李新亮 劉玉磊

摘 要：近年隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)蓬勃發(fā)展，投入市場(chǎng)的無(wú)人機(jī)型號(hào)與種類日益繁多。因此其測(cè)控指揮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作顯得尤為重要，尤其多級(jí)指揮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。目前指揮控制信息多利用有線傳輸，針對(duì)空間無(wú)人機(jī)與地面控制站難以敷設(shè)有線網(wǎng)絡(luò)的情況，現(xiàn)以北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的全天候?qū)Ш蕉ㄎ患氨倍范虉?bào)文等功能為支撐，使用北斗指揮機(jī)及其下屬子用戶構(gòu)建多級(jí)指揮架構(gòu)[1]，提出系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案以實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)與地面控制站系統(tǒng)間的多層級(jí)指揮，真正意義上實(shí)現(xiàn)按需指揮、動(dòng)態(tài)組網(wǎng)等功能效果，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

關(guān)鍵詞：北斗短報(bào)文;無(wú)人機(jī);指揮系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TN914.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2021.02.036

本文著錄格式：李新亮，劉玉磊.基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)應(yīng)急指揮系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].軟件，2021，42（02）：118-120

Design of UAV Flight Supervision SystemBased on Beidou Navigation System

LI Xinliang1， LIU Yulei2

（1.Hebei Branch of China Communication System Co.， Ltd.， Shijiazhuang? Hebei? 050200;

2.Unit 95791 of the Chinese people's Liberation Army， Jiuquan? Gansu? 735000）

【Abstract】：In recent years， with booming development， unmanned aerial vehicle （uav） technology in uav model with the increasingly wide range of markets.So the measurement and control command system design work is particularly important， especially multilevel command system design and implementation.The command and control information on use of cable transmission， unmanned aerial vehicle （uav） for space and ground control station is difficult to laying cable network，now with all-weather navigation and positioning of Beidou navigation system and Beidou is support for the function such as short message， use beidou command and its subordinate user build multilevel command structure， put forward the system design scheme for unmanned aerial vehicle （uav） between the ground control station system and more levels of command， truly on-demand command， dynamic networking functions such as the effect that has a broad market prospect.

【Key words】：beidou short message;unmanned aerial vehicle;command system

0引言

現(xiàn)階段指揮信息多采用有線傳輸方式，其具有傳輸數(shù)據(jù)量大、信號(hào)穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)，但針對(duì)無(wú)人機(jī)及地面控制站間難以敷設(shè)有線通信網(wǎng)絡(luò)的情況，則亟須一種安全穩(wěn)定的無(wú)線指揮信息傳輸方式作為應(yīng)急指揮手段。普通無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸，存在安全保密性能差、偏遠(yuǎn)地區(qū)無(wú)基站無(wú)網(wǎng)絡(luò)等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，而北斗導(dǎo)航系統(tǒng)具有全天候?qū)Ш蕉ㄎ患凹用芏虉?bào)文通信等服務(wù)優(yōu)勢(shì)[5]，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)時(shí)導(dǎo)航業(yè)務(wù)可以滿足無(wú)人機(jī)的精確定位需求，短報(bào)文通信業(yè)務(wù)可以滿足無(wú)人機(jī)的遙控遙測(cè)需求。其中北斗指揮型用戶機(jī)除了具備通用功能外，還能監(jiān)收下轄用戶機(jī)的定位和通信等相關(guān)信息，并可向其所子用戶發(fā)送通播信息[3]，靈活實(shí)現(xiàn)集團(tuán)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)、多層級(jí)調(diào)度指揮等功能。在無(wú)人機(jī)群大規(guī)模聯(lián)合作戰(zhàn)過(guò)程中的控制、指揮系統(tǒng)的應(yīng)用中具有極大可行性與市場(chǎng)前景。

1系統(tǒng)構(gòu)建

本設(shè)計(jì)采用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的全天候?qū)Ш蕉ㄎ患氨倍范虉?bào)文等功能為支撐，使用北斗指揮機(jī)及其下屬用戶機(jī)構(gòu)建了無(wú)人機(jī)多級(jí)應(yīng)急指揮系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)具體有指揮中心的任務(wù)控制站，地面移動(dòng)控制站及無(wú)人機(jī)編隊(duì)組成[2]，其中任務(wù)控制站及地面移動(dòng)控制站搭載北斗指揮機(jī)，無(wú)人機(jī)編隊(duì)分別搭載下屬子用戶機(jī)載用戶機(jī)，三者實(shí)現(xiàn)隸屬關(guān)系。如圖1所示。

系統(tǒng)主要功能包括無(wú)人機(jī)狀態(tài)管理、多層級(jí)應(yīng)急指揮控制、動(dòng)態(tài)編隊(duì)組網(wǎng)管理、位置信息管理、時(shí)間信息管理、短報(bào)文通信管理等。任務(wù)控制站配裝的上位機(jī)軟件包含上述所有功能，地面移動(dòng)控制站功能相應(yīng)精簡(jiǎn)，空中普通用戶機(jī)軟件為簡(jiǎn)化版。其中狀態(tài)管理，主要完成無(wú)人機(jī)當(dāng)前狀態(tài)的檢測(cè)，設(shè)備參數(shù)的設(shè)置等;多層級(jí)應(yīng)急指揮控制、動(dòng)態(tài)編隊(duì)組網(wǎng)功能是該系統(tǒng)的核心功能，實(shí)際使用過(guò)程中根據(jù)具體需要對(duì)無(wú)人機(jī)編隊(duì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)組網(wǎng)，同時(shí)根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)任務(wù)控制站、地面移動(dòng)控制站及空間飛行裝備間的多層級(jí)指揮;定位、授時(shí)和短報(bào)文通信，是北斗用戶機(jī)的三大基本功能，根據(jù)實(shí)際情況及上級(jí)控制要求完成相關(guān)指令應(yīng)答，進(jìn)行相關(guān)信息的上報(bào)和轉(zhuǎn)發(fā)等，具體作戰(zhàn)使用過(guò)程中還可以進(jìn)行預(yù)定方案設(shè)計(jì)，對(duì)行動(dòng)方案代號(hào)、命令縮略語(yǔ)、裝備編號(hào)代號(hào)等進(jìn)行事先約定管理從而提高轉(zhuǎn)戰(zhàn)效率。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

2.1 多級(jí)指揮控制應(yīng)用

當(dāng)前，基于北斗系統(tǒng)的應(yīng)急指揮平臺(tái)多為單層模式，多利用北斗指揮機(jī)監(jiān)收、指揮其下屬子用戶。存在難以全局態(tài)勢(shì)掌握、指揮形式單一和指揮容量難以滿足較大規(guī)模作戰(zhàn)需求等問(wèn)題。本文在不依靠其他輔助指揮網(wǎng)絡(luò)的情況下，利用北斗指揮機(jī)及下屬子用戶進(jìn)行組網(wǎng)，將根據(jù)需求將其搭載于相應(yīng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)一種兩層三級(jí)的應(yīng)急指揮系統(tǒng)，如圖2所示。

指揮中心根據(jù)需要組建自己的指揮體系，不同指揮中心下轄的區(qū)域中心可以重組。在某一指揮體系下任務(wù)控制站為根節(jié)點(diǎn)，地面移動(dòng)控制站為過(guò)程節(jié)點(diǎn)，各個(gè)無(wú)人機(jī)為葉子節(jié)點(diǎn)。其中任務(wù)控制站和地面移動(dòng)控制站使用指揮機(jī)，無(wú)人機(jī)搭載普通北斗用戶機(jī)。地面移動(dòng)控制站收集其對(duì)應(yīng)子節(jié)點(diǎn)無(wú)人機(jī)編隊(duì)各自的定位及通信信息并上報(bào)給任務(wù)控制站。任務(wù)控制站廣播的信息經(jīng)下級(jí)地面移動(dòng)控制站再對(duì)各無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)廣播，必要情況下任務(wù)控制站還可以按需直接對(duì)子節(jié)點(diǎn)終端設(shè)備進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)越級(jí)指揮，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)、靈活的應(yīng)急指揮系統(tǒng)。

2.2 動(dòng)態(tài)組網(wǎng)應(yīng)用

通常，北斗用戶機(jī)有與其身份一一對(duì)應(yīng)配套的北斗ID，北斗用戶終端一旦投入使用，用戶機(jī)即可向其指定的上級(jí)指揮機(jī)上報(bào)信息，用戶本身無(wú)權(quán)自行修改此種隸屬指揮關(guān)系，為便于靈活組網(wǎng)應(yīng)用[4]。本文在指揮機(jī)及其下屬用戶機(jī)的基礎(chǔ)上，提出了一種動(dòng)態(tài)組網(wǎng)方法，根據(jù)實(shí)際需要，使用指揮機(jī)及其部分下屬用戶機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)組網(wǎng)，可臨時(shí)調(diào)整網(wǎng)內(nèi)無(wú)人機(jī)編隊(duì)數(shù)目，高效合理地利用有限資源，從而降低任務(wù)控制站的數(shù)據(jù)載荷量，提升其相應(yīng)速率進(jìn)而提高整個(gè)系統(tǒng)的作戰(zhàn)能力。

為建立指揮結(jié)構(gòu)，需要事先明確用戶機(jī)ID、上級(jí)用戶機(jī)ID等屬性，按照指揮結(jié)構(gòu)對(duì)各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行等級(jí)區(qū)分，再由各級(jí)指揮機(jī)負(fù)責(zé)組建其子節(jié)點(diǎn)指揮網(wǎng)。從而確定各個(gè)裝備所在層級(jí)及上下級(jí)指揮關(guān)系。具體作戰(zhàn)過(guò)程中，可分為主動(dòng)組網(wǎng)申請(qǐng)和被動(dòng)執(zhí)行組網(wǎng)命令兩種情況：空間無(wú)人機(jī)如需調(diào)整自身當(dāng)前所在編隊(duì)位置，首先需通過(guò)短報(bào)文向其父節(jié)點(diǎn)即地面移動(dòng)控制站發(fā)送入網(wǎng)申請(qǐng)，此時(shí)任務(wù)控制站可堅(jiān)守到各地面移動(dòng)控制站收到其下屬終端用戶的入網(wǎng)申請(qǐng)，其需要當(dāng)前作戰(zhàn)任務(wù)狀態(tài)分析判斷是否允許申請(qǐng)者進(jìn)行組網(wǎng)，并將指令點(diǎn)對(duì)點(diǎn)發(fā)送給初始申請(qǐng)者，同時(shí)廣播給下屬各地面移動(dòng)控制站，以使系統(tǒng)內(nèi)各控制中心知悉當(dāng)前組網(wǎng)變更狀態(tài);被動(dòng)執(zhí)行組網(wǎng)命令流程與主動(dòng)申請(qǐng)類似，任務(wù)控制站根據(jù)實(shí)際狀態(tài)向需調(diào)整位置的無(wú)人機(jī)發(fā)送組網(wǎng)命令，目標(biāo)機(jī)收到命令后作出服從命令應(yīng)答，調(diào)整自身位置完成重新組網(wǎng)。流程圖分別如圖 3和圖4所示。

3系統(tǒng)驗(yàn)證

整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，作為某無(wú)人機(jī)空中監(jiān)管項(xiàng)目的北斗獨(dú)立連路，隨系統(tǒng)進(jìn)行了聯(lián)調(diào)聯(lián)試及先關(guān)試飛任務(wù)。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中針對(duì)多層級(jí)指揮功能、動(dòng)態(tài)組網(wǎng)功能以及編隊(duì)飛行等主要功能進(jìn)行了逐一驗(yàn)證，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與系統(tǒng)中其他鏈路數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析，其命令執(zhí)行準(zhǔn)確率，位置信息回傳率等均滿足系統(tǒng)需求，試驗(yàn)證明了系統(tǒng)可行性及應(yīng)用靈活性。

4結(jié)語(yǔ)

基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)應(yīng)急指揮系統(tǒng)的搭建，不僅為系統(tǒng)提供高精度時(shí)間、位置信息，而且便于任務(wù)控制站對(duì)所有用戶的狀態(tài)進(jìn)行管理，便于實(shí)現(xiàn)按需指揮，按需廣播等功能。對(duì)提升了整個(gè)系統(tǒng)靈活組網(wǎng)、作戰(zhàn)能力具有重要意義。

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