基于北斗导航系统的无人机应急指挥系统设计

李新亮 刘玉磊

摘 要：近年随着无人机技术蓬勃发展，投入市场的无人机型号与种类日益繁多。因此其测控指挥系统的设计工作显得尤为重要，尤其多级指挥系统的设计与实现。目前指挥控制信息多利用有线传输，针对空间无人机与地面控制站难以敷设有线网络的情况，现以北斗导航系统的全天候导航定位及北斗短报文等功能为支撑，使用北斗指挥机及其下属子用户构建多级指挥架构[1]，提出系统设计方案以实现无人机与地面控制站系统间的多层级指挥，真正意义上实现按需指挥、动态组网等功能效果，具有广阔的市场前景。

关键词：北斗短报文;无人机;指挥系统

中图分类号：TN914.4 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2021.02.036

本文著录格式：李新亮，刘玉磊.基于北斗导航系统的无人机应急指挥系统设计[J].软件，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

現阶段指挥信息多采用有线传输方式，其具有传输数据量大、信号稳定等优势，但针对无人机及地面控制站间难以敷设有线通信网络的情况，则亟须一种安全稳定的无线指挥信息传输方式作为应急指挥手段。普通无线网络传输，存在安全保密性能差、偏远地区无基站无网络等现实问题，而北斗导航系统具有全天候导航定位及加密短报文通信等服务优势[5]，北斗卫星导航系统的实时导航业务可以满足无人机的精确定位需求，短报文通信业务可以满足无人机的遥控遥测需求。其中北斗指挥型用户机除了具备通用功能外，还能监收下辖用户机的定位和通信等相关信息，并可向其所子用户发送通播信息[3]，灵活实现集团动态组网、多层级调度指挥等功能。在无人机群大规模联合作战过程中的控制、指挥系统的应用中具有极大可行性与市场前景。

1系统构建

本设计采用北斗导航系统的全天候导航定位及北斗短报文等功能为支撑，使用北斗指挥机及其下属用户机构建了无人机多级应急指挥系统。整个系统具体有指挥中心的任务控制站，地面移动控制站及无人机编队组成[2]，其中任务控制站及地面移动控制站搭载北斗指挥机，无人机编队分别搭载下属子用户机载用户机，三者实现隶属关系。如图1所示。

系统主要功能包括无人机状态管理、多层级应急指挥控制、动态编队组网管理、位置信息管理、时间信息管理、短报文通信管理等。任务控制站配装的上位机软件包含上述所有功能，地面移动控制站功能相应精简，空中普通用户机软件为简化版。其中状态管理，主要完成无人机当前状态的检测，设备参数的设置等;多层级应急指挥控制、动态编队组网功能是该系统的核心功能，实际使用过程中根据具体需要对无人机编队进行动态组网，同时根据需要实现任务控制站、地面移动控制站及空间飞行装备间的多层级指挥;定位、授时和短报文通信，是北斗用户机的三大基本功能，根据实际情况及上级控制要求完成相关指令应答，进行相关信息的上报和转发等，具体作战使用过程中还可以进行预定方案设计，对行动方案代号、命令缩略语、装备编号代号等进行事先约定管理从而提高转战效率。

2系统设计与应用

2.1 多级指挥控制应用

当前，基于北斗系统的应急指挥平台多为单层模式，多利用北斗指挥机监收、指挥其下属子用户。存在难以全局态势掌握、指挥形式单一和指挥容量难以满足较大规模作战需求等问题。本文在不依靠其他辅助指挥网络的情况下，利用北斗指挥机及下属子用户进行组网，将根据需求将其搭载于相应平台，实现一种两层三级的应急指挥系统，如图2所示。

指挥中心根据需要组建自己的指挥体系，不同指挥中心下辖的区域中心可以重组。在某一指挥体系下任务控制站为根节点，地面移动控制站为过程节点，各个无人机为叶子节点。其中任务控制站和地面移动控制站使用指挥机，无人机搭载普通北斗用户机。地面移动控制站收集其对应子节点无人机编队各自的定位及通信信息并上报给任务控制站。任务控制站广播的信息经下级地面移动控制站再对各无人机实现广播，必要情况下任务控制站还可以按需直接对子节点终端设备进行点对点越级指挥，从而实现动态、灵活的应急指挥系统。

2.2 动态组网应用

通常，北斗用户机有与其身份一一对应配套的北斗ID，北斗用户终端一旦投入使用，用户机即可向其指定的上级指挥机上报信息，用户本身无权自行修改此种隶属指挥关系，为便于灵活组网应用[4]。本文在指挥机及其下属用户机的基础上，提出了一种动态组网方法，根据实际需要，使用指挥机及其部分下属用户机进行动态组网，可临时调整网内无人机编队数目，高效合理地利用有限资源，从而降低任务控制站的数据载荷量，提升其相应速率进而提高整个系统的作战能力。

为建立指挥结构，需要事先明确用户机ID、上级用户机ID等属性，按照指挥结构对各节点进行等级区分，再由各级指挥机负责组建其子节点指挥网。从而确定各个装备所在层级及上下级指挥关系。具体作战过程中，可分为主动组网申请和被动执行组网命令两种情况：空间无人机如需调整自身当前所在编队位置，首先需通过短报文向其父节点即地面移动控制站发送入网申请，此时任务控制站可坚守到各地面移动控制站收到其下属终端用户的入网申请，其需要当前作战任务状态分析判断是否允许申请者进行组网，并将指令点对点发送给初始申请者，同时广播给下属各地面移动控制站，以使系统内各控制中心知悉当前组网变更状态;被动执行组网命令流程与主动申请类似，任务控制站根据实际状态向需调整位置的无人机发送组网命令，目标机收到命令后作出服從命令应答，调整自身位置完成重新组网。流程图分别如图 3和图4所示。

3系统验证

整个系统设计完成后，作为某无人机空中监管项目的北斗独立连路，随系统进行了联调联试及先关试飞任务。整个试验过程中针对多层级指挥功能、动态组网功能以及编队飞行等主要功能进行了逐一验证，并对试验数据与系统中其他链路数据进行了对比分析，其命令执行准确率，位置信息回传率等均满足系统需求，试验证明了系统可行性及应用灵活性。

4结语

基于北斗导航系统的无人机应急指挥系统的搭建，不仅为系统提供高精度时间、位置信息，而且便于任务控制站对所有用户的状态进行管理，便于实现按需指挥，按需广播等功能。对提升了整个系统灵活组网、作战能力具有重要意义。

参考文献

[1] 张杰.北斗用户机应急指挥系统研究[J].测绘与空间地理信息，2019，43（12）：133-135.

[2] 雷思磊.基于北斗短报文的卫星通信车快速组网方案设计[J].酒泉：全球定位系统，2018，43（4）：53-58.

[3] 唐守龙.基于北斗短报文通信的车辆监控系统的设计与实现[J].江苏建筑职业技术学院学报，2019（2）：23-26.

[4] 何丽，刘茹，屈冬红，等.一种基于北斗短报文通信的动态组网技术[J].科学技术与工程，2015，15（13）：149-152.

[5] 李博，袁永卫.基北斗和移动通信的应急通信保障系统设计[J].无线电工程，2018，48（4）：293-297.