艦載無人機指揮控制系統設計與開發?

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、為武器系統提供目標定位、指示、艦炮火力修正、動態監視和毀傷評估的實時情報等，顯示出巨大的軍用價值和發展潛力，引起各軍事強國的關注。

隨著技術的發展，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，但任務執行過程中地面操作人員依然擁有最高的決策權和最終的決定權，無人機執行任務離不開艦載指揮控制系統的支持。因為作戰任務的多重性與復雜性，今后一架無人作戰飛機單獨執行任務的可能性越來越小，艦載指揮控制系統需要實現對多架艦載無人機的協同任務控制，使其相互協作去完成復雜的任務。

2 艦載無人機系統組成

艦載無人機系統由艦載無人機、指揮控制系統、任務載荷、通信鏈路、艦面助降、輔助設備等分系統組成，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的基礎部分，包括飛機機體、推進裝置、飛行控制與導航系統、機載供電系統、北斗通信導航定位單元等。

2）任務載荷分系統

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、可見光攝像機等構成，任務系統的信息數據通過數據鏈路傳輸到指揮控制系統。

圖1 艦載無人機系統結構示意圖

3）數據鏈通信系統

為無人機系統提供控制（數傳）、載荷（圖傳）信息傳輸的無線電鏈路，是無人機與指揮控制系統間的信息橋梁，主要包括視距數據鏈機載設備和艦載設備。機載設備完成上行遙控信號接收、偵查信息壓縮與發送、遙測信號發送、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

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

指揮控制系統是無人機系統的指揮控制中心，主要完成偵查任務受領、飛行指揮、任務規劃、系統監控、飛行控制與監視、偵查任務載荷控制、偵查圖像數據顯示、數據記錄與回放及對外通聯等任務。

6）輔助設備

輔助設備是艦載無人機系統可靠、有效執行偵察任務的有力保障，主要完成系統的機務保障、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需求

艦載指揮控制系統接收并分析用戶分配給艦載無人機系統的任務，進行任務規劃，包括載荷選配、航路規劃、飛行計劃；控制無人機起飛、按計劃飛行，控制載荷執行目標探測、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；在整個任務執行過程中，監視無人機作業環境、無人機設備與飛行狀態、鏈路狀態、任務載荷狀態；進行任務載荷數據處理（含數據記錄與回放），評估任務執行情況；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；支持無人機任務執行效能評估，并保存評估結果。

4 艦載無人機指揮控制系統體系結構與臺位配置

4.1 系統體系結構

艦載無人機系統的指揮控制系統以無線網絡/有線網絡接入本艦指控、編隊系統，以數據鏈與無人機及其載荷進行數據交換，系統內部通過以太網絡連接，系統外部的串口、USB接口、視頻SDI等接口，通過接口轉換設備轉換成以太網數據，經內部交換機發送給各相關臺位。各臺位以數據為中心，構成面向服務的全分布開放式體系結構，如圖2所示。

圖2 艦載無人機系統指揮控制系統體系結構示意圖

4.2 功能分配

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

4.3 軟件體系結構

艦載無人機系統指揮控制系統軟件采用層次化、面向服務的體系結構，實現軟件之間的松散耦合，使軟件能根據使用需求，按需組裝，實現系統的靈活組織、配置。其體系結構如圖3所示。

1）凌久構件集成框架

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

凌久構件集成框架將在成熟軍事裝備應用的基礎上，進一步完善服務構件接口封裝和運行調度功能，提升服務構件組裝能力，提供了一整套適應于海警艦船裝備軟件的構件化開發、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境。

2）凌久實時數據分發服務平臺

凌久實時數據分發服務平臺是基于實時發布/訂閱業務服務技術，能夠集成各類數據源，將不同應用、設備、系統和網絡中的數據連接起來，通過各種網絡將實時系統和非實時系統、現役系統與新研系統的數據無縫集成，構建敏捷的分布式系統，主要功能包括：

（1）兼容OMG RTPS 2.1網絡通信協議標準，實現不同應用程序、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軟件體系結構圖

（2）高級的服務質量策略（QoS）支持；

（3）提供對所有系統的實時可視化、實時調度和實時管理；

（4）實時數據分發服務框架代碼的自動化生成。

4.4 運行組織

4.4.1 作業模式

在作業模式下，任務控制臺負責組織指揮艦載無人機系統執行作業。

任務控制臺通過有線網絡或無線通信終端接收任務指令，進行任務分析、任務規劃，形成任務計劃，下發給飛行操控臺、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，監督保障工作按計劃開展，按計劃通過無線數據鏈控制無人機起飛、航行到任務區，與載荷操控臺配合執行任務，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行任務，包括控制載荷的視線、視角等。

在任務執行過程中，任務控制臺、飛行操控臺、載荷操控臺對任務執行的環境和進展進行監視；任務控制臺適時判定任務完成、變更任務要求、暫停或終止任務、調整任務計劃等，飛行操控臺按任務控制臺要求適時調整飛行計劃，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境和進程進行監視；任務控制臺適時調整任務計劃等，飛行操控臺按任務控制臺要求適時調整飛行計劃，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開展訓練。訓練過程中，系統的組織運行方式與作業模式相同。

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境，生成無人機設備狀態、無人機飛行狀態、載荷設備狀態、載荷視頻或圖像信息等信息，通過指揮控制系統內部網絡分發給相應的臺位，三臺位在任務控制臺的組織指揮下，開展訓練。訓練過程中，系統的運行組織方式與作業模式相同。模擬訓練模式支持指揮控制系統在無線通信終端不開機、無人機不起飛的情況下，開展分系統的應用訓練。

5 艦載無人機指揮控制系統主要功能

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絡接收用戶以格式化文檔描述的作業任務信息、以格式化報文描述的指揮控制信息。

5.1.2 接收無人機作業環境信息

實時接收無人機作業環境信息（當前信息與預報信息），包括無人機作業區域/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 作業模式下艦載無人機指揮控制系統運行組織示意圖

圖5 模擬訓練模式下無人機指揮控制系統運行組織示意圖

5.1.3 接收無人機工作狀態信息

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、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）載荷工作狀態信息

實時接收無人機有效載荷狀態信息，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 接收鏈路設備狀態信息

實時接收機載數據鏈機載終端設備狀態等信息、地面天線設備狀態信息。

5.1.6 接收綜合態勢信息

實時接收載艦本艦、編隊系統下發的態勢信息（含載艦位置與運動狀態信息）。

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，解算結果顯示在態勢圖和目標表頁中。

5.2.3 目標定位與狀態估計

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探測數據實現目標定位與狀態估計；無人機雙機/多機情況下，通過交叉定位實現目標定位與狀態估計。目標定位與狀態估計結果顯示在態勢圖和目標表頁中。

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品進行記錄、回放、編輯/剪輯、歸檔、調閱與維護等。

5.3 綜合態勢顯控

5.3.1 電子海圖顯示

支持航保部發布的標準S57/S63；支持S63保護的海圖單元許可導入和用戶許可生成，支持海圖數據的卸載和重新加載；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；支持經緯網顯示和隱藏；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（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（后續支持）。

5.3.3 綜合態勢顯示

1）圖形顯示目標信息

支持全海域海空情目標信息顯示，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、作業區域、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、航速、航向、航跡、當前時間、最遲返航時間等信息。

5.3.4 態勢編輯

1）目標管理

目標參數修改，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

根據用戶設定的目標位置、速度、屬性、類型等信息產生人工目標；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、作業區域、作業預期持續時間等；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、參數管理等功能。當需要執行搜索時，可以通過設置相關參數，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

提供態勢想定方案設定和態勢推演功能，方便用戶開展作業任務仿真模擬訓練與任務規劃效果評估。可根據想定態勢或導入任務方案，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，形成模擬態勢想定方案；按照想定態勢進行態勢推演，在電子海圖上顯示綜合想定態勢；在態勢推演過程中，可修改指定目標航線、運動參數，并按修改參數進行態勢推演；按用戶要求記錄、保存修改的模擬態勢想定方案。

5.4.5 任務控制功能

監視無人機任務執行狀態，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行順序、修改飛行航路；在多無人機協同工作的情況下，監視無人機作業的同步狀態，提出無人機作業同步控制策略建議，提出無人機協同作業的航路及飛行建議。

5.4.6 任務計劃/方案/文電互通功能

提供載艦本艦、編隊系統與本系統間的任務計劃/方案/文電互通功能。可接收、顯示載艦本艦、編隊系統下發的無人機任務計劃和方案，并保存；也可將本系統的任務方案上報載艦本艦、編隊系統；提供文電編輯、發送/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 狀態監視

監視飛機設備運行狀態，監視飛機航路附近區域的空海目標，監視飛行區域的氣象水文地貌等環境信息，監視飛機飛行狀態，監視飛機剩余燃油數量，評估無人機飛行安全；監視并評估任務執行狀況；必要時給出告警提示。

5.5.2 飛行控制

根據飛行計劃、任務控制指令，操控無人機的起飛、航行；在作業區域內操控飛機機動飛行、懸停，以配合載荷操控人員完成作業任務。根據環境與任務執行情況，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 狀態監視

監視任務載荷運行狀態；監視、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，評估任務執行情況；監視飛行區域的氣象水文地貌等環境信息，評估其對完成任務的影響；適時提出飛機機動飛行、任務執行的建議。

5.6.2 載荷操控

控制載荷開關機；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、通信業務的運行狀態顯示，提供通信系統設備連接關系、網絡運行組成情況等網絡拓撲、通信性能的設置與狀態監視；提供通信系統故障、告警提示。

5.7.2 數據通信功能

通過數據鏈、有線網絡等多種手段與載艦本艦、編隊系統等進行數據通信；通過數據鏈與無人機進行數據通信，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；系統內時間統一功能；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 結語

本文提出了艦載無人機指揮控制系統的方案，對艦載無人機指揮控制系統的需求，功能，體系結構和臺位配置以及戰技性能進行了描述。

現代戰場的新特征使戰場管理發生了重大變化，決策中需要考慮的實體數量大幅度增加。在未來戰場中，人將依然作為戰場管理中的關鍵決策因素，因此需要通過指揮控制系統對戰場管理系統和人的認知因素進行研究，探索新的監視和控制手段，實現較少數量操作員對大規模無人作戰平臺的控制。以人為中心、人在回路的混合主動控制是指揮控制系統一個研究重點。