摘要:通過對無人機(jī)互通互聯(lián)互操作等通用化測控系統(tǒng)的研究，提出了基于VPX架構(gòu)的無人機(jī)測控終端綜合化開放平臺技術(shù)，通過采用標(biāo)準(zhǔn)化、通用化硬件模塊，軟件設(shè)計(jì)統(tǒng)一規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，嵌入第三方軟件，實(shí)現(xiàn)任務(wù)功能協(xié)同開發(fā)。該技術(shù)可以支持陸態(tài)、海態(tài)、陸海態(tài)等多種不同體制平臺任務(wù)的任意加載，為實(shí)現(xiàn)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(jī)管控切換提供了有力支撐，有效增強(qiáng)了無人機(jī)系統(tǒng)跨域作戰(zhàn)的能力。同時(shí)，系統(tǒng)能夠滿足無人機(jī)多類型、多型號不斷擴(kuò)展的需求，減少無人機(jī)測控裝備種類，降低新型無人機(jī)系統(tǒng)裝備建設(shè)成本，提升了無人機(jī)系統(tǒng)的生存性、靈活性和作戰(zhàn)效能。

　　關(guān)鍵詞:無人機(jī);測控終端;綜合化開放平臺;多域協(xié)同;VPX架構(gòu)

　　0引言

　　隨著無人機(jī)系統(tǒng)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，無人機(jī)系統(tǒng)在各大作戰(zhàn)場景中的普及與應(yīng)用也越來越廣泛。各國之間、各軍種之間、各種無人機(jī)系統(tǒng)的協(xié)同作戰(zhàn)問題日益凸顯，尤其在多國聯(lián)合作戰(zhàn)情況下，在未來多域作戰(zhàn)場景和環(huán)境下[1]，無人機(jī)系統(tǒng)將發(fā)揮越來越重要的作用。

　　針對上述問題，研制能夠在多個(gè)平臺之間實(shí)現(xiàn)協(xié)同、能操作各個(gè)軍種的多種無人機(jī)系統(tǒng)的通用控制系統(tǒng)及測控終端的需求日益迫切，世界軍事強(qiáng)國均開展了相關(guān)技術(shù)及解決方案研究。近期世界各國無人機(jī)系統(tǒng)互操作性的研發(fā)是與新型無人機(jī)系統(tǒng)、C4I(Command，Control，Communication，ComputerandIntelligence)系統(tǒng)以及聯(lián)合作戰(zhàn)等項(xiàng)目和計(jì)劃同步推進(jìn)的。近年來無人機(jī)系統(tǒng)發(fā)展較快的國家和組織(如以美國為首的北約)已經(jīng)形成了一系列解決互操作性問題的典型標(biāo)準(zhǔn)、概念以及相關(guān)開放式體系架構(gòu)解決方案[2]。

　　為打破無人機(jī)互操作性的限制，北約率先制定了STANAG4586標(biāo)準(zhǔn)，以提高無人機(jī)系統(tǒng)在盟軍聯(lián)合作戰(zhàn)環(huán)境下的互操作能力。該標(biāo)準(zhǔn)定義了適應(yīng)作戰(zhàn)需求的互操作等級(LevelofInteroperatability，LOI)以及無人機(jī)地面控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、接口、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)源和消息格式，同時(shí)還明確了要求采用的其他北約標(biāo)準(zhǔn)，如成像系統(tǒng)可互操作數(shù)據(jù)鏈標(biāo)準(zhǔn)(STANAG7085)以及與機(jī)上有效載荷有關(guān)的數(shù)字傳感器數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)(STANAG7023，4545，4607，4609)等。美國波音公司和英西圖公司的“掃描鷹”開發(fā)小組近年來已使其無人機(jī)系統(tǒng)與北約無人機(jī)的STANAG4586相兼容[3]。與STANAG4586兼容能使北約成員國使用各自的無人機(jī)系統(tǒng)和地面控制站設(shè)備聯(lián)合支持軍事作戰(zhàn)行動(dòng)。這極大增強(qiáng)了成員國無人機(jī)之間的互操作性，并可通過一種通用地面接口實(shí)時(shí)共享各國無人機(jī)系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)和信息。

　　為了建立一個(gè)無人系統(tǒng)開放體系，由美國國防部長辦公室、陸軍、海軍、空軍、通信衛(wèi)星工作組等多個(gè)部門提供支持，制定了聯(lián)合無人系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)(JointArchitectureforUnmannedSystems，JAUS)系列標(biāo)準(zhǔn)。該系列標(biāo)準(zhǔn)適用于無人機(jī)、無人地面車輛、無人潛航器、無人水面艇等無人系統(tǒng)。JAUS標(biāo)準(zhǔn)定義了一種模塊化、松耦合、可擴(kuò)展的體系結(jié)構(gòu)，以及一組與具體應(yīng)用無關(guān)、可重用的構(gòu)件和服務(wù)，同時(shí)規(guī)定了進(jìn)行內(nèi)部和外部通信的標(biāo)準(zhǔn)接口消息，從而使符合JAUS標(biāo)準(zhǔn)的無人系統(tǒng)具備互操作能力。在國內(nèi)，無人機(jī)測控系統(tǒng)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(shù)類型的無人機(jī)能夠采用通用化地面站[4]，但是尚未建立相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，特別是在機(jī)載終端等設(shè)備上沒有太多的進(jìn)展。目前無人系統(tǒng)的通用化主要基于標(biāo)準(zhǔn)的互操作能力。然而，為了實(shí)現(xiàn)一種真正的即插即用級互操作能力(即把來自多個(gè)銷售商的軟件能力集成到一個(gè)系統(tǒng)，支持對來自其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行交換、解釋和利用)，就需要實(shí)現(xiàn)一種開放式體系架構(gòu)[5]。開放式體系架構(gòu)是指一種具有模塊化、可互操作、接口公開發(fā)布和遵從開放式標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)架構(gòu)。開放式體系架構(gòu)具有可擴(kuò)展、可升級以及與其他系統(tǒng)的互操作等特點(diǎn)，可以降低研發(fā)成本，解決新技術(shù)有效插入問題以及保障系統(tǒng)升級擴(kuò)展等。開放式體系架構(gòu)涉及標(biāo)準(zhǔn)、接口、模塊化設(shè)計(jì)等。

　　1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　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(tài)相同的硬件模塊之間通過具有開放性、可擴(kuò)展特征的“SwitchFabric”交換網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，形成“資源池”;采用軟件通信體系結(jié)構(gòu)(SoftwareCommunicationArchitecture，SCA)波形封裝[6]技術(shù)完成對主鏈路海態(tài)鏈路功能、陸態(tài)鏈路功能、副鏈路功能及后續(xù)擴(kuò)展新體制鏈路功能的波形開發(fā);通過“藍(lán)圖”技術(shù)完成波形的部署和加載，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。

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

　　協(xié)議處理單元將飛控計(jì)算機(jī)、綜合任務(wù)管理計(jì)算機(jī)傳輸過來的飛控狀態(tài)、載荷設(shè)備狀態(tài)，以及測控平臺本身的狀態(tài)信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)適配、分段操作、數(shù)據(jù)復(fù)接和成幀，形成遙測數(shù)據(jù)并送入副通道，副通道在對應(yīng)的時(shí)隙進(jìn)行BPSK調(diào)制，形成已調(diào)下行中頻信號。對于主通道還要在遙測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上復(fù)接載荷數(shù)據(jù)并成幀，送入主通道進(jìn)行調(diào)制，形成已調(diào)下行中頻信號，分別在主副通道信道中進(jìn)行上變頻，變頻到下行發(fā)射載波頻率，然后經(jīng)功率放大后通過天線向地面輻射。

　　綜合化平臺內(nèi)部采用DSP完成平臺硬件模塊的初始化和驅(qū)動(dòng)以及RapidIO總線控制[7]，驅(qū)動(dòng)程序包括控制管理驅(qū)動(dòng)、RapidIO協(xié)議棧、文件系統(tǒng)和I/O子系統(tǒng)、RF模塊驅(qū)動(dòng)等;利用RapidIO總線和基于RapidIO總線的實(shí)時(shí)中間件實(shí)現(xiàn)模塊間芯片級高速互連，完成模塊間控制和數(shù)據(jù)信息的高速傳輸。

　　該系統(tǒng)針對平臺進(jìn)行綜合化設(shè)計(jì)，采用開放式架構(gòu)和分頻段綜合設(shè)計(jì)思路，通過高度綜合化設(shè)計(jì)與集成，實(shí)現(xiàn)軟硬件分離，方便系統(tǒng)的擴(kuò)展和升級。硬件采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在信道模塊、管理控制接口和信號處理進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，降低系統(tǒng)體積、重量、功耗，提升系統(tǒng)任務(wù)可靠性和維護(hù)保障水平。通過綜合化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)可以完成陸態(tài)、海態(tài)、陸海態(tài)三種不同體制平臺的任意加載，具有主副2套獨(dú)立鏈路并能夠在統(tǒng)一管控下實(shí)現(xiàn)可靠切換的能力。在物理層波形、高層協(xié)議以及工作流程的設(shè)計(jì)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(shù)，滿足軍用測控通信鏈復(fù)雜環(huán)境的基本需求。

　　2系統(tǒng)體系架構(gòu)

　　從系統(tǒng)架構(gòu)開始，采用開放式可重構(gòu)的綜合化平臺架構(gòu)進(jìn)行多通道測控通信系統(tǒng)的綜合化設(shè)計(jì);通過標(biāo)準(zhǔn)、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(SoftwareDefinedAnything，SDX)的設(shè)計(jì)理念，將不同體制通信功能進(jìn)行封裝，使之成為符合SCA規(guī)范的軟件構(gòu)件并利用“藍(lán)圖”技術(shù)[8]完成，通過加載和重構(gòu)等方法完成對系統(tǒng)資源的配置，靈活構(gòu)建鏈路功能線程，實(shí)現(xiàn)功能的配置。綜合化開放平臺軟件按層次劃分共分為4層結(jié)構(gòu)，分別是功能應(yīng)用層、系統(tǒng)平臺層、通信中間件層和平臺驅(qū)動(dòng)層。按軟件的功能劃分，可分為兩類，分別是“功能應(yīng)用軟件(功能應(yīng)用層軟件)”和“系統(tǒng)平臺軟件(包括平臺驅(qū)動(dòng)層、通信中間件層和系統(tǒng)平臺層軟件)”。

　　2.1功能應(yīng)用層

　　功能應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能項(xiàng)的算法軟件、信號處理軟件、數(shù)據(jù)處理軟件、功能控制軟件以及相應(yīng)功能線程的控制接口，包括視距鏈、超視距鏈、擴(kuò)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(tǒng)平臺層

　　系統(tǒng)平臺層控制管理子層軟件的主要功能要求包括:(1)內(nèi)外部接口控制代理與轉(zhuǎn)換———完成I/O模塊內(nèi)外部接口控制命令的執(zhí)行，以及接口協(xié)議的轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。(2)系統(tǒng)工作模式與事務(wù)管理———定義和維護(hù)系統(tǒng)各種運(yùn)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(wù)運(yùn)行模式、維護(hù)模式等工作模式下，定義系統(tǒng)的工作內(nèi)容和流程控制。(3)系統(tǒng)工作狀態(tài)管理———定義和維護(hù)系統(tǒng)的邏輯工作狀態(tài)以及狀態(tài)遷移條件;根據(jù)系統(tǒng)健康管理的檢測結(jié)果，資源管理以及功能線程管理，確定系統(tǒng)當(dāng)前工作狀態(tài);與圖形化系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控進(jìn)行接口，能顯示出資源和功能線程等設(shè)備工作狀態(tài)。

　　(4)重構(gòu)策略管理———定義和維護(hù)各種系統(tǒng)狀態(tài)下系統(tǒng)的重構(gòu)策略，根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)輸出系統(tǒng)軟硬件重構(gòu)方案。(5)系統(tǒng)資源管理———與系統(tǒng)基礎(chǔ)服務(wù)框架子層提供的服務(wù)接口，通過基礎(chǔ)服務(wù)進(jìn)行信息獲取、狀態(tài)維護(hù)和資源控制，如程序動(dòng)態(tài)加載等控制管理。(6)功能線程管理———功能線程的參數(shù)管理包括參數(shù)加載/更新等存儲(chǔ)管理、參數(shù)配置時(shí)序管理，構(gòu)建功能線程的過程控制包括正常功能構(gòu)建、應(yīng)急功能構(gòu)建、重構(gòu)功能構(gòu)建。(7)系統(tǒng)健康管理———監(jiān)測系統(tǒng)硬件、平臺層軟件、功能線程以及系統(tǒng)層軟件的工作狀態(tài)，定位系統(tǒng)故障并依據(jù)故障處理預(yù)案完成故障處理。

　　2.3通信中間件層

　　通信中間件層位于操作系統(tǒng)之上，應(yīng)用軟件(包括功能層軟件和系統(tǒng)層軟件)之下。向上通過中間件服務(wù)接口為應(yīng)用軟件提供通信服務(wù)、平臺資源管理服務(wù)，以及在系統(tǒng)維護(hù)模式下提供可視化的系統(tǒng)監(jiān)控服務(wù)。向下通過硬件抽象適配層，與實(shí)現(xiàn)平臺硬件的操縱與控制的驅(qū)動(dòng)層軟件接口，便于系統(tǒng)底層硬件的插入，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件與系統(tǒng)硬件之間的松耦合設(shè)計(jì)。

　　3系統(tǒng)控制管理技術(shù)

　　綜合化開放平臺系統(tǒng)的控制管理采用分級方式，平臺系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)計(jì)了獨(dú)立的控制管理模塊，即系統(tǒng)控制模塊，負(fù)責(zé)內(nèi)部的資源管理和狀態(tài)維護(hù)，為系統(tǒng)控制和功能管理提供支持。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，平臺系統(tǒng)包括資源管理(ResourceManagement)、配置管理(ConfigurationManagement)、網(wǎng)絡(luò)管理(NetworkManagement)、健康管理(HealthManagement)、時(shí)間管理(TimeManagement)等基礎(chǔ)服務(wù)功能，配合內(nèi)部的控制管理，同時(shí)為功能線程提供運(yùn)行的環(huán)境，并通過定義的接口控制程序映像的運(yùn)行。這些控制管理功能共同形成了平臺系統(tǒng)功能線程和應(yīng)用程序的運(yùn)行環(huán)境，為功能線程提供資源標(biāo)識和匹配、軟件加載、健康監(jiān)控以及全局時(shí)鐘等服務(wù)。

　　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(shè)計(jì)的方法把系統(tǒng)控制管理分成三層，即任務(wù)模式管理、功能線程管理和機(jī)箱資源管理。

　　4感知輔助的抗干擾智能測控技術(shù)

　　采用了“偵通一體的干擾感知技術(shù)”和“感知輔助的鏈路級安全防護(hù)技術(shù)”，有效規(guī)避干擾。下行廣播采用突發(fā)+擴(kuò)跳頻體制，突破傳統(tǒng)連續(xù)波體制，信號波形表現(xiàn)為時(shí)域的一個(gè)突發(fā)，確保抗干擾低截獲能力。上行鏈路采用擴(kuò)頻體制，同時(shí)結(jié)合型號項(xiàng)目要求的擴(kuò)頻增益，提高抗干擾容限。敵方無源探測設(shè)備的脈沖分選功能受輻射信號在時(shí)域、空域、頻域的穩(wěn)定性和規(guī)律性影響，因此，設(shè)計(jì)靜默態(tài)提高隱蔽性，并且下行廣播和上行接入信道的交互節(jié)拍可隨時(shí)調(diào)節(jié)。

　　通過機(jī)載測控終端輻射信號的最大不確定性設(shè)計(jì)，即采用最小輻射能量自適應(yīng)功率控制技術(shù)，使機(jī)載測控終端根據(jù)實(shí)際作用距離、信息速率及信道評估情況，在保證其性能指標(biāo)不影響作戰(zhàn)使用的前提下，輻射最優(yōu)的射頻功率，減小被敵方無源偵察裝備發(fā)現(xiàn)或截獲的距離，使敵方無法對我方信號進(jìn)行穩(wěn)定的截獲，可以直接影響無源探測設(shè)備的分選識別功能，使其無法進(jìn)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(nèi)含GPS信息，可以輔助地面進(jìn)行目標(biāo)角度計(jì)算，進(jìn)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(gè)維度大大降低敵方截獲概率;同時(shí)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(shí)物結(jié)構(gòu)

　　綜合化平臺設(shè)備采用標(biāo)準(zhǔn)VPX3U5槽機(jī)箱架構(gòu)，內(nèi)置板卡采用標(biāo)準(zhǔn)3UVPX導(dǎo)冷板卡和FMC子卡的結(jié)構(gòu)，外形尺寸161.35mm(寬)×148.2mm(高)×216mm(深)，質(zhì)量小于等于6.5kg。

　　無人機(jī)方向評職知識：無人機(jī)論文發(fā)表多久見刊

　　6結(jié)論

　　綜合化開放平臺技術(shù)是提升無人機(jī)系統(tǒng)互操作性的有效手段。基于綜合化開放平臺的系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)靈活配置無人機(jī)系統(tǒng)有效載荷，通過快速增加、減少、改變相關(guān)功能模塊，打造多任務(wù)作戰(zhàn)平臺，實(shí)現(xiàn)了艦載型和陸基型兩種模態(tài)通用化硬件平臺的研制;支持將兩種體制的功能加載進(jìn)來進(jìn)行統(tǒng)一管控，實(shí)現(xiàn)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(jī)管控?zé)o縫切換;通過標(biāo)準(zhǔn)化接口實(shí)現(xiàn)了與其他無人機(jī)平臺的互操作，有效支持跨平臺資源共用、信息共享、優(yōu)勢互補(bǔ)，形成體系作戰(zhàn)能力，同時(shí)采用智能化抗干擾低截獲技術(shù)提高了無人機(jī)的作戰(zhàn)效能，可以滿足未來復(fù)雜戰(zhàn)場的作戰(zhàn)需求。

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　　作者：陳會(huì)林**1，教富龍2，袁泮江3，洪志勇3，王羽3