基于通用接口的无人机指挥控制仿真实验系统设计

彭鹏菲，黄 亮，李启元

（海军工程大学 电子工程学院，湖北 武汉 430033））

基于通用接口的无人机指挥控制仿真实验系统设计

彭鹏菲，黄 亮，李启元

（海军工程大学 电子工程学院，湖北 武汉 430033））

通过分析无人机的主要作战模式和无人机在联合作战体制下的指挥控制相关需求，该文研究了相应的STANAG 4586标准，提出了基于通用接口（数据链接口、指挥控制接口、人工控制接口）数据模型的无人机指挥控制系统仿真实验系统设计方案，给出了相应的系统目标、主要功能、组成结构和通用接口构件模型。该实验系统能够实现无人机系统指挥控制过程及相关技术的功能演示及验证，体现通用接口在无人机一体化指挥控制系统中的重要作用，在未来联合作战体制下无人机指挥控制系统关键技术的研究与教学中具有很好的应用前景。

无人机；指挥控制；通用接口；控制站；构件

无人机（UAV）井喷式的发展，其作战任务逐步从战术级向战役战略级方向延伸，机型进一步智能化和隐身化，任务载荷向综合化、高分辨率、全天候化发展，无人机的作战模式逐渐趋于成熟。同时为了与未来以网络为中心的联合一体化作战相适应，对无人机一体化作战指挥控制的需求也日益迫切［1］。因此，采用通用接口的设计及标准化，也成为无人机指挥控制系统构建及研制中的主要技术方法。本文通过分析无人机作战的主要模式和无人机在联合作战体制下的指挥控制相关需求，研究了相应的通用接口标准，提出了以通用接口数据模型为基础，进行无人机指挥控制系统仿真实验系统设计的方案。通过构建这种基于通用接口的无人机指挥控制系统仿真实验系统，可有效验证无人机系统指挥控制站的主要功能，体现联合作战体制下的无人机系统作战能力，为未来无人机指挥控制关键技术及其一体化联合作战指挥控制系统的研制与教学提供良好的仿真演示验证平台。

1 无人机作战模式及指挥控制需求分析

1.1 无人机主要作战模式

目前，无人机在实际作战中的主要作战模式是远程分工作战，即由部署在前线的小规模无人机发射／回收部队负责无人机的发射和回收操作以及职责范围内的维护工作，而无人机在空中的飞行控制和各项任务操作则由后方的操作／指挥人员来完成。这种作战模式将无人机的控制放在了指挥控制中心，因而也被称为集中控制模式［2］。该作战模式的具体流程为：

1）前线的无人机发射／回收部队发射无人机，一旦飞机飞到预定高度且机上各种系统和有效载荷开始运转，就把控制权转交给地面指挥控制中心的无人机操作／指挥人员；

2）地面指挥控制中心的无人机操作／指挥人员通过卫星数据链控制无人机在空中执行各项作战任务；

3）完成作战任务后，无人机操作／指挥人员控制无人机飞到预定高度再将控制权交回前线的发射／回收部队，完成无人机的着陆和回收。

美国在“捕食者”“收割者”和“全球鹰”等无人机的作战使用中都采用了上述模式。如在实战中，将“捕食者”发射回收单元部署在伊拉克和阿富汗，但它们的作战行动经常是由设在美国本土指挥控制中心的地面控制站操纵的，如图1所示。

图1 “捕食者”无人机远程分工作战模式

1.2 无人机作战应用对指挥控制的需求

进入21世纪以来，在多个美军新版作战条令中，面向作战指挥官和作战任务对无人机的不同需求，为无人机的作战应用新增了相关条例，将统一指挥、集中控制与分散实施作为无人机作战应用的3大原则。

而在2010年发布的新版美军《联合空中作战指挥与控制指令》中，新增了有关无人机的相关条例，对无人机在联合空中作战中的任务指派、计划制定、作战实施、作战协同和空域管理等层面的应用进行明确的定义。在新版指令中明确指出，应基于无人机特性的充分考虑，采用与有人机相似的指挥控制模式实施对无人机的指挥控制，并充分利用现有的指挥控制体系以实现对无人机战斗力的最优发挥［3］。

2 无人机指挥控制通用接口分析

为了满足多军兵种联合作战的具体需求，实现各类异构无人机系统互联互通互操作的协同作战，制定无人机指挥控制通用接口标准的需求日益迫切。STANAG 4586正是北约为实现无人机互操作而制定的无人机控制系统通用接口标准，美国、以色列等无人机研制大国已陆续采用北约的标准为无人机研制通用地面控制系统和数据链，从而使北约的无人机标准成为目前世界上通用的无人机标准。STANAG 4586为未来的无人机指挥控制系统勾画了一个功能性的结构标准［4－5］，具体包括无人机控制站和飞行器之间的接口（数据链接口，DLI）、无人机控制站和外部C4I系统之间的接口（指挥控制接口，CCI）、无人机控制站和无人机系统操作员之间的接口（人工控制接口，HCI）。

其中，CCI处于无人机系统和外部C4I系统之间，其数据模型如图2所示。它详细定义了在无人机任务的各阶段无人机系统和外部C4I系统之间需要互传的消息和数据的类型，可以按照起飞前、起飞中和起飞后3个阶段描述。

1）起飞前：任务分配、战场状态、环境数据、一般任务约束、任务计划。

2）飞行中：状态和服务消息、控制权交接、有效载荷数据、任务进展报告。

3）降落后：状态和服务消息、任务载荷数据、任务报告。

图2 CCI数据模型

美空军在其相关型号的无人机集成应用中正是遵循了STANAG 4586标准中的通用接口来实施的，完成无人机系统与网络化体系中的其他系统、作战单元或兵力之间的交互数据、信息、资源及服务，实现有效协同作战，以满足网络中心战需要。

3 基于通用接口的无人机指挥控制仿真实验系统

3.1 系统总体目标及主要功能

无人机系统通常包括无人机平台、有效载荷、通信链路、控制站与保障设施等。其中，控制站是无人机系统的重要组成部分，也是无人机系统指挥控制的中心［6－8］。因此，在实验室环境下构建的无人机指挥控制仿真系统将主要实现无人机控制站的综合功能。按照通用接口的基本要求，该无人机指挥控制仿真实验系统设计的总体目标是：

1）采用基于通用接口的系统集成技术，以实物与虚拟相结合的方式，仿真验证无人机指挥控制过程中的信息综合与决策优化技术；

2）演示“与各级指挥控制系统交联，根据任务要求制定相应的任务规划，组织和指挥无人机系统协调工作，控制无人机飞行姿态与航迹，执行预定任务，并获取战场信息”的全过程。

由此，无人机指挥控制仿真实验系统应具有以下主要功能：

1）飞行状态监控功能；

2）任务状态监控功能；

3）任务规划功能；

4）信息综合管理功能；

5）情报预处理功能；

6）数据链管理功能。

3.2 系统组成及结构

根据系统设计的总体目标及主要功能要求，该仿真系统由无人机控制站仿真、任务载荷（光电探测设备）半实物仿真、无人机平台半实物仿真、数据链系统仿真、战场环境模拟数据库和仿真引擎管理等子系统组成，利用半实物与仿真模型及环境相结合的方式，其结构设计如图3所示。

图3 基于通用接口数据模型的无人机指挥控制仿真实验系统结构

3.3 基于构件的通用接口数据模型设计

在无人机指挥控制仿真实验系统的构建中，3类通用接口数据模型可以采用基于构件的设计方法，并利用WebService技术实现通用接口构件库在仿真环境中的柔性生成［9］，如图4所示。

基于构件的通用接口数据模型本质上也是一种面向对象的结构［10］，其思想是采用基于构件的开发方法创建可重用的构件并将其组合［11－12］，动态的生成可在仿真环境中使用的接口数据模型，以支撑大型而复杂仿真系统的构建与运行。在具体的实现中，通用接口构件库中包括Object类构件、View类构件、Process类构件以及Data类构件等，再利用WebService技术，提供分布式的通用接口数据模型网络服务。Object类构件体现接口的基本属性及功能，Process类构件体现了不同接口的处理内容，Data类构件体现接口中相关数据的定义与类型，View类构件则体现了不同接口的对外表现形式。根据仿真系统数据交互的UML图和顺序图，可将3类通用接口数据模型的构件组成分别映射到通用接口构件库中。

图4 基于构件的通用接口数据模型设计

4 结束语

基于通用接口的无人机指挥控制系统仿真实验系统设计方案在STANAG 4586标准的基础上，提出了数据链接口、指挥控制接口和人工控制接口3类数据模型在无人机指挥控制系统仿真中具体应用方法，并给出了相应的系统目标、主要功能、组成结构和通用接口构件模型。该实验系统的构建将能够充分体现无人机远程分工的作战模式，演示验证无人机在联合作战体制下的指挥控制过程及相关技术功能，可为下一步开展联合作战体制下无人机指挥控制系统关键技术的研究与教学提供良好的技术基础。

［1］Chairman of National Security Agency.Standardisation Agreement（STANAG）4586：Standard interfaces of UAV control system（UCS）for NATO UAV interoperability［R］.USA：NATO，2007.

［2］许莺，熊朝华，王芳.美空军无人机一体化作战指挥方法分析［C］／／2014年中国无人机大会会议论文集.北京：中国航空学会，2014：121－124.

［3］郝飞.美国空军指挥控制星座网近期发展概况［J］.指挥信息系统与技术，2010（2）：29－33.

［4］曲东才，唐琳娜，吴晓男，等.STANAG 4586标准化接口——从理想到现实［J］.飞航导弹，2005（9）：45－49.

［5］曲东才，陈伟良，陈琪，等.无人机控制站交互性操作的标准化接口技术［J］.飞机设计，2006，2（6）：36－40.

［6］李大健，贾伟，齐敏，等.无人机地面控制站设计与应用［J］.计算机测量与控制，2011，19（6）：1351－1355.

［7］吴益明，卢京潮，魏莉莉，等.无人机地面控制站系统的应用研究［J］.航空精密制造技术，2006，42（3）：48－50.

［8］田峰，杜洪根.无人机地面站控制系统设计［J］.计算机测量与控制，2005，13（11）：1237－1239.

［9］潘向阳.基于构件模型的系统设计研究［J］.计算机工程与科学，2006，28（9）：129－131.

［10］王伟.基于构件的软件工程理论与方法研究［J］.信息技术与信息化，2006（9）：48－51.

［11］申利民，李伟伟.基于构件的柔性Web用户界面模型［J］.计算机应用研究，2011，28（3）：980－983.

［12］石双元，吴新明，刘琦.构件化信息系统体系结构及其业务构件模型研究［J］.计算机工程与科学，2005，27（5）：91－93.

The Design Project of UAV Command and Control Simulation System Based on General Interfaces

PENG Pengfei，HUANG Liang，LI Qiyuan
（School of Electronic Engineering，Navy University of Engineering，Wuhan 430033，China）

By analyzing the main operational mode of unmanned aerial vehicles（UAVs）and the related needs of command and control under the joint combat system，the corresponding STANAG 4586 standard is studied.The design project of UAV command and control simulation system，with the corresponding targets of system，the main functions，the structure and the general interface component models，are proposed based on common interfaces（data link interface，command and control interface，human control interface）in this paper，.This experimental system can achieve some functional demonstrations and validations of the UAV command and control process with related technologies，can reflect the important role of general interfaces on integrated command and control system of UAV，and thus will has good application prospects for the key technologies research and teaching of UAV command and control systems for the future joint combat environment.

unmanned aerial vehicle，command and control，common interface，control station，component.

V249

A

10.3969／j.issn.1672－4550.2016.06.005

2014－12－29；修改日期：2015－02－26

湖北省自然科学基金（2014EKB013）。

彭鹏菲（1977－），男，博士，副教授，主要从事指挥信息系统技术、装备维修保障方面研究。