高空无人飞行器运维管理系统的设计与实现_廖永行.pdf

1网络通信与安全Network Communication&Security电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering随着无人飞行器通信技术的不断发展，产生了将大量数据通过无人飞行器通信网络进行传输的需求，利用无人飞行器在高空长航时的优势和机动部署的特点，能够使用其搭建通信设备，搭建通信网络，实现远距离通信覆盖。特别是在应急领域、深林火灾、边境侦查等场景下，通信覆盖需求尤为突出。在国际形势紧张之际，无人飞行器一旦出现异常不受控制，可能会导致越界飞行甚至坠毁，将对国际关系造成严重影响，因此对无人飞行器的运维管理提出了更高的要求。本文所研究的内容是针对作者参与实现的运维管理系统进行阐述，该系统针对高空无人飞行器的使用特点进行分析与设计，结合用户需求确定产品功能要求，最终形成可用产品，保障高空无人飞行器稳定可靠运行。1 需求分析高空飞行一般指在 7000 至 15000（含）米空中进行飞行任务，本系统是面向执行通信覆盖任务的高空无人飞行器而设计，主要用于为高空无人飞行器提供稳定可靠运行的技术支撑，需要实现从飞行器放飞前到回收后的全过程监控，为系统管理员提供网络开通参数规划与下发、飞行前系统自检、飞行过程监控、通信覆盖范围呈现、故障监控与处理、历史轨迹回放等功能。针对高空无人飞行器的通信特点，其存在多种通信手段，包括卫星、测控链、微波网络等不同的通信方式，飞行过程中根据实际运行情况进行切换。因此，除了传统运维管理系统所具有的基本功能要求以外，还应当针对上述功能进行设计，本系统功能组成如图 1 所示。以下结合在项目中的工作，重点介绍本运维管理系统的设计和实现。2 系统设计2.1 网络规划与开通高空无人飞行器运维管理系统的设计与实现廖永行童惠祺（中国电子科技集团公司第七研究所 广东省广州市 510000）摘要：本文是基于一套实际应用于高空无人飞行器的运维管理系统进行阐述，该系统针对某高空无人飞行器的使用特点进行了需求分析、系统设计和架构实现，介绍了系统各项功能要求以及所选用的框架，可以作为面向高空无人飞行器的研制依据，有效提高无人飞行器的运维效率和服务水平，保证其可靠稳定运行。关键词：无人飞行器；运维系统；网络通信；系统设计图 1：系统功能组成图2网络通信与安全Network Communication&Security电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering网络规划与开通主要是支撑用户在飞行器起飞前进行的规划和开通工作，并完成自检，保证飞行器上各设备能够正常运行。2.1.1 参数规划参数规划功能是网络规划与开通过程的重要功能，需要根据本次任务所需通信手段、通信距离、覆盖范围进行参数规划，并完成参数关联，保证所规划的参数能够满足任务要求。同时，结合现有网络管理系统经验，在进行规划时还需要考虑到整体性的、系统性，避免系统在后期应用过程中不容易排查到问题1。另外，参数规划对外提供参数导入导出功能，导出的参数规划可以作为模板使用，用户在执行类似任务时可以导入参数规划，再根据当次任务调整具体参数，提高参数规划效率。2.1.2 飞行规划建议在本系统进行参数规划时，飞行控制系统也会根据本次任务规划飞行路径，本系统能够根据通信需求提出飞行规划建议，主要针对飞行途径点、悬停点、飞行边界提出建议并发送给飞行控制系统，由飞行控制系统调整飞行路径规划，以满足本次通信覆盖任务。2.1.3 设备开通参数规划功能是网络规划与开通过程的重要环节，是设备启用前不可或缺的步骤。在完成设备参数规划后，将形成各个设备具体的规划文件，由本系统将设备参数分发给各设备，由各设备完成参数加注和重启，重启后由本系统监控其状态，完成设备的开通。2.1.4 系统自检系统自检是网络规划与开通过程最后的环节，在设备开通后，由本系统发起自检命令，各设备完成功能自检，并将结果反馈本系统。同时，针对需要多个设备配合完成的检测任务，由本系统向多个设备同时发起检测数据包，检测各个设备是否能够按照预期完成对应功能。2.2 运行监控与调整运行监控与调整主要是支撑用户在飞行器飞行过程中的监视与控制工作，保证在整个飞行过程中可以监控到设备和飞行器的运行状态，当出现异常的时候能够及时调控，出现故障时能够及时修复，出现极端情况时能够完成设备数据销毁。运行监控与调整功能大部分是需要与设备进行交互的，使用了成熟的 SNMP 协议，需要制定 SNMP 网络管理模型、MIB 管理信息库、SMI 管理信息结构2，针对具体协议的设计理念已经渗透在系统的功能设计中，在本文中不详细阐述。2.2.1 资源管理资源管理是运行监控过程的基础功能，能够从设备资源层面查看到各飞行器上的设备、各类设备、各台设备的运行情况，便于用户从不同维度查看设备状态；能够从网络资源层面查看各通信覆盖范围下的通信资源占用情况，便于用户实时调配通信资源。2.2.2 拓扑管理拓扑管理是传统网络管理的基本功能，能够从各通信设备上采集连接关系，形成网络拓扑，从逻辑视图查看到各设备间、无人飞行器节点间、无人飞行器与地面节点间的连接关系，准确展示逻辑连接关系，有助于用户准确感知网络连通情况。2.2.3 状态管理状态管理是传统网络管理的重要功能，能够实时监控无人飞行器上各个设备的运行状态，包括软件和硬件的运行状态。当出现软件服务或硬件状态异常时，可通过重启软、硬件命令让设备重启，恢复设备可运行状态。2.2.4 故障管理故障管理是传统网络管理的重要功能，能够定时访问无人飞行器上各个设备的故障信息，当设备出现故障时也能及时上报给运维管理系统。运维管理系统检测到设备故障时，第一时间通知用户，并为用户提供预设的故障修复措施，由用户选择并执行。2.2.5 性能管理性能管理是传统网络管理的基本功能，能够定时轮询无人飞行器上各设备的重要性能指标，检测设备运行性能是否在阈值范围内，当超出性能阈值时，及时提醒提醒用户限制业务运行或调整设备运行参数。2.2.6 通信覆盖通信覆盖即通信覆盖呈现功能是运行监控过程的重3网络通信与安全Network Communication&Security电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering要功能，能够结合飞行状态信息，在飞行路径上描绘出通信覆盖范围，准确判定地面通信节点能否处于通信覆盖范围内，为用户提供直观感知的三维视图。同时，当飞行高度、飞行路径、偏转角度等不能满足通信覆盖需求时，能够向飞行控制系统提出路径调整要求。2.2.7 通信手段切换通信手段切换功能是运行调整过程的重要功能，由于无人飞行器在运行的不同阶段会使用不同的通信手段，因此运维管理系统需要针对不同的通信手段进行调整。在无人飞行器起飞阶段一般使用视距飞控链路进行通信，此时运维管理系统需要极大地压缩通信报文，仅由空中向地面传递必须的信息。在无人飞行器超出了视距飞控链路的范围后，一般会采用卫星手段进行通信，在满足基本通信需求的情况下，运维管理系统将正常收发监控和调整信息，当业务流量过大时，运维管理系统主动降低信息传递频率。在无人飞行器利用搭载的通信设备提供通信覆盖且稳定运行时，运维管理系统可利用该网络进行最大限度通信，提高通信频率，传输完整信息，为用户提供最实时最全面的信息。2.2.8 分布式监控分布式监控功能是面向多个空中节点情况下提供的监控能力，是运行监控过程的基础功能。运维管理系统采用分布式部署方式，在空中无人飞行器上部署节点管理软件，在地面测控中心部署运维管理中心，空中节点将数据通过一跳或多跳的方式传递到地面，由地面运维管理中心汇总和呈现，为用户提供分布式监控功能。2.2.9 数据销毁数据销毁功能是运行调整过程的重要功能，当无人飞行器出现异常情况，已经无法进行控制无人飞行器正常返回或降落时，无人飞行器上一段时间内监控或存储的数据信息将处于失控状态。因此，需要设计数据销毁功能，在无人飞行器与地面失去联系时，由空中节点的节点管理软件自动完成数据销毁功能，保证用户数据的安全性。2.2.10 日志管理日志管理是传统网络管理的基本功能，能够记录用户使用过程的各种操作记录，包括参数规划、设备开通、参数调整等记录，完整记录用户的操作，当出现异常情况时可翻查记录。2.2.11 用户管理用户管理是传统网络管理的基本功能，能够设置不同用户角色，并为不同用户分配，不同角色能够赋予不同功能的不同操作权限，便于多个用户同时使用本系统。2.3 回放与评估回放与评估是支撑用户在飞行器安全着陆后的分析工作，运维管理系统能够采集整个飞行过程中无人飞行器运行轨迹、各设备运行状态、通信覆盖范围等信息，在飞行器返回后，可将所有数据信息进行回放，并提供评估结果，作为用户后续进行任务分析的依据。2.3.1 轨迹回放轨迹回放是回放与评估的重要功能，能够将当次任务运行过程中所收集到的信息进行回放，在三维地图上呈现出整个飞行过程各设备的状态变化，同时能够将通信覆盖范围实时呈现到地图上，便于用户复盘和分析飞行任务。2.3.2 系统评估系统评估是回放与评估的重要功能，能够根据分析评估算法，针对单次任务的通信覆盖能力、覆盖范围等指标进行分析，作为可量化指标，并从多维度进行统计，形成多维度的能力评价体系，为用户提供参考性评分。3 系统实现根据系统需求分析和功能设计，本章节先归纳总结图 2：系统主流程图4网络通信与安全Network Communication&Security电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering系统设计过程的整个流程，然后选用合适的系统架构及部署方式，以下重点介绍系统主流程、系统架构、系统部署，可参照进行系统具体开发和实现。3.1 系统主流程系统主流程涵盖了从网络规划与开通、运行监控与调整、回放与评估阶段，各阶段有具体的操作功能分支，综合形成了本系统的主流程如图 2 所示。3.2 系统架构针对本系统所需功能，系统架构采用独立的模块化设计，将各功能拆分到不同的模块中，抽取出相同功能部分作为公共服务，减少重复功能的实现，以提升系统复用性，增加系统可靠性，系统架构设计如图 3 所示。应用层包含了网络规划与开通、运行监控与调整、回放与评估及其内部各项功能，是直接给用户提供各项功能的；服务层包含了公共服务和专用服务两部分，抽取出了在多个功能中都会调用的公共服务，由各个应用功能或者专用服务进行调用，提高系统复用成都；数据层即各项数据来源，主要包含了自身的配置文件、数据库，以及外部的被管设备或以后可扩展的上级系统，由各项服务（尤其是公共服务）进行调用，获取数据。3.3 系统部署针对本系统的使用模式，需要在一个地面测控中心统一管理空中多个无人飞行器节点，因此需要形成一对多的分布式模式，实现分布式监控功能。本系统在地面测控中心部署运维管理中心，在空中无人飞行器上部署节点管理软件，共同提供系统运维能力，系统部署如图4 所示。在地面测控中心部署的运维管理中心主要任务是完成各个空中节点数据收集，并在统一的平台上展示，让用户可以直观全面的监控各空中节点运行情况。在空中无人飞行器上部署的节点管理软件主要任务是完成本地节点数据收集，能够接受运维管理中心的控制，同时也不断向运维管理中心发送本地节点状态变化信息。4 结束语本文结合了作者的实际工作经历，针对高空无人飞行器的使用特点进行设计，实现了一套运维管理系统，为用户提供了一套面向无人飞行器的运维管理系统，提高了该系统可用性和有效性，减轻了用户运维工作负担、降低了运维工作难度，实现了一套标准化、流程化的运维管理方法。本系统已在实际使用，后续可根据实际使用情况进一步优化。参考文献1 顾虹.计算机网络管理系统的应用与展望 J.电子技术,2021,50(09):266-267.2 张倩怡.基于 SNMP 的校园网络管理系统的研究与实现 J.北京工业职业技术学院学报,2020,19(04):20-24.作者简介廖永行（1992-），男，硕士学位，工程师。研