本文探討無人機（UAV）系統的軟體架構， 對無人機系統設計已發表的軟體架構方面文 獻按時間進行綜述與探討。 主要關注指揮和控制軟體， 並討論情報、監視和偵察軟體架構的 差異， 其目的是為了呈現無人機軟體架構是如何演變到目前狀態。 包括從技術軟體架構規則 的早期發展到當前無人機軟體在互通性、通用性、視訊壓縮技術等方面問題， 例如參考文獻《軟體架構：一門新興學科的展望》， Garlan, D. and Shaw, M. (1996)1；《戰場中的猛禽、 捕食者、掠食者及美國最新無人機》Yenne, W. (2010)2；《動態系統的軟體使能控制和資訊技 術》Samad, T. and Bala, G. (2003)3；《自主無人機實驗的分散式架構》Doherty, P., Haslum P.,Heintz, F., Merz, T., Nyblom, P., Persson, T., and Wingman, B., (2004)4;《無人機智能系統軟 件》Sinsley, G., Long, L., Niessner, A., and Horn, J.(2008)5以及《無人旋翼機系統》Cai, G., Chen, B., and Lee, T. (2011)6。
1 簡介
“架構可定義為元件的結構及它們之間的關係， 以及規範其設計和後續進化的原則和指南。 簡言之， 架構是構造與整合式軟體密集型系統的深層次設計7“。 也可稱其為如何實施解決 方案的一個策略性設計（例如基於元件的工程標準、安全）和解決方案做什麼的功能性設計（如演算法、設計模式、底層實現）。
1996 年 Garlan 和 Shaw 在《軟體架構：一門新興學科的展望》1中寫到架構問題包括：系統元件構成的組織、全域控制結構、通信協定、同步和資料訪問等。 他們研究了軟體發展者常用的系統組織模式，
Garlan 和 Shaw 列出了移動機器人的基本設計需求， 如：（1）慎思規劃和反應式行為；（2）容許不確定性；（3）考慮危險；（4）靈活性強。 針對這些要求， 他們評估了四種 用於移動機器人的架構， 包括控制回路（control loop）、分層（layers）、隱式調用（implicit invocation）、黑板（blackboard）， 如圖 1 所示。 閉環控制解決方案推薦用於不處理複雜外部事件的簡單機器人系統。 分層構架能很好實現構件的組織，
推薦 TCA 用於較複雜的機器人項目， 並已在眾多移動機器人上得到應用。 TCA 為性能、容 錯、安全性和併發性提供了一套完整的任務協調機制和規定。 TCA 架構由位於同一層次的任務或任務樹組成。 在運行過程中任務樹會作很多動態調整以適應環境條件和機器人狀態的改變。 第四種解決方案黑板構架由一個中心黑板或 資料庫構成， 負責接收和發送命令、共用資料和解決衝突。 它支援併發性且有例外處理常式來處理不確定性。
圖1 移動機器人架構類型
2 早期無人機
早 期無人機沒有軟體架構， 是通過無線電（RC）控制技術發展起來的。 在第二次世界大 戰期間建造了數架實驗無人飛機用於在遠達 100 英里範圍內測試航空魚雷。 二戰後這些實驗 飛機在 RC 飛機愛好者領域得到繼續發展。 RC 飛機是現代無人機的基石。 1940 年前後， RC 飛機發展為 RC 空中靶機（後來作為偵察平臺），
第 一代軍用無人機長度介於 8 英尺（ft）8 英寸（in）至 9 英尺 3 英寸之間， 翼展長度介 於 12 英尺 3 英寸至 11 英尺 6 英寸之間。 它們的速度從 85 英里每小時（mph）提升至 140mph， 且能續航 1 小時。 如附錄 A 表 1 所示， 由無線電公司（1952 年被諾斯羅普公司收購）開發的 OQ-1 是第一架無線電控制的空中靶機（後改為偵察用）， 1940 年被美國空軍收購。
20 世紀 60 年代， 美國空軍（USAF）開始使用“火蜂”和“閃電臭蟲”， 它們是美國偵察史上飛行時間最長的 RC 飛機。 在 20 世紀， 無人機主要用於空中靶機和偵察。 AQM-34L“閃 電臭蟲”在使用即時電視圖像方面是 21 世紀無人機的先驅。 它試用過電子雷達干擾器和 AN/ALE-38 箔條投放器。 1995 年， 美國空軍在內華達州印第安泉輔助機場（克裡奇空軍基地（AFB） 成立第一個無人機中隊——第 11 偵察中隊2。
20 世紀 70 年代至 80 年代冷戰期間無人機被忽視。而衛星能力的顯著增強，到 90 年代中期無人機已成為戰場不可分割的一部分。
3 現代無人機
A．21 世紀第一代無人機1
世紀之交，無人機發展得益于衛星能力的增強和電腦處理能力、演算法發展、即時系統應用、機電飛控系統、視覺/雷達系統、導航系統、電腦集成武器系統方面的技術進步。第 一代的所有功能影響了軟體架構的發展。
21 世紀第一代無人機起初由美國國防部用於空中靶機及執行偵察任務，後來無人機角色 拓展至遠程戰略性任務，最後是打擊任務。由於任務的拓展，1997 年美國國防部重新採用“Q” 作為擔負遠端戰略打擊任務無人機的主用代號。
用 于長航時偵察的 Northrop Grumman 公司 RQ-4 全球鷹無人機是在本世紀初軍方服役的 最大無人機。機身長 44 英尺，翼展 117 英尺，總重 25600 磅。General Atomics 公司的捕食者 也用於偵察任務，裝備 Northrop Grumman 公司的 TESAR 合成孔徑雷達（SAR），具有 1 英尺 解析度和全天候偵察能力。2001 年捕食者加裝了鐳射制導的 AGM-114“地獄火”空地反裝甲 導彈成為第一架武裝無人機，並在“持久自由行動中”由美國情報局（CIA）首次使用。美 國海軍陸戰隊（USMC）的 RQ-2A 先鋒（1980）和美國陸軍 RQ-5A 獵人（1995）也同樣在 戰場上得到檢驗。21 世紀第一代無人機的技術細節見附錄 A 中的表 2。
第一代的 Lockheed Martin 公司“星”和“全球鷹”借助全球定位系統具備完全可編程式控制 制系統，能實現從起飛到著陸的自主控制，也可使用通用地面控制站。
B．21世紀第二代無人機 2
21世紀第二代無人機得益於一代機的技術進步和載重、定位、偵察等任務能力的顯著提升。“火力偵察兵”無人機是旋翼機，其飛行控制比固定翼機更複雜。“火力偵察兵”和X-47B設計定位是船上自主作業，這或許是軟體架構的最大挑戰。
2003 年4月，美國空軍和美國海軍啟動“聯合無人空戰系統”（J-UCAS）計畫。無人機提供鐳射目標指示，組織進行壓制敵方空防（SEAD）任務，打擊戒備嚴 密、高價值目標。“早在1997年，國防部機載偵察辦公室架構集成總監空軍上校Mike Francis曾對航空週刊的David Fulghum說，他的機構對武裝無人機和能執行完整任務的武裝偵察機及殲擊機都有強烈興趣。”2無人機並不是消耗品反而“減少消耗”——可以損失一架無人機而非一架滿載機組人員的飛機。
如附錄A中表3第一部分所示，一份波音X-45A技術說明書中顯示其最大起飛重量為12190磅並於2004年3月24日在35000英尺高空以442mph的飛行速度成功投下一顆250磅的惰性炸彈。2後續的X45-C設計用於防守，最大起飛重量26500磅，可掛載兩顆GBU-31聯合直接攻擊炸彈（JDAM）制導導彈。
美 國海軍無人戰鬥機 - 海軍（UCAV-N）計畫的樣機Northrop Grumman公司的X-47A飛馬與美國空軍無人戰鬥機（USAF UCAV）擔負相的使命。這是一架隱形無人戰鬥機，執行監視、打擊和壓制敵方空防任務，但只部署在航母上。X-47A飛馬無人機技術說明書顯示其最大起飛 重量為5500磅。X-47B機身長38.2英尺，翼展62.1英尺，最大起飛重量為44567磅，載重為4500磅，可掛載兩顆GBU-31 JDAM制導導彈。“X-47B與X-47A相比，續航時間更長、在航母上進行自主彈射起飛和降落過程中具有更強的生存能力和更好的低速空氣動力學飛行性 能。”2
2003 年4月UCAV計畫轉變為聯合無人空戰系統（J-UCAS）計畫，包括美國空軍的X-45C和美國海軍的X-47B。2006年X-45開發終止，聯合計 劃又改為美國海軍UCAS-N計畫。在官方2007情況簡報中，美國空軍聲稱：“所有無人機在指定的協調高度上執行任務時，必須有一套通用系統以實現便 捷、安全、無縫的操作”。2所指飛機包括美國空軍MQ-1“捕食者”，RQ-4“全球鷹”，MQ-9“死神”和美國海軍的廣域海上監視（BAMS）系統2。
美 國海軍陸戰隊的MQ-8BNorthrop Grumman公司“火力偵察兵”無人旋翼機于2002年開發，旨在遂行多種任務，具有自主著艦和艦上起飛能力，裝備光電/紅外系統、鐳射指示器，並為反 水雷裝置增加了載荷。此型無人機任務包括戰場管理、生化武器偵測、信號情報、電子戰、戰場搜救、通信和資料中繼、資訊戰、反艦導彈防禦和反潛。MQ-9B 是旋翼折疊時機長22.87英尺，旋翼直徑27英尺6英寸，總重3150磅。這是第一架可在移動艦船上降落的無人直升機，於2009年首次作戰部署2。
美國海軍陸戰隊的Insitu/波音公司“掃描鷹”無人機是一架大航時戰術偵察固定翼機。於2002年首次飛行，其24小時的續航能力遠大於其他相似尺寸的無人機。最大起飛重量為44磅，擁有自主飛行（按照預定航線）和艦載執行任務能力2。
美 國海軍的MQ-4C廣域海上監視（BAMS）是一種多用途無人機系統（UAS），可用于攻擊支援、信號情報以及通訊中繼。MQ-4C BAMS UAS的任務包括海上監視、敵方戰場資訊收集、戰場毀傷評估、港口監視、通信中繼，以及支援以下任務：海上封鎖、面上作戰、戰場管理、針對海上和濱海的打 擊任務。在2008年的合同裡，MQ-4C BAMS UAS採用一種Northrop Grumman的RQ-4全球鷹海軍改進型，裝備有360°多功能主動感測器（Multi-Function Active Sensor，MFAS），這種感測器是一種主動電掃描陣列雷達（active electronically scanned array ，AESA），以及海軍特製的地面站2。
4 架構進化
2003年，在美國國防高級研究規劃局（DARPA）的支持下——資助專案為軟體使能控制（Software Enabled Control，SEC），Samad和Balas3編輯了一部學術專著。在當時，軍用無人機只能靠預先程式設計或遙控操作。在SEC專案中，目標是使無人機“自動地執行高性能機動、動態調整路線、探測並規避威脅、辨識並校正故障、起飛降落、容忍極端環境變化…“。3在 SEC專案中，目的是將先進控制與一個由開放控制平臺（Open Control Platform，OCP）實現的先進計算集成起來，OCP使用商用現貨（COTS）元件和非專有介面。UAV控制應有一個線上優化引擎（問題求解算 法），由於飛機的即時快速動態特性，之前的此類演算法在計算上是無法實現的。Samad和Balas指出“當前的計算資源足以實現複雜的狀態和模型優化。”3
他 們同時觀察到，一個嚴格定義的層級架構可以實現功能分割，如任務再規劃、路線優化、威脅規避等，這些功能可以高效地集成但性能會有所損失。儘管如此，這些 層級結構仍會限制回應速度，因此他們建議尋找替代方案，如在生物學中所發現的那些。他們最壞的打算是——最終發現僅僅結合控制工程和電腦科學的研究將會 使UAV的操作方案變得複雜。
A. 開放控制平臺
Paunicka等11作 為SEC專案組成員提供了一個開放控制平臺（Open Control Platform，OCP），平臺帶有很多即時系統應用服務，可供控制工程師設計模擬。平臺採用一種隨插即用的設計，因此軟體元件可以由不同單位在不同的 時間進行開發。此由波音公司領導開發，並基於波音Bold Stroke軟體，中介軟體由華盛頓大學開發。
OCP是一種物件導向的軟體基礎構件，“提供一條將控制設計快速轉換為桌面或嵌入式目標代碼的路徑，它使得控制設計師可以專注于控制設計而非集成、通信、發佈、移植、執行、調度、系統組態和資源管理等軟體設計問題。”11OCP 的內核採用了公共物件請求代理架構（Common Object Request Broker Architecture，COBRA），它基於一個用於任務航電系統的即時嵌入式中間平臺及開放標準。
OCP包括：1）中介軟體基於即時CORBA (Copyright © 2002, Object Management Group, Inc.)，提供一個通信網路將物件按client/server關係連接至元件；2）模擬環境；3）工具集成支援；4）控制應用程式介面 （Application Programmer Interface ，API）。OCP中介軟體採用C++編寫，並提供一個publish/subscribe環境，可在主機或其他分散式運算機運行而不必修改原始程式碼。 CORBA也可以提供一個命名伺服器檢索並存儲指向移動元件的引用。此服務及其他如圖2所示11。波音使用了一個非常類似於CORBA的中介軟體在他們的F-15、F/A-18、AV-8B、T-45戰鬥機上，以及DARPA/USAF 無人作戰飛機（UCAV）。
圖2 OCP層級結構（2003）11
B.WITAS分散式UAV架構
Doherty等在2004年展示了“一種用於無人機實驗的分散式架構”4， 以支援智慧能力的開發。此分散式架構使用COBRA作為基礎構建用於隨插即用的軟硬體環境，並且基於一種以反應為中心（reactive concentric）的軟體控制方法。他們在瓦倫堡資訊技術及自主系統實驗室(WITAS)的無人機項目裡使用了此分散式架構。WITAS是一個小型 -UAV直升機，用於監測和監視、緊急救援援助、攝影服務和測量。實驗平臺是一架Yamaha RMAX，長度為11.81 ft，最大起飛載荷為209 lbs。他們最大的設計挑戰是控制系統有多個控制模式，可由架構啟動以動態調用。此設計的軟體架構包括一個慎思、反應和控制部分，因此不再是一個分層遞階 結構而是一個“以反應為中心”的架構。此反應中心的架構是一個高度分佈、鬆散耦合、併發的架構，具有很多反應控制和併發運行的服務進程。CORBA是一個 將物件和元件連接起來的中介軟體，它通過一個通訊服務建立client/server關係。圖3所示為WITAS架構的一些上層軟體元件。
圖 3 分散式UAV WITAS架構的軟體元件(2004)4
C.ARL/PSU智慧控制器
Sinsley、Long、Niessner和Horn 於20085探討了一種UAV軟體的既智慧又自主的基於行為的架構，Long等人9發 表了多個可用于無人機應用軟體架構的全面歷史回顧(1986-2002)（這些架構都缺乏學習能力）。2008UAV智慧系統軟體研究採用了賓夕法尼亞州 立大學應用研究實驗室的智慧控制器（IC）架構。此IC架構是一種基於行為（相對於基於模型）的架構，設計採用層級控制，由於從下至上的模式增加了功能複 雜性。它經過改進，以滿足協作能力的要求。圖4所示IC架構包含感知和回應模組。感知模組通過接收感測器的輸入資料建立一個外部真實世界的表示。回應模組 使用感知模組建立的真實世界的認知生成一個規劃，來執行特定任務。共分為三個層級，頂層為任務管理層，它回應中間層行為（如攻擊規劃實施）的控制請求。底 層行為層生成輸出指令（例如給自動駕駛儀、感測器、發送資訊）。只要不發生衝突，可執行多個行為。Long 等9指 出，IC架構的一些關鍵特性包括應對意外情況、自動即時動態規劃、態勢感知、常見的多機協作體系結構，以及列入新功能的靈活性和在任何層級可選的人機互 動。測試模型是一個固定翼的SIG Kadet Senior (總重14lbs)，具有穩定的飛行特性和緩慢的飛行速度。
圖4 ARL/PSU 智慧控制器高層架構(2008)5
IC架構的深入討論見Stover 和Kumar的“一種用於設計自主系統智慧控制器的基於行為架構”10。
D.SheLion UAV系統
Cai, G、Chen, B.和Lee, T.在《無人旋翼系統》6介 紹了一種行為式的架構，並用於設計他們的小型SheLion UAV，也可推廣用於更大的UAV。他們的軟體實現了以下功能，如硬體驅動、輸入/輸出、控制律實施、設備操作管理、多工調度以及事件調度。他們稱使用 了一種新型軟體系統/行為架構，為新的模組和控制功能提供了靈活性和可擴展性。他們指出此架構可以普遍應用到無人機,包括機載軟體系統和地面控制站的軟體 系統。
機上軟體系統使用一個即時操作系統(RTOS),其中包括一個飛行控制和一個視覺處理模組，基於航電系統的硬體設定如圖5所示。
圖5 SheLion UAV系統的硬體設定 (2011)6
飛行控制模組使用多執行緒框架，用於操作導航感測器和伺服作動器、日誌記錄飛行資料、與地面站通信以及實施自動控制演算法。自動控制採用基於行為的體系結構8。SheLion飛行控制系統的框架如圖6所示。
圖6 SheLion飛行控制軟體系統框架(2011)6
一 個類似的框架用於板載視覺電腦的即時影像處理。圖6飛行控制的軟體框架將每個設備或任務畫成框圖形式。NAV塊與GPS輔助姿態航向參考系統 (AHRS)進行交互,提供飛行測量資料並估計無法直接測量的飛行狀態(自動控制所必需的)。CTL塊實施自動飛行控制律。它由NAV塊所生成的全域共用 資料得到飛行狀態,根據飛行狀態執行控制演算法,並生成控制信號驅動伺服執行機構。任務管理使用多執行緒架構,在這種架構中,每個執行緒是一個單獨的任務。任務 調度由MAIN執行緒執行,由高精度計時器(納秒精度)發出一個脈衝信號,按照預定義的頻率啟動MAIN執行緒。根據功能的複雜性，分配給每個執行緒一個時間範圍/槽。
Cai等16使 用基於行為的飛行調度塊來區分不同的飛行模式。飛行計畫可以存儲在無人直升機的飛行調度塊裡或由地面站生成。任何無人機直升機的作業都被認為是帶有特定參 數的特定行為(如控制信號和執行時間限制)。分層控制系統塊(CTL)用於識別行為和實施相應的自動控制演算法,驅動伺服執行機構。
SheLion的地面控制站是一個監控和指揮無人直升機的無線使用者終端。在飛行測試中,資料由板載系統傳輸到地面站並顯示。SheLion地面控制站框架如圖7所示。
圖7 SheLion地面控制站軟體框架 (2011)7
5 未來無人機
根據2010年3月發佈的“資訊請求”（Request for Information ，RFI），美國海軍請求額外資訊用於一個無人艦載發射監視與攻擊(UCLASS) UAV，以此作為諾斯羅普•格魯曼 X-47B和飛馬座(Pegasus)UCAS-D的後續。負責情報優勢(N2/N6)的副海軍作戰部長（The Deputy Chief of Naval Operations，DCNO）已明確指出需要一種航母艦載機系統，以提供持續的情報、監視、偵查（ISR）以及精確打擊能力。海軍也對航母艦載作戰無人機系統能夠與有人機集成以加入航母航空聯隊的這一能力表示出興趣。
6 結論
在1940早期，美國空軍用作靶機後作為監視平臺的遙控無人機並沒有軟體架構。21世紀無人機的先驅者，AQM-34L 螢火蟲(1964-1975)，裝備有先進的技術裝備，如電子雷達干擾器以及AN/ALE-38箔條投放器，可以能夠即時電視圖像傳輸。
世紀之交的無人機，得益于衛星通訊能力以及電腦速度、演算法、即時操作系統、機電飛行控制、視覺/雷達系統、火控電腦等技術的發展。以上所有的第一代能力影響了軟體架構的發展。General Atomics的捕食者以及Northrop Grumman 的RQ-4全球鷹是這一類無人機的主要代表。全球鷹設計為完全程式控制，利用GPS實現從起飛至降落的全程自主作業。他們同時設計有常規的地面控制站。
21世紀的第二代無人機得益於第一代的技術進步以及有效載荷、目標鎖定、偵察和其他任務能力的顯著增強。相比於固定翼飛機，火力偵察兵作為一種旋翼無人機，其飛行控制更為複雜。火力偵察兵和X-47B設計用於艦面自主作業，這或許是對軟體架構的最大挑戰。美海軍的無人作戰飛機(UCAV) Northrop Grumman的X-47B飛馬座的設計用途為“長航時、高生存能力,和用於自主艦上起降的低速空氣動力飛行品質”2。
美國海軍的廣域海上監視(BAMS) MQ-4C是一種多用途無人機系統，可用于攻擊支援、信號情報以及通訊中繼。這是一種Northrop Grumman的RQ-4海軍改進型，裝備有360°多功能主動感測器（Multi-Function Active Sensor，MFAS），這種感測器是一種主動電掃描陣列雷達（active electronically scanned array ，AESA），以及海軍特製的地面站。
本文所研究的UAV採用了一種以下架構的組合方式，如圖1Garlan and Shaw1所總結的軟體架構所示——控制回路、層級、隱式調用以及黑板。具有層級結構的基於行為架構（vs.基於模型）即使不是最優的UAV軟體架構，也是最為流行的。使用即時系統以及自主控制器是當前的尖端科技。Samad與Balas在2003時預測道“計算資源目前足夠執行複雜的狀態和模型優化（用於飛行器的即時快速動態）”3。Doherty等使用CORBA /client server/distributed “具有多個交互控制和同步發生服務進程的架構” Sinsley、Long等5使用ARL/PSU智慧控制器開發了一個最接近於人工智慧軟體的飛行控制器，此控制器使用了基於行為的架構。一種形如Paunicka等人11的無人機CORBA/分層架構已經應用於艦載F/A-18飛機，應當也適合於未來的UCLASS自主艦上起降。以上為自1940年代的無線電（非軟體）控制直至最近的進進展。
美國國防部計畫在下個十年總計增加45%的UAV儲備13，並且有一個無人控制系統（Unmanned Control Systems）的控制部分工作小組（Control Segment Working Group）來建立一個無人機地面站的共同架構和開放標準14。美國海軍已經發佈一個資訊請求，需要在21世紀30年代用新的第六代戰鬥機來取代Boeing F/A-18E/F超黃蜂和EA-18G 咆哮者艦載機，取代者很有可能會是無人機。
20 世紀 70 年代至 80 年代冷戰期間無人機被忽視。而衛星能力的顯著增強，到 90 年代中期無人機已成為戰場不可分割的一部分。
3 現代無人機
A．21 世紀第一代無人機1
世紀之交，無人機發展得益于衛星能力的增強和電腦處理能力、演算法發展、即時系統應用、機電飛控系統、視覺/雷達系統、導航系統、電腦集成武器系統方面的技術進步。第 一代的所有功能影響了軟體架構的發展。
21 世紀第一代無人機起初由美國國防部用於空中靶機及執行偵察任務，後來無人機角色 拓展至遠程戰略性任務，最後是打擊任務。由於任務的拓展，1997 年美國國防部重新採用“Q” 作為擔負遠端戰略打擊任務無人機的主用代號。
用 于長航時偵察的 Northrop Grumman 公司 RQ-4 全球鷹無人機是在本世紀初軍方服役的 最大無人機。機身長 44 英尺，翼展 117 英尺，總重 25600 磅。General Atomics 公司的捕食者 也用於偵察任務，裝備 Northrop Grumman 公司的 TESAR 合成孔徑雷達（SAR），具有 1 英尺 解析度和全天候偵察能力。2001 年捕食者加裝了鐳射制導的 AGM-114“地獄火”空地反裝甲 導彈成為第一架武裝無人機，並在“持久自由行動中”由美國情報局（CIA）首次使用。美 國海軍陸戰隊（USMC）的 RQ-2A 先鋒（1980）和美國陸軍 RQ-5A 獵人（1995）也同樣在 戰場上得到檢驗。21 世紀第一代無人機的技術細節見附錄 A 中的表 2。
第一代的 Lockheed Martin 公司“星”和“全球鷹”借助全球定位系統具備完全可編程式控制 制系統，能實現從起飛到著陸的自主控制，也可使用通用地面控制站。
B．21世紀第二代無人機 2
21世紀第二代無人機得益於一代機的技術進步和載重、定位、偵察等任務能力的顯著提升。“火力偵察兵”無人機是旋翼機，其飛行控制比固定翼機更複雜。“火力偵察兵”和X-47B設計定位是船上自主作業，這或許是軟體架構的最大挑戰。
2003 年4月，美國空軍和美國海軍啟動“聯合無人空戰系統”（J-UCAS）計畫。無人機提供鐳射目標指示，組織進行壓制敵方空防（SEAD）任務，打擊戒備嚴 密、高價值目標。“早在1997年，國防部機載偵察辦公室架構集成總監空軍上校Mike Francis曾對航空週刊的David Fulghum說，他的機構對武裝無人機和能執行完整任務的武裝偵察機及殲擊機都有強烈興趣。”2無人機並不是消耗品反而“減少消耗”——可以損失一架無人機而非一架滿載機組人員的飛機。
如附錄A中表3第一部分所示，一份波音X-45A技術說明書中顯示其最大起飛重量為12190磅並於2004年3月24日在35000英尺高空以442mph的飛行速度成功投下一顆250磅的惰性炸彈。2後續的X45-C設計用於防守，最大起飛重量26500磅，可掛載兩顆GBU-31聯合直接攻擊炸彈（JDAM）制導導彈。
美 國海軍無人戰鬥機 - 海軍（UCAV-N）計畫的樣機Northrop Grumman公司的X-47A飛馬與美國空軍無人戰鬥機（USAF UCAV）擔負相的使命。這是一架隱形無人戰鬥機，執行監視、打擊和壓制敵方空防任務，但只部署在航母上。X-47A飛馬無人機技術說明書顯示其最大起飛 重量為5500磅。X-47B機身長38.2英尺，翼展62.1英尺，最大起飛重量為44567磅，載重為4500磅，可掛載兩顆GBU-31 JDAM制導導彈。“X-47B與X-47A相比，續航時間更長、在航母上進行自主彈射起飛和降落過程中具有更強的生存能力和更好的低速空氣動力學飛行性 能。”2
2003 年4月UCAV計畫轉變為聯合無人空戰系統（J-UCAS）計畫，包括美國空軍的X-45C和美國海軍的X-47B。2006年X-45開發終止，聯合計 劃又改為美國海軍UCAS-N計畫。在官方2007情況簡報中，美國空軍聲稱：“所有無人機在指定的協調高度上執行任務時，必須有一套通用系統以實現便 捷、安全、無縫的操作”。2所指飛機包括美國空軍MQ-1“捕食者”，RQ-4“全球鷹”，MQ-9“死神”和美國海軍的廣域海上監視（BAMS）系統2。
美 國海軍陸戰隊的MQ-8BNorthrop Grumman公司“火力偵察兵”無人旋翼機于2002年開發，旨在遂行多種任務，具有自主著艦和艦上起飛能力，裝備光電/紅外系統、鐳射指示器，並為反 水雷裝置增加了載荷。此型無人機任務包括戰場管理、生化武器偵測、信號情報、電子戰、戰場搜救、通信和資料中繼、資訊戰、反艦導彈防禦和反潛。MQ-9B 是旋翼折疊時機長22.87英尺，旋翼直徑27英尺6英寸，總重3150磅。這是第一架可在移動艦船上降落的無人直升機，於2009年首次作戰部署2。
美國海軍陸戰隊的Insitu/波音公司“掃描鷹”無人機是一架大航時戰術偵察固定翼機。於2002年首次飛行，其24小時的續航能力遠大於其他相似尺寸的無人機。最大起飛重量為44磅，擁有自主飛行（按照預定航線）和艦載執行任務能力2。
美 國海軍的MQ-4C廣域海上監視（BAMS）是一種多用途無人機系統（UAS），可用于攻擊支援、信號情報以及通訊中繼。MQ-4C BAMS UAS的任務包括海上監視、敵方戰場資訊收集、戰場毀傷評估、港口監視、通信中繼，以及支援以下任務：海上封鎖、面上作戰、戰場管理、針對海上和濱海的打 擊任務。在2008年的合同裡，MQ-4C BAMS UAS採用一種Northrop Grumman的RQ-4全球鷹海軍改進型，裝備有360°多功能主動感測器（Multi-Function Active Sensor，MFAS），這種感測器是一種主動電掃描陣列雷達（active electronically scanned array ，AESA），以及海軍特製的地面站2。
4 架構進化
2003年，在美國國防高級研究規劃局（DARPA）的支持下——資助專案為軟體使能控制（Software Enabled Control，SEC），Samad和Balas3編輯了一部學術專著。在當時，軍用無人機只能靠預先程式設計或遙控操作。在SEC專案中，目標是使無人機“自動地執行高性能機動、動態調整路線、探測並規避威脅、辨識並校正故障、起飛降落、容忍極端環境變化…“。3在 SEC專案中，目的是將先進控制與一個由開放控制平臺（Open Control Platform，OCP）實現的先進計算集成起來，OCP使用商用現貨（COTS）元件和非專有介面。UAV控制應有一個線上優化引擎（問題求解算 法），由於飛機的即時快速動態特性，之前的此類演算法在計算上是無法實現的。Samad和Balas指出“當前的計算資源足以實現複雜的狀態和模型優化。”3
他 們同時觀察到，一個嚴格定義的層級架構可以實現功能分割，如任務再規劃、路線優化、威脅規避等，這些功能可以高效地集成但性能會有所損失。儘管如此，這些 層級結構仍會限制回應速度，因此他們建議尋找替代方案，如在生物學中所發現的那些。他們最壞的打算是——最終發現僅僅結合控制工程和電腦科學的研究將會 使UAV的操作方案變得複雜。
A. 開放控制平臺
Paunicka等11作 為SEC專案組成員提供了一個開放控制平臺（Open Control Platform，OCP），平臺帶有很多即時系統應用服務，可供控制工程師設計模擬。平臺採用一種隨插即用的設計，因此軟體元件可以由不同單位在不同的 時間進行開發。此由波音公司領導開發，並基於波音Bold Stroke軟體，中介軟體由華盛頓大學開發。
OCP是一種物件導向的軟體基礎構件，“提供一條將控制設計快速轉換為桌面或嵌入式目標代碼的路徑，它使得控制設計師可以專注于控制設計而非集成、通信、發佈、移植、執行、調度、系統組態和資源管理等軟體設計問題。”11OCP 的內核採用了公共物件請求代理架構（Common Object Request Broker Architecture，COBRA），它基於一個用於任務航電系統的即時嵌入式中間平臺及開放標準。
OCP包括：1）中介軟體基於即時CORBA (Copyright © 2002, Object Management Group, Inc.)，提供一個通信網路將物件按client/server關係連接至元件；2）模擬環境；3）工具集成支援；4）控制應用程式介面 （Application Programmer Interface ，API）。OCP中介軟體採用C++編寫，並提供一個publish/subscribe環境，可在主機或其他分散式運算機運行而不必修改原始程式碼。 CORBA也可以提供一個命名伺服器檢索並存儲指向移動元件的引用。此服務及其他如圖2所示11。波音使用了一個非常類似於CORBA的中介軟體在他們的F-15、F/A-18、AV-8B、T-45戰鬥機上，以及DARPA/USAF 無人作戰飛機（UCAV）。
圖2 OCP層級結構（2003）11
B.WITAS分散式UAV架構
Doherty等在2004年展示了“一種用於無人機實驗的分散式架構”4， 以支援智慧能力的開發。此分散式架構使用COBRA作為基礎構建用於隨插即用的軟硬體環境，並且基於一種以反應為中心（reactive concentric）的軟體控制方法。他們在瓦倫堡資訊技術及自主系統實驗室(WITAS)的無人機項目裡使用了此分散式架構。WITAS是一個小型 -UAV直升機，用於監測和監視、緊急救援援助、攝影服務和測量。實驗平臺是一架Yamaha RMAX，長度為11.81 ft，最大起飛載荷為209 lbs。他們最大的設計挑戰是控制系統有多個控制模式，可由架構啟動以動態調用。此設計的軟體架構包括一個慎思、反應和控制部分，因此不再是一個分層遞階 結構而是一個“以反應為中心”的架構。此反應中心的架構是一個高度分佈、鬆散耦合、併發的架構，具有很多反應控制和併發運行的服務進程。CORBA是一個 將物件和元件連接起來的中介軟體，它通過一個通訊服務建立client/server關係。圖3所示為WITAS架構的一些上層軟體元件。
圖 3 分散式UAV WITAS架構的軟體元件(2004)4
C.ARL/PSU智慧控制器
Sinsley、Long、Niessner和Horn 於20085探討了一種UAV軟體的既智慧又自主的基於行為的架構，Long等人9發 表了多個可用于無人機應用軟體架構的全面歷史回顧(1986-2002)（這些架構都缺乏學習能力）。2008UAV智慧系統軟體研究採用了賓夕法尼亞州 立大學應用研究實驗室的智慧控制器（IC）架構。此IC架構是一種基於行為（相對於基於模型）的架構，設計採用層級控制，由於從下至上的模式增加了功能複 雜性。它經過改進，以滿足協作能力的要求。圖4所示IC架構包含感知和回應模組。感知模組通過接收感測器的輸入資料建立一個外部真實世界的表示。回應模組 使用感知模組建立的真實世界的認知生成一個規劃，來執行特定任務。共分為三個層級，頂層為任務管理層，它回應中間層行為（如攻擊規劃實施）的控制請求。底 層行為層生成輸出指令（例如給自動駕駛儀、感測器、發送資訊）。只要不發生衝突，可執行多個行為。Long 等9指 出，IC架構的一些關鍵特性包括應對意外情況、自動即時動態規劃、態勢感知、常見的多機協作體系結構，以及列入新功能的靈活性和在任何層級可選的人機互 動。測試模型是一個固定翼的SIG Kadet Senior (總重14lbs)，具有穩定的飛行特性和緩慢的飛行速度。
圖4 ARL/PSU 智慧控制器高層架構(2008)5
IC架構的深入討論見Stover 和Kumar的“一種用於設計自主系統智慧控制器的基於行為架構”10。
D.SheLion UAV系統
Cai, G、Chen, B.和Lee, T.在《無人旋翼系統》6介 紹了一種行為式的架構，並用於設計他們的小型SheLion UAV，也可推廣用於更大的UAV。他們的軟體實現了以下功能，如硬體驅動、輸入/輸出、控制律實施、設備操作管理、多工調度以及事件調度。他們稱使用 了一種新型軟體系統/行為架構，為新的模組和控制功能提供了靈活性和可擴展性。他們指出此架構可以普遍應用到無人機,包括機載軟體系統和地面控制站的軟體 系統。
機上軟體系統使用一個即時操作系統(RTOS),其中包括一個飛行控制和一個視覺處理模組，基於航電系統的硬體設定如圖5所示。
圖5 SheLion UAV系統的硬體設定 (2011)6
飛行控制模組使用多執行緒框架，用於操作導航感測器和伺服作動器、日誌記錄飛行資料、與地面站通信以及實施自動控制演算法。自動控制採用基於行為的體系結構8。SheLion飛行控制系統的框架如圖6所示。
圖6 SheLion飛行控制軟體系統框架(2011)6
一 個類似的框架用於板載視覺電腦的即時影像處理。圖6飛行控制的軟體框架將每個設備或任務畫成框圖形式。NAV塊與GPS輔助姿態航向參考系統 (AHRS)進行交互,提供飛行測量資料並估計無法直接測量的飛行狀態(自動控制所必需的)。CTL塊實施自動飛行控制律。它由NAV塊所生成的全域共用 資料得到飛行狀態,根據飛行狀態執行控制演算法,並生成控制信號驅動伺服執行機構。任務管理使用多執行緒架構,在這種架構中,每個執行緒是一個單獨的任務。任務 調度由MAIN執行緒執行,由高精度計時器(納秒精度)發出一個脈衝信號,按照預定義的頻率啟動MAIN執行緒。根據功能的複雜性，分配給每個執行緒一個時間範圍/槽。
Cai等16使 用基於行為的飛行調度塊來區分不同的飛行模式。飛行計畫可以存儲在無人直升機的飛行調度塊裡或由地面站生成。任何無人機直升機的作業都被認為是帶有特定參 數的特定行為(如控制信號和執行時間限制)。分層控制系統塊(CTL)用於識別行為和實施相應的自動控制演算法,驅動伺服執行機構。
SheLion的地面控制站是一個監控和指揮無人直升機的無線使用者終端。在飛行測試中,資料由板載系統傳輸到地面站並顯示。SheLion地面控制站框架如圖7所示。
圖7 SheLion地面控制站軟體框架 (2011)7
5 未來無人機
根據2010年3月發佈的“資訊請求”（Request for Information ，RFI），美國海軍請求額外資訊用於一個無人艦載發射監視與攻擊(UCLASS) UAV，以此作為諾斯羅普•格魯曼 X-47B和飛馬座(Pegasus)UCAS-D的後續。負責情報優勢(N2/N6)的副海軍作戰部長（The Deputy Chief of Naval Operations，DCNO）已明確指出需要一種航母艦載機系統，以提供持續的情報、監視、偵查（ISR）以及精確打擊能力。海軍也對航母艦載作戰無人機系統能夠與有人機集成以加入航母航空聯隊的這一能力表示出興趣。
6 結論
在1940早期，美國空軍用作靶機後作為監視平臺的遙控無人機並沒有軟體架構。21世紀無人機的先驅者，AQM-34L 螢火蟲(1964-1975)，裝備有先進的技術裝備，如電子雷達干擾器以及AN/ALE-38箔條投放器，可以能夠即時電視圖像傳輸。
世紀之交的無人機，得益于衛星通訊能力以及電腦速度、演算法、即時操作系統、機電飛行控制、視覺/雷達系統、火控電腦等技術的發展。以上所有的第一代能力影響了軟體架構的發展。General Atomics的捕食者以及Northrop Grumman 的RQ-4全球鷹是這一類無人機的主要代表。全球鷹設計為完全程式控制，利用GPS實現從起飛至降落的全程自主作業。他們同時設計有常規的地面控制站。
21世紀的第二代無人機得益於第一代的技術進步以及有效載荷、目標鎖定、偵察和其他任務能力的顯著增強。相比於固定翼飛機，火力偵察兵作為一種旋翼無人機，其飛行控制更為複雜。火力偵察兵和X-47B設計用於艦面自主作業，這或許是對軟體架構的最大挑戰。美海軍的無人作戰飛機(UCAV) Northrop Grumman的X-47B飛馬座的設計用途為“長航時、高生存能力,和用於自主艦上起降的低速空氣動力飛行品質”2。
美國海軍的廣域海上監視(BAMS) MQ-4C是一種多用途無人機系統，可用于攻擊支援、信號情報以及通訊中繼。這是一種Northrop Grumman的RQ-4海軍改進型，裝備有360°多功能主動感測器（Multi-Function Active Sensor，MFAS），這種感測器是一種主動電掃描陣列雷達（active electronically scanned array ，AESA），以及海軍特製的地面站。
本文所研究的UAV採用了一種以下架構的組合方式，如圖1Garlan and Shaw1所總結的軟體架構所示——控制回路、層級、隱式調用以及黑板。具有層級結構的基於行為架構（vs.基於模型）即使不是最優的UAV軟體架構，也是最為流行的。使用即時系統以及自主控制器是當前的尖端科技。Samad與Balas在2003時預測道“計算資源目前足夠執行複雜的狀態和模型優化（用於飛行器的即時快速動態）”3。Doherty等使用CORBA /client server/distributed “具有多個交互控制和同步發生服務進程的架構” Sinsley、Long等5使用ARL/PSU智慧控制器開發了一個最接近於人工智慧軟體的飛行控制器，此控制器使用了基於行為的架構。一種形如Paunicka等人11的無人機CORBA/分層架構已經應用於艦載F/A-18飛機，應當也適合於未來的UCLASS自主艦上起降。以上為自1940年代的無線電（非軟體）控制直至最近的進進展。
美國國防部計畫在下個十年總計增加45%的UAV儲備13，並且有一個無人控制系統（Unmanned Control Systems）的控制部分工作小組（Control Segment Working Group）來建立一個無人機地面站的共同架構和開放標準14。美國海軍已經發佈一個資訊請求，需要在21世紀30年代用新的第六代戰鬥機來取代Boeing F/A-18E/F超黃蜂和EA-18G 咆哮者艦載機，取代者很有可能會是無人機。