摘要:通過對無人機互通互聯互操作等通用化測控系統的研究，提出了基于VPX架構的無人機測控終端綜合化開放平臺技術，通過采用標準化、通用化硬件模塊，軟件設計統一規范和標準，嵌入第三方軟件，實現任務功能協同開發。該技術可以支持陸態、海態、陸海態等多種不同體制平臺任務的任意加載，為實現地面站與地面站、地面站與艦面站、艦面站與艦面站之間的多站一機管控切換提供了有力支撐，有效增強了無人機系統跨域作戰的能力。同時，系統能夠滿足無人機多類型、多型號不斷擴展的需求，減少無人機測控裝備種類，降低新型無人機系統裝備建設成本，提升了無人機系統的生存性、靈活性和作戰效能。

　　關鍵詞:無人機;測控終端;綜合化開放平臺;多域協同;VPX架構

　　0引言

　　隨著無人機系統技術的蓬勃發展，無人機系統在各大作戰場景中的普及與應用也越來越廣泛。各國之間、各軍種之間、各種無人機系統的協同作戰問題日益凸顯，尤其在多國聯合作戰情況下，在未來多域作戰場景和環境下[1]，無人機系統將發揮越來越重要的作用。

　　針對上述問題，研制能夠在多個平臺之間實現協同、能操作各個軍種的多種無人機系統的通用控制系統及測控終端的需求日益迫切，世界軍事強國均開展了相關技術及解決方案研究。近期世界各國無人機系統互操作性的研發是與新型無人機系統、C4I(Command，Control，Communication，ComputerandIntelligence)系統以及聯合作戰等項目和計劃同步推進的。近年來無人機系統發展較快的國家和組織(如以美國為首的北約)已經形成了一系列解決互操作性問題的典型標準、概念以及相關開放式體系架構解決方案[2]。

　　為打破無人機互操作性的限制，北約率先制定了STANAG4586標準，以提高無人機系統在盟軍聯合作戰環境下的互操作能力。該標準定義了適應作戰需求的互操作等級(LevelofInteroperatability，LOI)以及無人機地面控制系統的體系結構、接口、通信協議、數據源和消息格式，同時還明確了要求采用的其他北約標準，如成像系統可互操作數據鏈標準(STANAG7085)以及與機上有效載荷有關的數字傳感器數據標準(STANAG7023，4545，4607，4609)等。美國波音公司和英西圖公司的“掃描鷹”開發小組近年來已使其無人機系統與北約無人機的STANAG4586相兼容[3]。與STANAG4586兼容能使北約成員國使用各自的無人機系統和地面控制站設備聯合支持軍事作戰行動。這極大增強了成員國無人機之間的互操作性，并可通過一種通用地面接口實時共享各國無人機系統處理的數據和信息。

　　為了建立一個無人系統開放體系，由美國國防部長辦公室、陸軍、海軍、空軍、通信衛星工作組等多個部門提供支持，制定了聯合無人系統體系結構(JointArchitectureforUnmannedSystems，JAUS)系列標準。該系列標準適用于無人機、無人地面車輛、無人潛航器、無人水面艇等無人系統。JAUS標準定義了一種模塊化、松耦合、可擴展的體系結構，以及一組與具體應用無關、可重用的構件和服務，同時規定了進行內部和外部通信的標準接口消息，從而使符合JAUS標準的無人系統具備互操作能力。在國內，無人機測控系統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。

　　只有極少數類型的無人機能夠采用通用化地面站[4]，但是尚未建立相關的行業標準及規范，特別是在機載終端等設備上沒有太多的進展。目前無人系統的通用化主要基于標準的互操作能力。然而，為了實現一種真正的即插即用級互操作能力(即把來自多個銷售商的軟件能力集成到一個系統，支持對來自其他系統的數據進行交換、解釋和利用)，就需要實現一種開放式體系架構[5]。開放式體系架構是指一種具有模塊化、可互操作、接口公開發布和遵從開放式標準的系統架構。開放式體系架構具有可擴展、可升級以及與其他系統的互操作等特點，可以降低研發成本，解決新技術有效插入問題以及保障系統升級擴展等。開放式體系架構涉及標準、接口、模塊化設計等。

　　1系統總體設計

　　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，物理形態相同的硬件模塊之間通過具有開放性、可擴展特征的“SwitchFabric”交換網絡互聯，形成“資源池”;采用軟件通信體系結構(SoftwareCommunicationArchitecture，SCA)波形封裝[6]技術完成對主鏈路海態鏈路功能、陸態鏈路功能、副鏈路功能及后續擴展新體制鏈路功能的波形開發;通過“藍圖”技術完成波形的部署和加載，實現系統功能。

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

　　協議處理單元將飛控計算機、綜合任務管理計算機傳輸過來的飛控狀態、載荷設備狀態，以及測控平臺本身的狀態信息，進行數據適配、分段操作、數據復接和成幀，形成遙測數據并送入副通道，副通道在對應的時隙進行BPSK調制，形成已調下行中頻信號。對于主通道還要在遙測數據的基礎上復接載荷數據并成幀，送入主通道進行調制，形成已調下行中頻信號，分別在主副通道信道中進行上變頻，變頻到下行發射載波頻率，然后經功率放大后通過天線向地面輻射。

　　綜合化平臺內部采用DSP完成平臺硬件模塊的初始化和驅動以及RapidIO總線控制[7]，驅動程序包括控制管理驅動、RapidIO協議棧、文件系統和I/O子系統、RF模塊驅動等;利用RapidIO總線和基于RapidIO總線的實時中間件實現模塊間芯片級高速互連，完成模塊間控制和數據信息的高速傳輸。

　　該系統針對平臺進行綜合化設計，采用開放式架構和分頻段綜合設計思路，通過高度綜合化設計與集成，實現軟硬件分離，方便系統的擴展和升級。硬件采用模塊化、標準化、通用化設計標準，在信道模塊、管理控制接口和信號處理進行綜合設計，降低系統體積、重量、功耗，提升系統任務可靠性和維護保障水平。通過綜合化設計，系統可以完成陸態、海態、陸海態三種不同體制平臺的任意加載，具有主副2套獨立鏈路并能夠在統一管控下實現可靠切換的能力。在物理層波形、高層協議以及工作流程的設計中，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，滿足軍用測控通信鏈復雜環境的基本需求。

　　2系統體系架構

　　從系統架構開始，采用開放式可重構的綜合化平臺架構進行多通道測控通信系統的綜合化設計;通過標準、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)的設計理念，將不同體制通信功能進行封裝，使之成為符合SCA規范的軟件構件并利用“藍圖”技術[8]完成，通過加載和重構等方法完成對系統資源的配置，靈活構建鏈路功能線程，實現功能的配置。綜合化開放平臺軟件按層次劃分共分為4層結構，分別是功能應用層、系統平臺層、通信中間件層和平臺驅動層。按軟件的功能劃分，可分為兩類，分別是“功能應用軟件(功能應用層軟件)”和“系統平臺軟件(包括平臺驅動層、通信中間件層和系統平臺層軟件)”。

　　2.1功能應用層

　　功能應用層實現系統設計功能項的算法軟件、信號處理軟件、數據處理軟件、功能控制軟件以及相應功能線程的控制接口，包括視距鏈、超視距鏈、擴展鏈路等。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系統平臺層

　　系統平臺層控制管理子層軟件的主要功能要求包括:(1)內外部接口控制代理與轉換———完成I/O模塊內外部接口控制命令的執行，以及接口協議的轉換和數據轉發。(2)系統工作模式與事務管理———定義和維護系統各種運行階段的功能需求，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、任務運行模式、維護模式等工作模式下，定義系統的工作內容和流程控制。(3)系統工作狀態管理———定義和維護系統的邏輯工作狀態以及狀態遷移條件;根據系統健康管理的檢測結果，資源管理以及功能線程管理，確定系統當前工作狀態;與圖形化系統狀態監控進行接口，能顯示出資源和功能線程等設備工作狀態。

　　(4)重構策略管理———定義和維護各種系統狀態下系統的重構策略，根據系統當前狀態輸出系統軟硬件重構方案。(5)系統資源管理———與系統基礎服務框架子層提供的服務接口，通過基礎服務進行信息獲取、狀態維護和資源控制，如程序動態加載等控制管理。(6)功能線程管理———功能線程的參數管理包括參數加載/更新等存儲管理、參數配置時序管理，構建功能線程的過程控制包括正常功能構建、應急功能構建、重構功能構建。(7)系統健康管理———監測系統硬件、平臺層軟件、功能線程以及系統層軟件的工作狀態，定位系統故障并依據故障處理預案完成故障處理。

　　2.3通信中間件層

　　通信中間件層位于操作系統之上，應用軟件(包括功能層軟件和系統層軟件)之下。向上通過中間件服務接口為應用軟件提供通信服務、平臺資源管理服務，以及在系統維護模式下提供可視化的系統監控服務。向下通過硬件抽象適配層，與實現平臺硬件的操縱與控制的驅動層軟件接口，便于系統底層硬件的插入，實現系統軟件與系統硬件之間的松耦合設計。

　　3系統控制管理技術

　　綜合化開放平臺系統的控制管理采用分級方式，平臺系統內部設計了獨立的控制管理模塊，即系統控制模塊，負責內部的資源管理和狀態維護，為系統控制和功能管理提供支持。為了實現上述目標，平臺系統包括資源管理(ResourceManagement)、配置管理(ConfigurationManagement)、網絡管理(NetworkManagement)、健康管理(HealthManagement)、時間管理(TimeManagement)等基礎服務功能，配合內部的控制管理，同時為功能線程提供運行的環境，并通過定義的接口控制程序映像的運行。這些控制管理功能共同形成了平臺系統功能線程和應用程序的運行環境，為功能線程提供資源標識和匹配、軟件加載、健康監控以及全局時鐘等服務。

　　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計的方法把系統控制管理分成三層，即任務模式管理、功能線程管理和機箱資源管理。

　　4感知輔助的抗干擾智能測控技術

　　采用了“偵通一體的干擾感知技術”和“感知輔助的鏈路級安全防護技術”，有效規避干擾。下行廣播采用突發+擴跳頻體制，突破傳統連續波體制，信號波形表現為時域的一個突發，確保抗干擾低截獲能力。上行鏈路采用擴頻體制，同時結合型號項目要求的擴頻增益，提高抗干擾容限。敵方無源探測設備的脈沖分選功能受輻射信號在時域、空域、頻域的穩定性和規律性影響，因此，設計靜默態提高隱蔽性，并且下行廣播和上行接入信道的交互節拍可隨時調節。

　　通過機載測控終端輻射信號的最大不確定性設計，即采用最小輻射能量自適應功率控制技術，使機載測控終端根據實際作用距離、信息速率及信道評估情況，在保證其性能指標不影響作戰使用的前提下，輻射最優的射頻功率，減小被敵方無源偵察裝備發現或截獲的距離，使敵方無法對我方信號進行穩定的截獲，可以直接影響無源探測設備的分選識別功能，使其無法進行測向、測距、定位等。地面/艦面站使用定向天線，廣播信道傳輸幀內含GPS信息，可以輔助地面進行目標角度計算，進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、空兩個維度大大降低敵方截獲概率;同時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實物結構

　　綜合化平臺設備采用標準VPX3U5槽機箱架構，內置板卡采用標準3UVPX導冷板卡和FMC子卡的結構，外形尺寸161.35mm(寬)×148.2mm(高)×216mm(深)，質量小于等于6.5kg。

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　　6結論

　　綜合化開放平臺技術是提升無人機系統互操作性的有效手段。基于綜合化開放平臺的系統設計可以根據作戰任務靈活配置無人機系統有效載荷，通過快速增加、減少、改變相關功能模塊，打造多任務作戰平臺，實現了艦載型和陸基型兩種模態通用化硬件平臺的研制;支持將兩種體制的功能加載進來進行統一管控，實現了地面站與地面站、地面站與艦面站、艦面站與艦面站之間的多站一機管控無縫切換;通過標準化接口實現了與其他無人機平臺的互操作，有效支持跨平臺資源共用、信息共享、優勢互補，形成體系作戰能力，同時采用智能化抗干擾低截獲技術提高了無人機的作戰效能，可以滿足未來復雜戰場的作戰需求。

　　參考文獻:

　　[1]李曉青，賀占權，程濤，等.天基信息系統支持武器作戰需求分析[C]//2013年衛星應用學術交流與研討會論文集.北京:中國宇航學會，2013:392-397.

　　[2]李桂花.外軍無人機數據鏈的發展現狀與趨勢[J].電訊技術，2014，54(6):851-856.

　　[3]張昊.美國無人機協同作戰研究[J].飛航導彈，2017(8):12-16.

　　[4]黃華園.無人機一站多機數據鏈技術[J].電訊技術，2015，55(8):879-884.

　　[5]陳翔宇，楊紅生.無人機控制站通用軟件平臺設計[J].電訊技術，2019，58(7):779-784.

　　作者：陳會林**1，教富龍2，袁泮江3，洪志勇3，王羽3