舰载无人机指挥控制系统设计与开发∗论文

舰载无人机指挥控制系统设计与开发

师鹏宇

(92493部队参谋部测控处 葫芦岛 125000)

摘 要 舰载无人机指挥控制系统是舰载无人机系统的神经中枢,操作人员通过显示界面和操作界面完成对舰载无人机的控制。舰载无人机指挥控制系统是操作员为进行未来舰载无人机编队作战需求,通过技术手段进行验证的舰载无人机系统的一个子系统。

关键词 舰载;无人机;指挥控制系统

1 引言

舰载无人机作为一种增强舰艇作战能力的装备,目前正受到越来越多国家海军的重视。舰载无人机可以执行多种军事任务,包括照相侦查、情报搜集、航路侦查、为武器系统提供目标定位、指示、舰炮火力修正、动态监视和毁伤评估的实时情报等,显示出巨大的军用价值和发展潜力,引起各军事强国的关注。

随着技术的发展,舰载无人机的自主控制能力和智能化程度得到了明显提高,但任务执行过程中地面操作人员依然拥有最高的决策权和最终的决定权,无人机执行任务离不开舰载指挥控制系统的支持。因为作战任务的多重性与复杂性,今后一架无人作战飞机单独执行任务的可能性越来越小,舰载指挥控制系统需要实现对多架舰载无人机的协同任务控制,使其相互协作去完成复杂的任务。

截至2月15日,全国耕地受旱面积1801万亩(120.1万hm2),主要分布在甘肃、河北、云南等省;有313万人因旱饮水困难(多年同期平均值803万人),主要分布在云南、内蒙古等省(自治区)。

2 舰载无人机系统组成

舰载无人机系统由舰载无人机、指挥控制系统、任务载荷、通信链路、舰面助降、辅助设备等分系统组成,如图1所示。

1)舰载无人机(无人飞行器平台)

飞行器平台是无人机系统的基础部分,包括飞机机体、推进装置、飞行控制与导航系统、机载供电系统、北斗通信导航定位单元等。

2)任务载荷分系统

任务载荷是单通道可见光机载吊舱,主要由吊舱框架体、图像跟踪器、中央控制计算机、伺服控制组件、可见光摄像机等构成,任务系统的信息数据通过数据链路传输到指挥控制系统。

图1 舰载无人机系统结构示意图

舰载指挥控制系统接收并分析用户分配给舰载无人机系统的任务,进行任务规划,包括载荷选配、航路规划、飞行计划;控制无人机起飞、按计划飞行,控制载荷执行目标探测、通信中继、传感器与武器标校等任务,指挥控制无人机返航并着舰;在整个任务执行过程中,监视无人机作业环境、无人机设备与飞行状态、链路状态、任务载荷状态;进行任务载荷数据处理(含数据记录与回放),评估任务执行情况;必要时,变更无人机任务目标,对无人机的航路和航行计划进行修改;支持无人机任务执行效能评估,并保存评估结果。

为无人机系统提供控制(数传)、载荷(图传)信息传输的无线电链路,是无人机与指挥控制系统间的信息桥梁,主要包括视距数据链机载设备和舰载设备。机载设备完成上行遥控信号接收、侦查信息压缩与发送、遥测信号发送、上下行信息帧同步等任务。舰载设备完成飞控和侦查任务指令发送、对无人机跟踪测角和测距、下行遥测信号接收、侦查信息接收与解压等任务。同时要求具有抗干扰、保密通信的能力。

5.2.2 目标检测与运动要素解算

飞机降落时,采取自主起降+人工遥控起降混合模式。无人机自主飞行到起降区域,无人机按指令自动下降一根带钩的绳子,钩子钩住舰载回收平台的拉线,绞盘将绳子卷拉,随后将无人机固定在回收平台上。

5)指挥控制系统

舰载无人机系统指挥控制系统基本配置为三个台位,三个台位的配置相同,功能可根据需要定义,缺省功能分配如表1所示。

6)辅助设备

辅助设备是舰载无人机系统可靠、有效执行侦察任务的有力保障,主要完成系统的机务保障、勤务保障等任务,包括防爆油桶、存放机箱、检测维修设备和着舰辅助设备等。

3 舰载无人机指挥控制系统需求

3)数据链通信系统

4 舰载无人机指挥控制系统体系结构与台位配置

4.1 系统体系结构

舰载无人机系统的指挥控制系统以无线网络/有线网络接入本舰指控、编队系统,以数据链与无人机及其载荷进行数据交换,系统内部通过以太网络连接,系统外部的串口、USB接口、视频SDI等接口,通过接口转换设备转换成以太网数据,经内部交换机发送给各相关台位。各台位以数据为中心,构成面向服务的全分布开放式体系结构,如图2所示。

图2 舰载无人机系统指挥控制系统体系结构示意图

4.2 功能分配

指挥控制系统是无人机系统的指挥控制中心,主要完成侦查任务受领、飞行指挥、任务规划、系统监控、飞行控制与监视、侦查任务载荷控制、侦查图像数据显示、数据记录与回放及对外通联等任务。

表1 主要功能分配表

4.3 软件体系结构

舰载无人机系统指挥控制系统软件采用层次化、面向服务的体系结构,实现软件之间的松散耦合,使软件能根据使用需求,按需组装,实现系统的灵活组织、配置。其体系结构如图3所示。

1)凌久构件集成框架

凌久构件集成框架基于开放式体系结构(OA)和面向服务的体系结构(SOA)等技术,通过构件化/服务化软件支撑平台,将各种专用应用程序等以服务构件形式封装,隔离了各具体应用程序同底层操作系统、网络基础设施的相互影响,打破原有各类业务软件间紧密耦合、复杂的信息接口关系,在确保原有实时性和可靠性的前提下实现了业务功能的灵活重组和动态集成,提高业务软件可扩展性和开发集成的效率。

凌久构件集成框架将在成熟军事装备应用的基础上,进一步完善服务构件接口封装和运行调度功能,提升服务构件组装能力,提供了一整套适应于海警舰船装备软件的构件化开发、部署和管理等全生命周期的软件工程解决方案和可视化工具支撑环境。

2)凌久实时数据分发服务平台

我国包括武隆在内的大部分亟需脱贫的地区,基层社会自治水平有待提高,民间自治意识、自治能力和自治文化都需要逐步培养,这将是一个相对长期艰难的过程。通过学习枫桥经验、“三事分流”和“三社联动”等有代表性的基层治理方式,在脱贫后扶中,武隆区也需要循序渐进推进村民自治,让乡村治理重心下移,切实把资源、服务、管理放下去,培育服务性、公益性、互助性农村社会组织,发展农村社会工作和志愿服务,减少对农村的考核评比、创建达标、检查督查,发挥好、维护好村民委员会、农村集体经济组织、农村合作经济组织的积极性和主动性,从而有利于提高全区人民自发进行基层治理的参与程度,实现稳定脱贫,避免再返贫。

凌久实时数据分发服务平台是基于实时发布/订阅业务服务技术,能够集成各类数据源,将不同应用、设备、系统和网络中的数据连接起来,通过各种网络将实时系统和非实时系统、现役系统与新研系统的数据无缝集成,构建敏捷的分布式系统,主要功能包括:

(1)兼容OMG RTPS 2.1网络通信协议标准,实现不同应用程序、平台和编程语言之间的无缝集成和互操作性;

图3 舰载无人机指挥控制系统软件体系结构图

(2)高级的服务质量策略(QoS)支持;

(3)提供对所有系统的实时可视化、实时调度和实时管理;

(4)实时数据分发服务框架代码的自动化生成。

4.4 运行组织

4.4.1 作业模式

在作业模式下,任务控制台负责组织指挥舰载无人机系统执行作业。

任务控制台通过有线网络或无线通信终端接收任务指令,进行任务分析、任务规划,形成任务计划,下发给飞行操控台、载荷操制台。

飞行操控台接收任务控制台的任务计划,制定保障计划、飞行计划,监督保障工作按计划开展,按计划通过无线数据链控制无人机起飞、航行到任务区,与载荷操控台配合执行任务,包括操控无人机飞行航路、航速或悬停等。

李站长说,这么大的树,挪来挪去的容易搞死,我栽的时候,已经用生根粉给你做了些处理,何况栽在我们院子的营养配肥土壤里,恢复得快,你干脆找好买家,直接来这里提走就是了,免得搬来搬去的,目标大风险也大,树要是真死了还得治你的罪,从我这里拖出去,别人不会说三道四,以为是正常合法的苗木流通,不过我要说清楚啊,在我这里保管,也不是白保管的,每天两百元。

载荷操控台与飞行操控台配合执行任务,包括控制载荷的视线、视角等。

在任务执行过程中,任务控制台、飞行操控台、载荷操控台对任务执行的环境和进展进行监视;任务控制台适时判定任务完成、变更任务要求、暂停或终止任务、调整任务计划等,飞行操控台按任务控制台要求适时调整飞行计划,操控无人机按新计划飞行。

任务控制台判定无人机完成所有任务后,飞行操控台控制无人机返航、着舰。

在无人机返航、着舰过程中,任务控制台、飞行操控台对飞行环境和进程进行监视;任务控制台适时调整任务计划等,飞行操控台按任务控制台要求适时调整飞行计划,操控无人机按新计划飞行,直到无人机完成所有任务并安全着舰。

在台位故障或人员紧缺的情况下,任意两项或全部三项控制功能均可以合并在任意指定台位上运行。当两台位运行时,建议将任务控制和飞行控制任务交由一个台位执行。

究其原因:一是民居的植物文化与聚落的植物文化、园林景观植物文化与植物本身存在难以界定的客观因素;二是国内学术研究较为分散的主观因素,植物文化多作为研究主题的一部分进行介绍。

4.4.2 训练模式

在实装训练模式下,由任务控制台编辑训练任务想定,并组织指挥控制系统开展训练。训练过程中,系统的组织运行方式与作业模式相同。

在模拟训练模式下,在任务控制台编辑训练任务想定,并以计算机仿真模拟无人机、有效载荷及其工作环境,生成无人机设备状态、无人机飞行状态、载荷设备状态、载荷视频或图像信息等信息,通过指挥控制系统内部网络分发给相应的台位,三台位在任务控制台的组织指挥下,开展训练。训练过程中,系统的运行组织方式与作业模式相同。模拟训练模式支持指挥控制系统在无线通信终端不开机、无人机不起飞的情况下,开展分系统的应用训练。

5 舰载无人机指挥控制系统主要功能

5.1 信息接收功能

5.1.1 接收无人机任务信息

通过无线通信设备或有线网络接收用户以格式化文档描述的作业任务信息、以格式化报文描述的指挥控制信息。

2.4 两组母婴结局对比 观察组产后出血、早产、剖宫产、新生儿窒息发生率均低于对照组,差异有统计学意义(P<0.05)。见表5。

5.1.2 接收无人机作业环境信息

高中语文教学要晓之以理,动之以情,有效利用古诗文佳作,传承优秀传统文化的人文情怀。如王勃的“海内存知己,天涯若比邻”;李白的“我寄愁心与明月,随风直到夜郎西”;王昌龄的“寒雨连江夜入吴,平明送客楚山孤。洛阳亲友如相问,一片冰心在玉壶”;苏轼的“秋雨晴时泪不晴”;秦观的“柔情似水,佳期如梦,忍顾鹊桥归路。两情若是久长时,又岂在朝朝暮暮”;白居易的“在天愿作比翼鸟,在地愿为连理枝”;柳永的“衣带渐宽终不悔,为伊消得人憔悴”;孟郊的“慈母手中线,游子身上衣。临行密密缝,意恐迟迟归,谁言寸草心,报得三春晖”;王维的“每逢佳节倍思亲”等等,传唱至今,历久弥新。

实时接收无人机作业环境信息(当前信息与预报信息),包括无人机作业区域/航路/当前位置的风速、风向、温度、湿度、气压、浪高、地形、地物等气象水文地理信息。

图4 作业模式下舰载无人机指挥控制系统运行组织示意图

图5 模拟训练模式下无人机指挥控制系统运行组织示意图

5.1.3 接收无人机工作状态信息

MSDS国际上称作化学品安全信息卡,一般包括: 化学品名称、成分/组成信息、危险性概述、急救措施、消防措施、泄漏应急处理、操作处置与储存、接触控制/个体防护、理化特性、稳定性和反应活性、毒理学资料、生态学资料、废弃处置、运输信息、法规信息和其他信息等16项信息。

1)位姿及速度信息

实时接收无人机的导航定位信息,包括无人机的位置、姿态、航向、航速等信息。

2)燃油及温控信息

3)海图量测与计算

5.1.4 接收无人机载荷信息

微课教学作为现代教学工作实施中较为重要的一项教学形式,体现在整个教学工作的规划中。为了提升教学质量,应该将微课在小学数学教学中进行重点阐述,让学生明确整个教学工作规划中应要完成的学习内容。同时教师在教学工作的布置中,以微课作为主要性教学布置方案能够满足小学数学教学中对教学内容的分层次教学需求。作为小学数学教师在现有的教学条件下,要做的就是针对教学中的微课课堂构建分析,保障在其教学课堂的构建过程中,能够提升教学质量,促进小学数学教学工作的科学性规划。

1)载荷工作状态信息

实时接收无人机有效载荷状态信息,包括光电探测设备的光轴指向、视场大小、云台工作状态信息等。

2)载荷目标探测信息

实时接收无人机有效载荷状态信息,包括光电探测设备获取的图像、视频等信息。

5.1.5 接收链路设备状态信息

带电粒子在均匀磁场中运动时,由于具有运动速度,所以受到洛伦兹力的作用。当带电粒子的入射初速度方向与磁场方向垂直时,所受洛伦兹力的大小为F=qvB。当带电粒子的初速度方向与磁场方向的夹角为θ时,那么需要将洛伦兹力分解在与磁场方向垂直的方向上,所以根据三角函数可知其大小F=qvBsinθ。所以由以上公式可以看出磁场只对运动的电荷有洛伦兹力的作用,而对静止在磁场中的电荷并无作用力。这不同于带电粒子在电场中的运动规律,电场不管是对运动的带电粒子还是对静止的带电粒子都对其有电场力的作用。

实时接收机载数据链机载终端设备状态等信息、地面天线设备状态信息。

5.1.6 接收综合态势信息

实时接收载舰本舰、编队系统下发的态势信息(含载舰位置与运动状态信息)。

5.1.7 获取人工录入信息

①仿真度高:优于真石漆,水包水喷涂出的建筑物仿大理石的效果逼真,纹理丰富,在视觉的界面内可以以假乱真并且水包水的表面平整不易积灰,能更久的保持外观效果,使用寿命长。

可以通过人工输入无人机工作环境、各种目标信息等。

5.2 载荷探测信息处理与显示功能

对光电探测设备获取的图像、视频信息进行缩放、增强、去噪、分割等处理与显示。

5.2.1 图像信息处理与显示

4)舰面助降分系统

从图像中检测并识别出目标、计算并确定目标方位、进行目标运动要素解算,解算结果显示在态势图和目标表页中。

5.2.3 目标定位与状态估计

在电力系统安全生产的过程中,员工的安全保障意识还有待提升,许多安全事故的发生大多是由于工作人员没有足够的安全生产意识。这不仅为工作人员带来了许多安全隐患,也不利于电力公司的发展。所以,我国的电力公司必须建立一个科学合理、安全性强的安全生产制度,并且加强对员工进行安全教育和安全培训。同时还要对电力系统中的生产工具进行严格的检修与管理,避免因工具有缺陷而造成的安全生产事故、

无人机单机情况下,对慢速目标,通过无人机机动获得的目标连续探测数据实现目标定位与状态估计;无人机双机/多机情况下,通过交叉定位实现目标定位与状态估计。目标定位与状态估计结果显示在态势图和目标表页中。

5.2.4 视频与图像信息管理

对光电探测设备获取的图像、视频信息及处理形成的中间产品进行记录、回放、编辑/剪辑、归档、调阅与维护等。

5.3 综合态势显控

5.3.1 电子海图显示

支持航保部发布的标准S57/S63;支持S63保护的海图单元许可导入和用户许可生成,支持海图数据的卸载和重新加载;支持手动或自动的海图更新;在放大、缩小、漫游过程中,支持电子海图的无缝拼接显示。

5.3.2 海图作业标绘

1)海图显示控制

HM国际货代公司提供的物流服务业务单一,针对不同行业、不同业务量的客户,提供相同的服务模式以及服务价格。不同行业的企业对国际货运代理业务有不同的需求,HM公司并未针对客户的不同需求提供适合客户的差异化货运代理服务。单一的货运代理业务无法满足客户的多样性需求,从而出现了老客户流失严重,新客户无吸引力的现象。

支持海图的缩放、漫游、分层显示;支持符号的简化符号和纸图符号显示等显示设置,支持符号边界和简化边界样式显示设置;支持经纬网显示和隐藏;提供白天、晨昏、黑夜等颜色模式的设置,支持操作界面背景灰黑、宝蓝、墨绿三种颜色切换显示模式。

2)海图标注

Gosiewski等从换向流动反应器内甲烷反应机理、动力学、数学模型及验证、实验室尺度试验等方面开展了较为系统的研究。在反应机理方面[11],波兰科学院提出了甲烷燃烧详细反应机理的3种简化模型,并通过自由空间及蓄热填料通道内的对比燃烧试验对简化机理进行了验证,如图3所示。

提供避险线、危险高亮物标、事件、特征物标、注释、位置信息、矢量物标标注功能,支持人员落水标记(MOB)功能,支持电子方位线(EBL)和活动距标环(VRM)标注。

实时接收无人机的剩余燃油油量信息、发动机的温度信息。

提供海图测量工具、AIS信息显示工具、雷达目标信息查询工具、导航符号显示控制工具、地理位置定位工具等功能。

提供海图量算功能,包含大圆和等角航线计算、换算,方位和距离计算、地理坐标与地理坐标点之间方位距离的换算、面积量算等。

海图显示和操作符合S52显示标准或GB12319-1998《中国海图图示》标准(后续支持)。

5.3.3 综合态势显示

1)图形显示目标信息

支持全海域海空情目标信息显示,具备基于海图叠加的目标信息显示方式,能以浮动标签显示目标重要信息,对不同来源或融合后目标能够分层显示,辅助指挥员掌握现场情况。

2)目标标记与醒目显示

支持我方舰船、重要目标的标记并醒目显示;可按船只隶属单位、警戒级别、作业区域、航速、吨位等目标信息选择突出显示;能够按信息来源、目标属性、国籍、类型、区域等进行过滤显示。

3)列表显示目标信息

支持列表显示目标信息,可按目标航速、航向、敌我属性、吨位等信息进行排序。

4)显示载舰及无人机航行信息

在醒目位置显示载舰及无人机的航行信息,包括位置、姿态、航速、航向、航迹、当前时间、最迟返航时间等信息。

5.3.4 态势编辑

1)目标管理

目标参数修改,包括对目标的批号、名称、属性、类型等进行修改;目标删除等操作。

2)人工目标设置和修改

根据用户设定的目标位置、速度、属性、类型等信息产生人工目标;用户对人工目标的批号、位置、运动、属性、类型等进行修改;人工目标删除等操作。

5.4 任务规划与控制功能

5.4.1 任务分配功能

提供任务分析、分解功能,明确每个子任务要求,包括任务类型、任务预期开始时间、判定任务完成程度的标准、作业区域、作业预期持续时间等;提供任务分配工具,为各子任务分配无人机和载荷资源;检测资源分配中存在的冲突,并进行告警。

5.4.2 航线设计与显示功能

提供航路(航路点、速度、高度等)设计的输入、编辑、删除、保存、管理、评估、显示、参数管理等功能。当需要执行搜索时,可以通过设置相关参数,自动生成航路,提供平行搜索、扩方搜索、扇形搜索三种搜索模式。

5.4.3 计划制定与显示功能

确定无人机出航时间,制定无人机保障与飞行计划等。

5.4.4 模拟推演功能

提供态势想定方案设定和态势推演功能,方便用户开展作业任务仿真模拟训练与任务规划效果评估。可根据想定态势或导入任务方案,在指定海域,设定载舰、模拟船舶目标、模拟无人机等目标航线、运动信息,形成模拟态势想定方案;按照想定态势进行态势推演,在电子海图上显示综合想定态势;在态势推演过程中,可修改指定目标航线、运动参数,并按修改参数进行态势推演;按用户要求记录、保存修改的模拟态势想定方案。

5.4.5 任务控制功能

监视无人机任务执行状态,暂停、恢复、终止、删除、插入无人机子任务,修改无人机子任务的执行顺序、修改飞行航路;在多无人机协同工作的情况下,监视无人机作业的同步状态,提出无人机作业同步控制策略建议,提出无人机协同作业的航路及飞行建议。

5.4.6 任务计划/方案/文电互通功能

提供载舰本舰、编队系统与本系统间的任务计划/方案/文电互通功能。可接收、显示载舰本舰、编队系统下发的无人机任务计划和方案,并保存;也可将本系统的任务方案上报载舰本舰、编队系统;提供文电编辑、发送/接收(带附件)、查询、索引功能,以及即时文电互通功能。

5.5 飞行控制功能

5.5.1 状态监视

监视飞机设备运行状态,监视飞机航路附近区域的空海目标,监视飞行区域的气象水文地貌等环境信息,监视飞机飞行状态,监视飞机剩余燃油数量,评估无人机飞行安全;监视并评估任务执行状况;必要时给出告警提示。

5.5.2 飞行控制

根据飞行计划、任务控制指令,操控无人机的起飞、航行;在作业区域内操控飞机机动飞行、悬停,以配合载荷操控人员完成作业任务。根据环境与任务执行情况,适时提出飞行航路、飞行计划的修改建议。

5.6 载荷控制功能

5.6.1 状态监视

监视任务载荷运行状态;监视、分析光电载荷获取的图像视频信息,控制图像的增强、放大、视频暂停、回放等,进行目标检测、识别与确认,评估任务执行情况;监视飞行区域的气象水文地貌等环境信息,评估其对完成任务的影响;适时提出飞机机动飞行、任务执行的建议。

5.6.2 载荷操控

控制载荷开关机;控制载荷的工作模式;控制光电载荷的视场大小与光轴指向。

5.7 通信功能

5.7.1 通信管理功能

提供实时通信设备、通信链路、通信业务的运行状态显示,提供通信系统设备连接关系、网络运行组成情况等网络拓扑、通信性能的设置与状态监视;提供通信系统故障、告警提示。

5.7.2 数据通信功能

通过数据链、有线网络等多种手段与载舰本舰、编队系统等进行数据通信;通过数据链与无人机进行数据通信,通过北斗短信引导失控飞机返航。

5.7.3 话务通信功能

具有短波、超短波、卫通等多频段话音通信功能,有线的话音通信功能。

5.8 辅助功能

具有开机自检功能;系统内时间统一功能;飞机、载荷等设备的工作时间累计与维护提示功能;飞机遥控自毁/自救功能。

6 结语

本文提出了舰载无人机指挥控制系统的方案,对舰载无人机指挥控制系统的需求,功能,体系结构和台位配置以及战技性能进行了描述。

现代战场的新特征使战场管理发生了重大变化,决策中需要考虑的实体数量大幅度增加。在未来战场中,人将依然作为战场管理中的关键决策因素,因此需要通过指挥控制系统对战场管理系统和人的认知因素进行研究,探索新的监视和控制手段,实现较少数量操作员对大规模无人作战平台的控制。以人为中心、人在回路的混合主动控制是指挥控制系统一个研究重点。

参考文献

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Design and Exploitation of Command Operator System of Unmanned Aerial Vehicles System on Navel Ship

SHI Pengyu
(Measure Control Department of Staff,No.92493 Troops of PLA,Huludao 125000)

Abstract The command operator system on navel ship is the nerve center of the unmanned aerial vehicles system on navel ship.Human manipulates vehicles system on navel ship through the displays and controllers of the command operator system.The command operator system is the operator'sconsole of the unmanned aerial vehicles system on navel ship for needs of the formation of the unmanned aerial vehicles on navel ship to campaign in the fature is one subsystem of one big campaign and demonstration sys⁃tem of the unmanned aerial vehicles system on navel ship.

Key Words on navel ship,unmanned aerial vehicles,command operator system

中图分类号 TP391.41 DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2019.03.007

∗ 收稿日期: 2018年9月9日,

修回日期: 2018年10月17日

作者简介: 师鹏宇,男,硕士,工程师,研究方向:C4ISR系统仿真、装勤保障、无人机应用与仿真。

Class Number TP391.41

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舰载无人机指挥控制系统设计与开发∗论文
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