无人机控制站监控软件通用化设计

张大高

摘 要 为适应新一代控制站发展需求，从软件框架结构、通用接口协议、通信服务、组件化模式以及多信息融合5个方面讲述了无人机控制站软件通用化开发设计约束。并对控制站监控软件的典型应用进行功能分配。

【关键词】无人机控制站 监控软件 通用化设计

1 引言

无人机的控制站是无人机系统的重要组成部分，是无人机系统的指挥控制中心，可以完成无人机的操纵、数据链管理、机载任务设备控制，以及无人机全机状态监控、任务载荷信息处理与显示、任务规划、多信息融合等功能。而控制站监控软件（简称监控软件）则是控制站的最重要的组成之一，是人与控制站交互的主要手段和渠道。目前，国内外都在极大对控制站的研究力度，根据需求的引导，无人机的控制站正向着多元化发展。从规模上可简单的分为大型站、小型站以及便携站等。而这些控制站都有着共同发展趋势或特点：

1.1 多样化的部署方式

从部署方式上，分为空机部署方式、地面部署方式和海基部署方式。其中地面部署方式应用最多，有分为固定式和车载移动式。

1.2 高智能化

随着人工智能发展，未来的无人机系统将会是具备智慧的系统，短期内，无人机系统将会是“飞行员/操作员决策”+“智能控制站”+“智能无人机平台”的工作模式。无人机平台和控制站完成大部分信息处理，判断、分析以及一些简单的决策。而人则仅仅参与重要/核心的决策。

1.3 高通用性

随着无人机型号越来越多，应用越来越广泛，一套通用化的控制站越来越显得格外重要。随着无人机市场发展，必然会出现对应的标准与规范，大家按照同一套标准与规范，达到控制的互通，即使用一个控制站可控制多个或多种无人机。

1.4 智能的人机交互

未来无人直升机，新技术、新材料的推广和应用，新一代智能的人机交互系统，逼真的仿真体验、友好用户操控。特别是作战用的无人机，信息总类与数量很大，高信息融合。除此之外，随着无人机型号越来越多，用户对无人机的互操作性提出了更高的要求。这就要求人机交互界面的OOP（操作程序）就像汽车的显示与操作流程一样，有统一的规范和标准。

1.5 复杂的环境使用策略

单一的无人机系统执行任务的时代慢慢离我们远去。多无人机机协同、有人机无机人协同以及多任务协同的脚步已经越来越近。随着无人机发展，民用空域越来越多，特别是在通航开放以后，将会出现更多种类的空域细分。高复杂度的空域将是无人机系统必须面临的问题，因此要求控制站能适应复杂的使用环境。

为了适应以上无人机系统的发展，需要新一代的通用型控制站，同時慢慢衍生出相应的通用化规范与标准。而通用型控制站的设计很大取决于控制站监控软件的通用化设计。本文则讲述我们在通用化监控软件的方法与思路。

2 控制站监控软件通用化开发设计

针对我们单位当前无人直升机的型号特点与发展需求，主要从层次化架构、通用接口协议、通信服务、组件化软件结构、多信息融合等5个方面，讲述控制站监控软件通用设计主要思路与设计约束。

2.1 层次化构架

无人机控制站监控软件架构采用分层结构，将系统软件架构划分为系统屏蔽层、集成工具层、应用控件层。该分层结构实现了各层之间、各功能模块之间的松耦合交联关系，便于系统的联合开发与升级扩展，如图1所示。

2.1.1 系统屏蔽层

系统屏蔽层为了使地面站相关的应用软件在各个操作系统平台下均能够正常稳定的运行，建设一套专属的跨平台软件适配层。通过系统屏蔽层该无人机控制站监控软件可以运行在Windows、Linux操作系统，实现地面站访问操作系统的管控，同时对应用软件提供一致的访问层，支撑地面站应用软件的开发与运行。

通过抽象技术，把应用程序的核心部分分离出来，把代码的移植工作集中在抽象层，提供软件架构中各个层次间的标准服务接口，以屏蔽应用软件模块对底层软件运行环境的依赖，以最小的代价完成代码的移植。将硬件抽象化，隐藏了特定平台的硬件接口细节，为操作系统提供虚拟硬件平台，使其具有硬件无关性。

2.1.2 集成工具层

应用集成框架是控制站监控软件的基础运行环境，以开放式技术体系结构、数据分布式通信服务等技术为核心，为系统集成提供模块集成、信息处理集成、人机界面集成、通信服务集成等功能。面向服务的软件架构允许用户向软件框架中集成一系列标准的服务。在这种设计思路下，通过将GIS访问、数据库访问、界面管理等常用公共服务集成在软件框架内，并向应用软件暴露统一的接口，以服务中间件的形式存在，可以为不同的应用软件提供标准的公共服务，在应用软件之间共享，一方面降低了应用软件的重复开发工作，另一方面，标准化的接口也为软件的安全性、可移植性提供了保障。

在集成工具层还包含了大量辅助开发测试工具，如通信接口测试工具、控件管理工具、界面布局工具等。

2.1.3 应用控件层

应用控件层由控件组成，控件是基本的功能单元，是实现业务逻辑、功能服务的主体。当用户的行为和数据模型改变时，接收并处理事件命令，触发业务逻辑，调用相应的功能服务进行业务处理，并通过相应的表现视图将处理结果显示出来。考虑到不同无人机型号显示控制的特殊性，可以将控件分为通用控件和专有控件。通用控件可满足不同型号需求，而专有控件则是针对具体型号和任务设备进行开发，满足特殊需求。

2.2 通用接口协议

无人机控制站监控软件按功能可简单的分为飞行监控类、任务监控类、任务规划类、链路/通信监控类以及情报与态势处理类。针对每一类软件，我们自定义一种通用接口协议。这种通用接口协议采用“固定+可变”结构格式。对于目前无人机系统已经成熟各种指令的类型进行固化，同时预留了指令扩展空间。

为兼顾已有的不同类型的无人机，并支持未来无人机的通信的通用化需求，需制定一个通用协议集，从而逐步实现地面站对各型无人机的互操作。

若无人机不支持通用协议集的约定，则需要经过飞行器专用协议转换模块进行转换，采用此方式可以向下兼容已有型号的无人机。反之，若无人机完全支持通用协议集的约定，则不需要单独的飞行器专用协议转换模块进行转换，如图2所示。

2.3 通信服务

通用数据传输服务以一系列标准服务接口实现应用软件模块间的逻辑数据通道，从而解除核心软件逻辑对数据传输细节的依赖。可实现周期、离散、非周期消息等类型的数据格式的传递；为了解决不同硬件平台、操作系统、编程环境下的差异，实现分布式异构环境下对应用层数据交互行为的统一规范，实现不同系统下的资源共享，提升应用软件可移植致性的问题，使用DDS软总线，以满足所有控件的通信需求。

DDS定义了分布式实时系统中数据发布、传递和接收的接口和行为，定义了以数据为中心的发布/订阅机制，提供了一个与平台无关的数据模型，该模型能够映射到各种具体的平台和编程语言。此外DDS去中心化的对等架构设计允许应用在运行期间被自动发现和连接。它具有以下优势：

（1）降低系统耦合；

（2）屏蔽异构系统的复杂性；

（3）屏蔽网络通信细节；

（4）提高应用伸缩性；

（5）加快开发进度，减少技术负担。

同时提供了丰富的实时QoS（Quality of Service），即可以满足应用的各种性能和对资源的控制要求，包括可靠性、数据的持久度、数据的历史记录、周期数据的超时、基于时间的过滤、数据的所有权、分区、资源限制等，并且提供每一个主题、每一个订阅者的定制化QoS服务。

经实践证明，引入DDS后，当影响系统复杂度的因素大量增加时，使用DDS数据通信服务明显降低了系统复杂度，如图3所示。

2.4 组件化软件结构

规范构件标准及安装管理操作，并支持构件的动态升级及通信。构件遵循我们自定义的一种内部标准。它具有以下特点：

2.4.1 支持模块化的动态部署

可以以模块化的方式动态地部署至框架中，从而增加、扩展或改变系统的功能。

2.4.2 支持模块化的封装和交互

可以将系统按照模块或其他方式划分为不同的工程，使得模块从物理上隔离。

2.4.3 支持模块的动态配置

基础平台软件通过提供配置管理服务来实现模块的动态配置和统一管理，基于此服务各模块的配置可在运行期间进行增加、修改和删除。

2.4.4 模块化的设计

可以定义模块的范围、模块对外提供的服务和所依赖的服务。

2.4.5 可扩展的设计

可以采用可扩展式的设计，即可通过系统中预设的扩展点来扩充系统的功能。

2.5 多信息融合

多信息融合态势系统，是在支持数据库信息、动态情报信息、民用信息、无人机状态信息等多种信息的情况下，基于虚拟现实技术，构建逼真的虚拟场景态势，以一种全新的方式增强操作员对整个态势的感知与把握。有力的提高无人机系统的飞行、侦查、作战、评估等能力。

3 控制站监控软件通用功能设计

上文从层次化架构、通用化接口协议、数据通信服务、组件化软件架构以及多信息融合等5个方面，从软件开发与维护的角度阐述了某型地面站软件通用化设计的思路。而对于控制站监控软件通用化设计来说，人机交互和功能的通用化设计是非常重要的。

控制站监控软件的功能以一般主要包括飞行监控、任务监控、链路监控、任务规划、综合态势与信息处理以及综合HUD显控等。由于应用控件是整个监控软件的最基本的功能单元，与实现主体。因此对于整个控制站监控软件的每个功能都有若干应用控件/功能单元组成。通过面向服务软件集成框架，将一个或多个构件组合在一起，然后加载配置与定义模块功能实现软件功能与人机交互界面的布局，同时软件集成架构为构件的加载和运行提供了生命周期管理、服务管理、事件管理等服务。根据加载控件不同，输出不同的功能应用软件。图4为控制站监控软件结构图。

对于最后通过软件集成框架生成应用软件的功能组成有对应的要求与规范，现将功能应用软件的典型功能进行分配，当然根据用户特殊要求可以删减功能组成。

飞行监控主要包含典型的功能单元（控件）如下：

（1）PFD信息：余度融合后速度、高度、航向、姿態等信息；

（2）EMS信息：转速、燃油信息、滑油信息、压力信息、温度信息等；

（3）飞行信息：飞行模式、航线信息、已飞与待飞信息、燃油匹配信息等；

（4）飞机系统状态信息：电器信息、传动系统信息、控制距量/舵量等；

（5）故障及告警信息：无人机全系统告警信息；

（6）辅助决策信息：针对告警信息的一些应急策略与处理意见，只提供处理方案，由操作员决策；

（7）信息输出：根据用户需求定制对外输出信息内容以及一些告警指示灯输出；

（8）飞行控制：控制杆、油门杆、硬件按键、软件按键、控制遥调等信息捕获，控制指令生成与发送，该模块可独立成软件配置项；

（9）其他专有信息等：其他信息。

链路监控主要包含典型的功能单元（控件）如下：

（1）链路选择：链路选择等；

（2）链路状态信息：工作频段、发射功率等；

（3）天线伺服：伺服状态信息；

（4）链路控制：频段控制、链路控制、功率控制；

任务规划主要包含典型的功能单元（控件）如下：

（1）链路选择：选择不同通信链路；

（2）任务场景建立：战区、任务区、空域、规避区、威胁区等建立、任务类型等；

（3）航路规划：离线规划、在线规划、航线安全分析等；

（4）任务设备使用规划：任务设备及传感器等使用规划；

（5）链路通信规划：链路工作模式、使用类型、开启静默时间等；

（6）编队规划：无人机编队信息；

（7）武器规划：武器使用提示信息；

（8）信息输出：将任务规划结果通过特定格式输出上报指挥决策；

任务监控主要包含典型的功能单元（控件）如下：

（1）光电监控：光电吊舱控制与状态监测；

（2）雷达侦察监控：雷达侦察设备控制与状态监测；

（3）中继设备监控：中繼设备控制与状态监测；

（4）其他任务设备：其他任务设备操控与状态信息；

（5）信息输出：将任务监控信息通过特定格式输出上报指挥决策；

综合态势主要包含典型的功能单元（控件）如下：

（1）三维地理信息：包含高程信息、地貌信息、人文信息等；

（2）无人机信息：无人机的站位等信息；

（3）空域信息：无人机工作区域空域信息；

（4）任务设备/传感器信息：任务载荷设备/传感器工作范围等信息；

（5）无人机飞行信息：无人机的飞行航线相关信息；

（6）无人机协同信息：多无人机或无人机与有人机间协同作战信息；

综合HUD主要包含典型的功能单元（控件）如下：

（1）飞行监控（精简信息）：精简的飞行监控信息；

（2）链路监控（精简信息）：精简的链路监控信息；

（3）任务监控（精简信息）：精简的任务监控信息；

（4）载荷监控（精简信息）：精简的载荷监控信息；

（5）二维地图及态势（精简信息）：精简的二维地图和简单态势信息；

（6）控制管理：控制杆/手柄、周边按键等设备控制权分配与管理、控制指令生成与发送等；

4 总结

软件通用化设计是一种思想，在这种思想的指导下，降低软件软件开发周期与成本。在通用化设计的基础和前提下，投入更多时间、人力到核心技术开发上。真正做到软件智能化，让软件有智慧，从而使控制站是具备智慧的控制站，使无人机系统是智能的无人机系统。

参考文献

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