基于VPX架構的無人機測控終端綜合化開放平臺技術*

陳會林**1,教富龍2,袁泮江,洪志勇,王 羽

(1.中國西南電子技術研究所，成都610036;2.北京跟蹤與通信技術研究所，北京100083;3.西安衛星測控中心天津測控站，天津301900)

0 引 言

隨著無人機系統技術的蓬勃發展，無人機系統在各大作戰場景中的普及與應用也越來越廣泛。各國之間、各軍種之間、各種無人機系統的協同作戰問題日益凸顯，尤其在多國聯合作戰情況下，在未來多域作戰場景和環境下[1]，無人機系統將發揮越來越重要的作用。

針對上述問題，研制能夠在多個平臺之間實現協同、能操作各個軍種的多種無人機系統的通用控制系統及測控終端的需求日益迫切，世界軍事強國均開展了相關技術及解決方案研究。近期世界各國無人機系統互操作性的研發是與新型無人機系統、C4I(Command,Control,Communication,Computer and Intelligence)系統以及聯合作戰等項目和計劃同步推進的。近年來無人機系統發展較快的國家和組織(如以美國為首的北約)已經形成了一系列解決互操作性問題的典型標準、概念以及相關開放式體系架構解決方案[2]。

為打破無人機互操作性的限制，北約率先制定了STANAG 4586標準，以提高無人機系統在盟軍聯合作戰環境下的互操作能力。該標準定義了適應作戰需求的互操作等級(Level of Interoperatability,LOI)以及無人機地面控制系統的體系結構、接口、通信協議、數據源和消息格式，同時還明確了要求采用的其他北約標準，如成像系統可互操作數據鏈標準(STANAG 7085)以及與機上有效載荷有關的數字傳感器數據標準(STANAG 7023，4545，4607，4609)等。

美國波音公司和英西圖公司的“掃描鷹”開發小組近年來已使其無人機系統與北約無人機的STANAG 4586相兼容[3]。與STANAG 4586兼容能使北約成員國使用各自的無人機系統和地面控制站設備聯合支持軍事作戰行動。這極大增強了成員國無人機之間的互操作性，并可通過一種通用地面接口實時共享各國無人機系統處理的數據和信息。

為了建立一個無人系統開放體系，由美國國防部長辦公室、陸軍、海軍、空軍、通信衛星工作組等多個部門提供支持，制定了聯合無人系統體系結構(Joint Architecture for Unmanned Systems,JAUS)系列標準。該系列標準適用于無人機、無人地面車輛、無人潛航器、無人水面艇等無人系統。

JAUS標準定義了一種模塊化、松耦合、可擴展的體系結構，以及一組與具體應用無關、可重用的構件和服務，同時規定了進行內部和外部通信的標準接口消息，從而使符合JAUS標準的無人系統具備互操作能力。

在國內，無人機測控系統基本上都是基于專用定制化的硬件平臺和軟件模塊，缺乏互通互操作能力。只有極少數類型的無人機能夠采用通用化地面站[4]，但是尚未建立相關的行業標準及規范，特別是在機載終端等設備上沒有太多的進展。

目前無人系統的通用化主要基于標準的互操作能力。然而，為了實現一種真正的即插即用級互操作能力(即把來自多個銷售商的軟件能力集成到一個系統，支持對來自其他系統的數據進行交換、解釋和利用)，就需要實現一種開放式體系架構[5]。

開放式體系架構是指一種具有模塊化、可互操作、接口公開發布和遵從開放式標準的系統架構。開放式體系架構具有可擴展、可升級以及與其他系統的互操作等特點，可以降低研發成本，解決新技術有效插入問題以及保障系統升級擴展等。開放式體系架構涉及標準、接口、模塊化設計等。

1 系統總體設計

該平臺由多通道信道、信號處理模塊、管理控制及接口模塊等硬件模塊組成，物理形態相同的硬件模塊之間通過具有開放性、可擴展特征的“Switch Fabric”交換網絡互聯，形成“資源池”；采用軟件通信體系結構(Software Communication Architecture,SCA)波形封裝[6]技術完成對主鏈路海態鏈路功能、陸態鏈路功能、副鏈路功能及后續擴展新體制鏈路功能的波形開發；通過“藍圖”技術完成波形的部署和加載，實現系統功能。產品組成框圖如圖1所示。

圖1 產品組成框圖

機載天線收到地面站發送的上行信號后，在射頻前端中經低噪聲放大器(Low Noise Amplifier,LNA)放大再下變頻至中頻，A/D變換后，經解擴、解調處理，輸出的遙控信息送出到管理控制及接口模塊中的協議處理單元;由協議處理單元完成主副鏈路選通、解復接后，傳輸給保密機解密處理，然后將飛控指令、載荷管控指令送給飛控計算機、綜合任務管理計算機。

協議處理單元將飛控計算機、綜合任務管理計算機傳輸過來的飛控狀態、載荷設備狀態，以及測控平臺本身的狀態信息，進行數據適配、分段操作、數據復接和成幀，形成遙測數據并送入副通道，副通道在對應的時隙進行BPSK調制，形成已調下行中頻信號。對于主通道還要在遙測數據的基礎上復接載荷數據并成幀，送入主通道進行調制，形成已調下行中頻信號，分別在主副通道信道中進行上變頻，變頻到下行發射載波頻率，然后經功率放大后通過天線向地面輻射。

綜合化平臺內部采用DSP 完成平臺硬件模塊的初始化和驅動以及RapidIO總線控制[7]，驅動程序包括控制管理驅動、RapidIO協議棧、文件系統和I/O子系統、RF 模塊驅動等；利用RapidIO總線和基于RapidIO總線的實時中間件實現模塊間芯片級高速互連，完成模塊間控制和數據信息的高速傳輸。

該系統針對平臺進行綜合化設計，采用開放式架構和分頻段綜合設計思路，通過高度綜合化設計與集成，實現軟硬件分離，方便系統的擴展和升級。

硬件采用模塊化、標準化、通用化設計標準，在信道模塊、管理控制接口和信號處理進行綜合設計，降低系統體積、重量、功耗，提升系統任務可靠性和維護保障水平。通過綜合化設計，系統可以完成陸態、海態、陸海態三種不同體制平臺的任意加載，具有主副2套獨立鏈路并能夠在統一管控下實現可靠切換的能力。

在物理層波形、高層協議以及工作流程的設計中，充分考慮抗干擾和低截獲能力的要求，采用基于感知輔助的抗干擾智能測控技術，滿足軍用測控通信鏈復雜環境的基本需求。

2 系統體系架構

從系統架構開始，采用開放式可重構的綜合化平臺架構進行多通道測控通信系統的綜合化設計；通過標準、開放、可互操作的通用信號/信息處理平臺，采用軟件定義一切(Software Defined Anything,SDX)的設計理念，將不同體制通信功能進行封裝，使之成為符合SCA規范的軟件構件并利用“藍圖”技術[8]完成，通過加載和重構等方法完成對系統資源的配置，靈活構建鏈路功能線程，實現功能的配置。

如圖2所示，綜合化開放平臺軟件按層次劃分共分為4層結構，分別是功能應用層、系統平臺層、通信中間件層和平臺驅動層。

圖2 軟件體系結構框圖

按軟件的功能劃分，可分為兩類，分別是“功能應用軟件(功能應用層軟件)” 和“系統平臺軟件(包括平臺驅動層、通信中間件層和系統平臺層軟件)”。

2.1 功能應用層

功能應用層實現系統設計功能項的算法軟件、信號處理軟件、數據處理軟件、功能控制軟件以及相應功能線程的控制接口，包括視距鏈、超視距鏈、擴展鏈路等。所有功能軟件在各處理模塊的DSP、FPGA、CPU等處理器中完成。

2.2 系統平臺層

系統平臺層控制管理子層軟件的主要功能要求包括：

(1)內外部接口控制代理與轉換——完成I/O模塊內外部接口控制命令的執行，以及接口協議的轉換和數據轉發。

(2)系統工作模式與事務管理——定義和維護系統各種運行階段的功能需求，完成需求滿足的過程控制。比如，各種功能線程需求；各種工作模式的切換，如多種上電初始化模式、任務運行模式、維護模式等工作模式下，定義系統的工作內容和流程控制。

(3)系統工作狀態管理——定義和維護系統的邏輯工作狀態以及狀態遷移條件；根據系統健康管理的檢測結果，資源管理以及功能線程管理，確定系統當前工作狀態；與圖形化系統狀態監控進行接口，能顯示出資源和功能線程等設備工作狀態。

(4)重構策略管理——定義和維護各種系統狀態下系統的重構策略，根據系統當前狀態輸出系統軟硬件重構方案。

(5)系統資源管理——與系統基礎服務框架子層提供的服務接口，通過基礎服務進行信息獲取、狀態維護和資源控制，如程序動態加載等控制管理。

(6)功能線程管理——功能線程的參數管理包括參數加載/更新等存儲管理、參數配置時序管理，構建功能線程的過程控制包括正常功能構建、應急功能構建、重構功能構建。

(7)系統健康管理——監測系統硬件、平臺層軟件、功能線程以及系統層軟件的工作狀態，定位系統故障并依據故障處理預案完成故障處理。

(8)ICD封裝與解析——I/O模塊內外部接口數據信息的分選。

(9)系統藍圖及任務參數配置——依據任務計劃信息，在任務執行前載入系統藍圖及任務參數并按子系統分解，下達到各子系統。

(10)插件管理——依據任務要求完成相應功能應用插件的查詢和加載。

(11)任務調度——依據任務計劃信息完成任務啟動、執行、結束等調度操作，支持多任務調度。

(12)數據傳輸——通過天基網絡完成存儲平臺數據傳輸到地面處理。

(13)遙測信息處理——采編各模塊上報的狀態監測信息及軟件運行狀態信息，完成遙測信息挑選、成幀和傳輸。

(14)遙控信息處理——接收實時遙控指令，完成遙控信息處理和執行等。

系統平臺層基礎服務框架子層軟件的主要功能要求包括：

(1)建立軟硬件物理資源數據庫，維護硬件屬性、物理連接關系、軟件屬性、駐留位置、軟件組件間邏輯連接關系、與平臺控制服務接口，提供資源的邏輯層控制的機制和方法。

(2)系統資源管理的框架是相對固定的，能適應功能模塊及其組件屬性、模塊端口類型、數目及連接關系的變化。

(3)系統資源管理涉及的硬件模塊間的物理端口連接關系，軟件組件間的邏輯連接關系能夠采用圖形化連線配置的方式進行表達。

2.3 通信中間件層

通信中間件層位于操作系統之上，應用軟件(包括功能層軟件和系統層軟件)之下。向上通過中間件服務接口為應用軟件提供通信服務、平臺資源管理服務，以及在系統維護模式下提供可視化的系統監控服務。向下通過硬件抽象適配層，與實現平臺硬件的操縱與控制的驅動層軟件接口，便于系統底層硬件的插入，實現系統軟件與系統硬件之間的松耦合設計。

系統通信中間件層軟件的具體工作內容包括：

(1)網絡管理

網絡初始化：包括網絡的枚舉和發現。

平臺資源注冊：當冷備份的功能模塊上電加入到網絡中運行時，需要把新資源信息注冊到網絡或平臺數據庫，同時也要更新到系統控制的資源管理數據庫。

路由配置：主要指通信鏈路的網絡路由選擇、網絡路由表的配置。

網絡健康監測：為系統控制對平臺運行狀態的監測提供基礎服務，主要是網絡及網絡節點狀態信息的收集和上報。

網絡路由冗余：當物理通信鏈路故障時，完成冗余備份的物理鏈路配置，把物理鏈路上綁定的邏輯鏈路自動平滑地切換到新的物理鏈路上來，也包括主備交換網絡的切換。

網絡故障隔離：屏蔽故障網絡端口。

配置預案解析：指網管軟件為位置無關網絡通信以及功能線程裝配提供名字服務。使用XML解析軟件，解析出功能線程裝配方案的配置信息，下發給其節點的模塊支持單元執行具體的加載指令，并維護通信端口的邏輯名字與物理通信資源的關聯關系。

(2)網絡通信：指網絡的進程間通信(Inter-process Communication，IPC)，實現位置無關的邏輯通信端口，完成通信機制的收發控制、通信鏈路的暫停和恢復，以及物理通信接口在邏輯上的端口復用。

(3)XML解析軟件：根據DTD(Data Type Definition)文件類型定義，解析出XML文件的信息。

(4)硬件抽象適配：與實現平臺硬件的操縱與控制的驅動層軟件接口，便于系統底層硬件的插入，實現系統軟件與系統硬件之間的松耦合設計。

(5)中間件服務接口：為平臺的應用程序提供通信服務、平臺資源管理服務，以及可視化的系統監控服務的服務接口。

(6)模塊支持單元(Module Support Unit,MSU)軟件包：分為兩種，其中一種只包含平臺層軟件對模塊通用功能的控制代理，如模塊BIT等；另一種還包含功能層軟件對模塊專用功能的控制代理，如信道濾波頻段的選擇等。

2.4 平臺驅動層

平臺驅動層為系統的基礎操作環境，包括商用操作系統、板級支持軟件包以及硬件接口的軟件驅動(Software,SW)。

3 系統控制管理技術

綜合化開放平臺系統的控制管理采用分級方式，平臺系統內部設計了獨立的控制管理模塊，即系統控制模塊，負責內部的資源管理和狀態維護，為系統控制和功能管理提供支持。為了實現上述目標，平臺系統包括資源管理(Resource Management)、配置管理(Configuration Management)、網絡管理(Network Management)、健康管理(Health Management)、時間管理(Time Management)等基礎服務功能，配合內部的控制管理，同時為功能線程提供運行的環境，并通過定義的接口控制程序映像的運行。

這些控制管理功能共同形成了平臺系統功能線程和應用程序的運行環境，為功能線程提供資源標識和匹配、軟件加載、健康監控以及全局時鐘等服務。

3.1 控制管理流程

控制管理流程按照控制管理的對象和工作的層次可以劃分為采用分層設計的方法把系統控制管理分成三層，即任務模式管理、功能線程管理和機箱資源管理，如圖3所示。

圖3 系統控制管理結構

任務模式管理確定當前的任務模式和功能需求，任務模式管理運行在后端綜合顯控中；功能線程管理運行在平臺系統中，其功能(APP)是按照當前的工作模式和功能要求確定功能線程，控制功能線程的創建、啟動、停止和注銷，并統一管理平臺系統的工作狀態；資源管理主要管理內部的通用資源，包括處理器資源和網絡資源，負責軟件的加載，控制程序進程的工作狀態。

平臺系統資源管理設計采用“自頂向下”的方法，根據系統的復雜程度，選擇合理的控制管理結構，同時借鑒ASAAC標準定義。在本系統中，資源管理采取“集中管理、分層實施”的結構。通過分層的管理，可以屏蔽一些復雜的邏輯控制，保持上下層資源管理的自動化和透明性。分層管理結構的界面劃分清晰，便于系統開發和調試，層與層之間的相對獨立性也增加了系統的魯棒性。

在該結構中，系統頂層的一級資源管理RM駐留在平臺系統中的系統控制模塊上。通過內部高速交換網絡管理系統中的其他功能單元，如FPGA通用信號處理單元、DSP通用信號處理單元、RapidIO網絡交換單元等，管理內容包括軟件加載、程序啟動、模塊健康狀態查詢等。

模塊級的資源管理駐留在每個處理器上，通過資源管理、配置管理、網絡管理和健康管理的配合實現模塊和處理器的資源管理，并配合控制管理進行軟件加載和功能線程管理。

3.2 系統資源管理

資源管理(Resource Management,RM)的主要功能是對通用資源進行標識和狀態維護，確保資源的可用性。資源管理是實現功能線程的基礎，只有通過對所有通用的資源進行管理，統籌調度硬件、軟件和網絡資源，才能夠實現各種功能線程，并且在相同的硬件平臺上實現不同的功能。資源管理軟件功能需要平臺系統所有的通用處理模塊配合系統控制模塊來實現。

在平臺系統中，功能線程是若干個相互關聯的程序進程相互通信、協同處理而形成的。而程序進程只是需要運行的軟件代碼和數據空間，在沒有加載到特定的處理器上之前程序進程并不能完成任何功能。這就要求對軟件資源和硬件資源進行分類，軟件資源和硬件資源匹配后才能正確綁定并運行。運行了基礎軟件的底層硬件對象能夠在控制管理的指令下加載和卸載程序進程，同時控制程序進程的運行狀態，如就緒、運行、暫停、停止、重新運行等，此外應用程序還通過底層硬件對象進行參數加載、模式切換等功能。應用軟件也需要調用底層操作系統和網絡通信等功能支持，程序進程和硬件平臺的結合才行形成特定的功能組件。

通用硬件資源的狀態包括空閑、就緒、運行、停止和故障等狀態，如圖4所示。硬件模塊在自檢成功后進入空閑狀態，等待控制管理按照當前的工作模式確定需要運行的功能線程并加載程序映像，成功加載后進入就緒狀態，在隨后的運行過程中，硬件資源一直都是被占用狀態，直到程序進程停止運行并成功卸載；加載完成后，軟件和硬件已經完成了綁定，程序進程可以運行實現處理功能，程序進程成功啟動后，模塊進入運行狀態，如果啟動失敗則進入故障狀態；程序進程啟動后，模塊處于運行狀態，收發數據并完成運行功能，在功能線程沒有停止之前，硬件不能進行軟件卸載，以免引起其他硬件模塊的程序進程運行錯誤，在接到停止指令后，硬件處于停止狀態，并不運行功能和收發數據，此時可以進行軟件卸載。

圖4 通用硬件資源的工作狀態機

程序進程作為平臺系統中可獨立加載和調度管理的應用軟件對象，其工作狀態及轉換條件如圖5所示。

圖5 程序進程的工作狀態機

加載成功后程序進程進入就緒狀態，在收到啟動指令后，程序進程開始啟動運行，打開通信端口獲得虛通道，創建本地工作線程，如果啟動條件不滿足或者過程發生錯誤，則進入等待狀態，掛起本地線程，停止數據收發，等待條件滿足時再繼續運行；如果在運行條件得不到滿足或者錯誤無法排除，此時功能線程無法正常運行，控制管理將對該功能線程進行停止操作，程序進程也隨即進入停止狀態，終止本地線程，停止數據收發，關閉通信端口，軟件停止后可以進行軟件卸載。

3.3 系統配置管理

平臺系統配置管理(Configuration Management，CM)實現處理節點上的軟件硬件資源的匹配和動態加載，并負責功能線程的參數加載和工作模式設置，從而完成功能線程的組裝、控制和狀態維護。

在運行的任務模式由A狀態切換到B狀態時，運行在底層的CM將首先根據當前的工作模式進行任務模式分析，根據藍圖或者事先預定任務狀態確定需要運行的功能線程，進而確定功能線程在當前硬件模塊上需要運行的程序進程；確定程序進程和當前模塊的狀態，得到程序進程的標識，并檢測其運行環境要求是否與本地環境相符；在加載程序之前，還需要確定當前模塊處于空閑狀態，進行模塊級的自檢，確定模塊的處理單元、路由單元和網絡接口單元等外圍設備都工作正常；隨后模塊支持單元通過網絡加載程序進程到指定模塊。

3.4 系統網絡管理

平臺系統網絡管理(Network Management，NM)通過在系統控制模塊上運行的網絡管理軟件實現對網絡的維護和路由配置。平臺系統內部高速交換網絡采用串行RapidIO高速總線技術，在數據能夠正確傳輸之前，必須對網絡進行初始化，對路由進行配置管理，同時維護各節點的網絡接入的正常工作。因此，網絡管理的功能主要有枚舉發現RapidIO的所有網絡節點(包括交換節點和邊緣節點)，建立并維護網絡節點之間的拓撲關系和節點通信資源的管理維護表；實現和所有邊緣通信節點的信息交互，并監控所有網絡節點的網絡通信狀態；接收并執行系統控制下達的網絡操作指令，上報指令執行結果以及網絡資源和資源運行狀態，如圖6所示。

圖6 網絡管理負責維護整個網絡的正常運行

在平臺系統中，存在類似于圖6的網絡連接關系。在系統上電后，網絡交換模塊對整個網絡進行掃描，發現網絡中的交換節點和處理器節點，然后將處理器的信息上報給機箱中的控制管理模塊。運行過程中，網管軟件還需要建立各RapidIO處理器節點之間默認通道，通過該通道進行網絡配置和建立路徑，同時監控各處理器節點的網絡接口單元的正常工作，一旦發現網絡接口單元錯誤或者掉線，立即上報系統控制管理模塊。

3.5 系統健康管理

平臺系統健康管理(Health Management，HM)在子系統中的特殊功能模塊和基礎支持模塊都具有特定的功能，其健康管理是啟動健康管理軟件周期運行自檢功能。

對于平臺系統中的通用功能模塊其健康管理由基礎平臺和功能軟件兩方面組成。基礎平臺包括硬件平臺和基礎軟件，這些部分的狀態由模塊上的MSU來完成。MSU通過監測和查詢網絡接口單元和處理單元的工作狀態可以發現部分故障，如有錯誤發生，MSU向本機箱中的控制管理模塊上報錯誤信息。

通用功能模塊的基礎平臺正常工作并不能確定功能線程是否運行正常，各功能線程需要設計功能線程的健康管理機制，通過通信的超時檢測以及線程狀態管理等功能，及時發現本地處理器上的線程或線程組發生的錯誤，如有錯誤發生，功能線程直接上報平臺系統中的系統控制模塊。

健康管理還有一個重要的功能，就是能夠記錄本地發生的錯誤和故障，這些錯誤信息將是故障診斷和系統調試的重要依據。

4 感知輔助的抗干擾智能測控技術

采用了“偵通一體的干擾感知技術”和“感知輔助的鏈路級安全防護技術”，有效規避干擾。下行廣播采用突發+擴跳頻體制，突破傳統連續波體制，信號波形表現為時域的一個突發，確保抗干擾低截獲能力。上行鏈路采用擴頻體制，同時結合型號項目要求的擴頻增益，提高抗干擾容限。

敵方無源探測設備的脈沖分選功能受輻射信號在時域、空域、頻域的穩定性和規律性影響，因此，設計靜默態提高隱蔽性，并且下行廣播和上行接入信道的交互節拍可隨時調節。通過機載測控終端輻射信號的最大不確定性設計，即采用最小輻射能量自適應功率控制技術，使機載測控終端根據實際作用距離、信息速率及信道評估情況，在保證其性能指標不影響作戰使用的前提下，輻射最優的射頻功率，減小被敵方無源偵察裝備發現或截獲的距離，使敵方無法對我方信號進行穩定的截獲，可以直接影響無源探測設備的分選識別功能，使其無法進行測向、測距、定位等。

地面/艦面站使用定向天線，廣播信道傳輸幀內含GPS信息，可以輔助地面進行目標角度計算，進一步控制地面定向天線的指向，因此，除了近距離接入場景使用全向天線，其他上行接入及通信階段都采用定向天線，在能、空兩個維度大大降低敵方截獲概率；同時由于接收信號也具有方向性，提高了接收信號的抗干擾、抗入侵、防欺騙能力。

5 實物結構

綜合化平臺設備采用標準VPX 3U 5槽機箱架構，內置板卡采用標準3U VPX導冷板卡和FMC子卡的結構，外形尺寸161.35 mm(寬)×148.2 mm(高)×216 mm(深)，質量小于等于6.5 kg。外形及安裝方式如圖7所示。

圖7 5槽3U VPX機箱

6 結 論

綜合化開放平臺技術是提升無人機系統互操作性的有效手段。基于綜合化開放平臺的系統設計可以根據作戰任務靈活配置無人機系統有效載荷，通過快速增加、減少、改變相關功能模塊，打造多任務作戰平臺，實現了艦載型和陸基型兩種模態通用化硬件平臺的研制；支持將兩種體制的功能加載進來進行統一管控，實現了地面站與地面站、地面站與艦面站、艦面站與艦面站之間的多站一機管控無縫切換；通過標準化接口實現了與其他無人機平臺的互操作，有效支持跨平臺資源共用、信息共享、優勢互補，形成體系作戰能力，同時采用智能化抗干擾低截獲技術提高了無人機的作戰效能，可以滿足未來復雜戰場的作戰需求。