國外無人機地面控制站的現狀和發展

諸葛卉

今年3月14日，美國一架通用原子航空系統公司的MQ-9“死神”（Reaper）無人機在黑海水域上當天因劇烈的空中機動動作失控后墜入黑海，這是美國無人機首次在該地區墜毀；2021年7月，根據一份外國軍事總銷售協議——包括4架MQ-9A第5批次（Block 5）飛機和4架移動地面控制站以及相關支持設備，通用原子航空系統公司為荷蘭皇家空軍（RNLAF）完成第一架MQ-9A 第5批次無人機和地面控制站（GCS）；2020年6月，通用原子航空系統公司贏得國民警衛隊（ANG）合同，升級MQ-9第1批次和第5批次和第25批次雙控制模塊地面控制站（DCMGCS）和第30批次地面控制站，訂單包括用于高清顯示器、“巴雷特”非對稱數字數據鏈路計算機（BADDC）和多智能智能處理（MISP）的套件。

根據美國空軍的預算文件，將對未來技術進行重大投資，用于開發下一代空中優勢（NGAD）戰斗機、合作式作戰飛機（CCA）無人機、B-21“突襲者”隱身轟炸機和“哨兵”洲際彈道導彈等未來作戰裝備，合作式作戰飛機無人機將與下一代空中優勢戰斗機協同作戰。

無人機在全球反恐戰爭中所取得的巨大成就顯示了機器人系統潛在的軍用價值；網絡中心戰的概念顛覆了傳統的信息獲取方式，作為網絡中心戰的重要節點，無人機的發展無疑將對未來作戰模式產生重大影響。鑒于無人系統的顯著優勢，國外計劃在未來25年內發展和使用越來越復雜、技術越來越先進的無人系統。同時，無人系統必須能與有人系統或其他無人系統綜合，以充分發揮其作戰效能。

無人機航電系統是在飛機航電系統的基礎上進行設計的，繼承了飛機航電系統的一些特點，但也有自身的要求。一套無人機系統是一個異平臺分布系統，各平臺之間通過有線和無線通信，所以一套無人機航電系統是由無人機系統空中部分、地面控制站和發射回收系統三個相對獨立的部分組成，其中無人機系統空中部分和控制站尤為重要。無人機航電系統的三個獨立局域網具有擴展性，它們各自可以和外界發生信息交聯和互操作。

無人機地面控制站的典型功能

無人機地面站系統是整個無人機系統的指揮控制中心，專門用于對無人機的地面控制與管理，是在現代無人機的發展和應用過程中逐步提出的。為了能更好地監視無人機的飛行狀況，并對無人機進行遙控，人們設計了各種類型的地面站，輔助操作員對無人機的各種飛行數據和任務設備狀況等進行實時地監控，在一些應急情況發生時能及時地采取相應處理措施來保證無人機的安全。

地面控制站可以是陸基、艦載的，也可以綜合到指揮與控制飛機上，從長遠來看，可能綜合進其他戰術飛機的駕駛艙里。選擇空中控制站能提供最大的靈活性，但是會帶來小型化和綜合化問題。因此，在控制站最初論證時，一般都采用地面控制站進行。

據數據統計表明，地面系統所需成本非常高，往往是單架無人機成本的0.5～4倍之間。這說明，研制一個能夠控制多種類型無人機的通用地面控制系統，不僅可以極大地降低無人機系統的開發、后勤支持和訓練費用，也可以較大程度地改進無人機系統作戰的靈活性，從而實現無人機系統之間的互操作性。

地面控制站也稱任務規劃與控制站。任務規劃主要是指在飛行過程中無人機的飛行航跡受到任務規劃的影響；控制是指在飛行過程中對整個無人機系統的各個系統進行控制，按照操作者的要求執行相應的動作。

國外無人機地面站現狀

無人機地面站應包括從發射準備到回收、需要系統干預和/或確認系統完好性的所有單元。目前，一個典型的地面控制站由一個或多個操作控制分站組成，主要實現對飛行器的控制、任務控制、載荷操作、載荷數據分析和系統維護等。其相互間的關系如圖2所示。地面站軟件是無人機地面站的重要組成部分。操作員通過地面站系統提供的鼠標、鍵盤、按鈕和操控手柄等外設來與地面站軟件進行交互，以在任務開始前預先規劃好本次任務的航跡，飛行過程中對無人機的飛行狀況進行實時監控和修改任務設置，以干預無人機飛行，任務完成后還可以對任務的執行記錄進行回放分析。

MQ-9“死神”系列無人機的地面控制系統

2023年2月8日，美國海軍航空系統司令部授予通用原子航空系統公司訂單，為MQ-9A 第5批次“遠征中空長航時無人機系統”無人機發揮出作戰能力采購8套移動式地面控制站和6套地面數據終端，支持美國海軍陸戰隊。該地面控制站安裝在長度為10m的獨立拖車內，內有遙控操作的飛行員、監視偵察操作手的座席和控制臺，三個波音公司的任務計劃開發控制臺、兩個合成孔徑雷達控制臺，以及衛星通信、視距通信數據終端。

（1）“死神”無人機地面站功能

“死神”無人機新的可認證地面控制站（CGCS）基于衛星通信的自動起飛、著陸和滑行，便攜式飛行前/飛行后設備（P3E）以及任務情報中心，功能包括飛行監控、導航、任務載荷、任務規劃、一個C波段可視數據鏈或者一個超視距用的Ku波段衛星數據鏈等。其中，任務規劃功能如下：

（a）點擊用戶接口；

（b）實時地圖漫游；

（c）應急航路規劃；

（d）支持多無人機規劃；

（e）顯示經緯度或UTM中的坐標；

（f）基于航路點的無人機性能自動校驗；

（g）對地形間隔快速檢驗；

（h）視線和衛星可見性檢測；

（i）一個C波段可視數據鏈或者一個超視距用的Ku波段的衛星數據鏈。

（2）“死神”無人機地面站組成及裝備

“死神”無人機主要由飛行控制站、任務載荷控制站和合成孔徑雷達控制站組成，分別由無人機操作員（AVO）、任務載荷操作員（PO）和合成孔徑雷達操作員（SARO）三人進行操控。

無人機操作員負責對無人機進行操控，包括起飛、著陸、飛行中姿態控制等。

合成孔徑雷達操作員：負責控制和監視無人機的雷達，并對其圖像作有限處理。操作員的操控包括對TV相機、紅外相機、內置雷達等，雷達可同TV相機或紅外相機同時操作。

（3）“死神”無人機地面站裝備

CGCS包括高清顯示器、巴雷特非對稱數字數據鏈路計算機（BADDC）和多智能智能處理（MISP）的套件。BADDC充當有效載荷數據復用器，并致力于增加無人機在其通道和帶寬限制范圍內通過數據鏈路發送傳感器信息源的數量；與BADDC互動的數據來自無人機的機載傳感器，并將數據轉發到一個獨立的通道——可通過數據鏈路傳輸多個傳感器信息源。該高清顯示器套件和BADDC允許提高MQ-9和地面控制站之間的吞吐量和傳感器數據的質量，MISP實現了地面控制站和外部網絡之間的無縫數據流。該人機界面由4個液晶顯示器組成：

（a）最上方的顯示器顯示無人機航路規劃和數字地圖疊加信息；

（b）中間的顯示器則實時顯示無人機頭部的彩色攝像機拍攝到的畫面，其作用相當于有人駕駛戰斗機上的平視顯示器（HUD）；

（c）最下方的兩個顯示器則顯示各種傳感器采集到的信息、圖像、戰術信息、飛機狀態和飛行儀表等內容，相當于有人駕駛戰斗機上的多功能下視顯示器（MFD）；

（d）在地面控制站系統的右側安裝有操縱桿，而在座艙左側安裝有油門桿，十分符合美軍戰斗機飛行的側桿操縱習慣；

（e）地面控制站系統可裝在很多移動平臺上，如車輛、艦船甚至大型飛機上，以便操作人員在遠離戰場千里之外的任意地點對“死神”系列無人機進行遙控。

（4）“死神”無人機系統的地面遙控方式

“死神”無人機和地面控制系統都裝備L-3通信公司提供的C波段數據鏈系統終端和Ku波段衛星數據鏈系統通信終端，這樣即使在地球的另一端也可對“死神”系列無人機進行遙控。飛機本身還裝備了特高頻（UHF）和甚高頻（VHF）無線電臺（VHF（30～300MHz）、UHF（300～3000MHz）無線電波主要是作較短途的傳送）。

（a）通過C波段數據鏈對無人機進行視距（LOS）遙控，其遙控范圍可達280km，主要適用于無人機的起飛和降落階段的近距離通信；

（b）以一架無人機作為通信中繼機對戰場前沿的另一架無人機進行遠程遙控；

（c）以一架無人機和一個地面控制系統分別作為通信中繼機和中繼站對戰場前沿的無人機進行遠程遙控；

（d）通過Ku波段的衛星數據鏈中繼對遠在萬里之外的無人機進行遙控，并傳送任務控制信息以及偵察圖像信息。圖像信號傳到地面站后，可以轉送至全球各地指揮部門，也可直接通過一個商業標準的全球廣播系統發送給指揮用戶，因而指揮人員可以實時控制“捕食者”進行攝影和視頻圖像偵察。

德事隆系統公司無人系統用Synturian地面控制站系列

德事隆系統（Textron Systems）公司無人系統引入了部分Synturian地面控制站系列產品，是一種多域控制和協作技術，增強了態勢感知能力。

該產品系列包括Synturian Control和Synturian Remote兩部分。Synturian Control是一個多平臺、多運載器、多域的控制系統，增強信息的協作和傳播；Synturian Remote包括移動、強化網絡工具，通過及時的信息和協作增強態勢感知。

Synturian系列產品圍繞面向服務的架構設計，用于集成貨架軟件，擁有一個直觀、支持培訓和物流的界面。

德事隆系統公司把Synturian系列產品與自身無人機系統整合，包括與“影子”戰術無人機系統和“探空器”小型無人機系統以及通用無人水面艦艇（CUSV）相集成，已完成了該產品與“影子”、“探空器”和該公司任務平臺上遠程終端功能的演示。

航空環境公司Crysalis下一代地面控制解決方案

2021年7月，航空環境公司發布Crysalis地面控制解決方案。Crysalis是一種基于硬件和軟件的集成地面控制系統，旨在通過直觀的用戶體驗（UX）為航空環境公司無人機系統及其有效載荷提供指揮和控制。

Crysalis系統提供可互換性，無論是模塊化元組件還是交鑰匙系統均適應特定任務要求；與Android、Microsoft Windows和Linux操作系統跨平臺兼容。

Crysalis系統設計有直觀的用戶界面，旨在減少認知負荷和訓練負擔，同時增強態勢感知和戰場協作。用戶可通過快速訪問關鍵信息、工作模式和遙測元數據來規劃和執行飛行任務，以及導航和控制無人機和有效載荷。其他用戶可以通過遠程視頻終端訪問遙測和下行鏈路數據，獲得態勢感知、信息共享和戰術決策協作，并允許他們直接在設備上截獲數據。

皇家空軍的無人機地面控制站

近日，英國公開了沃丁頓皇家空軍基地里的無人機倉庫，這里停放著隸屬于英國各個軍種的多個無人機型號，從只有火柴盒大小的“黑色大黃蜂”到最大起飛重量（質量）超過450kg的“守望者”，一應俱全，圖為無人機操作指揮系統。

地面控制站將采用新型開放式體系結構

無人系統將允許操作員將他們的感知和能力在戰場上體現出來，這是無人機和巡航導彈之間的區別；操作員接口是一個關鍵組件，是另一個可以升級改進的巨大領域。

下一代無人機系統將包括地面控制站與能夠支持多個任務目標的無人機之間的多對多關系。提供這種多任務能力所需的系統將包括由多個地面控制站控制的自協調無人機，以及無人機和載人飛機以及空間系統的相互配合，以滿足不斷變化的一組任務標準。

美國國防部、英國國防部以及未來機載能力環境（FACE）、無人機控制段（UCS）、開放式任務系統（OMS），以及包括網絡中心環境設計等政府和工業聯盟均試圖為無人機系統開發人員定義這些要求——無人機和地面控制站的設計者必須確保網絡中心環境中的所有參與者能夠接觸其能力的每一個要素。為此，美國國防部在其“2007—2032無人系統路線圖”中提出了下一代無人機系統所需基礎技術的發展計劃。該愿景在北約論壇的無人機系統倡議中也得到了響應。該無人系統路線圖定義了6個目標，其中兩個目標特別相關：強調通用性，以實現無人系統上的系統控制、通信、數據產品和數據鏈路之間更大的可互操作性；促進制定政策、標準和程序，確保安全、及時地作戰，并有效整合有人機和無人機。

要在開放式架構內實現有意義的互操作，在不同時間、不同硬件、不同軟件架構、不同技術和不同數據用途構建的不同系統必須易于和有意義地集成。國防部已經確定，實現這一目標的關鍵是指定一個通用語義的數據模型，所有需要交換的數據均被嚴格地定義、描述和記錄。

安全是聯邦航空管理局的首要問題，它遵循RTCA/DO-178C軟件安全認證標準。DO-178C目標要求開發代碼時特別注意可測試性，見表1。 代碼必須具有確定性，才能實現可重復的測試結果。

一種在兼容實時性的數據分發服務中間件上構建組件的系統設計方法使開發人員能夠實現對軍用和商用無人機開放式架構和安全認證的要求，同時減少開發時間、成本和風險。

DDS是由對象管理工作組（OMG）標準化的一組規范，核心是基于無互連架構上實現實時軟件數據總線，如圖5所示。

數據分發服務使用發布—訂閱通信模式，使數據生產者能夠向數據基礎設施發布數據，并允許數據消費者訂閱來自該數據基礎設施的數據。在數據分發服務實現中，數據被從物理源和目的地抽象出來，并允許訂閱該物理源和目的地的任何應用訪問，而與源的位置和傳輸數據的特定鏈接技術無關。

通過開放式架構指南（包括FACE、UCS和OMS）標準化了無人機中數據分發服務的使用。數據分發服務實施可認證至DO-178C中的A級，包括認證機構要求的流程和測試工件。這種方法大大減少了必須評估的自定義代碼的數量，節省數百萬美元的認證成本。

以美國海軍的通用無人機地面控制站的戰術控制系統（TCS）為例，如圖6所示。戰術控制系統提供了一個開放式體系結構軟件，能夠控制多種不同類型的海上、岸上計算機硬件，實現任務規劃、指揮與控制以及情報數據接收和分發等功能。

北約以STANAG 4586為出發點，對無人機指揮與控制接口進行了定義。該STANAG 4586以模塊化的方式，通過開放式接口實現了對平臺的基本框架和傳感器控制功能的標準化。STANAG 4586是一個良好的開端，但美軍需要其具有發射武器功能，控制的傳感器也不僅僅是光電/紅外設備，已引入了多種STANAG 4586無法支持實現的新型傳感器。

現有控制系統的局限性

目前，使用地面控制站的架構最早可追溯到MQ-1“捕食者”無人機的早期概念論證階段。這種老舊的地面控制站已經被證實不能適應“捕食者”無人機日益復雜的作戰功能和不斷升級的技術要求了。從2003年參加伊拉克戰爭迄今，美軍投入實戰的90余架“捕食者”系列無人機，超過一半已徹底損失。美軍的統計表明，無人機的損失除了敵方的地對空火力、惡劣的自然環境和空中相撞事故等原因外，還有一個主要的原因就是“人為因素”，即由于地面操縱人員的失誤而引發的墜毀事故?！安妒痴摺睙o人機地面控制站采用的是20世紀90年代的技術，根本不符合人機工程學的設計理念，如要從一架“捕食者”無人機上發射一枚“地獄火”彈，須在下拉式菜單中點擊鼠標以進行一系列不同的操作，這樣的復雜操作多達17次，而在F-16戰斗機的座艙中，要用按一個按鈕就可以；發射導彈和關閉發動機用的按鈕設置得太近，容易造成誤操作。顯然，現有簡陋的地面控制系統已經不能滿足“捕食者”無人機系統面臨的日益復雜的任務要求了，美國空軍急需研制新一代操作界面更為友好的無人機地面控制系統。

“捕食者”的數字信息通信鏈路被設計專門使用商業Ku波段，與現在投入使用的空軍新一代高性能寬帶全球通信衛星（WGS）不兼容，WGS衛星在Ka和X頻段工作。這一設計使“捕食者”的使用成本大大增加：至2012年美國國防部約花費2500萬美元Ku波段能力用于支援大約200架次的“捕食者”或“死神”無人機的巡邏任務。

無人機地面控制站發展新趨勢

隨著無人機技術的新發展，無人機地面控制站呈現出新的趨勢：

美國空軍研究遠程控制無人僚機

2023年2月，美國空軍正在研究無人僚機是否可以由附近的作戰管理平臺或加油機的操作員遠程控制。

合作式作戰飛機（CCA）執行任務時，可能會由附近的飛機進行部分引導，如KC-46“飛馬”加油機或E-7“楔尾”預警機。美國空軍希望合作式作戰飛機能夠與下一代空中主宰戰斗機或F-35戰斗機協作執行包括打擊目標、執行情報、監視和偵察等任務，或干擾敵方信號等電子戰行動。無論是有人戰斗機還是其他飛機，都必須解決許多與合作式作戰飛機的引導方式有關的更細微的問題，例如，如何與有人機組隊、能否在加油機或預警機上遠程控制等。

2022年10月，米切爾航空航天研究所發表的一篇關于無人僚機的論文中也提出了此項建議。米切爾航空航天研究所提出的一個模型設想了一群無人機由附近E-7“楔尾”的空戰管理人員指揮，并敦促空軍盡快將重點放在改進與無人機的交互方式上。

有人/無人編隊硬件和技術及工程

2022年12月12日，由空客公司牽頭的團隊進行了未來空戰系統（FCAS）首次大規模多域飛行演示（MDFD），也是未來空戰系統“有人-無人編隊”（MUM-T）演示項目第二階段的成果展示。該項目由德國聯邦國防軍裝備、信息技術和現役支持辦公室（BAAINBw）資助，現已進入第三階段。該項目現已進入第三階段，計劃2030年完成初步部署。

除空客公司外，參與該飛行演示的還包括德國聯邦國防軍、芬蘭國防軍、歐洲導彈德國公司、Patria公司、HAT. tec公司和Robonic公司，主要內容為整合各種有人-無人平臺。在飛行演示期間，在芬蘭羅瓦耶爾維上空飛行的不同平臺通過網狀機載網絡數據鏈路互聯，其中1架里爾35客機用于代替戰斗機，機上的機組人員負責指揮代替遠程載具飛機的5架Do-DT25無人機，1架模擬戰斗機代替承擔指揮控制角色的飛機。在5架遠程飛機中，兩架集成了歐洲導彈集團的電子支援措施傳感器，用于識別一個虛擬的敵方地空導彈陣地，另外3架配備光電相機。在飛行演示期間，地面部隊通過前置部署的聯合終端、攻擊控制員請求近距離空中支援，以抓捕虛擬的敵方人員。此外，一架空客H145M直升機與一架配備光電相機的遠程飛機一起部署，負責監控并向特種部隊提供偵察數據。

高空長時運行賦能的強韌網絡

2023年2月2日，美國空軍研究實驗室（AFRL）授予位于加州圣迭戈的立方體防務應用公司（Cubic Defense Applications Inc.）合同，研發高空長時運行賦能的強韌網絡（Halo-Enabled Resilient Mesh，HERMes）軟硬件原型。

立方體防務應用公司將為美國空軍研究實驗室調研、設計、開發、測試和演示高空長時運行賦能的強韌網絡（Halo-Enabled Resilient Mesh）能力，并擴展高容量骨干通信系統的技術能力，包括開發用于該系統的硬件，增加工作頻率范圍，優化系統中使用的代碼和算法，研究備選能力以擴展運行操作平臺的類型和數量。

美國空軍演示與平臺無關的機上連接技術

2023年3月23日，諾斯羅普-格魯門公司成功展示了連接整個飛機生態系統的技術能力。該公司在美國空軍馬里蘭州帕圖克森特河海軍航空站的諾斯羅普-格魯門公司飛行試驗臺上展示了其軟件可編程開放任務系統兼容（SPOC）多功能處理器，使用先進的波形與地面站進行實時空中測試，突出了使用高級數據鏈路集成現有和未來平臺的能力。

軟件可編程開放任務系統兼容等先進技術為美國空軍提供了小尺寸、重量和功率的無線電，并且可擴展，可升級和靈活，以適應任何平臺。軟件可編程開放任務系統兼容設計還為下一代通信提供了一個集成環境，可以降低成本、風險和部署時間。

這次飛行測試是與空軍簽訂的合同的一部分，旨在開發和演示一種解決方案，連接有利于聯合部隊的平臺，并為他們提供跨空中、太空、陸地和海洋的實時戰斗空間意識，以幫助定義空軍的下一代無線電方法。使用諾斯羅普-格魯門公司公司的軟件開發工具包和開放式架構開發軟件可編程開放任務系統兼容技術，將使空軍能夠快速引入新功能，以應對不斷變化的威脅。