基于VPX架构的无人机测控终端综合化开放平台技术

　　摘要:通过对无人机互通互联互操作等通用化测控系统的研究，提出了基于VPX架构的无人机测控终端综合化开放平台技术，通过采用标准化、通用化硬件模块，软件设计统一规范和标准，嵌入第三方软件，实现任务功能协同开发。该技术可以支持陆态、海态、陆海态等多种不同体制平台任务的任意加载，为实现地面站与地面站、地面站与舰面站、舰面站与舰面站之间的多站一机管控切换提供了有力支撑，有效增强了无人机系统跨域作战的能力。同时，系统能够满足无人机多类型、多型号不断扩展的需求，减少无人机测控装备种类，降低新型无人机系统装备建设成本，提升了无人机系统的生存性、灵活性和作战效能。

　　关键词:无人机;测控终端;综合化开放平台;多域协同;VPX架构

　　0引言

　　随着无人机系统技术的蓬勃发展，无人机系统在各大作战场景中的普及与应用也越来越广泛。各国之间、各军种之间、各种无人机系统的协同作战问题日益凸显，尤其在多国联合作战情况下，在未来多域作战场景和环境下[1]，无人机系统将发挥越来越重要的作用。

　　针对上述问题，研制能够在多个平台之间实现协同、能操作各个军种的多种无人机系统的通用控制系统及测控终端的需求日益迫切，世界军事强国均开展了相关技术及解决方案研究。近期世界各国无人机系统互操作性的研发是与新型无人机系统、C4I(Command，Control，Communication，ComputerandIntelligence)系统以及联合作战等项目和计划同步推进的。近年来无人机系统发展较快的国家和组织(如以美国为首的北约)已经形成了一系列解决互操作性问题的典型标准、概念以及相关开放式体系架构解决方案[2]。

　　为打破无人机互操作性的限制，北约率先制定了STANAG4586标准，以提高无人机系统在盟军联合作战环境下的互操作能力。该标准定义了适应作战需求的互操作等级(LevelofInteroperatability，LOI)以及无人机地面控制系统的体系结构、接口、通信协议、数据源和消息格式，同时还明确了要求采用的其他北约标准，如成像系统可互操作数据链标准(STANAG7085)以及与机上有效载荷有关的数字传感器数据标准(STANAG7023，4545，4607，4609)等。美国波音公司和英西图公司的“扫描鹰”开发小组近年来已使其无人机系统与北约无人机的STANAG4586相兼容[3]。与STANAG4586兼容能使北约成员国使用各自的无人机系统和地面控制站设备联合支持军事作战行动。这极大增强了成员国无人机之间的互操作性，并可通过一种通用地面接口实时共享各国无人机系统处理的数据和信息。

　　为了建立一个无人系统开放体系，由美国国防部长办公室、陆军、海军、空军、通信卫星工作组等多个部门提供支持，制定了联合无人系统体系结构(JointArchitectureforUnmannedSystems，JAUS)系列标准。该系列标准适用于无人机、无人地面车辆、无人潜航器、无人水面艇等无人系统。JAUS标准定义了一种模块化、松耦合、可扩展的体系结构，以及一组与具体应用无关、可重用的构件和服务，同时规定了进行内部和外部通信的标准接口消息，从而使符合JAUS标准的无人系统具备互操作能力。在国内，无人机测控系统基本上都是基于专用定制化的硬件平台和软件模块，缺乏互通互操作能力。

　　只有极少数类型的无人机能够采用通用化地面站[4]，但是尚未建立相关的行业标准及规范，特别是在机载终端等设备上没有太多的进展。目前无人系统的通用化主要基于标准的互操作能力。然而，为了实现一种真正的即插即用级互操作能力(即把来自多个销售商的软件能力集成到一个系统，支持对来自其他系统的数据进行交换、解释和利用)，就需要实现一种开放式体系架构[5]。开放式体系架构是指一种具有模块化、可互操作、接口公开发布和遵从开放式标准的系统架构。开放式体系架构具有可扩展、可升级以及与其他系统的互操作等特点，可以降低研发成本，解决新技术有效插入问题以及保障系统升级扩展等。开放式体系架构涉及标准、接口、模块化设计等。

　　1系统总体设计

　　该平台由多通道信道、信号处理模块、管理控制及接口模块等硬件模块组成，物理形态相同的硬件模块之间通过具有开放性、可扩展特征的“SwitchFabric”交换网络互联，形成“资源池”;采用软件通信体系结构(SoftwareCommunicationArchitecture，SCA)波形封装[6]技术完成对主链路海态链路功能、陆态链路功能、副链路功能及后续扩展新体制链路功能的波形开发;通过“蓝图”技术完成波形的部署和加载，实现系统功能。

　　机载天线收到地面站发送的上行信号后，在射频前端中经低噪声放大器(LowNoiseAmplifier，LNA)放大再下变频至中频，A/D变换后，经解扩、解调处理，输出的遥控信息送出到管理控制及接口模块中的协议处理单元;由协议处理单元完成主副链路选通、解复接后，传输给保密机解密处理，然后将飞控指令、载荷管控指令送给飞控计算机、综合任务管理计算机。

　　协议处理单元将飞控计算机、综合任务管理计算机传输过来的飞控状态、载荷设备状态，以及测控平台本身的状态信息，进行数据适配、分段操作、数据复接和成帧，形成遥测数据并送入副通道，副通道在对应的时隙进行BPSK调制，形成已调下行中频信号。对于主通道还要在遥测数据的基础上复接载荷数据并成帧，送入主通道进行调制，形成已调下行中频信号，分别在主副通道信道中进行上变频，变频到下行发射载波频率，然后经功率放大后通过天线向地面辐射。

　　综合化平台内部采用DSP完成平台硬件模块的初始化和驱动以及RapidIO总线控制[7]，驱动程序包括控制管理驱动、RapidIO协议栈、文件系统和I/O子系统、RF模块驱动等;利用RapidIO总线和基于RapidIO总线的实时中间件实现模块间芯片级高速互连，完成模块间控制和数据信息的高速传输。

　　该系统针对平台进行综合化设计，采用开放式架构和分频段综合设计思路，通过高度综合化设计与集成，实现软硬件分离，方便系统的扩展和升级。硬件采用模块化、标准化、通用化设计标准，在信道模块、管理控制接口和信号处理进行综合设计，降低系统体积、重量、功耗，提升系统任务可靠性和维护保障水平。通过综合化设计，系统可以完成陆态、海态、陆海态三种不同体制平台的任意加载，具有主副2套独立链路并能够在统一管控下实现可靠切换的能力。在物理层波形、高层协议以及工作流程的设计中，充分考虑抗干扰和低截获能力的要求，采用基于感知辅助的抗干扰智能测控技术，满足军用测控通信链复杂环境的基本需求。

　　2系统体系架构

　　从系统架构开始，采用开放式可重构的综合化平台架构进行多通道测控通信系统的综合化设计;通过标准、开放、可互操作的通用信号/信息处理平台，采用软件定义一切(SoftwareDefinedAnything，SDX)的设计理念，将不同体制通信功能进行封装，使之成为符合SCA规范的软件构件并利用“蓝图”技术[8]完成，通过加载和重构等方法完成对系统资源的配置，灵活构建链路功能线程，实现功能的配置。综合化开放平台软件按层次划分共分为4层结构，分别是功能应用层、系统平台层、通信中间件层和平台驱动层。按软件的功能划分，可分为两类，分别是“功能应用软件(功能应用层软件)”和“系统平台软件(包括平台驱动层、通信中间件层和系统平台层软件)”。

　　2.1功能应用层

　　功能应用层实现系统设计功能项的算法软件、信号处理软件、数据处理软件、功能控制软件以及相应功能线程的控制接口，包括视距链、超视距链、扩展链路等。所有功能软件在各处理模块的DSP、FPGA、CPU等处理器中完成。

　　2.2系统平台层

　　系统平台层控制管理子层软件的主要功能要求包括:(1)内外部接口控制代理与转换———完成I/O模块内外部接口控制命令的执行，以及接口协议的转换和数据转发。(2)系统工作模式与事务管理———定义和维护系统各种运行阶段的功能需求，完成需求满足的过程控制。比如，各种功能线程需求;各种工作模式的切换，如多种上电初始化模式、任务运行模式、维护模式等工作模式下，定义系统的工作内容和流程控制。(3)系统工作状态管理———定义和维护系统的逻辑工作状态以及状态迁移条件;根据系统健康管理的检测结果，资源管理以及功能线程管理，确定系统当前工作状态;与图形化系统状态监控进行接口，能显示出资源和功能线程等设备工作状态。

　　(4)重构策略管理———定义和维护各种系统状态下系统的重构策略，根据系统当前状态输出系统软硬件重构方案。(5)系统资源管理———与系统基础服务框架子层提供的服务接口，通过基础服务进行信息获取、状态维护和资源控制，如程序动态加载等控制管理。(6)功能线程管理———功能线程的参数管理包括参数加载/更新等存储管理、参数配置时序管理，构建功能线程的过程控制包括正常功能构建、应急功能构建、重构功能构建。(7)系统健康管理———监测系统硬件、平台层软件、功能线程以及系统层软件的工作状态，定位系统故障并依据故障处理预案完成故障处理。

　　2.3通信中间件层

　　通信中间件层位于操作系统之上，应用软件(包括功能层软件和系统层软件)之下。向上通过中间件服务接口为应用软件提供通信服务、平台资源管理服务，以及在系统维护模式下提供可视化的系统监控服务。向下通过硬件抽象适配层，与实现平台硬件的操纵与控制的驱动层软件接口，便于系统底层硬件的插入，实现系统软件与系统硬件之间的松耦合设计。

　　3系统控制管理技术

　　综合化开放平台系统的控制管理采用分级方式，平台系统内部设计了独立的控制管理模块，即系统控制模块，负责内部的资源管理和状态维护，为系统控制和功能管理提供支持。为了实现上述目标，平台系统包括资源管理(ResourceManagement)、配置管理(ConfigurationManagement)、网络管理(NetworkManagement)、健康管理(HealthManagement)、时间管理(TimeManagement)等基础服务功能，配合内部的控制管理，同时为功能线程提供运行的环境，并通过定义的接口控制程序映像的运行。这些控制管理功能共同形成了平台系统功能线程和应用程序的运行环境，为功能线程提供资源标识和匹配、软件加载、健康监控以及全局时钟等服务。

　　3.1控制管理流程

　　控制管理流程按照控制管理的对象和工作的层次可以划分为采用分层设计的方法把系统控制管理分成三层，即任务模式管理、功能线程管理和机箱资源管理。

　　4感知辅助的抗干扰智能测控技术

　　采用了“侦通一体的干扰感知技术”和“感知辅助的链路级安全防护技术”，有效规避干扰。下行广播采用突发+扩跳频体制，突破传统连续波体制，信号波形表现为时域的一个突发，确保抗干扰低截获能力。上行链路采用扩频体制，同时结合型号项目要求的扩频增益，提高抗干扰容限。敌方无源探测设备的脉冲分选功能受辐射信号在时域、空域、频域的稳定性和规律性影响，因此，设计静默态提高隐蔽性，并且下行广播和上行接入信道的交互节拍可随时调节。

　　通过机载测控终端辐射信号的最大不确定性设计，即采用最小辐射能量自适应功率控制技术，使机载测控终端根据实际作用距离、信息速率及信道评估情况，在保证其性能指标不影响作战使用的前提下，辐射最优的射频功率，减小被敌方无源侦察装备发现或截获的距离，使敌方无法对我方信号进行稳定的截获，可以直接影响无源探测设备的分选识别功能，使其无法进行测向、测距、定位等。地面/舰面站使用定向天线，广播信道传输帧内含GPS信息，可以辅助地面进行目标角度计算，进一步控制地面定向天线的指向，因此，除了近距离接入场景使用全向天线，其他上行接入及通信阶段都采用定向天线，在能、空两个维度大大降低敌方截获概率;同时由于接收信号也具有方向性，提高了接收信号的抗干扰、抗入侵、防欺骗能力。

　　5实物结构

　　综合化平台设备采用标准VPX3U5槽机箱架构，内置板卡采用标准3UVPX导冷板卡和FMC子卡的结构，外形尺寸161.35mm(宽)×148.2mm(高)×216mm(深)，质量小于等于6.5kg。

　　无人机方向评职知识：无人机论文发表多久见刊

　　6结论

　　综合化开放平台技术是提升无人机系统互操作性的有效手段。基于综合化开放平台的系统设计可以根据作战任务灵活配置无人机系统有效载荷，通过快速增加、减少、改变相关功能模块，打造多任务作战平台，实现了舰载型和陆基型两种模态通用化硬件平台的研制;支持将两种体制的功能加载进来进行统一管控，实现了地面站与地面站、地面站与舰面站、舰面站与舰面站之间的多站一机管控无缝切换;通过标准化接口实现了与其他无人机平台的互操作，有效支持跨平台资源共用、信息共享、优势互补，形成体系作战能力，同时采用智能化抗干扰低截获技术提高了无人机的作战效能，可以满足未来复杂战场的作战需求。

　　参考文献:

　　[1]李晓青，贺占权，程涛，等.天基信息系统支持武器作战需求分析[C]//2013年卫星应用学术交流与研讨会论文集.北京:中国宇航学会，2013:392-397.

　　[2]李桂花.外军无人机数据链的发展现状与趋势[J].电讯技术，2014，54(6):851-856.

　　[3]张昊.美国无人机协同作战研究[J].飞航导弹，2017(8):12-16.

　　[4]黄华园.无人机一站多机数据链技术[J].电讯技术，2015，55(8):879-884.

　　[5]陈翔宇，杨红生.无人机控制站通用软件平台设计[J].电讯技术，2019，58(7):779-784.

　　作者：陈会林**1，教富龙2，袁泮江3，洪志勇3，王羽3