彭鵬菲，黃 亮，李啟元

（海軍工程大學 電子工程學院，湖北 武漢 430033））

基于通用接口的無人機指揮控制仿真實驗系統(tǒng)設計

彭鵬菲，黃 亮，李啟元

（海軍工程大學 電子工程學院，湖北 武漢 430033））

通過分析無人機的主要作戰(zhàn)模式和無人機在聯(lián)合作戰(zhàn)體制下的指揮控制相關需求，該文研究了相應的STANAG 4586標準，提出了基于通用接口（數(shù)據(jù)鏈接口、指揮控制接口、人工控制接口）數(shù)據(jù)模型的無人機指揮控制系統(tǒng)仿真實驗系統(tǒng)設計方案，給出了相應的系統(tǒng)目標、主要功能、組成結構和通用接口構件模型。該實驗系統(tǒng)能夠實現(xiàn)無人機系統(tǒng)指揮控制過程及相關技術的功能演示及驗證，體現(xiàn)通用接口在無人機一體化指揮控制系統(tǒng)中的重要作用，在未來聯(lián)合作戰(zhàn)體制下無人機指揮控制系統(tǒng)關鍵技術的研究與教學中具有很好的應用前景。

無人機；指揮控制；通用接口；控制站；構件

無人機（UAV）井噴式的發(fā)展，其作戰(zhàn)任務逐步從戰(zhàn)術級向戰(zhàn)役戰(zhàn)略級方向延伸，機型進一步智能化和隱身化，任務載荷向綜合化、高分辨率、全天候化發(fā)展，無人機的作戰(zhàn)模式逐漸趨于成熟。同時為了與未來以網絡為中心的聯(lián)合一體化作戰(zhàn)相適應，對無人機一體化作戰(zhàn)指揮控制的需求也日益迫切［1］。因此，采用通用接口的設計及標準化，也成為無人機指揮控制系統(tǒng)構建及研制中的主要技術方法。本文通過分析無人機作戰(zhàn)的主要模式和無人機在聯(lián)合作戰(zhàn)體制下的指揮控制相關需求，研究了相應的通用接口標準，提出了以通用接口數(shù)據(jù)模型為基礎，進行無人機指揮控制系統(tǒng)仿真實驗系統(tǒng)設計的方案。通過構建這種基于通用接口的無人機指揮控制系統(tǒng)仿真實驗系統(tǒng)，可有效驗證無人機系統(tǒng)指揮控制站的主要功能，體現(xiàn)聯(lián)合作戰(zhàn)體制下的無人機系統(tǒng)作戰(zhàn)能力，為未來無人機指揮控制關鍵技術及其一體化聯(lián)合作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)的研制與教學提供良好的仿真演示驗證平臺。

1 無人機作戰(zhàn)模式及指揮控制需求分析

1.1 無人機主要作戰(zhàn)模式

目前，無人機在實際作戰(zhàn)中的主要作戰(zhàn)模式是遠程分工作戰(zhàn)，即由部署在前線的小規(guī)模無人機發(fā)射／回收部隊負責無人機的發(fā)射和回收操作以及職責范圍內的維護工作，而無人機在空中的飛行控制和各項任務操作則由后方的操作／指揮人員來完成。這種作戰(zhàn)模式將無人機的控制放在了指揮控制中心，因而也被稱為集中控制模式［2］。該作戰(zhàn)模式的具體流程為：

1）前線的無人機發(fā)射／回收部隊發(fā)射無人機，一旦飛機飛到預定高度且機上各種系統(tǒng)和有效載荷開始運轉，就把控制權轉交給地面指揮控制中心的無人機操作／指揮人員；

2）地面指揮控制中心的無人機操作／指揮人員通過衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈控制無人機在空中執(zhí)行各項作戰(zhàn)任務；

3）完成作戰(zhàn)任務后，無人機操作／指揮人員控制無人機飛到預定高度再將控制權交回前線的發(fā)射／回收部隊，完成無人機的著陸和回收。

美國在“捕食者”“收割者”和“全球鷹”等無人機的作戰(zhàn)使用中都采用了上述模式。如在實戰(zhàn)中，將“捕食者”發(fā)射回收單元部署在伊拉克和阿富汗，但它們的作戰(zhàn)行動經常是由設在美國本土指揮控制中心的地面控制站操縱的，如圖1所示。

圖1 “捕食者”無人機遠程分工作戰(zhàn)模式

1.2 無人機作戰(zhàn)應用對指揮控制的需求

進入21世紀以來，在多個美軍新版作戰(zhàn)條令中，面向作戰(zhàn)指揮官和作戰(zhàn)任務對無人機的不同需求，為無人機的作戰(zhàn)應用新增了相關條例，將統(tǒng)一指揮、集中控制與分散實施作為無人機作戰(zhàn)應用的3大原則。

而在2010年發(fā)布的新版美軍《聯(lián)合空中作戰(zhàn)指揮與控制指令》中，新增了有關無人機的相關條例，對無人機在聯(lián)合空中作戰(zhàn)中的任務指派、計劃制定、作戰(zhàn)實施、作戰(zhàn)協(xié)同和空域管理等層面的應用進行明確的定義。在新版指令中明確指出，應基于無人機特性的充分考慮，采用與有人機相似的指揮控制模式實施對無人機的指揮控制，并充分利用現(xiàn)有的指揮控制體系以實現(xiàn)對無人機戰(zhàn)斗力的最優(yōu)發(fā)揮［3］。

2 無人機指揮控制通用接口分析

為了滿足多軍兵種聯(lián)合作戰(zhàn)的具體需求，實現(xiàn)各類異構無人機系統(tǒng)互聯(lián)互通互操作的協(xié)同作戰(zhàn)，制定無人機指揮控制通用接口標準的需求日益迫切。STANAG 4586正是北約為實現(xiàn)無人機互操作而制定的無人機控制系統(tǒng)通用接口標準，美國、以色列等無人機研制大國已陸續(xù)采用北約的標準為無人機研制通用地面控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)鏈，從而使北約的無人機標準成為目前世界上通用的無人機標準。STANAG 4586為未來的無人機指揮控制系統(tǒng)勾畫了一個功能性的結構標準［4－5］，具體包括無人機控制站和飛行器之間的接口（數(shù)據(jù)鏈接口，DLI）、無人機控制站和外部C4I系統(tǒng)之間的接口（指揮控制接口，CCI）、無人機控制站和無人機系統(tǒng)操作員之間的接口（人工控制接口，HCI）。

其中，CCI處于無人機系統(tǒng)和外部C4I系統(tǒng)之間，其數(shù)據(jù)模型如圖2所示。它詳細定義了在無人機任務的各階段無人機系統(tǒng)和外部C4I系統(tǒng)之間需要互傳的消息和數(shù)據(jù)的類型，可以按照起飛前、起飛中和起飛后3個階段描述。

1）起飛前：任務分配、戰(zhàn)場狀態(tài)、環(huán)境數(shù)據(jù)、一般任務約束、任務計劃。

2）飛行中：狀態(tài)和服務消息、控制權交接、有效載荷數(shù)據(jù)、任務進展報告。

3）降落后：狀態(tài)和服務消息、任務載荷數(shù)據(jù)、任務報告。

圖2 CCI數(shù)據(jù)模型

美空軍在其相關型號的無人機集成應用中正是遵循了STANAG 4586標準中的通用接口來實施的，完成無人機系統(tǒng)與網絡化體系中的其他系統(tǒng)、作戰(zhàn)單元或兵力之間的交互數(shù)據(jù)、信息、資源及服務，實現(xiàn)有效協(xié)同作戰(zhàn)，以滿足網絡中心戰(zhàn)需要。

3 基于通用接口的無人機指揮控制仿真實驗系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)總體目標及主要功能

無人機系統(tǒng)通常包括無人機平臺、有效載荷、通信鏈路、控制站與保障設施等。其中，控制站是無人機系統(tǒng)的重要組成部分，也是無人機系統(tǒng)指揮控制的中心［6－8］。因此，在實驗室環(huán)境下構建的無人機指揮控制仿真系統(tǒng)將主要實現(xiàn)無人機控制站的綜合功能。按照通用接口的基本要求，該無人機指揮控制仿真實驗系統(tǒng)設計的總體目標是：

1）采用基于通用接口的系統(tǒng)集成技術，以實物與虛擬相結合的方式，仿真驗證無人機指揮控制過程中的信息綜合與決策優(yōu)化技術；

2）演示“與各級指揮控制系統(tǒng)交聯(lián)，根據(jù)任務要求制定相應的任務規(guī)劃，組織和指揮無人機系統(tǒng)協(xié)調工作，控制無人機飛行姿態(tài)與航跡，執(zhí)行預定任務，并獲取戰(zhàn)場信息”的全過程。

由此，無人機指揮控制仿真實驗系統(tǒng)應具有以下主要功能：

1）飛行狀態(tài)監(jiān)控功能；

2）任務狀態(tài)監(jiān)控功能；

3）任務規(guī)劃功能；

4）信息綜合管理功能；

5）情報預處理功能；

6）數(shù)據(jù)鏈管理功能。

3.2 系統(tǒng)組成及結構

根據(jù)系統(tǒng)設計的總體目標及主要功能要求，該仿真系統(tǒng)由無人機控制站仿真、任務載荷（光電探測設備）半實物仿真、無人機平臺半實物仿真、數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)仿真、戰(zhàn)場環(huán)境模擬數(shù)據(jù)庫和仿真引擎管理等子系統(tǒng)組成，利用半實物與仿真模型及環(huán)境相結合的方式，其結構設計如圖3所示。

圖3 基于通用接口數(shù)據(jù)模型的無人機指揮控制仿真實驗系統(tǒng)結構

3.3 基于構件的通用接口數(shù)據(jù)模型設計

在無人機指揮控制仿真實驗系統(tǒng)的構建中，3類通用接口數(shù)據(jù)模型可以采用基于構件的設計方法，并利用WebService技術實現(xiàn)通用接口構件庫在仿真環(huán)境中的柔性生成［9］，如圖4所示。

基于構件的通用接口數(shù)據(jù)模型本質上也是一種面向對象的結構［10］，其思想是采用基于構件的開發(fā)方法創(chuàng)建可重用的構件并將其組合［11－12］，動態(tài)的生成可在仿真環(huán)境中使用的接口數(shù)據(jù)模型，以支撐大型而復雜仿真系統(tǒng)的構建與運行。在具體的實現(xiàn)中，通用接口構件庫中包括Object類構件、View類構件、Process類構件以及Data類構件等，再利用WebService技術，提供分布式的通用接口數(shù)據(jù)模型網絡服務。Object類構件體現(xiàn)接口的基本屬性及功能，Process類構件體現(xiàn)了不同接口的處理內容，Data類構件體現(xiàn)接口中相關數(shù)據(jù)的定義與類型，View類構件則體現(xiàn)了不同接口的對外表現(xiàn)形式。根據(jù)仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互的UML圖和順序圖，可將3類通用接口數(shù)據(jù)模型的構件組成分別映射到通用接口構件庫中。

圖4 基于構件的通用接口數(shù)據(jù)模型設計

4 結束語

基于通用接口的無人機指揮控制系統(tǒng)仿真實驗系統(tǒng)設計方案在STANAG 4586標準的基礎上，提出了數(shù)據(jù)鏈接口、指揮控制接口和人工控制接口3類數(shù)據(jù)模型在無人機指揮控制系統(tǒng)仿真中具體應用方法，并給出了相應的系統(tǒng)目標、主要功能、組成結構和通用接口構件模型。該實驗系統(tǒng)的構建將能夠充分體現(xiàn)無人機遠程分工的作戰(zhàn)模式，演示驗證無人機在聯(lián)合作戰(zhàn)體制下的指揮控制過程及相關技術功能，可為下一步開展聯(lián)合作戰(zhàn)體制下無人機指揮控制系統(tǒng)關鍵技術的研究與教學提供良好的技術基礎。

［1］Chairman of National Security Agency.Standardisation Agreement（STANAG）4586：Standard interfaces of UAV control system（UCS）for NATO UAV interoperability［R］.USA：NATO，2007.

［2］許鶯，熊朝華，王芳.美空軍無人機一體化作戰(zhàn)指揮方法分析［C］／／2014年中國無人機大會會議論文集.北京：中國航空學會，2014：121－124.

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［4］曲東才，唐琳娜，吳曉男，等.STANAG 4586標準化接口——從理想到現(xiàn)實［J］.飛航導彈，2005（9）：45－49.

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The Design Project of UAV Command and Control Simulation System Based on General Interfaces

PENG Pengfei，HUANG Liang，LI Qiyuan
（School of Electronic Engineering，Navy University of Engineering，Wuhan 430033，China）

By analyzing the main operational mode of unmanned aerial vehicles（UAVs）and the related needs of command and control under the joint combat system，the corresponding STANAG 4586 standard is studied.The design project of UAV command and control simulation system，with the corresponding targets of system，the main functions，the structure and the general interface component models，are proposed based on common interfaces（data link interface，command and control interface，human control interface）in this paper，.This experimental system can achieve some functional demonstrations and validations of the UAV command and control process with related technologies，can reflect the important role of general interfaces on integrated command and control system of UAV，and thus will has good application prospects for the key technologies research and teaching of UAV command and control systems for the future joint combat environment.

unmanned aerial vehicle，command and control，common interface，control station，component.

V249

A

10.3969／j.issn.1672－4550.2016.06.005

2014－12－29；修改日期：2015－02－26

湖北省自然科學基金（2014EKB013）。

彭鵬菲（1977－），男，博士，副教授，主要從事指揮信息系統(tǒng)技術、裝備維修保障方面研究。