摘 要： 隨著國家低空開放的進(jìn)度加快，如何進(jìn)行有效的低空空域監(jiān)管成為一個(gè)急需解決的問題。基于數(shù)傳電臺(tái)和DSP開發(fā)技術(shù)，提出了一種可靠的低空監(jiān)視系統(tǒng)解決方案，結(jié)合卡爾曼濾波算法，提高了定位精度和位置預(yù)估水平。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性。
關(guān)鍵詞： 低空監(jiān)視；通用航空；數(shù)傳電臺(tái)；DSP
0 引言
隨著低空開放的逐步推進(jìn)，小型民用機(jī)場及直升機(jī)起降點(diǎn)越來越多，同時(shí)，低空飛行器進(jìn)行的飛行活動(dòng)也逐漸增多，低空開放在成為新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)的同時(shí)也帶來了安全問題。作為管制單位，如何保證轄區(qū)內(nèi)的低空飛行器可見，已成為一個(gè)急需解決的問題。而作為航空公司的航務(wù)人員，如何實(shí)時(shí)監(jiān)控自己飛行器的位置也成為開展航務(wù)工作的一個(gè)技術(shù)難題。
針對(duì)以上問題，國際上通用航空發(fā)達(dá)國家采用如下兩種解決方案：
（1）ADS-B，即自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視廣播技術(shù)，它是利用空地、空空數(shù)據(jù)通信完成交通監(jiān)視和信息傳遞的一種航行新技術(shù)。國際民航組織將其確定為未來監(jiān)視技術(shù)發(fā)展的主要方向[1]。ADS-B目前在國內(nèi)應(yīng)用還處在初級(jí)階段，其優(yōu)勢是屬于國際民航推薦的標(biāo)準(zhǔn)，但是機(jī)載設(shè)備昂貴，地面站選址難，建設(shè)成本高。
（2）基于衛(wèi)星通信設(shè)備，它通過GPS獲得定位信息，進(jìn)而通過銥星、海事衛(wèi)星等通信手段把數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛嬲荆瑥亩鴮?shí)現(xiàn)監(jiān)視的目的[2]。此類產(chǎn)品相對(duì)ADS-B來說硬件成本更低，但是由于衛(wèi)星通信資費(fèi)比較昂貴，所以并不適合在國內(nèi)通航領(lǐng)域推廣。
基于以上總結(jié)，結(jié)合國內(nèi)通用航空低空監(jiān)管需求，提出一種基于數(shù)傳電臺(tái)的低成本監(jiān)視設(shè)備設(shè)計(jì)。
1 系統(tǒng)組成
基于數(shù)傳電臺(tái)的低空監(jiān)視設(shè)備系統(tǒng)原理方案如圖1所示。系統(tǒng)由機(jī)載端和地面端兩部分組成，機(jī)載端由DSP主板、GPS和數(shù)傳電臺(tái)組成，通過433 MHz頻段通信；地面端由地面站、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備和客戶端應(yīng)用組成，其中，地面站通過大功率數(shù)傳電臺(tái)接收轄區(qū)內(nèi)機(jī)載監(jiān)視設(shè)備的信號(hào)，并且向機(jī)載監(jiān)視設(shè)備發(fā)送輪詢信號(hào)，處理接收到的定位信息，信息經(jīng)過以太網(wǎng)進(jìn)入服務(wù)器存儲(chǔ)，并且提供給客戶端做實(shí)時(shí)監(jiān)控。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 機(jī)載監(jiān)視設(shè)備
機(jī)載監(jiān)視設(shè)備主要負(fù)責(zé)接收GPS定位信息，并響應(yīng)地面站的輪詢信號(hào)，通過數(shù)傳電臺(tái)發(fā)送定位信息給地面站，設(shè)備組成原理圖如圖2所示。
設(shè)備基于DSP實(shí)現(xiàn)，考慮系統(tǒng)的控制需求，DSP采用TI的TMS320F2812芯片，TMS320F2812采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，8級(jí)流水線操作，運(yùn)算速度達(dá)150 MHz，集事件管理模塊、SCI模塊、SPI模塊、A/D模塊、CAN模塊等為一體，集成度高，運(yùn)算速度快[3]。機(jī)載端使用兩個(gè)TTL電平串口，其中一個(gè)串口連接高精度GPS，另一個(gè)連接數(shù)傳電臺(tái)。由于設(shè)備接口不同，需要兩個(gè)串口做TTL-232電平轉(zhuǎn)換，TTL轉(zhuǎn)232部分電路圖如圖3所示。
高精度GPS把包含飛行器經(jīng)度、緯度、高度、航速、航向、定位時(shí)間等信息的GPS報(bào)文通過232串口接入TMS320F2812，TMS320F2812進(jìn)行相應(yīng)的解析和數(shù)據(jù)處理工作，同時(shí)，數(shù)傳電臺(tái)把處理之后的數(shù)據(jù)傳入地面站，并響應(yīng)地面站的其他請求。
2.2 地面站
地面站主要負(fù)責(zé)與機(jī)載監(jiān)視設(shè)備通信，并且通過輪詢方式接收各機(jī)載監(jiān)視設(shè)備發(fā)送的定位信息。主機(jī)采用嵌入式工控機(jī)，連接30 W功率數(shù)傳電臺(tái)并配備全向高增益天線。系統(tǒng)原理圖如圖4所示。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1 軟件流程設(shè)計(jì)
地面站的監(jiān)控距離在一定地理?xiàng)l件下保持在有限范圍內(nèi)，當(dāng)需要覆蓋足夠大的范圍時(shí)，就需要在不同地點(diǎn)部署足夠多的地面站，這就帶來了管轄范圍劃分以及機(jī)載端入網(wǎng)、脫網(wǎng)問題。其次，裝備有機(jī)載監(jiān)視設(shè)備的飛行器從一個(gè)地點(diǎn)飛到另一個(gè)地點(diǎn)，需要沿途不同的地面站的監(jiān)視才能保證整條航路的實(shí)時(shí)監(jiān)視，這就帶來了飛行器身份數(shù)據(jù)傳遞的問題。基于以上兩個(gè)問題，提出系統(tǒng)處理流程。機(jī)載端軟件流程圖如圖5所示。地面站軟件流程圖如圖6所示。
機(jī)載監(jiān)視端在啟動(dòng)之后，便不停地對(duì)外發(fā)送入網(wǎng)申請，一般情況下，離該機(jī)載端最近的地面站會(huì)收到其入網(wǎng)申請報(bào)文，地面站在查詢自己下屬名單之后，確認(rèn)該機(jī)載監(jiān)視設(shè)備是否歸自己管轄，若歸自己管轄則將其加入到點(diǎn)名列表中，同時(shí)給機(jī)載端發(fā)送入網(wǎng)許可報(bào)文，否則忽略請求。地面站在接收入網(wǎng)申請報(bào)文的同時(shí)根據(jù)點(diǎn)名列表不停輪詢列表中的機(jī)載監(jiān)視設(shè)備，輪到某機(jī)載監(jiān)視設(shè)備時(shí)，則向該設(shè)備發(fā)送點(diǎn)名報(bào)文，機(jī)載端在接收到點(diǎn)名報(bào)文之后，則回復(fù)最新的位置報(bào)文，若因通信等因素造成發(fā)送不成功，地面站則在超過一定時(shí)限后認(rèn)為該機(jī)載端通信不暢，若連續(xù)N次點(diǎn)名均未得到回應(yīng)，則認(rèn)為該機(jī)載端已離開地面站的管轄范圍，地面站則將該機(jī)載端從點(diǎn)名名單中剔除。如此，便實(shí)現(xiàn)了機(jī)載端入網(wǎng)脫網(wǎng)，地面站輪詢點(diǎn)名獲取實(shí)時(shí)態(tài)勢的功能。
地面站工控機(jī)采用Windows操作系統(tǒng)，軟件基于C#語言，機(jī)載端軟件基于C語言，通過TMS320F2812仿真器完成調(diào)試工作。機(jī)載端包括定位和通信兩個(gè)模塊。定位模塊功能為接收GPS信息，同時(shí)根據(jù)GPS報(bào)文格式解析報(bào)文；通信模塊主要負(fù)責(zé)與地面站的交互，通過串口操作數(shù)傳電臺(tái)對(duì)通信報(bào)文進(jìn)行收發(fā)。
3.2 機(jī)載端定位誤差消除算法
為了提高GPS的定位準(zhǔn)確性以及在丟失GPS信號(hào)時(shí)進(jìn)行飛行器位置預(yù)估，在定位模塊里添加了卡爾曼濾波算法。卡爾曼濾波是現(xiàn)代控制理論發(fā)展過程中產(chǎn)生的一種最優(yōu)估計(jì)技術(shù)，它是用于估計(jì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)測量的一種較好的濾波方法[4]。應(yīng)用步驟如下：
（1）GPS誤差建模。GPS誤差包括距離誤差和速度誤差，通常可以將GPS誤差模型取為：
其中，τf為時(shí)間常數(shù)；t和f為高斯白噪聲。
（2）系統(tǒng)建模。飛行器的運(yùn)動(dòng)模型和GPS誤差模型組合，便是系統(tǒng)的狀態(tài)模型，根據(jù)卡爾曼濾波算法，用一個(gè)線性隨機(jī)微分方程來描述[5]：
X（k）=AX（k-1）+BU（k）+W（k）
系統(tǒng)測量值：
Z（k）=HX（k）+V（k）
其中，X（k）為k時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài)，U（k）是k時(shí)刻對(duì)系統(tǒng)的控制量，A、B是系統(tǒng)參數(shù)，Z（k）為k時(shí)刻的測量值，H是測量系統(tǒng)參數(shù)，W（k）和V（k）為噪聲。
根據(jù)卡爾曼濾波原理，可以根據(jù)上一時(shí)刻的飛行器的態(tài)勢信息預(yù)測下一時(shí)刻的狀態(tài)。假設(shè)系統(tǒng)狀態(tài)是k，根據(jù)系統(tǒng)模型，現(xiàn)在狀態(tài)為：
X（k|k-1）=AX（k-1|k-1）+BU（k）
結(jié)合預(yù)測值和測量值，可以得到現(xiàn)在狀態(tài)k的最優(yōu)化估算值。
為了讓GPS的定位信息可以不停地得到優(yōu)化，則需更新k狀態(tài)下的置信度，如此循環(huán)，就可以不停地回歸運(yùn)算下去。經(jīng)過卡爾曼濾波的GPS位置信息，不會(huì)出現(xiàn)因衛(wèi)星通信不暢問題造成的錯(cuò)碼現(xiàn)象，大大提高了數(shù)據(jù)的可用性。
4 實(shí)驗(yàn)與總結(jié)
為了驗(yàn)證系統(tǒng)的功能和性能，進(jìn)行了兩次不同地理環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。
平原實(shí)驗(yàn)選址在草原進(jìn)行，地勢平坦，氣象條件較為理想，由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境較為空曠，且無電磁干擾，通信距離較遠(yuǎn)，而且由于探礦作業(yè)飛行較為規(guī)則，無特殊的機(jī)動(dòng)動(dòng)作，故不存在天線遮擋問題，所以達(dá)到了良好的實(shí)驗(yàn)效果。
山區(qū)實(shí)驗(yàn)地理環(huán)境較為惡劣，且該機(jī)場飛行任務(wù)多為訓(xùn)練飛行，會(huì)進(jìn)行各類訓(xùn)練科目，山的遮擋和機(jī)動(dòng)動(dòng)作等因素導(dǎo)致通信鏈路出現(xiàn)了較多的斷鏈問題。此問題將在下一步的工作中繼續(xù)研究。
5 結(jié)論
基于DSP開發(fā)技術(shù)，給出一種采用數(shù)傳電臺(tái)作為通信手段的低空監(jiān)視系統(tǒng)，為保障低空飛行器安全，實(shí)時(shí)監(jiān)控管制低空飛行器提供了可行的技術(shù)手段，通過實(shí)驗(yàn)，證明了系統(tǒng)的可用性和可靠性，也為下一步建立低空空域監(jiān)管體系奠定了基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn)
[1] 劉國鋒.簡述ADS-B IN技術(shù)在中國的應(yīng)用前景[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2012，8（3）：704-706.
[2] 艾國祥，施滸立.基于通信衛(wèi)星的定位系統(tǒng)原理[J].中國科學(xué)，2008，38（12）：1615-1633.
[3] 孟凡菲，王文君，俞竹青.基于DSP2812無刷直流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)的開發(fā)[J].常州大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，22（2）：42-44.
[4] 丁傳炳，王良明，常思江，等.卡爾曼濾波在GPS制導(dǎo)火箭彈中的應(yīng)用[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，34（2）：157-160.
[5] 蔡艷輝，程鵬飛，李夕銀.用卡爾曼濾波進(jìn)行GPS動(dòng)態(tài)定位[J].測繪通報(bào)，2006（7）：6-8.