)生成任務(wù)航線；

（2）能夠控制無(wú)人機(jī)的狀態(tài)切換，顯示飛行數(shù)據(jù)、監(jiān)視并顯示機(jī)載和地面設(shè)備狀態(tài)，保證飛行安全；

（3）具備控制導(dǎo)引頭的功能，并能進(jìn)行導(dǎo)引頭狀態(tài)顯示以及視頻圖像解碼；

（4）具有電子地圖功能，能實(shí)時(shí)顯示飛行軌跡；

（5）能記錄并回放飛行數(shù)據(jù)，事后可對(duì)飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析；

（6）保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、采取實(shí)時(shí)高效地?cái)?shù)據(jù)傳輸機(jī)制，以滿足大數(shù)據(jù)量的傳輸要求；

（7）人機(jī)界面友好，方便操作。

三、軟件設(shè)計(jì)

1、系統(tǒng)框架

地面站系統(tǒng)軟件基于分層模塊化的設(shè)計(jì)思想，借鑒MVC開(kāi)發(fā)模式，系統(tǒng)框架按照用戶界面層、數(shù)據(jù)實(shí)體層和接口層分層設(shè)計(jì)。用戶界面層為人機(jī)交互的主要部分，提供交互式的頁(yè)面，用戶界面層的各個(gè)功能模塊共同實(shí)現(xiàn)地面站系統(tǒng)的主要功能。數(shù)據(jù)實(shí)體層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳遞和處理，針對(duì)不同的模塊，設(shè)計(jì)不同的控制類和界面層交互，從而完成各功能模塊間的數(shù)據(jù)流向控制。接口層完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和底層數(shù)據(jù)的接收處理工作。圖1為地面站軟件系統(tǒng)的框架圖。

2、模塊設(shè)計(jì)

地面站軟件分為以下幾個(gè)功能模塊：

（1）航線規(guī)劃：對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行航線規(guī)劃，可修改、存儲(chǔ)至文件和從文件導(dǎo)入，并能通過(guò)測(cè)控鏈路上穿至無(wú)人機(jī)；

（2）無(wú)人機(jī)控制：對(duì)無(wú)人機(jī)的操作與控制主要是響應(yīng)地面操控設(shè)備以及軟件界面按鍵值，生成相應(yīng)的遙控指令，封裝至遙控?cái)?shù)據(jù)幀，通過(guò)測(cè)控鏈路傳輸至無(wú)人機(jī)，控制無(wú)人機(jī)的巡航、俯沖、拉起和回收等操作；

（3）綜合顯示：飛行參數(shù)和飛行軌跡的綜合顯示，接收下行遙測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行信息分解，顯示無(wú)人機(jī)的工作狀態(tài)、火控計(jì)算結(jié)果等，顯示無(wú)人機(jī)的速度、姿態(tài)、位置等飛行狀態(tài)；

（4）火控解算：通過(guò)無(wú)人機(jī)飛行參數(shù)、目標(biāo)點(diǎn)位置信息以及導(dǎo)引頭狀態(tài)信息進(jìn)行攻擊區(qū)域、無(wú)人機(jī)視場(chǎng)解算等火控解算；

（5）電子地圖：完成工作區(qū)域電子地圖加載顯示，放大、縮小、平移等地圖功能；能顯示原點(diǎn)、盤旋點(diǎn)、降落點(diǎn)等點(diǎn)信息；能顯示規(guī)劃航線、飛行航跡；

（6）導(dǎo)引頭控制與顯示：操控導(dǎo)引頭搜索、捕獲并跟蹤目標(biāo)，顯示導(dǎo)引頭的視頻圖像，監(jiān)控導(dǎo)引頭的工作狀態(tài)；

（7）狀態(tài)監(jiān)測(cè)：監(jiān)視機(jī)載和地面設(shè)備的工作狀態(tài)，顯示當(dāng)前無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)，導(dǎo)引頭的工作狀態(tài)，在設(shè)備工作異常時(shí)告警，保證可靠飛行；

（8）數(shù)據(jù)記錄、回放、處理與分析：存儲(chǔ)飛行數(shù)據(jù)，能將存儲(chǔ)的飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)回放，并對(duì)飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析飛行過(guò)程，進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)；

（9）通信管理：完成地面站與無(wú)人機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，管理遙測(cè)信息的接收和遙控指令的發(fā)送；

（10）鏈路控制：能夠監(jiān)視鏈路狀態(tài)信息，能控制鏈路功率、頻道等；

（11）日志記錄：能夠記錄系統(tǒng)運(yùn)行日志。

3、系統(tǒng)工作流程

地面站軟件工作時(shí)，首先進(jìn)行系統(tǒng)自檢，自檢完成后進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃，操作員通過(guò)地面站軟件觀察導(dǎo)引頭回傳圖像，根據(jù)目標(biāo)信息判斷是否手動(dòng)搜索，例如，目標(biāo)在視場(chǎng)內(nèi)時(shí)在手動(dòng)搜索模式下發(fā)送鎖定指令進(jìn)行目標(biāo)鎖定，目標(biāo)在視場(chǎng)外在自動(dòng)模式下通過(guò)數(shù)引指令引導(dǎo)目標(biāo)，經(jīng)過(guò)火控解算模塊輔助決策是否攻擊，之后對(duì)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，完成整個(gè)飛行過(guò)程。地面站軟件的系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

四、軟件關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

本研究采用VS2010作為開(kāi)發(fā)工具，以C#為主要程序語(yǔ)言，基于Net FrameWork3.5框架下進(jìn)行開(kāi)發(fā)，以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)地面站軟件系統(tǒng)。

1、綜合顯示

系統(tǒng)的綜合顯示模塊涉及的數(shù)據(jù)量比較大，要解決的關(guān)鍵是處理數(shù)據(jù)間的傳遞以及界面刷新的問(wèn)題。采用多線程同步技術(shù)以及全局變量實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞，后臺(tái)線程接收和處理數(shù)據(jù)，主頁(yè)面線程通過(guò)全局變量讀取已處理的數(shù)據(jù)成果，互不干涉，界面效果流暢。具體解決方法如下：

使用C#的System.Threading Thread類來(lái)實(shí)現(xiàn)線程。長(zhǎng)時(shí)間搶占主線程會(huì)造成界面反應(yīng)遲鈍，因此系統(tǒng)采用后臺(tái)多線程的方法監(jiān)聽(tīng)端口和處理數(shù)據(jù)，線程間采用全局靜態(tài)變量（static）、事件（event）、消息（message）和互斥對(duì)象（Mutex）的方式實(shí)現(xiàn)線程同步和調(diào)度，避免出現(xiàn)資源競(jìng)爭(zhēng)而引起幾個(gè)線程乃至整個(gè)系統(tǒng)的死鎖[5]。

本系統(tǒng)采用事件驅(qū)動(dòng)、全局變量的方式，通過(guò)消息來(lái)實(shí)現(xiàn)各線程之間的數(shù)據(jù)傳遞。系統(tǒng)開(kāi)始，網(wǎng)絡(luò)端口監(jiān)測(cè)線程不斷監(jiān)測(cè)外部數(shù)據(jù)，接收到外部數(shù)據(jù)之后，不斷將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)緩存區(qū)，數(shù)據(jù)處理線程將緩存數(shù)據(jù)解析到數(shù)據(jù)實(shí)體類，供主頁(yè)面數(shù)據(jù)刷新定時(shí)器中的方法調(diào)用并顯示，同時(shí)解析完一幀數(shù)據(jù)后將解析完的數(shù)據(jù)移出。

綜合顯示模塊流程圖如圖3所示，主要代碼實(shí)現(xiàn)如下：

（1）建立TCP/IP連接套結(jié)字：

（2）新建網(wǎng)絡(luò)端口監(jiān)測(cè)線程，接收數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)緩存：

（3）新建數(shù)據(jù)處理線程

（4）主頁(yè)面刷新數(shù)據(jù)定時(shí)器訪問(wèn)數(shù)據(jù)實(shí)體類，將數(shù)據(jù)顯示在主頁(yè)面上。

2、基于MapX地圖插件的航線管理

MapX插件擁有強(qiáng)大的地圖功能，可實(shí)現(xiàn)地圖的基本操作，如放大，縮小，平移等。使用MapX插件進(jìn)行封裝，本系統(tǒng)使用MapX地圖插件封裝成一個(gè)GMAP類，使用時(shí)需指定地圖路徑。封裝的插件主要包括插件的初始化，工具欄的加載，點(diǎn)、線、圓等元素的標(biāo)繪方法，坐標(biāo)變換方法等。

航線管理[6]基于MapX插件，根據(jù)不同情況，設(shè)計(jì)有三種航線生成方式：

（1）通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊地圖上的點(diǎn)，輸入航點(diǎn)形成航線；

（2）根據(jù)航線高度，航點(diǎn)邊距生成以飛機(jī)原點(diǎn)為中心自動(dòng)生成正方形航線；

（3）根據(jù)目標(biāo)點(diǎn)信息、航線長(zhǎng)度、航線寬度、風(fēng)向信息、禁飛區(qū)，自動(dòng)規(guī)避禁飛區(qū)，自動(dòng)生成攻擊航線。航線管理模塊流程圖如圖4所示。

3、火控解算

火控解算是偵察打擊一體化無(wú)人機(jī)的重要模塊，是操作人員控制無(wú)人機(jī)進(jìn)行鎖定、攻擊等指令時(shí)輔助決策手段，包含可攻擊區(qū)域解算、目標(biāo)位置解算、視場(chǎng)解算、目標(biāo)引導(dǎo)解算和攻擊閾值解算。

火控解算模塊流程圖如圖5所示。主要方法設(shè)計(jì)如下：

（1）計(jì)算飛機(jī)的橫滾角roll、俯仰角pitch和航向角yaw信息

public static void updateRbe（float roll, float pitch, float yaw）；

（2）可攻擊區(qū)域解算和攻擊閾值解算

根據(jù)目標(biāo)信息，攻擊角度和飛機(jī)位置，可計(jì)算無(wú)人機(jī)的可攻擊區(qū)域，根據(jù)飛機(jī)位置和已計(jì)算得出的可攻擊區(qū)域判定攻擊閾值范圍：

public unsafe static void getGuide_area（position_FIRE target, position_FIRE point_Far, position_FIRE point_near, position_FIRE* point_One, position_FIRE* point_Two）；

（3）目標(biāo)位置解算

根據(jù)飛機(jī)位置、導(dǎo)引頭參數(shù)，解算目標(biāo)經(jīng)緯度信息：

public unsafe static position_FIRE getTarget（position_FIRE flight, seeker s）；

（4）視場(chǎng)解算

根據(jù)飛機(jī)位置信息、導(dǎo)引頭參數(shù)計(jì)算視場(chǎng)區(qū)域：

public unsafe static field_video getArea（position_FIRE flight, seeker s）；

（5）目標(biāo)引導(dǎo)解算

根據(jù)目標(biāo)位置信息和飛機(jī)位置信息，計(jì)算導(dǎo)引頭數(shù)引參數(shù)：

public static seeker getGuide_cal（position_FIRE target, position_FIRE flight）。

五、應(yīng)用實(shí)例

1、試驗(yàn)介紹

為驗(yàn)證本無(wú)人機(jī)地面站軟件系統(tǒng)功能，結(jié)合無(wú)人機(jī)系統(tǒng)、無(wú)人機(jī)控制鏈路和無(wú)人機(jī)地面站軟件系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程及步驟如下：

（1）無(wú)人機(jī)系統(tǒng)（包含導(dǎo)引頭）、無(wú)人機(jī)控制鏈路和無(wú)人機(jī)地面站全系統(tǒng)加電；

（2）無(wú)人機(jī)系統(tǒng)將系統(tǒng)機(jī)載狀態(tài)、導(dǎo)引頭視頻信息通過(guò)無(wú)人機(jī)控制鏈路下傳；

（3）通過(guò)無(wú)人機(jī)軟件系統(tǒng)顯示無(wú)人機(jī)系統(tǒng)狀態(tài)等信息，記錄下傳的數(shù)據(jù)；

（4）對(duì)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行回放；

（5）對(duì)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。

2、結(jié)果分析

在實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中，地面站軟件系統(tǒng)運(yùn)行流暢，無(wú)卡死卡頓現(xiàn)象。系統(tǒng)軟件部署在三個(gè)臺(tái)位上，分別是綜合顯示控制臺(tái)位、導(dǎo)引頭鏈路控制臺(tái)位以及數(shù)據(jù)處理分析臺(tái)位。

（1）綜合顯示控制臺(tái)位

圖6所示為綜合顯示控制臺(tái)位頁(yè)面，主要包括綜合顯示模塊、火控解算模塊和無(wú)人機(jī)指令控制模塊。綜合顯示模塊能實(shí)時(shí)解析并顯示機(jī)載狀態(tài)，如飛行模式、機(jī)載設(shè)備信息狀態(tài)、飛機(jī)位置和航跡等（例如，通過(guò)菜單可進(jìn)入航線管理模塊頁(yè)面，如圖7所示，可新建、保存、讀取、上傳，查詢航線操作等）；試驗(yàn)過(guò)程中，火控解算模塊通過(guò)解算功能將數(shù)據(jù)顯示在頁(yè)面中，輔助操作員決策；指令控制區(qū)域包含常用操作指令，能通過(guò)鏈路系統(tǒng)進(jìn)行指令上傳。

（2）導(dǎo)引頭鏈路控制臺(tái)位

導(dǎo)引頭鏈路控制臺(tái)位主要包括鏈路控制和狀態(tài)顯示模塊、導(dǎo)引頭控制和狀態(tài)顯示模塊以及數(shù)據(jù)記錄與回放模塊。圖8為導(dǎo)引頭鏈路臺(tái)位頁(yè)面。鏈路控制頁(yè)面能顯示鏈路鏈接狀態(tài)，可對(duì)機(jī)載上行、下行鏈路的狀態(tài)進(jìn)行顯示，顯示誤碼信息、功率信息等，操作簡(jiǎn)單方便。導(dǎo)引頭頁(yè)面可顯示導(dǎo)引頭狀態(tài)信息、導(dǎo)引頭方位和俯仰信息、導(dǎo)引頭狀態(tài)和自檢信息，導(dǎo)引頭圖像清晰，視頻無(wú)亂碼。

圖9為數(shù)據(jù)記錄與回放頁(yè)面。數(shù)據(jù)記錄與回放模塊直接在鏈路接收數(shù)據(jù)時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)管理和記錄，保證原始數(shù)據(jù)未做修改。可對(duì)已記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行加載，數(shù)據(jù)回放模塊解析記錄的數(shù)據(jù)，將解析后的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，并模擬實(shí)際無(wú)人機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)向無(wú)人機(jī)地面軟件系統(tǒng)發(fā)送。圖9左圖綠色高亮所示的復(fù)合數(shù)據(jù)、飛控遙測(cè)數(shù)據(jù)、飛控遙控?cái)?shù)據(jù)等，解析完成后可通過(guò)網(wǎng)口發(fā)出至綜合顯示模塊。

（3）數(shù)據(jù)處理分析臺(tái)位

圖10所示為數(shù)據(jù)處理分析臺(tái)位頁(yè)面，主要包括數(shù)據(jù)處理與分析功能模塊。將記錄的數(shù)據(jù)加載到數(shù)據(jù)處理與分析程序中，系統(tǒng)讀取并解析成各系統(tǒng)狀態(tài)量，可選擇指定系統(tǒng)狀態(tài)量繪制曲線；反過(guò)來(lái)，通過(guò)選取曲線上的點(diǎn)可讀取此刻系統(tǒng)各狀態(tài)信息。

六、結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)的無(wú)人機(jī)地面站軟件系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)工程試驗(yàn)檢驗(yàn)，界面友好，操作便捷，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行正常，有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。存在的問(wèn)題是，在使用過(guò)程中，地圖控件的功能僅能滿足基本需求，例如缺少封閉區(qū)域填充紋理操作。在以后的工作中，將添加更多的功能以滿足更多場(chǎng)合的需要。