CN109558116B - 一种开放式无人机地面站平台无关建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开放式无人机地面站平台无关建模方法，包括如下步骤：第一步，地面站资源解耦，基于无人机地面站开放式架构，将地面站拆分成“应用服务”、“操作系统”与“硬件资源”三层架构；第二步，划分功能域，平台无关模型按照特定主题划分成域，基于对无人机地面站的功能分析，划分成监控、规划、态势、C4I、情报和管理6个功能域；第三步，功能域建模，采用Rhapsody建模工具对各个功能域建模，涉及用例图、用例活动图、时序图、状态机图、接口图。该建模方法可针对用户需求实现地面站的个性化定制，使地面站能够灵活获取不同主题域的各个服务应用，提高建模效率，缩短地面站需求捕获与建模时间，削减开发成本。

Description

一种开放式无人机地面站平台无关建模方法

技术领域

本发明属于无人机指挥控制体系架构应用领域，具体涉及一种开放式无人机地面站平台无关建模方法。

背景技术

现有地面站随各型号无人机独立研制，无人机系统存在软件组件可重用性差、接口不通用、紧密耦合、体系架构单一等问题，故无人机系统难以维护、拓展能力弱、互操作性差。当地面站需要更改、裁剪功能，或者适配不同型号时，不同型无人机系统的个性化需求会导致重复研发、供应商竞争不充分等现象，成本管控难度大大增加。

发明内容

发明目的

本发明针对无人机系统“烟囱式”发展现状，从系统层面提出了一种无人机地面站平台无关建模方法，打破耦合，对功能进行集中管控，解决无人机系统体系架构单一、软件组件可重用性差、接口不通用、耦合紧密等问题。该建模方法可针对用户需求实现地面站的个性化定制，使地面站能够灵活获取不同主题域的各个服务应用，提高建模效率，缩短地面站需求捕获与建模时间，削减开发成本。同时，面对不断变更升级的地面站功能需求，本方法也具有高拓展性，能够充分吸收各个域的最新科研成果，具备各层级不同域的同步迭代更新，实现成果创新应用，减少新增功能的研发与集成时间。

发明技术解决方案

本专利发明了一种开放式无人机地面站平台无关建模方法。结合当前无人机系统作战应用服务需求与地面站型号项目研制经验，剥离计算机平台资源，在应用服务层面统筹分析当前地面站的所有功能，按照特定主题进行功能聚类，采用sysML建模语言、利用IBMRational Rhapsody建模工具构建了涵盖用例图、活动图、时序图、外部接口、状态机图等开展六个平台无关模型(PIM)建立。本方法在不同层级的域上进行关联，并支持各个域的迭代更新，保障地面站的开放式架构，从而有效促进无人机系统的互操作进程。

为了实现上述发明目的，本发明采用下述的技术方案：

一种开放式无人机地面站平台无关建模方法，包括如下步骤：

第一步，地面站资源解耦，基于无人机地面站开放式架构，将地面站拆分成“应用服务”、“操作系统”与“硬件资源”三层架构，使地面站软硬件资源解耦，更使应用服务和运行平台解耦；

第二步，划分功能域，平台无关模型按照特定主题划分成域，基于对无人机地面站的功能分析，划分成监控、规划、态势、C4I、情报和管理6个功能域；

第三步，功能域建模，采用Rhapsody建模工具对各个功能域建模，涉及用例图、用例活动图、时序图、状态机图、接口图，为模型传递进行应用服务的软件开发提供基础。

优选的，对规划域中的航路规划进行建模的步骤如下：

A.建立航路规划用例图，以描述与该域相关的参与者之间的关系，航路规划用例图中相关的参与者有飞行员、岸基指挥所、测控地面终端、指挥员、航管中心；

B.建立航路规划活动图，描述该用例的主要活动过程，并标示该活动的发生对象与接受对象；

C.建立航路规划时序图，时序图由活动图生成，并在活动图基础上增加定义了不同参与者之间或者同一个参与者内部的传递消息内容，为下一步数据接口做准备；

D.建立外部接口，基于时序图可以得到该域与不同参与者之间的外部外口；

E.建立航路规划状态机图，对之前该用例创建的活动图与时序图进行分析从而创建状态机图，给状态机增加计时器可以完整运行。

优选的，步骤A中的前置条件如下：i.地面控制站工作正常；ii.地面控制站与测控地面终端通信正常；iii.地面控制站与航管中心通信正常；iv.无人直升机与测控地面终端通信正常；v.地面控制站与岸基指挥所通信正常；vi.地面控制站接收岸基指挥所作战任务。

优选的，在建立航路规划活动图前或同时进行外部信息接收，活动如下：i.指挥员接受作战任务，如果是多机任务，分解至单机任务；ii.飞行员录入地理信息；iii.航管中心接收空情信息传递给地面站；iv.飞行员录入无人机和载荷参数。

优选的，步骤B中在外部信息接收完成后，地面站获取了进行航路规划所需的全部信息，飞行员开始进行航路规划，活动如下：i.飞行员创建任务计划；ii.飞行员在任务计划里建立任务区；iii.进行航路规划；iv.对规划航路进行冲突检测，存在冲突则更改冲突重新规划航路，否则进入下一步；v.飞行员保存任务计划加载给测控地面终端，由测控地面终端竟有数据链加载至无人机；vi.测控地面终端接收无人机计划加载的回报信息；vii.飞行员对比任务计划与回报信息是否一致，不一致则重新加载，一致则完成航路规划任务，结束。

优选的，步骤iii进行航路规划的细分活动包括：i.飞行员选择对应的无人机；ii.地面站加载显示与航路规划相关的无人机与载荷信息；iii.飞行员创建新航线；iv.飞行员在创建的新航线上创建新航路点；v.飞行员对创建的航路点进行经纬坐标以及对无人机速度、姿态信息的编辑输入；vi.飞行员依次创建编辑飞行任务所需的航路点；vii.当创建完全后，飞行员对每个航路点进行高程规划并显示；viii.高程规划完全后，结束进入冲突检测。

优选的，步骤E中由状态机分析有：i.用例首先进入接收相关数据状态，包括接收岸基指挥所发布的作战任务、航管中心提供的空情信息，同时由飞行员录入无人机平台及其任务载荷性能参数；ii.接收作战任务后，飞行员进入分析状态，使其分解为为单机任务；iii.选中无人机后，飞行员进入新建任务计划状态；iv.进入任务规划状态，包括任务区建立、无人机航路规划；v.进入判断航线冲突状态，并相应调整计划；vi.确定消解冲突后，进入保存任务计划状态；vii.进入推演任务计划状态；viii.进入任务计划加载状态，飞行员把航路计划通过测控地面终端完整正确地加载到无人机上。

优选的，事件也可在外部接口图中的各个参与者内进行归类显示。

优选的，事件由建模工具归纳得到。

本发明的优点

本发明的优点在于：

(1)解耦地面站软硬件资源，使得功能模型不受限于硬件平台与操作系统，能够适配不同的软硬件底层资源，保证地面站平台的开放式架构；

(2)给划分的每个功能域进行边界定义，对于每一个特定功能域的研发人员能够充分发挥自身擅长领域的专业知识，而不必受限于其他不熟悉功能域的约束；

(3)面对地面站用户需求变更的情况，具备灵活扩展性，满足实时响应新需求、动态部署新模块和快速装配各种组件服务的目的。避免了因软件系统固有的复杂性、易变性和不可见性导致的软件开发周期长、代价高、质量低等一系列问题。

附图说明

图1为航路规划用例图。

图2为航路规划主活动图。

图3为航路规划细分活动图。

图4为航路规划主时序图。

图5为外部信息接收时序图。

图6为航路规划时序图。

图7为航路规划外部接口示意图。

图8为事件示意图。

图9为状态机图。

具体实施方式

本发明所提出的开放式无人机地面站平台无关建模方法定义开放式架构下无人机地面站服务，形成无人机地面站系统数据模型，划分不同服务功能域，形成面向不同无人机系统地面站指挥控制的通用体系架构，使地面站能够依据项目需求进行功能裁剪与集成，提升无人机地面站应用和服务的按需定制与重用水平，满足装备体系化发展需求。

具体实现过程如下：

第一步，地面站资源解耦。

基于无人机地面站开放式架构，将地面站拆分成“应用服务”、“操作系统”与“硬件资源”三层架构，使地面站软硬件资源解耦，更使应用服务和运行平台解耦，能够支持无人机指挥控制系统的任务软件开发，也可利用框架的半成品和提供的服务进行基于框架软件的二次应用开发，实现应用服务的快速移植、管理和部署。

第二步，划分功能域。

平台无关模型(PIM)是系统和技术内容的一个独特和有意的抽象，在系统中提炼出支持互操作、模块化、综合性、可重用性、可扩展性、可维护性、及可组合性，可跨越不同UCS平台及系统，具有一定自由度的平台独立性。平台无关模型按照特定主题划分成域，基于对无人机地面站的功能分析，划分成监控、规划、态势、C4I、情报和管理6个域，见表1所示。

表1地面站系统级功能域划分

监控域：对无人机平台的状态监视与控制，涉及但不限于飞行飞行阶段、控制模态；无人机姿态、位置、速度；机上各系统设备，如飞控系统、航电系统、电气系统、动力系统；控制权交接等；对机载任务载荷的状态监视与控制，可涉及但不限于光电探测设备、雷达、电侦设备、中继设备、磁探仪等；对通信链路的状态监视与控制，可涉及但不限于地面伺服天线、链路通信状态、C波段机载终端和地面终端、UHF波段机载终端和地面终端等。

规划域：无人机执行任务起飞前，预先进行航路规划、载荷规划、链路规划，并进行任务规划仿真与推演，并在可行方案的基础上开展任务规划作战效能评估，进一步量化评估无人机系统依据规划方案完成作战任务的能力；在无人机执行任务过程中，如收到命令变更或者遇到突发威胁，可执行航线或者航点的切换、更改、删除等操作，对原定飞行计划进行任务调整甚至重新规划；无人机也可以预先制定应急回收计划，以防某些特殊紧急情况下的无人机特情处置。

态势域：战场环境态势显示，可提供二维或三维两种态势显示方式，并可显示局部战场态势图，内容涉及但不限于数字航图、地图、海域，气象数据，视景图像，敌我双方兵力情况，指控网的目标指示信息，地形冲突的航点警示、地形标高数据，航向指令，防撞信息，目标分配信息、辅助决策信息，无人机任务载荷与飞行状态信息，目标识别跟踪信息，态势威胁评估信息、攻防策略、机动规避策略等。

C4I域：在无人机任务的各个阶段，该域主要包含地面控制站与C4I系统之间双向交换的消息和数据类型，涉及但不限于与上级指挥机构的任务分配指令与审批回复；与航管中心的空中交通管制信息；与C4I系统共享的间接数据，如战术态势、一般战场图像、目标瞄准信息等；与任务计划有关机构部门的任务计划分发、涉及但不限于预规划计划、应急回收计划；该地面站与另一个地面控制站关于对当前无人机控制权限的交接；与上级指挥官有关任务的进展情况，涉及但不限于无人机系统状态、目标状态、任务进展、以及任务结束后的任务报告等信息。

情报域：对传感器获取信息的预处理，涉及但不限于对目标特征提取、目标识别、图像滤波、图像分割；对多源信息的融合处理，涉及但不限于时空配准、信息融合、目标跟踪、态势威胁评估等；对情报的整理和编辑，涉及但不限于对载荷原始侦察数据预处理后形成的情报产品按照特定类别进行分析整编，形成相应的目标情报；对情报产品的存储和分发，模式涉及但不限于订阅模式、定制模式、查询模式、交互模式。

管理域：涉及但不限于无人机地面控制站测试和维护设备，备件和损耗件供应，以及为所有其他保障设备供电的发电机。如果是具有拓展能力可满足客户定制需求的地面控制站，该域还涉及但不限于地面控制站相应功能模块的增删集成管理。如果是要求具备机动能力含有载车的地面控制站，同时还要能够运输机务、地勤、维修人员，该域还可涉及但不限于上述人员的工作和生活的方舱、食品、服装和其他个人装备。

第三步，功能域建模。

采用Rhapsody建模工具对各个功能域建模，涉及用例图、用例活动图、时序图、状态机图、接口图，为模型传递进行应用服务的软件开发提供基础，下面以规划域中的航路规划为例，距离说明具体建模过程。

用例图、用例活动图、时序图、状态机图、接口图对本方法中的每个功能域都可以涉及但不做限制，可以增删，具体哪些图需要建立可以由设计人员根据用例模型的具体项目需求进行选择。

本方法中，设计人员遵循基于模型的系统工程(Model Based SystemsEngineering,MBSE)，借助建模语言SysML，采用Rational Rhapsody建模工具，对所需要设计的功能域划分用例进行建模，即可得到上述图(用例图、用例活动图、时序图、状态机图、接口图)。具体每个图建模形成的最终结果取决于地面控制站功能需求的用例划分和每个设计人员的建模习惯。

如果当前建立的模型与其他需要建立的模型用例主题类似，改动工作量不大，可以在当前模型基础上做适应性修改即可，反之如果用例主题差异较大，建议重新建模。

系统级的规划域按照不同的用户需要可以进一步划分成子域，本方法以航路规划为例，主要指接收作战任务、空情信息、地理信息，以及无人机性能参数和机载任务载荷性能参数后，开展航路规划，最终把规划得到的飞行计划通过测控地面终端加载到无人机上的过程。

A.建立航路规划用例图。

用例图主要描述与该域相关的参与者之间的关系。在航路规划用例中，如图1所示，参与该用例的相关对象有飞行员、岸基指挥所、测控地面终端、指挥员、航管中心5个外部参与者。其前置条件如下：

i.地面控制站工作正常；

ii.地面控制站与测控地面终端通信正常；

iii.地面控制站与航管中心通信正常；

iv.无人直升机与测控地面终端通信正常；

v.地面控制站与岸基指挥所通信正常；

vi.地面控制站接收岸基指挥所作战任务。

B.建立航路规划活动图。

活动图主要描述该用例的主要活动过程，并可以标示该活动的发生对象与接受对象。航路规划的活动图如图2、图3所示，前期的外部信息接收可以并发进行，活动如下：

i.指挥员接受作战任务，如果是多机任务，分解至单机任务；

ii.飞行员录入地理信息；

iii.航管中心接收空情信息传递给地面站；

iv.飞行员录入无人机和载荷参数；

准备完成后，地面站获取了进行航路规划所需的全部信息，飞行员开始进行航路规划，活动如下：

i.飞行员创建任务计划；

ii.飞行员在任务计划里建立任务区；

iii.进行航路规划，见图3；

iv.对规划航路进行冲突检测，存在冲突则更改冲突重新规划航路，否则进入下一步；

v.飞行员保存任务计划加载给测控地面终端，由测控地面终端竟有数据链加载至无人机；

vi.测控地面终端接收无人机计划加载的回报信息；

vii.飞行员对比任务计划与回报信息是否一致，不一致则重新加载，一致则完成航路规划任务，结束。

航路规划的主要过程见图3，细分活动如下：

i.飞行员选择对应的无人机；

ii.地面站加载显示与航路规划相关的无人机与载荷信息；

iii.飞行员创建新航线；

iv.飞行员在创建的新航线上创建新航路点；

v.飞行员对创建的航路点进行经纬坐标以及对无人机速度、姿态等信息的编辑输入；

vi.飞行员依次创建编辑飞行任务所需的航路点；

vii.当创建完全后，飞行员对每个航路点进行高程规划并显示；

viii.高程规划完全后，结束进入图2中的冲突检测。

C.建立航路规划时序图。

时序图由活动图生成，并在活动图基础上增加定义了不同参与者之间或者同一个参与者内部的传递消息内容，为下一步数据接口做准备。由于时序图篇幅过多，拆分成3个时序图，其中，图4是该用例的主时序图，图5是外部信息接收部分的时序图，图6是航路规划时序图。

D.建立外部接口。

基于时序图可以得到该域与不同参与者之间的外部外口。此外，由一个用例参与者传递消息内容至另外一个用例参与者，称之为事件，在本建模方法中，事件可由建模工具归纳得到。航路规划用例中的外部接口如图7所示，事件见图8所示，事件也可以在外部接口图中的各个参与者内进行归类显示。

E.建立航路规划状态机图。

对之前该用例创建的活动图与时序图进行分析从而创建状态机图，给状态机增加计时器可以完整运行，因此，状态机图的成功实践是对本用例的成功验证过程。对航路规划用例创建状态机图如图9所示，由状态机分析有：

i.用例首先进入接收相关数据状态，主要有接收岸基指挥所发布的作战任务、航管中心提供的空情信息，同时由飞行员录入无人机平台及其任务载荷性能参数；

ii.接收作战任务后，飞行员进入分析状态，使其分解为为单机任务；

iii.选中无人机后，飞行员进入新建任务计划状态；

iv.进入任务规划状态，含任务区建立、无人机航路规划；

v.进入判断航线冲突状态，并相应调整计划；

vi.确定消解冲突后，进入保存任务计划状态；

vii.进入推演任务计划状态；

viii.进入任务计划加载状态，飞行员把航路计划通过测控地面终端完整正确地加载到无人机上。

本发明的建模方法将地面站系统拆分成“应用服务+操作系统+硬件资源”三层架构，使地面站软硬件资源解耦，更使应用服务和运行平台解耦，为构造可灵活拓展的开放式无人机地面站平台无关建模提供基础。

对地面站特定主题进行功能分析，遵循复杂系统应用服务划分的高内聚、低耦合，单一职责的原则定义边界，故把地面站系统在系统级上划分成监控、规划、态势、C4I、情报和管理6个功能域。这些功能域彼此独立，却又可以相互连通，并且，随着地面站平台架构与功能服务的演进，支持按需逐级向下进一步优化分解。

构建无人机地面控制站各功能域模型，其定义涵盖了不同层级的功能需求、参与者、服务接口、数据和系统约束。建立用例图、活动图、时序图、外部接口、状态机图，明确用例的逻辑实现过程。

Claims (9)

1.一种开放式无人机地面站平台无关建模方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步，地面站资源解耦，基于无人机地面站开放式架构，将地面站拆分成“应用服务”、“操作系统”与“硬件资源”三层架构，使地面站软硬件资源解耦，更使应用服务和运行平台解耦；

第二步，划分功能域，平台无关模型按照特定主题划分成域，基于对无人机地面站的功能分析，划分成监控、规划、态势、C4I、情报和管理6个功能域；

第三步，功能域建模，采用Rhapsody建模工具对各个功能域建模，涉及用例图、用例活动图、时序图、状态机图、接口图，为模型传递进行应用服务的软件开发提供基础。

2.如权利要求1所述的一种开放式无人机地面站平台无关建模方法，其特征在于，对规划域中的航路规划进行建模的步骤如下：

A.建立航路规划用例图，以描述与该域相关的参与者之间的关系，航路规划用例图中相关的参与者有飞行员、岸基指挥所、测控地面终端、指挥员、航管中心；

B.建立航路规划活动图，描述该用例图的主要活动过程，并标示该活动的发生对象与接受对象；

C.建立航路规划时序图，时序图由活动图生成，并在活动图基础上增加定义了不同参与者之间或者同一个参与者内部的传递消息内容，为下一步数据接口做准备；

D.建立外部接口，基于时序图可以得到该域与不同参与者之间的外部外口；

E.建立航路规划状态机图，对之前该用例图创建的活动图与时序图进行分析从而创建状态机图。

3.如权利要求2所述的一种开放式无人机地面站平台无关建模方法，其特征在于，步骤A中的前置条件如下：

i.地面控制站工作正常；

ii.地面控制站与测控地面终端通信正常；

iii.地面控制站与航管中心通信正常；

iv.无人直升机与测控地面终端通信正常；

v.地面控制站与岸基指挥所通信正常；

vi.地面控制站接收岸基指挥所作战任务。

4.如权利要求2所述的一种开放式无人机地面站平台无关建模方法，其特征在于，在建立航路规划活动图前或同时进行外部信息接收，活动如下：

i.指挥员接受作战任务，如果是多机任务，分解至单机任务；

ii.飞行员录入地理信息；

iii.航管中心接收空情信息传递给地面站；

iv.飞行员录入无人机和载荷参数。

5.如权利要求4所述的一种开放式无人机地面站平台无关建模方法，其特征在于，步骤B中在外部信息接收完成后，地面站获取了进行航路规划所需的全部信息，飞行员开始进行航路规划，活动如下：

i.飞行员创建任务计划；

ii.飞行员在任务计划里建立任务区；

iii.进行航路规划；

iv.对规划航路进行冲突检测，存在冲突则更改冲突重新规划航路，否则进入下一步；

v.飞行员保存任务计划加载给测控地面终端，由测控地面终端加载至无人机；

vi.测控地面终端接收无人机计划加载的回报信息；

vii.飞行员对比任务计划与回报信息是否一致，不一致则重新加载，一致则完成航路规划任务，结束。

6.如权利要求5所述的一种开放式无人机地面站平台无关建模方法，其特征在于，步骤iii进行航路规划的细分活动包括：

i.飞行员选择对应的无人机；

ii.地面站加载显示与航路规划相关的无人机与载荷信息；

iii.飞行员创建新航线；

iv.飞行员在创建的新航线上创建新航路点；

v.飞行员对创建的航路点进行经纬坐标以及对无人机速度、姿态信息的编辑输入；

vi.飞行员依次创建编辑飞行任务所需的航路点；

vii.当创建完全后，飞行员对每个航路点进行高程规划并显示；

viii.高程规划完全后，结束进入冲突检测。

7.如权利要求2所述的一种开放式无人机地面站平台无关建模方法，其特征在于，步骤E中由状态机分析有：

i.用例首先进入接收相关数据状态，包括接收岸基指挥所发布的作战任务、航管中心提供的空情信息，同时由飞行员录入无人机平台及其任务载荷性能参数；

ii.接收作战任务后，飞行员进入分析状态，使其分解为单机任务；

iii.选中无人机后，飞行员进入新建任务计划状态；

iv.进入任务规划状态，包括任务区建立、无人机航路规划；

v.进入判断航线冲突状态，并相应调整计划；

vi.确定消解冲突后，进入保存任务计划状态；

vii.进入推演任务计划状态；

viii.进入任务计划加载状态，飞行员把航路计划通过测控地面终端完整正确地加载到无人机上。

8.如权利要求2所述的一种开放式无人机地面站平台无关建模方法，其特征在于，事件也可在外部接口图中的各个参与者内进行归类显示。

9.如权利要求8所述的一种开放式无人机地面站平台无关建模方法，其特征在于，事件由建模工具归纳得到。

Images