舰载无人机战术控制系统研究

杨运桃　李开生

(中国船舶工业集团公司船舶系统工程部　北京　100036)

摘　要:无人机以其特点已在战场中扮演着举足轻重的角色,随着无人机技术的飞速发展,必须研制通用的无人机战术控制系统(T CS),实现对各类无人机的操控,并将无人机系统与舰艇C4I系统有效集成。对美军无人机战术控制系统发展情况进行了简要描述,系统地分析了舰载无人机战术控制系统的功能、交互等级和系统组成,并阐述了系统运行方式。

关键词:无人机;战术控制系统;交互等级;运行方式

中图分类号:V297

R esearch on Shipborne UAV T actical Control System

Yang Yuntao　Li K aisheng

(China S tate Shipbuilding C orporation Systems Engineering Research Institute,Beijing　100036)

Abstract:UAV has been acting an important roles in the battlefield for its advantage.With the fast development of UAV technologys, it is necessary for us to develop general UAV tactical control system in order to operate all kinds of the UAVs and connect UAV system with the C4I systems.This paper mades a brief description on the development of the American UAV T CS.,and analyzes the system function,the levels of interaction,components of system,the operation m odes and s o on.

K ey w ords:UAV,tactical control system,levels of interaction,operation m ode

Class number:V279

1　引言

随着战场日益透明化和武器装备信息化、精确化,载人武器系统面临巨大的生存威胁。无人平台以其成本低廉、体积小、作战使用灵活、效费比高、降低作战风险、避免人员伤亡等特点,将成为未来局部战争中重要武器装备。无人平台可执行战场侦察、探测、监视、识别、通信中继、电子对抗、反辐射攻击、作战效果评估和舰炮校射、目标指示、直接火力打击等作战和保障任务。无人机携带的任务载荷,根据任务需要进行更换或重构,可使一架无人机能完成多种使命任务。

美军无人机战术控制系统(TCS)是为美国无人机计划的地面控制体系而开发的。利用TCS可实现一个控制站对大多数陆、海、空军的战术及中程无人机进行指挥和控制,控制无人机上的任务载荷,并可向指定的C4I系统分发数据。该系统可配置在固定区域,也可搭载于移动的舰艇、车辆和飞机上。舰载无人飞机TCS是舰艇对无人机进行控

制的核心系统,主要依靠软件、与软件有关的硬件、舰上保障设备来实现,TCS应能兼容现有无人机和未来无人机系统。

2　国外发展情况

美国在1997年9月正式立项开发TCS。2001年7月30日由国际无人机系统协会和美海军航空系统司令部组织的试验中,TCS成功接收无人机传感器上的数据,并在一个大型显示器上显示。在8月16-17日的联合演习中,TCS再次成功控制捕食者无人机并接收数据,并近实时地将捕食者上传送过来的信息传给“惠特尼山”两栖指挥舰。

诺斯罗普・格鲁曼公司2003年8月21日称,该公司安装了雷声公司TCS软件的“火力侦察兵”垂直起降无人机完成了它的首次飞行试验。试验目的是检验TCS控制无人机和有效载荷,为操作员提供显示以及给C4I分发数据的能力。此后,“丹佛”号巡洋舰上的控制站以及P-3C的机载控制系统均利用了TCS实现了对“火力侦察兵”的指

5

总第152期2006年第2期　　　　　　　　　　　　　　　

舰船电子工程

Ship E lectronic Engineering

V ol.26N o.2

①收稿日期:2005年9月27日,修回日期:2005年10月28日

挥控制。2003年12月,P -3C 对“火力侦察兵”首次实现了全面的5级指挥控制,这在无人机工业上也属首次。

英国《防务系统日刊》2003年11月20日报道,雷声公司在最近的一次试验中,通过TCS 成功控制了一架“影子-600”无人机的起飞及返航。在两天的飞行测试中,TCS 系统展示了对“影子-600”无人机的超过45分钟的V 级飞行控制。在单独测试中,TCS 还成功展示了对“影子-600”的I V 级控制以及“影子-600”与“影子-200”的II 级交互。这次测试是基于以前TCS 系统所展示的对于“捕食者”无人机的控制能力上的,测试进一步显示出TCS 对多种无人机进行控制的可行性。美军当前正大力发展的濒海战斗舰集成了多种无人平台,为减少风险,美军计划利用TCS 在试验舰上试验控制“火力侦察兵”。

3　系统功能

舰载无人机TCS 是从舰船上控制无人飞机活动的系统,它能使系统操作人员完成以下工作:

(1)组织、发送和接收战术通讯信息;(2)发送和接收语音通信;

(

3)建立无人机TCS 与其它无人机TCS 的连接;

(4)建立与各种C 4I 系统的联系;

(5)接收和分发模拟视频和指定格式的数字

图像;

(6)提取和分发有效载荷的数据;

(7)从多种有效载荷同时查阅有效载荷的数据;

(8)同时控制和监视多架无人飞机的有效载

荷;

(9)无人飞机的任务规划;

(10)同时控制和监视多架无人飞机;(11)监视无人机TCS 的性能和状态。

无人机TCS 应具有与不同型的无人飞机和无人机各种有效载荷的互操作能力,交互能力分为五级,如表1所示:

表1　无人机五级控制能力

等级功能

I 级接收和发送二次图像或数据II 级直接从无人机接收图像或数据III 级控制无人机上的有效载荷I V 级控制无人机(除了起飞和着舰)V 级

所有控制功能,包括起飞和着舰

　　TCS 每一级交互能力都包含了比该级低的所有各级的功能。无人机TCS 应能按五个交互能力等级灵活地改变配置,系统的模块性使其易于做到这点,系统的软件应是开放式结构,并能为操作人员提供必要的工具以通过计算机组织通讯任务、规划飞行航线、执行任务和处理数据。操作人员通过该软件能控制不同型号的无人飞机及其有效载荷,并提供高分辨率的视频、图像等信息。无人机TCS 的核心软件应与舰上的指控系统、海军电子信息系统和未来无人机的体系结构标准相兼容。无人机TCS 在舰上提供使用各种无人机的人机接口,以简

化操作人员的使用和训练,方便按五级交互功能无缝集成到C 4I 体系中。无人机TCS 不配属通信能力,所以保障TCS 通信要求必须由现有的系统和结构来满足。如果无人机配属了通信能力,无人机TCS 要提供另外的C 4I 接口。

图1　舰载无人机使用和T CS 的功能关系

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　　　　　　　　　　　　　　　　杨运桃等:舰载无人机战术控制系统研究　　　　　　　　　　　　　　总第152期

4　系统组成

无论从功能还是从物理结构上看,TCS 都是由硬件和软件两部分组成,它们所具有的开放式结构能保障有效的故障隔离和具有以下特点:

(1)遵循更高层的技术体系结构要求;

(2)符合海军信息基础结构要求和通用操作环境,以达到最大的扩展性;

(3)尽量采用通用的硬件和软件,以支持不同

型号的无人机及其使用的有效载荷;

(4)TCS 的各配置间具有最大的通用性;

(5)尽可能简化TCS 中与无人机飞行有关的硬件和软件;

(6)尽可能减少无人机及其有效载荷的改装和升级对TCS 的影响;

(7)尽可能减少C 4I 系统改装和升级对TCS 的影响;

(8)尽可能减少为控制更多型号的空中平台及其有效载荷所需的集成工作

。

图2　无人机

T CS 组成

图3　无人机T CS 体系结构

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2006年第2期　　　　　　　　　　　　　　　　　　舰船电子工程　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　图2表示系统和各子系统的组成。图3表示TCS 及相关系统的体系结构概况,包括一系列硬件———硬件、软件———软件、软件———硬件接口。

5　系统运行方式

无人机TCS 必须能完成一套核心功能,它们是所有无人机完成主要活动所共同要求的。这些核心功能包括任务规划、任务监控、数据链监控和操作员与计算机人机界面。TCS 可分为三个主要部分:实时、非实时、空中平台任务。实时部分包括重要的飞行接口、处理对飞行平台的指挥控制、处理数据链的工作。非实时接口包括任务规划、操作人员的输入/输出和信息处理功能。飞行器标准接口对其飞行的任务执行是很重要的,它使数据服务

器软件能与飞行器专用的数据链控制模块硬件相联通。这样在数据链控制模块和TCS 的非实时部分之间也具有了一个实时网关。这个特点使每型无人机的数据链控制模块都能保持自己特有的飞行器指令和系统控制,同时也能在TCS 的网络中运行以完成其核心功能。

每型飞行器都要求有它自己特有的数据链和天线装置,所以TCS 就必须配置多部舰载数据终端和多种天线,或者是配置一部集成数据终端以控制不同型号的飞行器,改变这种情况的办法是装备通用战术数据链,它能用一种宽波段天线满足发射和接收多种无人机信号。

无人机TCS 能完成指定配置下的各种功能需要实现系统内外的各种软硬件的有效集成。内部接口保证了系统/子系统中各种硬件和软件之间协调准确的工作。外部接口主要是保障TCS 和它的支持设备之间的输入和输出。

无人机TCS 具有三种工作状态:启动,工作和停机。在工作状态中它有四种工作方式:正常工作方式、训练工作方式、维修工作方式和应急工作方式

。

5.1正常工作方式

图4　正常工作方式的各种功能

在正常工作方式中,所有的系统软件都能并行工作以支持TCS 五个交互功能级别的运行。用户获得授权后进入该工作方式,可保障无人机及其有效载荷的飞行和控制,无人机数据的监控和处理,系统的配置和设置

。正常工作方式支持的各种功能如图4。

5.2训练工作方式

训练工作方式是利用已有的实际硬件或系统提供的仿真能力训练人员完成TCS 的各级功能。用户通过授权控制后进入指定的训练任务。在训练工作方式中,要使用以下软件:TCS 核心功能、任务规划、C 4I 接口、军用信息基础结构/境、操作系统、数据服务器。所有这些功能都能并行工作而不互相排斥。5.3维修工作方式

在维修工作方式中,TCS 核心功能软件支持的各项功能如图5。除了在升级和调试的情况以外,所有功能都能没有冲突地并行工作而不互相排斥。

图5　维修工作方式的各种功能

5.4应急工作方式

为了提高无人机的作战效能并降低风险,通常

应该配置多个拥有TCS 的控制站。这样当出现意外情况时,例如控制链路或C 4I 连接中断,指挥员就可以利用这些控制站之间已有的应急程序处理意外情况。应急工作方式的各种功能如图6。

图6　应急工作方式各种功能

6　结束语

无人机TCS 能实现对绝大多数战术无人机的

控制,是无人机与其他装备集成的核心系统,利用该系统还能实现无人机与C 4I 系统的互联互通互操作。无人机TCS 的通用性和灵活性,可保障各灵活应用作战空间的各类无人机,包括非本编制的无人机。然而军兵种因各自使命不同,都有各自相应配套的工业研制保障部门,(下转第45页)

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　　　　　　　　　　　　　　　　杨运桃等:舰载无人机战术控制系统研究　　　　　　　　　　　　　　总第152期

4　简单算例

考虑一个简单算例:假设海上特种目标上2个互不相干的辐射源S1、S2,它们的测角精度分别为

σ

02和2σ

2,即有一个测角精度比较差。根据算法公

式可以得到:

a1=

1

σ

2

1

σ

2

+

1

2σ02

=

2

3

　a2=

1

2σ02

1

σ

2

+

1

2σ02

=

1

3

D^θ=

1

σ

2

+

1

2σ02

-1

=

2

3

σ

2

σ^θ=

2

3

・σ0≈0.82σ0

可以看出,算法公式不会因为测角随机变量中有精度很差的数据而导致联合算法测角精度的下降。

再考虑一个简单的算例:假设N个互不相干的航母上的辐射源,它们的测角精度都是σ02,则

a i=1

N

,D^θ=

1

N

σ

2,σ

^θ

=

1

N

σ

假设N=4,σ^θ=1

2σ

0;N=9,σ^θ=

1

3

σ

。

可以看出,当对几个辐射源的测角精度比较接

近时,联合算法可以比较大的提高测角精度,而我

们对目标信号源进行测角定位时,测角精度一般都

是比较接近的,因此联合算法的工程效果是明显有

效的。

5　结束语

根据目标上分布的辐射源特性,对目标上的不

同辐射源的测向信息采用联合算法,提高了对目标

的定位精度。这种方法不仅可以应用在本文的干

涉仪被动探测的环境,也可以应用于主动雷达的测

角上。实际上,此方法的本质就是将不同测角精度

的信息加以联合,从而在不改变任何硬件条件下,

改善测角精度。

参考文献

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础[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,1996:212～232

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工业出版社,2003:713～741

[3]袁孝康.相位干涉仪测向定位研究[J].上海航天

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[J].IEE Proc-Radar,S onar Navig.1996,143(4):25～28

[5]WEISS,A.J and FRIE ND LANDER,B Mutual coupling

effects on phase only direction finding[J].IEEE T rans.1992,AP

-40(5):535～541

(上接第8页)

其发展思路、标准、界面差异较大,因此无人机TCS 需要各部门大力协同才能实现。

参考文献

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