基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的無人機應(yīng)急指揮系統(tǒng)設(shè)計

李新亮 劉玉磊

摘 要：近年隨著無人機技術(shù)蓬勃發(fā)展，投入市場的無人機型號與種類日益繁多。因此其測控指揮系統(tǒng)的設(shè)計工作顯得尤為重要，尤其多級指揮系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。目前指揮控制信息多利用有線傳輸，針對空間無人機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患氨倍范虉笪牡裙δ転橹?，使用北斗指揮機及其下屬子用戶構(gòu)建多級指揮架構(gòu)[1]，提出系統(tǒng)設(shè)計方案以實現(xiàn)無人機與地面控制站系統(tǒng)間的多層級指揮，真正意義上實現(xiàn)按需指揮、動態(tài)組網(wǎng)等功能效果，具有廣闊的市場前景。

關(guān)鍵詞：北斗短報文;無人機;指揮系統(tǒng)

中圖分類號：TN914.4 文獻標(biāo)識碼：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)的無人機應(yīng)急指揮系統(tǒng)設(shè)計[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、信號穩(wěn)定等優(yōu)勢，但針對無人機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)定的無線指揮信息傳輸方式作為應(yīng)急指揮手段。普通無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，存在安全保密性能差、偏遠地區(qū)無基站無網(wǎng)絡(luò)等現(xiàn)實問題，而北斗導(dǎo)航系統(tǒng)具有全天候?qū)Ш蕉ㄎ患凹用芏虉笪耐ㄐ诺确?wù)優(yōu)勢[5]，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的實時導(dǎo)航業(yè)務(wù)可以滿足無人機的精確定位需求，短報文通信業(yè)務(wù)可以滿足無人機的遙控遙測需求。其中北斗指揮型用戶機除了具備通用功能外，還能監(jiān)收下轄用戶機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]，靈活實現(xiàn)集團動態(tài)組網(wǎng)、多層級調(diào)度指揮等功能。在無人機群大規(guī)模聯(lián)合作戰(zhàn)過程中的控制、指揮系統(tǒng)的應(yīng)用中具有極大可行性與市場前景。

1系統(tǒng)構(gòu)建

本設(shè)計采用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的全天候?qū)Ш蕉ㄎ患氨倍范虉笪牡裙δ転橹?，使用北斗指揮機及其下屬用戶機構(gòu)建了無人機多級應(yīng)急指揮系統(tǒng)。整個系統(tǒng)具體有指揮中心的任務(wù)控制站，地面移動控制站及無人機編隊組成[2]，其中任務(wù)控制站及地面移動控制站搭載北斗指揮機，無人機編隊分別搭載下屬子用戶機載用戶機，三者實現(xiàn)隸屬關(guān)系。如圖1所示。

系統(tǒng)主要功能包括無人機狀態(tài)管理、多層級應(yīng)急指揮控制、動態(tài)編隊組網(wǎng)管理、位置信息管理、時間信息管理、短報文通信管理等。任務(wù)控制站配裝的上位機軟件包含上述所有功能，地面移動控制站功能相應(yīng)精簡，空中普通用戶機軟件為簡化版。其中狀態(tài)管理，主要完成無人機當(dāng)前狀態(tài)的檢測，設(shè)備參數(shù)的設(shè)置等;多層級應(yīng)急指揮控制、動態(tài)編隊組網(wǎng)功能是該系統(tǒng)的核心功能，實際使用過程中根據(jù)具體需要對無人機編隊進行動態(tài)組網(wǎng)，同時根據(jù)需要實現(xiàn)任務(wù)控制站、地面移動控制站及空間飛行裝備間的多層級指揮;定位、授時和短報文通信，是北斗用戶機的三大基本功能，根據(jù)實際情況及上級控制要求完成相關(guān)指令應(yīng)答，進行相關(guān)信息的上報和轉(zhuǎn)發(fā)等，具體作戰(zhàn)使用過程中還可以進行預(yù)定方案設(shè)計，對行動方案代號、命令縮略語、裝備編號代號等進行事先約定管理從而提高轉(zhuǎn)戰(zhàn)效率。

2系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

2.1 多級指揮控制應(yīng)用

當(dāng)前，基于北斗系統(tǒng)的應(yīng)急指揮平臺多為單層模式，多利用北斗指揮機監(jiān)收、指揮其下屬子用戶。存在難以全局態(tài)勢掌握、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，利用北斗指揮機及下屬子用戶進行組網(wǎng)，將根據(jù)需求將其搭載于相應(yīng)平臺，實現(xiàn)一種兩層三級的應(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，地面移動控制站為過程節(jié)點，各個無人機為葉子節(jié)點。其中任務(wù)控制站和地面移動控制站使用指揮機，無人機搭載普通北斗用戶機。地面移動控制站收集其對應(yīng)子節(jié)點無人機編隊各自的定位及通信信息并上報給任務(wù)控制站。任務(wù)控制站廣播的信息經(jīng)下級地面移動控制站再對各無人機實現(xiàn)廣播，必要情況下任務(wù)控制站還可以按需直接對子節(jié)點終端設(shè)備進行點對點越級指揮，從而實現(xiàn)動態(tài)、靈活的應(yīng)急指揮系統(tǒng)。

2.2 動態(tài)組網(wǎng)應(yīng)用

通常，北斗用戶機有與其身份一一對應(yīng)配套的北斗ID，北斗用戶終端一旦投入使用，用戶機即可向其指定的上級指揮機上報信息，用戶本身無權(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]。本文在指揮機及其下屬用戶機的基礎(chǔ)上，提出了一種動態(tài)組網(wǎng)方法，根據(jù)實際需要，使用指揮機及其部分下屬用戶機進行動態(tài)組網(wǎng)，可臨時調(diào)整網(wǎng)內(nèi)無人機編隊數(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)速率進而提高整個系統(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ID、上級用戶機ID等屬性，按照指揮結(jié)構(gòu)對各節(jié)點進行等級區(qū)分，再由各級指揮機負(fù)責(zé)組建其子節(jié)點指揮網(wǎng)。從而確定各個裝備所在層級及上下級指揮關(guān)系。具體作戰(zhàn)過程中，可分為主動組網(wǎng)申請和被動執(zhí)行組網(wǎng)命令兩種情況：空間無人機如需調(diào)整自身當(dāng)前所在編隊位置，首先需通過短報文向其父節(jié)點即地面移動控制站發(fā)送入網(wǎng)申請，此時任務(wù)控制站可堅守到各地面移動控制站收到其下屬終端用戶的入網(wǎng)申請，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者進行組網(wǎng)，并將指令點對點發(fā)送給初始申請者，同時廣播給下屬各地面移動控制站，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);被動執(zhí)行組網(wǎng)命令流程與主動申請類似，任務(wù)控制站根據(jù)實際狀態(tài)向需調(diào)整位置的無人機發(fā)送組網(wǎng)命令，目標(biāo)機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)驗證

整個系統(tǒng)設(shè)計完成后，作為某無人機空中監(jiān)管項目的北斗獨立連路，隨系統(tǒng)進行了聯(lián)調(diào)聯(lián)試及先關(guān)試飛任務(wù)。整個試驗過程中針對多層級指揮功能、動態(tài)組網(wǎng)功能以及編隊飛行等主要功能進行了逐一驗證，并對試驗數(shù)據(jù)與系統(tǒng)中其他鏈路數(shù)據(jù)進行了對比分析，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，試驗證明了系統(tǒng)可行性及應(yīng)用靈活性。

4結(jié)語

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

參考文獻

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