一种无人机地面控制站集群健康管理系统设计与实现

一种无人机地面控制站集群健康管理系统设计与实现

杨峰*, 陶磊, 周玄文, 陈周锋

（中国电子科技集团公司第五十二研究所，浙江 杭州 310000）

摘要：作为无人机系统的指挥控制中心，无人机地面控制站是保障飞行安全、遂行作战任务和共享侦察载荷信息的关键。针对无人机地面控制站硬件设备组成多样、连接拓扑复杂、业务场景多样化等现状，其需要更高的安全监控和故障预警能力。基于分层模块化的设计思想，本研究设计一种无人机地面控制站集群健康管理系统，从系统框架、系统工作流程、模块设计进行了阐述，经工程应用验证，实现无人机地面控制站运行状态实时监控，提供异常状态告警提示，并辅助故障定位及运维计划制定，最后针对当前研究提出不足及下一步方向。

关键词：无人机；地面控制站；健康管理；ZeroMQ；

中图分类号：TP391；TN92-34   文献标志码：A    文章编号：

Designand Implementationof Cluster Health Managementfor UAV Ground Control Station

YANG Feng*，TAO Lei，ZHOU Xuanwen，CHEN Zhoufeng

(The 52nd Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Hangzhou, Zhejiang 310000,China)

Abstract：As the command and control center of UAV system, the UAV ground control station is the key to the ensure flight safety, carry out combat tasks and share and share reconnaissance payload information.In response to the persity of hardware components, complex connection topology and persified business scenarios, UAV ground control station needs higher capability of safety monitoring and fault warning, which requires higher capability of safety monitoring and fault warning. Based on the design idea of layered modularization, a cluster health management system for UAV ground control station is designed in this paper, which is introduced from the system framework, system work flow, module design. Engineering application case verification shows that cluster health management system can monitor the operation status for UAV ground control station in real time, alarms abnormal status, and assists in fault location and O & M planning. Finally, in response to current research，the shortcomings and the next steps are pointed out.

Key words：UAV; ground control station; health management; ZeroMQ

随着航空科技进步与工业体系升级，各种功能和性能的无人机[1-2]系统不断创新发展，构成了世界范围内武器装备发展的核心领域和产业方向。随着物联网、大数据、人工智能、网络通信等新一代信息技术的快速发展，无人机系统朝着复杂化、智能化、集群化方向发展，无人机地面控制站“以下简称地面站”作为无人机系统控制的核心，从无人机任务起始的准备阶段，关键的无人机任务执行阶段，直到最后无人机系统的信息处理与分发阶段的各个阶段都承担着重要工作[3]。它的使命是监视飞机的飞行状态和机载有效载荷的工作状态，使地面操作人员能够有效地对飞机和有效载荷实施控制[4-11] ，其主要功能包括任务规划、飞行航迹显示、测控参数显示、图像显示、图像显示与有效载荷管理、系统监控、数据记录和通信指挥等

[12]。

地面站是一个典型集群系统，根据任务需求配置多台、多型设备，同时连接拓扑、业务逻辑复杂，需要更高的安全监控以及故障预警能力，本研究提出一种集群健康管理系统，结合工程案例，以期为保障地面控站可靠、稳定地运行提供建议和参考。

1集群健康监控管理系统设计

1.1系统设计

1.1.1系统架构

地面站一般由功能设备（计算机、服务器、存储阵列等）、供配电设备（配电箱、UPS、智能PDU等）、功能支持设备（操纵装置、照明控制器等）等组成，现有技术中各型设备均支持运行状态上报、远程控制，但软、硬件接口不一，存在信息孤岛，在本文中采用C/S架构，构建开放式平台架构，业务功能通用化组件设计，支持面向服务功能组件灵活配置、扩展，实现地面站集群健康管理系统设计，其系统架构图如图1所示。

图1 系统架构图

由上图可知，系统架构由系统平台层、采集层、服务层、展示层组成。

（1）系统平台层

系统平台层包含计算机、服务器、存储单元、数据管理单元等设备，设备承载功能多、接口种类多、运行模式多，是系统运行状态的基础数据来源和控制数据的执行终端。

（2）采集层

采集层主要承载系统平台层与服务层的数据传输功能，主要包括服务层需要调用的各种软硬件通信接口。

（3）服务层

服务层主要提供数据支撑和应用支撑环境，负责前端实时数据接收、预处理、存储、分析、加工，并面向服务需求，提供数据推送、转发等功能。

（4）应用层

应用层主要实现集群健康状态、网络连接拓扑、历史记录、故障告警与提示等功能，并提供人机交互窗口。应用层软件采用插件化设计，封装多个功能组件，可根据需求灵活配置、扩展业务功能。

1.1.2工作流程

地面站集群健康管理工作流程如下：

（1）采集层实时向系统平台层中各单机设备发送数据请求，收集运行状态数据，并进行报文封装，上传至服务层数据接收模块；

（2）服务层中数据接收模块将采集层收集的各单机设备运行状态数据转发至数据预处理模块进行解析、处理，经数据缓存模块、数据库模块转存至数据库；同时服务层中故障与告警、数据清理等模块与数据库进行数据交互，实现数据二次加工；

（3）应用层周期性向服务层发送服务请求，服务层解析请求类型，并将回复数据封装报文推送至应用层。

1.2采集层

采集层是一个底层的通信模型，主要为服务层和系统平台层之间的通信提供标准协议和接口，采集功能模型示意图如图2所示。

图2 采集功能模块示意图

对于服务层下发的ZeroMQ[13]报文，经报文封装与解析模块进行报文解析，并封装为各单机设备自定义格式的报文发送至系统平台层；采集层硬件接口模块收到数据是各单机设备自定义格式的报文，经报文封装与解析模块进行报文解析，并封装为ZeroMQ报文上传至服务层。

ZeroMQ报文格式如图3所示。

图3 ZeroMQ报文格式

ZeroMQ报文格式中各字段的意义如下所述：

（1）协议头：包含协议标志，消息类型、内容长度，预留字段等；

（2）消息体：包含请求消息、应答消息，其中请求信息包含请求类型、方法、参数，应答消息包含应答、状态、信息。

1.2服务层

服务层采用模块化设计，由多个通用功能模块、专用功能模块组成，其功能模型示意图如图4所示。

图4 服务层功能模块示意图

在此模型中，服务层中数据收集模块向采集层发送ZeroMQ请求信息报文，监听端口等待应答，接收后将ZeroMQ应答信息报文转发至数据预处理模块进行解析，根据监控项属性进行相应处理，提取业务数据转存至数据缓存模块；数据存储模块获取数据库配置信息，通过SQL指令与数据库建立连接，同时通过数据缓存模块读取业务数据，通过SQL指令写入数据库；故障与告警模块获取数据库配置信息，通过SQL指令与数据库建立连接，对设立阈值的监控项业务数据进行提取、阈值比较，生成告警记录，写入数据库；通信交付模块获取数据库配置信息，通过SQL指令实现与数据库建立连接，监听端口等待应用层ZeroMQ请求信息报文，接收、解析应用层请求类型，并根据请求类型执行相应动作，获取结果，并封装为ZeroMQ应答信息报文返回至应用层。

1.3应用层

应用层基于CTK平台实现，各功能模块采用独立的插件设计，面向服务灵活配置、扩展业务功能，其功能模型示意图如图5所示。

图5 应用层功能模块示意图

在应用层中设计消息通信插件，用于实现插件间、插件与服务层通信功能，其工作流程如图6、图7所示。

图6 消息通信插件接口外部调用子工作流程

图7 消息通信插件工作流程

2工程实现

2.1应用平台

某型地面站主要由计算机、服务器、存储单元、数据管理单元、一体机、交换机、操纵装置、UPS、配电箱等设备组成，其实物图如图6所示。

图8 某型地面控制站实物图

2.1应用效果

基于以上地面站平台，集群健康管理系统由客户端、服务端、采集端等软件组成，其中客户端、服务端软件部署至一体机，采集端软件分别部署至计算机、服务器、存储单元、数据管理单元、一体机等设备，以客户端软件部署位置实物图如图9所示。

图9 某型地面控制站实物图

系统运行效果如图10~图12所示。

图10 主界面

图11 基本信息界面

图10告警信息查询界面

3结束语

本研究设计的无人机地面控制站集群健康管理系统，经过工程应用验证，实现系统运行状态实时监控，支持系统级上电时序控制和关键设备远程控制，提供异常状态告警，辅助故障定位及运维计划制定，具有一定的工程应用价值。

但当前设计也存在一定的不足，数据挖掘、利用程度有待提升，过多依赖人的经验和能力，在后续的技术研究中，将重点推进数据融合、专家知识库、学习优化故障树等技术研究和应用。

参考文献：

[1]  刘健，齐电海.基于云计算的无人机地面站系统架构设计[C].2019航空装备服务保障与维修技术论坛暨中国航空工业技术装备工程协会年会论文集，2019，512-515.

[2]  卢艳军，刘季为，张晓东.无人机地面站发展的分析研究[J].沈阳航空航天大学学报，2014，31（3）：60⁃64.

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[4]  周祥生.无人机测控与信息传输技术发展综述[J].无线电工程，2008，38（1）：30⁃33.

[5]  王涛，都基焱，黄克明.陆军多无人机作战运用问题研究[J].火力与指挥控制，2015，40（8）：173⁃175.

[6]  屈旭涛，庄东晔，谢海斌.“低慢小”无人机探测方法综述[J].指挥控制与仿真，2020（2）：128⁃135.

[7]  李奇.飞行器通用地面控制系统体系架构研究[J].无线电工程，2015，45（5）：4⁃7.

[8]  杨春.基于中空中速长航时无人机的地面站系统总体方案研究[D].成都:电子科技大学，2013.

[9]  马海明，史越，杨俊超，等.无人机通用地面站人机协同控制决策模型研究[J].计算机仿真，2015，32（8）：136⁃140.

[10]  刘科.无人机通用地面站软件的设计与实现[D].南昌：南昌航 空大学，2013.

[11]  王林，张庆杰，朱华勇.支持联合作战的 UAS 通用地面控制站 研究[J].系统仿真学报，2008，20（22）：6171⁃6175.

[12]  徐光，胡江涛.对海作战无人机指挥控制系统发展综述[J].航空电子技术，2019，50（4）：33-39.

[13]  李冬琦，高键.基于ZeroMQ的SOA分布式通信系统设计[J].计算机与数字工程，2018，46（6）：1257-1262.

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作者简介：[通信作者]杨峰（1986—），男，汉，硕士，工程师，主要研究方向为无人系统装备平台；陶磊（1982—），男，汉，本科，工程师，主要研究方向为无人系统装备平台；周玄文（1986—），男，汉，本科，工程师，主要研究方向为无人系统装备平台。