中大型无人机通用化地面站

吴琴峰 孙志全 严小强/ 中航华东光电深圳有限公司，深圳市 罗湖区 518001

导读：由于应用场景的多样性，现阶段工业级无人机的种类越来越多，地面站的控制方式也是多种多样。文章通过对数据链信号处理方式、操作席位布局以及指挥控制软件等进行分析，提出了一种针对中大型无人机通用化地面站的解决方案，整合地面控制站资源。

无人机诞生于20世纪初的第一次世界大战期间，其研制目的是为了减少飞机的失事，降低人员伤亡以及实现远程打击。随着21世纪科学技术的进步，无人机技术以及无人机产业得到了迅速发展，已广泛应用于各行各业。

在军事应用方面，包括光电侦察、雷达侦察、电子对抗、察打一体、无人机反潜以及战术训练等应用场景；在工业应用方面，包括城市安防、测绘、森林防火、VR直播、应急救援、海事监测以及农林植保等应用场景。

随着无人机应用越来越广泛，无人机种类也是越来越多。目前民用市场上，中大型无人机以ZT-R100无人直升机、“鹞鹰”无人机、“翼龙”无人机以及“彩虹”无人机为典型代表。军用级无人机种类更具多样性。然而，针对不同型号的无人机，地面站都是定制的，也就是说同一个无人机地面站只能控制一种型号的无人机，通用化很差。为了整合地面站资源，实现“一站多机”的控制方式，通用化地面站的需求越来越迫切。

通用化地面站解决方案

地面站概述

地面站作为无人机的指挥中枢，在作用范围内，主要完成对无人机的整个飞行过程，包括起飞、航线飞行、着陆等过程进行控制，以及在任务区对载荷设备进行实时操纵；同时，地面站具有实时监控无人机平台、载荷设备的状态，以及载荷图像的显示及数据对外分发等功能。

地面站设备数据流程如图1所示。

地面站由链路地面终端以及指挥控制站组成。其中链路地面终端由视距链路地面终端和超视距链路地面终端组成(部分无人机无超视距地面终端)，指挥控制部分由飞控席位、载荷席位、链路席位以及网络交换机等组成。

视距链路地面终端和超视距链路地面终端分别接收机载视距链路以及超视距链路发送的无线信号，经过解调、解码、解密处理后还原为原始的遥测及图像数据，发送至网络交换机，指挥控制站飞控席位、载荷席位、链路席位通过TCP/IP协议接收网络交换机发送的遥测及图像数据并显示。同时，可通过千兆以太网将数据发送至远端的指挥中心。

飞控席位、载荷席位、链路席位分别生成飞控指令、载荷指令以及链路指令，通过网络交换机发送至视距链路地面终端、超视距链路地面终端，经过加密、编码、扩频以及调制后发送至机载设备。

链路地面终端

数据链路产品供应商很多，导致生产的数据链路产品各种各样，信号处理方式以及对外接口多种多样。要解决链路地面终端的通用化问题，首先就需要解决信号处理以及电气接口的通用化问题。

图1 地面站设备数据流程

(1) 信号处理

信号处理包括遥控信号的加密、编码、扩频与调制，遥测及图像信号的解调、解码与解密等。

要想实现一套地面站链路地面终端与多套不同机载数据链路终端的通信，则需要机载数据链路终端与地面数据链路终端的信号处理方式具有一致性，即具有一致的加解密方式、编解码方式、扩解码方式与调制解调方式。比如调制解调可采用QPSK方式，扩解码可采用一致的伪随机序列码序列，编解码可采用统一的纠错编解码技术，加解密可采用统一的AES加解密方式。

链路地面终端可采用软件无线电的方式，软件无线电的硬件平台是一种通用的平台，它可能对某种特定的通信系统不是最高效的，但是它的开放性和可伸缩性使其可以适用于多种无线通信系统，并可以对参数进行灵活的修改。软件无线电的软件用来实现无线通信的功能，包括上下变频、调制解调、编解码、加解密等。

由于中大型无人机通信链路频谱范围较宽，覆盖范围涵盖400MHz至30GHz，而不同的频率段数据链路设备的制造成本相差很大，因此可将数据链路频谱划分为UHF波段、L波段、S波段、L波段、C波段、Ku波段等，对不同的波段采用软件无线电的方式实现波段内信号的通用化处理。

(2) 电气接口

链路地面终端接收指挥控制站的遥控数据，经过信号处理后发送给机载设备；同时，接收机载设备的遥测及图像信号，经过信号变换后还原为原始的遥测及图像数据，并发送给指挥控制站。

表1 通信协议框架结构

链路地面终端与指挥控制站的接口可选用以太网接口，采用标准的TCP/IP协议，实现链路地面终端与指挥控制站之间的数据交互。

指挥控制站

指挥控制站采用方舱布局，由指挥控制站设备和指挥控制站软件组成。

(1) 指挥控制站设备

指挥控制站设备由飞行控制席位、载荷控制席位以及链路控制席位组成。指挥控制站设备采用三席位布局，飞行控制席位主要承载飞行控制计算机以及飞行控制软件，载荷控制席位主要承载载荷控制计算机以及载荷控制软件，链路控制席位主要承载链路控制计算机以及链路控制软件等。载荷控制席位可作为飞行控制席位的备份，当飞行控制席位出现故障时，载荷控制席位可控制无人机安全返航。

(2) 指挥控制站软件

指挥控制站软件包括飞行控制软件、载荷控制软件以及链路控制软件。飞行控制软件生成飞控指令，用于控制无人机平台，同时接收无人机平台数据并显示；载荷控制软件生成载荷指令，用于控制机载任务设备，同时接收载荷工作状态及载荷图像数据并显示；链路控制软件生成链路指令，用于对链路工作模式的切换，同时接收链路工作状态并显示。

由于不同型号的无人机，其工作状态、工作参数以及搭载任务载荷具有多样性，因此对于每一型无人机均具有其独特的通信协议，同样指挥控制站软件须与其通信协议相对应。

图2 席位布局图

要实现指挥控制软件的通用化首先要实现通信协议的通用化。

1)通信协议的通用化

通信协议可采用框架式结构，对无人机平台及任务设备进行功能细分，每一项功能均对应唯一的信息ID号。通信协议框架结构如表1所示。

2)指挥控制软件的通用化

要求指挥控制站软件应具有跨平台性，能适用于各种不同的运行环境。

指挥控制软件采用模块化设计，通过选择无人机的机型结构，加载基本的软件功能模块，同时可根据其独有的特点手动添加相应软件模块。

结论

综上所诉，由于数据链设备信号处理的多样性、通信协议的多样性以及指挥控制软件的多样性，无人机通用化地面站的道路仍然很长远。未来，随着软件无线电技术的进一步发展以及无人机集群作战、多机种编队作战的迫切需求，相关部门对通用化地面站的相关功能进行进一步细分，并形成标准。那么通用化地面站的脚步将越来越快，一站多型飞机的控制方式将变为现实。 ■