基于VPX架构的无人机测控终端综合化开放平台技术*

陈会林**1,教富龙2,袁泮江,洪志勇,王 羽

(1.中国西南电子技术研究所，成都610036;2.北京跟踪与通信技术研究所，北京100083;3.西安卫星测控中心天津测控站，天津301900)

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,Computer and Intelligence)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STANAG 4586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(Level of Interoperatability,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(STANAG 7085)以及与机上有效载荷有关的数字传感器数据标准(STANAG 7023，4545，4607，4609)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STANAG 4586相兼容[3]。与STANAG 4586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(Joint Architecture for Unmanned Systems,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“Switch Fabric”交换网络互联，形成“资源池”；采用软件通信体系结构(Software Communication Architecture,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。产品组成框图如图1所示。

图1 产品组成框图

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(Low Noise Amplifier,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(Software Defined Anything,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。

如图2所示，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。

图2 软件体系结构框图

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。

(8)ICD封装与解析——I/O模块内外部接口数据信息的分选。

(9)系统蓝图及任务参数配置——依据任务计划信息，在任务执行前载入系统蓝图及任务参数并按子系统分解，下达到各子系统。

(10)插件管理——依据任务要求完成相应功能应用插件的查询和加载。

(11)任务调度——依据任务计划信息完成任务启动、执行、结束等调度操作，支持多任务调度。

(12)数据传输——通过天基网络完成存储平台数据传输到地面处理。

(13)遥测信息处理——采编各模块上报的状态监测信息及软件运行状态信息，完成遥测信息挑选、成帧和传输。

(14)遥控信息处理——接收实时遥控指令，完成遥控信息处理和执行等。

系统平台层基础服务框架子层软件的主要功能要求包括：

(1)建立软硬件物理资源数据库，维护硬件属性、物理连接关系、软件属性、驻留位置、软件组件间逻辑连接关系、与平台控制服务接口，提供资源的逻辑层控制的机制和方法。

(2)系统资源管理的框架是相对固定的，能适应功能模块及其组件属性、模块端口类型、数目及连接关系的变化。

(3)系统资源管理涉及的硬件模块间的物理端口连接关系，软件组件间的逻辑连接关系能够采用图形化连线配置的方式进行表达。

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。

系统通信中间件层软件的具体工作内容包括：

(1)网络管理

网络初始化：包括网络的枚举和发现。

平台资源注册：当冷备份的功能模块上电加入到网络中运行时，需要把新资源信息注册到网络或平台数据库，同时也要更新到系统控制的资源管理数据库。

路由配置：主要指通信链路的网络路由选择、网络路由表的配置。

网络健康监测：为系统控制对平台运行状态的监测提供基础服务，主要是网络及网络节点状态信息的收集和上报。

网络路由冗余：当物理通信链路故障时，完成冗余备份的物理链路配置，把物理链路上绑定的逻辑链路自动平滑地切换到新的物理链路上来，也包括主备交换网络的切换。

网络故障隔离：屏蔽故障网络端口。

配置预案解析：指网管软件为位置无关网络通信以及功能线程装配提供名字服务。使用XML解析软件，解析出功能线程装配方案的配置信息，下发给其节点的模块支持单元执行具体的加载指令，并维护通信端口的逻辑名字与物理通信资源的关联关系。

(2)网络通信：指网络的进程间通信(Inter-process Communication，IPC)，实现位置无关的逻辑通信端口，完成通信机制的收发控制、通信链路的暂停和恢复，以及物理通信接口在逻辑上的端口复用。

(3)XML解析软件：根据DTD(Data Type Definition)文件类型定义，解析出XML文件的信息。

(4)硬件抽象适配：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。

(5)中间件服务接口：为平台的应用程序提供通信服务、平台资源管理服务，以及可视化的系统监控服务的服务接口。

(6)模块支持单元(Module Support Unit,MSU)软件包：分为两种，其中一种只包含平台层软件对模块通用功能的控制代理，如模块BIT等；另一种还包含功能层软件对模块专用功能的控制代理，如信道滤波频段的选择等。

2.4 平台驱动层

平台驱动层为系统的基础操作环境，包括商用操作系统、板级支持软件包以及硬件接口的软件驱动(Software,SW)。

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(Resource Management)、配置管理(Configuration Management)、网络管理(Network Management)、健康管理(Health Management)、时间管理(Time Management)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，如图3所示。

图3 系统控制管理结构

任务模式管理确定当前的任务模式和功能需求，任务模式管理运行在后端综合显控中；功能线程管理运行在平台系统中，其功能(APP)是按照当前的工作模式和功能要求确定功能线程，控制功能线程的创建、启动、停止和注销，并统一管理平台系统的工作状态；资源管理主要管理内部的通用资源，包括处理器资源和网络资源，负责软件的加载，控制程序进程的工作状态。

平台系统资源管理设计采用“自顶向下”的方法，根据系统的复杂程度，选择合理的控制管理结构，同时借鉴ASAAC标准定义。在本系统中，资源管理采取“集中管理、分层实施”的结构。通过分层的管理，可以屏蔽一些复杂的逻辑控制，保持上下层资源管理的自动化和透明性。分层管理结构的界面划分清晰，便于系统开发和调试，层与层之间的相对独立性也增加了系统的鲁棒性。

在该结构中，系统顶层的一级资源管理RM驻留在平台系统中的系统控制模块上。通过内部高速交换网络管理系统中的其他功能单元，如FPGA通用信号处理单元、DSP通用信号处理单元、RapidIO网络交换单元等，管理内容包括软件加载、程序启动、模块健康状态查询等。

模块级的资源管理驻留在每个处理器上，通过资源管理、配置管理、网络管理和健康管理的配合实现模块和处理器的资源管理，并配合控制管理进行软件加载和功能线程管理。

3.2 系统资源管理

资源管理(Resource Management,RM)的主要功能是对通用资源进行标识和状态维护，确保资源的可用性。资源管理是实现功能线程的基础，只有通过对所有通用的资源进行管理，统筹调度硬件、软件和网络资源，才能够实现各种功能线程，并且在相同的硬件平台上实现不同的功能。资源管理软件功能需要平台系统所有的通用处理模块配合系统控制模块来实现。

在平台系统中，功能线程是若干个相互关联的程序进程相互通信、协同处理而形成的。而程序进程只是需要运行的软件代码和数据空间，在没有加载到特定的处理器上之前程序进程并不能完成任何功能。这就要求对软件资源和硬件资源进行分类，软件资源和硬件资源匹配后才能正确绑定并运行。运行了基础软件的底层硬件对象能够在控制管理的指令下加载和卸载程序进程，同时控制程序进程的运行状态，如就绪、运行、暂停、停止、重新运行等，此外应用程序还通过底层硬件对象进行参数加载、模式切换等功能。应用软件也需要调用底层操作系统和网络通信等功能支持，程序进程和硬件平台的结合才行形成特定的功能组件。

通用硬件资源的状态包括空闲、就绪、运行、停止和故障等状态，如图4所示。硬件模块在自检成功后进入空闲状态，等待控制管理按照当前的工作模式确定需要运行的功能线程并加载程序映像，成功加载后进入就绪状态，在随后的运行过程中，硬件资源一直都是被占用状态，直到程序进程停止运行并成功卸载；加载完成后，软件和硬件已经完成了绑定，程序进程可以运行实现处理功能，程序进程成功启动后，模块进入运行状态，如果启动失败则进入故障状态；程序进程启动后，模块处于运行状态，收发数据并完成运行功能，在功能线程没有停止之前，硬件不能进行软件卸载，以免引起其他硬件模块的程序进程运行错误，在接到停止指令后，硬件处于停止状态，并不运行功能和收发数据，此时可以进行软件卸载。

图4 通用硬件资源的工作状态机

程序进程作为平台系统中可独立加载和调度管理的应用软件对象，其工作状态及转换条件如图5所示。

图5 程序进程的工作状态机

加载成功后程序进程进入就绪状态，在收到启动指令后，程序进程开始启动运行，打开通信端口获得虚通道，创建本地工作线程，如果启动条件不满足或者过程发生错误，则进入等待状态，挂起本地线程，停止数据收发，等待条件满足时再继续运行；如果在运行条件得不到满足或者错误无法排除，此时功能线程无法正常运行，控制管理将对该功能线程进行停止操作，程序进程也随即进入停止状态，终止本地线程，停止数据收发，关闭通信端口，软件停止后可以进行软件卸载。

3.3 系统配置管理

平台系统配置管理(Configuration Management，CM)实现处理节点上的软件硬件资源的匹配和动态加载，并负责功能线程的参数加载和工作模式设置，从而完成功能线程的组装、控制和状态维护。

在运行的任务模式由A状态切换到B状态时，运行在底层的CM将首先根据当前的工作模式进行任务模式分析，根据蓝图或者事先预定任务状态确定需要运行的功能线程，进而确定功能线程在当前硬件模块上需要运行的程序进程；确定程序进程和当前模块的状态，得到程序进程的标识，并检测其运行环境要求是否与本地环境相符；在加载程序之前，还需要确定当前模块处于空闲状态，进行模块级的自检，确定模块的处理单元、路由单元和网络接口单元等外围设备都工作正常；随后模块支持单元通过网络加载程序进程到指定模块。

3.4 系统网络管理

平台系统网络管理(Network Management，NM)通过在系统控制模块上运行的网络管理软件实现对网络的维护和路由配置。平台系统内部高速交换网络采用串行RapidIO高速总线技术，在数据能够正确传输之前，必须对网络进行初始化，对路由进行配置管理，同时维护各节点的网络接入的正常工作。因此，网络管理的功能主要有枚举发现RapidIO的所有网络节点(包括交换节点和边缘节点)，建立并维护网络节点之间的拓扑关系和节点通信资源的管理维护表；实现和所有边缘通信节点的信息交互，并监控所有网络节点的网络通信状态；接收并执行系统控制下达的网络操作指令，上报指令执行结果以及网络资源和资源运行状态，如图6所示。

图6 网络管理负责维护整个网络的正常运行

在平台系统中，存在类似于图6的网络连接关系。在系统上电后，网络交换模块对整个网络进行扫描，发现网络中的交换节点和处理器节点，然后将处理器的信息上报给机箱中的控制管理模块。运行过程中，网管软件还需要建立各RapidIO处理器节点之间默认通道，通过该通道进行网络配置和建立路径，同时监控各处理器节点的网络接口单元的正常工作，一旦发现网络接口单元错误或者掉线，立即上报系统控制管理模块。

3.5 系统健康管理

平台系统健康管理(Health Management，HM)在子系统中的特殊功能模块和基础支持模块都具有特定的功能，其健康管理是启动健康管理软件周期运行自检功能。

对于平台系统中的通用功能模块其健康管理由基础平台和功能软件两方面组成。基础平台包括硬件平台和基础软件，这些部分的状态由模块上的MSU来完成。MSU通过监测和查询网络接口单元和处理单元的工作状态可以发现部分故障，如有错误发生，MSU向本机箱中的控制管理模块上报错误信息。

通用功能模块的基础平台正常工作并不能确定功能线程是否运行正常，各功能线程需要设计功能线程的健康管理机制，通过通信的超时检测以及线程状态管理等功能，及时发现本地处理器上的线程或线程组发生的错误，如有错误发生，功能线程直接上报平台系统中的系统控制模块。

健康管理还有一个重要的功能，就是能够记录本地发生的错误和故障，这些错误信息将是故障诊断和系统调试的重要依据。

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VPX 3U 5槽机箱架构，内置板卡采用标准3U VPX导冷板卡和FMC子卡的结构，外形尺寸161.35 mm(宽)×148.2 mm(高)×216 mm(深)，质量小于等于6.5 kg。外形及安装方式如图7所示。

图7 5槽3U VPX机箱

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。