,,,

(1.西安愛生技術(shù)集團(tuán)公司，西安 710065； 2.西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院，西安 710072)

0 引言

無人機(jī)目前已經(jīng)從過去主要執(zhí)行空中偵察、戰(zhàn)場監(jiān)視和毀傷評估等任務(wù)的戰(zhàn)略支援裝備，升級成為能夠攜帶和施放致命或非致命武器執(zhí)行壓制敵防空系統(tǒng)、對地攻擊等作戰(zhàn)任務(wù)的主要裝備[1-4]。察打一體(偵察/打擊)無人機(jī)集偵察與攻擊能力于一體，具有偵察、監(jiān)視、目標(biāo)捕獲和實(shí)時(shí)打擊能力，極大地縮短了從發(fā)現(xiàn)到摧毀目標(biāo)的時(shí)間[5-6]。

無人機(jī)地面控制系統(tǒng)，即地面站GCS(ground control station)，是無人機(jī)的重要組成部分。它是無人機(jī)系統(tǒng)的指揮控制中心[5]，可以完成無人機(jī)的飛行操縱、數(shù)據(jù)鏈管理、機(jī)載任務(wù)設(shè)備控制等任務(wù)，同時(shí)以數(shù)字和圖形形式提供飛機(jī)飛行狀態(tài)、圖像偵察信息，實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)全系統(tǒng)的監(jiān)控[7]。

武器控制系統(tǒng)作為察打一體無人機(jī)地面站控制體系的一個(gè)重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)打擊的關(guān)鍵。本文針對察打一體無人機(jī)飛行平臺掛載光電偵察載荷與激光制導(dǎo)導(dǎo)彈，對靜止或者移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行偵察、跟蹤、鎖定與打擊的需求，設(shè)計(jì)察打一體無人機(jī)地面站武器控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)察打一體無人機(jī)對地面目標(biāo)的攻擊。

1 武器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

察打一體無人機(jī)地面站通過無線電數(shù)據(jù)鏈實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)飛行平臺、光電偵察載荷和武器設(shè)備的監(jiān)控。地面站將控制指令編碼發(fā)送至無人機(jī)，同時(shí)接收并解碼顯示無人機(jī)狀態(tài)、光電偵察載荷狀態(tài)、武器設(shè)備狀態(tài)和偵察圖像信息。地面站主要由數(shù)據(jù)處理軟件、飛行監(jiān)控軟件、導(dǎo)航監(jiān)控軟件、任務(wù)監(jiān)控軟件和信息顯示軟件等組成。其中數(shù)據(jù)處理軟件、任務(wù)監(jiān)控軟件和信息顯示軟件構(gòu)成地面站武器控制系統(tǒng)。

地面站的工作原理是地面數(shù)據(jù)終端GDT (ground data terminal)接收無人機(jī)遙測數(shù)據(jù)，通過RS422串行接口和網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給數(shù)據(jù)處理軟件，數(shù)據(jù)處理軟件經(jīng)解碼處理生成無人機(jī)遙控遙測數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包[8-9]，以組播方式經(jīng)網(wǎng)絡(luò)集線器發(fā)送到接入網(wǎng)內(nèi)的其它軟件，其中包括任務(wù)監(jiān)控軟件和信息顯示軟件。數(shù)據(jù)處理軟件通過網(wǎng)絡(luò)接收地面站其它軟件發(fā)送的控制指令，編碼生成無人機(jī)遙控?cái)?shù)據(jù)，并通過RS422串行接口發(fā)送給地面數(shù)據(jù)終端，完成對無人機(jī)的控制。地面站武器控制系統(tǒng)工作流程如圖1所示。

圖1 武器控制系統(tǒng)組成

地面站武器控制系統(tǒng)由三個(gè)軟件組合實(shí)現(xiàn)，其功能組合如圖2所示。

圖2 武器控制系統(tǒng)軟件功能組合

1.1 數(shù)據(jù)處理軟件

數(shù)據(jù)處理軟件是整個(gè)無人機(jī)地面站的信息中樞，在地面站后臺運(yùn)行，完成與其它軟件的數(shù)據(jù)交互及數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理軟件主要包括以下幾個(gè)功能。

1)控制指令的編碼與發(fā)送：實(shí)時(shí)接收任務(wù)監(jiān)控軟件發(fā)送的光電偵察載荷控制指令及任務(wù)規(guī)劃指令；實(shí)時(shí)接收信息顯示軟件發(fā)送的武器控制指令。數(shù)據(jù)處理軟件定時(shí)編碼生成一幀無人機(jī)遙控?cái)?shù)據(jù)通過串口發(fā)送給地面數(shù)據(jù)終端。

2)狀態(tài)數(shù)據(jù)的接收與解碼：定時(shí)接收地面數(shù)據(jù)終端通過串口發(fā)送的無人機(jī)遙測數(shù)據(jù)，收齊一幀后將數(shù)據(jù)解碼并填入無人機(jī)遙控遙測數(shù)據(jù)相應(yīng)單元，以組播方式經(jīng)網(wǎng)絡(luò)集線器發(fā)送到接入網(wǎng)內(nèi)的其它軟件。

3)無人機(jī)附加參數(shù)計(jì)算：數(shù)據(jù)處理軟件定時(shí)將收到的無人機(jī)遙測數(shù)據(jù)經(jīng)過計(jì)算后生成無人機(jī)附加參數(shù)(例如無人機(jī)爬升率、數(shù)據(jù)鏈地面定向天線數(shù)字引導(dǎo)數(shù)據(jù)等)，并填入遙控遙測數(shù)據(jù)相應(yīng)單元。

1.2 任務(wù)監(jiān)控軟件

任務(wù)監(jiān)控軟件界面定時(shí)刷新，更新無人機(jī)和光電偵察載荷遙測信息，以文字和圖形方式顯示無人機(jī)信息和光電偵察載荷信息，以及定時(shí)發(fā)送光電偵察載荷控制指令。

1)光電偵察載荷控制指令編碼與發(fā)送：定時(shí)向數(shù)據(jù)處理軟件發(fā)光電偵察載荷控制指令，主要包括對電視傳感器、紅外傳感器和激光器的控制。

2)光電偵察載荷狀態(tài)解碼與顯示：定時(shí)接收數(shù)據(jù)處理軟件發(fā)送的無人機(jī)遙控遙測數(shù)據(jù)，對光電偵察載荷狀態(tài)進(jìn)行解碼與顯示，主要包括光電偵察載荷的工作模式、方位角、高低角、自檢狀態(tài)、激光工作狀態(tài)、激光測距距離等。

3)其它輔助功能：包括地圖管理、目標(biāo)信息管理與裝訂、光電偵察載荷初步態(tài)勢顯示、攻擊航線生成、攻擊區(qū)域解算與顯示等。

1.3 信息顯示軟件

信息顯示軟件接收地面數(shù)據(jù)終端發(fā)送的偵察圖像數(shù)據(jù)，對偵察圖像進(jìn)行解壓與顯示。操縱手跟蹤目標(biāo)對目標(biāo)定位后，信息顯示軟件自動(dòng)向任務(wù)監(jiān)控軟件發(fā)送目標(biāo)信息。操縱手控制光電偵察載荷持續(xù)跟蹤目標(biāo)擇機(jī)進(jìn)行激光照射并完成武器發(fā)射流程。

1)偵察圖像解壓與顯示：實(shí)時(shí)接收地面數(shù)據(jù)終端軟件發(fā)送的偵察圖像數(shù)據(jù)，將收到的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過字節(jié)同步、幀同步后，對壓縮圖像調(diào)用軟解壓庫進(jìn)行解壓，顯示解壓獲得的RGB圖像數(shù)據(jù)。

2)目標(biāo)定位：定位時(shí)對實(shí)時(shí)偵察視頻進(jìn)行暫停顯示，根據(jù)當(dāng)前無人機(jī)飛行參數(shù)和光電偵察載荷參數(shù)信息計(jì)算獲得當(dāng)前圖像上所選目標(biāo)點(diǎn)的位置信息，并以文檔方式進(jìn)行信息保存，同時(shí)將目標(biāo)信息自動(dòng)發(fā)送至任務(wù)監(jiān)控軟件進(jìn)行目標(biāo)信息管理。

3)武器控制指令編碼與發(fā)送：實(shí)時(shí)發(fā)送包括預(yù)發(fā)射、準(zhǔn)備發(fā)射、發(fā)射、取消發(fā)射、裝訂安全時(shí)間等武器控制指令至數(shù)據(jù)處理軟件。

4)武器狀態(tài)解碼與顯示：定時(shí)接收數(shù)據(jù)處理軟件發(fā)送的無人機(jī)遙控遙測數(shù)據(jù)，對武器狀態(tài)信息進(jìn)行解碼與顯示，主要包括自檢結(jié)果、在軌狀態(tài)、導(dǎo)彈狀態(tài)、通訊狀態(tài)、安全時(shí)間倒計(jì)時(shí)等。

2 軟件主要實(shí)現(xiàn)方法

數(shù)據(jù)處理軟件、任務(wù)監(jiān)控軟件和信息顯示軟件開發(fā)的平臺為Visual Studio 2012和NI Measurement Studio開發(fā)套件。下面分別列舉各軟件中的主要的實(shí)現(xiàn)方法。

2.1 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)

數(shù)據(jù)處理軟件、任務(wù)監(jiān)控軟件和信息顯示軟件之間的數(shù)據(jù)收發(fā)通過以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議為UDP組播，本系統(tǒng)采用Windows Sockets 2.2版。首先調(diào)用啟動(dòng)函數(shù)，啟動(dòng)函數(shù)必須是軟件第一個(gè)調(diào)用的Windows Sockets函數(shù)。軟件只有在一次成功的啟動(dòng)函數(shù)啟動(dòng)之后才能執(zhí)行其它的Windows Sockets API函數(shù)。之后使用Socket()函數(shù)創(chuàng)建套接字，打開本地配置文件，讀取本機(jī)端口號，外地端口號和發(fā)送IP地址等。套接字創(chuàng)建成功后，調(diào)用Bind()函數(shù)建立連接。最后調(diào)用異步函數(shù)來設(shè)定接收消息，以便軟件對網(wǎng)絡(luò)消息及時(shí)進(jìn)行響應(yīng)。

2.2 地圖界面設(shè)計(jì)

遵循直觀、便于操作等原則，任務(wù)監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)以Skyline軟件三維地圖為背景[10]，在界面周邊設(shè)置工具欄，以按鈕方式彈出各個(gè)設(shè)置、控制、操作、顯示對話框，在使用時(shí)彈出，不使用時(shí)隱藏。

任務(wù)監(jiān)控軟件是由MFC生成的文檔Windows應(yīng)用程序，由主框架生成了工具欄，菜單欄和狀態(tài)欄以及視圖程序，在工具欄中設(shè)置各個(gè)彈出對話框按鈕。在視圖程序中創(chuàng)建地圖引擎，讀取地圖庫路徑，調(diào)用地圖數(shù)據(jù)庫并顯示，在視圖類程序中對變量、標(biāo)志、指針、緩沖區(qū)、套接字、對話框、網(wǎng)絡(luò)等進(jìn)行初始化；通過網(wǎng)絡(luò)接收來自數(shù)據(jù)處理軟件的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，存放到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)緩沖區(qū)；采用定時(shí)器事件觸發(fā)消息，對該消息進(jìn)行應(yīng)答并向各個(gè)顯控單元發(fā)送刷新消息來顯示刷新。各對話框響應(yīng)定時(shí)器中的刷新消息對界面和數(shù)據(jù)進(jìn)行刷新。

2.3 數(shù)字視頻解壓與顯示

由于數(shù)字視頻數(shù)據(jù)量龐大，為保證數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性及計(jì)算機(jī)處理器的充分利用，信息顯示軟件圖像解壓模塊采用多線程處理技術(shù)。線程1主要負(fù)責(zé)從網(wǎng)絡(luò)中接收數(shù)據(jù)，通過字節(jié)同步及幀同步，將有效的圖像數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好放入緩沖區(qū)中。線程2主要負(fù)責(zé)從緩沖區(qū)中讀取有效圖像數(shù)據(jù)幀，送給解碼器進(jìn)行解碼，并解碼出每一幀圖像。

圖像顯示的顯示方式采用DrawDIB函數(shù)組，將解壓獲得的RGB數(shù)據(jù)顯示在屏幕上。

3 關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

3.1 進(jìn)入攻擊航線

任務(wù)監(jiān)控軟件依據(jù)目標(biāo)位置、攻擊高度、風(fēng)場、彈道包線等信息自動(dòng)生成攻擊航線，解算出進(jìn)入點(diǎn)和進(jìn)入方向(可手動(dòng)調(diào)整)發(fā)送至無人機(jī)。無人機(jī)機(jī)載導(dǎo)航軟件自動(dòng)進(jìn)行航跡過渡和切入控制。進(jìn)入攻擊航線主要分為兩步，分別是攻擊航線切入與航向慣性對準(zhǔn)。

攻擊航線切入：攻擊航線切入采用定點(diǎn)導(dǎo)航控制模式，機(jī)載導(dǎo)航軟件控制無人機(jī)以平緩方式進(jìn)入攻擊航線。進(jìn)入方式分為從圈外進(jìn)入和從圈內(nèi)進(jìn)入兩種，可根據(jù)攻擊半徑選擇進(jìn)入方式。設(shè)計(jì)有兩種半徑進(jìn)行選擇，3 km半徑的選擇從圈外進(jìn)入，6 km半徑的選擇從圈內(nèi)進(jìn)入，可以選擇順時(shí)針進(jìn)入或逆時(shí)針進(jìn)入，如圖3所示。

圖3 攻擊航線切入方式示意圖

航向慣性對準(zhǔn)：機(jī)載導(dǎo)航軟件控制無人機(jī)平滑切入攻擊航線，當(dāng)無人機(jī)進(jìn)入攻擊航線直線段后，收到預(yù)發(fā)射指令后自動(dòng)進(jìn)行航向慣性對準(zhǔn)，航向慣性對準(zhǔn)的控制方式采用給定航向角控制模式，給定航向角的值為攻擊直線方向。

3.2 攻擊區(qū)域解算與顯示

任務(wù)監(jiān)控軟件依據(jù)導(dǎo)彈的彈道包線、無人機(jī)飛行高度、速度和風(fēng)場等參數(shù)自動(dòng)解算投彈區(qū)，并以雷達(dá)圖和地圖疊加兩種方式進(jìn)行顯示，以輔助投彈決策。其中雷達(dá)圖疊加在信息顯示軟件上，地圖疊加采用半透明方式疊加在任務(wù)監(jiān)控軟件地圖背景上。攻擊區(qū)域示意圖如圖4和圖5所示。

圖4 攻擊區(qū)域雷達(dá)圖

圖5 攻擊區(qū)域地圖疊加顯示圖

3.3 目標(biāo)信息管理

任務(wù)監(jiān)控軟件包含目標(biāo)信息表，目標(biāo)信息表中的目標(biāo)來源可按先驗(yàn)信息預(yù)先設(shè)置、可點(diǎn)選地圖上的點(diǎn)自動(dòng)獲取、可獲取機(jī)載導(dǎo)航軟件實(shí)時(shí)定位結(jié)果，也可獲取來自信息顯示軟件的目標(biāo)定位結(jié)果?？梢詫δ繕?biāo)信息表中的目標(biāo)進(jìn)行編輯、增加、刪除、保存等操作。

操縱手確認(rèn)攻擊目標(biāo)后，將目標(biāo)信息表中的目標(biāo)裝訂至無人機(jī)，無人機(jī)接收到裝訂目標(biāo)后，生成目標(biāo)地理跟蹤控制指令，引導(dǎo)光電偵察載荷指向目標(biāo)。

3.4 圖像解壓與顯示

光電偵察載荷下傳的偵察視頻數(shù)據(jù)流符合H.264標(biāo)準(zhǔn)，視頻可采用商用播放器(如暴風(fēng)影音等)進(jìn)行播放。

偵察圖像數(shù)據(jù)主要分為圖像數(shù)據(jù)和無人機(jī)狀態(tài)參數(shù)兩部分。無人機(jī)狀態(tài)參數(shù)復(fù)接在標(biāo)準(zhǔn)H.264視頻流SEI段用戶數(shù)據(jù)區(qū)，如圖6所示。其中無人機(jī)狀態(tài)參數(shù)包含無人機(jī)飛行參數(shù)和光電偵察載荷參數(shù)兩部分。

圖6 偵察圖像數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示意圖

本系統(tǒng)中視頻疊加數(shù)據(jù)使用H.264標(biāo)準(zhǔn)的SEI NAL非注冊用戶類型數(shù)據(jù)傳輸，NAL類型為0x16， 非注冊用戶數(shù)據(jù)類型表示為05。疊加的無人機(jī)狀態(tài)參數(shù)在目標(biāo)定位過程中起輔助作用。疊加數(shù)據(jù)在商用軟件解碼時(shí)自動(dòng)跳過。

3.5 武器控制與發(fā)射

武器控制與發(fā)射技術(shù)分為目標(biāo)跟蹤與鎖定、導(dǎo)彈控制與發(fā)射和導(dǎo)彈安全性設(shè)計(jì)三部分。

3.5.1 目標(biāo)跟蹤與鎖定

操縱手通過信息顯示軟件觀察光電偵察載荷圖像，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后控制載荷對目標(biāo)進(jìn)行跟蹤。載荷穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)后，機(jī)載導(dǎo)航軟件實(shí)時(shí)解算目標(biāo)位置信息，同時(shí)操縱手可對當(dāng)前光電載荷偵察圖像進(jìn)行暫停顯示，通過鼠標(biāo)點(diǎn)選目標(biāo)進(jìn)行目標(biāo)定位。

3.5.2 導(dǎo)彈控制與發(fā)射

地面站任務(wù)監(jiān)控軟件依據(jù)目標(biāo)位置、無人機(jī)位置、飛行高度、彈道包線等信息通過計(jì)算，在臨近攻擊區(qū)域給出攻擊提示，在無效區(qū)域給出無效攻擊提示，以輔助操縱手完成攻擊。

無人機(jī)沿攻擊航線進(jìn)入攻擊區(qū)域后，操縱手控制無人機(jī)光電偵察載荷穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)并進(jìn)行激光照射，同時(shí)完成導(dǎo)彈發(fā)射。

3.5.3 導(dǎo)彈安全性設(shè)計(jì)

為了防止發(fā)射導(dǎo)彈在無人機(jī)起飛前誤操作，本系統(tǒng)對導(dǎo)彈發(fā)射的安全性進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)如下兩種安全性限制。

1)空速限制：當(dāng)空速大于70 km/h時(shí)，導(dǎo)彈發(fā)射按鈕使能，否則導(dǎo)彈發(fā)射按鈕不使能，不能進(jìn)行導(dǎo)彈發(fā)射。

2)安全時(shí)間限制：在無人機(jī)起飛前設(shè)置一個(gè)安全時(shí)間，在此時(shí)間內(nèi)導(dǎo)彈發(fā)射按鈕不使能，不能進(jìn)行導(dǎo)彈發(fā)射。達(dá)到安全時(shí)間后，才可以進(jìn)行導(dǎo)彈發(fā)射。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

導(dǎo)彈打靶是對察打一體無人機(jī)系統(tǒng)主要察打性能與功能的驗(yàn)證，本系統(tǒng)經(jīng)某型察打一體無人機(jī)試驗(yàn),試驗(yàn)過程如下，結(jié)果如表1所示。

1)無人機(jī)起飛，在靶區(qū)內(nèi)飛行至相對高度1 km；

2)條件允許的情況下無人機(jī)沿順風(fēng)或逆風(fēng)方向進(jìn)入攻擊區(qū)；

3)光電偵察載荷捕獲并鎖定目標(biāo)，操縱手控制無人機(jī)沿規(guī)劃航線向目標(biāo)飛行；

4)在無人機(jī)進(jìn)入攻擊區(qū)后，控制無人機(jī)接近攻擊航向后，轉(zhuǎn)為定向(與規(guī)劃攻擊直線方向一致)，使無人機(jī)航向指向目標(biāo)，在投彈允許距離范圍內(nèi)進(jìn)行導(dǎo)彈發(fā)射；

5)重新調(diào)整無人機(jī)進(jìn)行第二次導(dǎo)彈發(fā)射；

表1 驗(yàn)證指標(biāo)和結(jié)果

此次打靶試驗(yàn)，無人機(jī)飛行高度為1 km，飛行過程中操作手可清晰的識別目標(biāo)，并對目標(biāo)進(jìn)行穩(wěn)定跟蹤。到達(dá)攻擊區(qū)域后無人機(jī)可平穩(wěn)的切入攻擊航線，航向慣性對準(zhǔn)精度高。在導(dǎo)彈攻擊距離內(nèi)發(fā)射激光制導(dǎo)導(dǎo)彈，激光照射器照射精度高，導(dǎo)彈命中4 m×4 m靶板，距離靶心1.2 m。

5 結(jié)論

由數(shù)據(jù)處理軟件、任務(wù)監(jiān)控軟件和信息顯示軟件構(gòu)成地面站武器控制系統(tǒng)已成功應(yīng)用于某型察打一體無人機(jī)地面控制站。經(jīng)多次飛行試驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)穩(wěn)定性好、實(shí)時(shí)性高，操作簡單，減輕了操作人員的負(fù)擔(dān)，降低了操作人員的失誤概率，提高了察打一體無人機(jī)系統(tǒng)的自主攻擊能力，為察打一體無人機(jī)激光制導(dǎo)導(dǎo)彈的使用提供了簡便實(shí)現(xiàn)的方法。

參考文獻(xiàn)：

[1] 印 駿，譚 玲，譚紹杰.美軍無人機(jī)的作戰(zhàn)應(yīng)用及其發(fā)展趨勢[J]. 飛航導(dǎo)彈， 2010(8)：26-29.

[2] 王 超，董秋杰.偵察打擊一體化無人機(jī)武器系統(tǒng)的研究[J]. 科技咨詢導(dǎo)報(bào)，2009(4):6-7.

[3] Secretary of Defense (USA).Unmanned Aircraft Systems Roadmap 2005-2030[R].Office of the Secretary of Defense(USA)Report，2005.

[4] Sweetman. Bill Drones That Sting--combat UAV Programs Take the Offensive[J].Journal of Electronic Defense，2004(6):34-40.

[5] 李大健，賈 偉，劉慧霞，等.一種輕型察打一體化無人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 火力與指揮控制，2014(3)：137-139.

[6] 張 安，曹 璐，郭鳳娟.無人作戰(zhàn)飛機(jī)偵察/打擊一體化自主控制關(guān)鍵技術(shù)探討[J]. 電光與控制，2010，17(1):1-6.

[7] 劉 洋，馬麗娜，劉 磊.無人機(jī)地面站飛行監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)測量與控制，2014(1):1-6.

[8] 張治生.無人機(jī)地面站系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)[D]. 西安：西北工業(yè)大學(xué)，2007.

[9] 張 波，陳知秋，劉 江.無人機(jī)測控信息實(shí)時(shí)處理與記錄分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 測控技術(shù)，2008，27(12):33-35.

[10] 梁吉欣,左小清.Skyline在Web三維GIS中的應(yīng)用研究[J].昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào)(理工版)，2009，34(2).