摘  要： 隨著國家低空開放的進度加快，如何進行有效的低空空域監管成為一個急需解決的問題。基于數傳電臺和DSP開發技術，提出了一種可靠的低空監視系統解決方案，結合卡爾曼濾波算法，提高了定位精度和位置預估水平。通過實驗驗證了系統的可靠性。

　　關鍵詞： 低空監視；通用航空；數傳電臺；DSP

0 引言

　　隨著低空開放的逐步推進，小型民用機場及直升機起降點越來越多，同時，低空飛行器進行的飛行活動也逐漸增多，低空開放在成為新的經濟增長點的同時也帶來了安全問題。作為管制單位，如何保證轄區內的低空飛行器可見，已成為一個急需解決的問題。而作為航空公司的航務人員，如何實時監控自己飛行器的位置也成為開展航務工作的一個技術難題。

　　針對以上問題，國際上通用航空發達國家采用如下兩種解決方案：

　　（1）ADS-B，即自動相關監視廣播技術，它是利用空地、空空數據通信完成交通監視和信息傳遞的一種航行新技術。國際民航組織將其確定為未來監視技術發展的主要方向[1]。ADS-B目前在國內應用還處在初級階段，其優勢是屬于國際民航推薦的標準，但是機載設備昂貴，地面站選址難，建設成本高。

　　（2）基于衛星通信設備，它通過GPS獲得定位信息，進而通過銥星、海事衛星等通信手段把數據傳輸到地面站，從而實現監視的目的[2]。此類產品相對ADS-B來說硬件成本更低，但是由于衛星通信資費比較昂貴，所以并不適合在國內通航領域推廣。

　　基于以上總結，結合國內通用航空低空監管需求，提出一種基于數傳電臺的低成本監視設備設計。

1 系統組成

　　基于數傳電臺的低空監視設備系統原理方案如圖1所示。系統由機載端和地面端兩部分組成，機載端由DSP主板、GPS和數傳電臺組成，通過433 MHz頻段通信；地面端由地面站、數據存儲設備和客戶端應用組成，其中，地面站通過大功率數傳電臺接收轄區內機載監視設備的信號，并且向機載監視設備發送輪詢信號，處理接收到的定位信息，信息經過以太網進入服務器存儲，并且提供給客戶端做實時監控。

2 系統硬件設計

　　2.1 機載監視設備

　　機載監視設備主要負責接收GPS定位信息，并響應地面站的輪詢信號，通過數傳電臺發送定位信息給地面站，設備組成原理圖如圖2所示。

　　設備基于DSP實現，考慮系統的控制需求，DSP采用TI的TMS320F2812芯片，TMS320F2812采用改進的哈佛結構，8級流水線操作，運算速度達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，運算速度快[3]。機載端使用兩個TTL電平串口，其中一個串口連接高精度GPS，另一個連接數傳電臺。由于設備接口不同，需要兩個串口做TTL-232電平轉換，TTL轉232部分電路圖如圖3所示。

　　高精度GPS把包含飛行器經度、緯度、高度、航速、航向、定位時間等信息的GPS報文通過232串口接入TMS320F2812，TMS320F2812進行相應的解析和數據處理工作，同時，數傳電臺把處理之后的數據傳入地面站，并響應地面站的其他請求。

　　2.2 地面站

　　地面站主要負責與機載監視設備通信，并且通過輪詢方式接收各機載監視設備發送的定位信息。主機采用嵌入式工控機，連接30 W功率數傳電臺并配備全向高增益天線。系統原理圖如圖4所示。

3 系統軟件設計

　　3.1 軟件流程設計

　　地面站的監控距離在一定地理條件下保持在有限范圍內，當需要覆蓋足夠大的范圍時，就需要在不同地點部署足夠多的地面站，這就帶來了管轄范圍劃分以及機載端入網、脫網問題。其次，裝備有機載監視設備的飛行器從一個地點飛到另一個地點，需要沿途不同的地面站的監視才能保證整條航路的實時監視，這就帶來了飛行器身份數據傳遞的問題。基于以上兩個問題，提出系統處理流程。機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。

　　機載監視端在啟動之后，便不停地對外發送入網申請，一般情況下，離該機載端最近的地面站會收到其入網申請報文，地面站在查詢自己下屬名單之后，確認該機載監視設備是否歸自己管轄，若歸自己管轄則將其加入到點名列表中，同時給機載端發送入網許可報文，否則忽略請求。地面站在接收入網申請報文的同時根據點名列表不停輪詢列表中的機載監視設備，輪到某機載監視設備時，則向該設備發送點名報文，機載端在接收到點名報文之后，則回復最新的位置報文，若因通信等因素造成發送不成功，地面站則在超過一定時限后認為該機載端通信不暢，若連續N次點名均未得到回應，則認為該機載端已離開地面站的管轄范圍，地面站則將該機載端從點名名單中剔除。如此，便實現了機載端入網脫網，地面站輪詢點名獲取實時態勢的功能。

　　地面站工控機采用Windows操作系統，軟件基于C#語言，機載端軟件基于C語言，通過TMS320F2812仿真器完成調試工作。機載端包括定位和通信兩個模塊。定位模塊功能為接收GPS信息，同時根據GPS報文格式解析報文；通信模塊主要負責與地面站的交互，通過串口操作數傳電臺對通信報文進行收發。

　　3.2 機載端定位誤差消除算法

　　為了提高GPS的定位準確性以及在丟失GPS信號時進行飛行器位置預估，在定位模塊里添加了卡爾曼濾波算法。卡爾曼濾波是現代控制理論發展過程中產生的一種最優估計技術，它是用于估計動態系統測量的一種較好的濾波方法[4]。應用步驟如下：

　　（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為時間常數；t和f為高斯白噪聲。

　　（2）系統建模。飛行器的運動模型和GPS誤差模型組合，便是系統的狀態模型，根據卡爾曼濾波算法，用一個線性隨機微分方程來描述[5]：

　　X（k）=AX（k-1）+BU（k）+W（k）

　　系統測量值：

　　Z（k）=HX（k）+V（k）

　　其中，X（k）為k時刻的系統狀態，U（k）是k時刻對系統的控制量，A、B是系統參數，Z（k）為k時刻的測量值，H是測量系統參數，W（k）和V（k）為噪聲。

　　根據卡爾曼濾波原理，可以根據上一時刻的飛行器的態勢信息預測下一時刻的狀態。假設系統狀態是k，根據系統模型，現在狀態為：

　　X（k|k-1）=AX（k-1|k-1）+BU（k）

　　結合預測值和測量值，可以得到現在狀態k的最優化估算值。

　　為了讓GPS的定位信息可以不停地得到優化，則需更新k狀態下的置信度，如此循環，就可以不停地回歸運算下去。經過卡爾曼濾波的GPS位置信息，不會出現因衛星通信不暢問題造成的錯碼現象，大大提高了數據的可用性。

4 實驗與總結

　　為了驗證系統的功能和性能，進行了兩次不同地理環境下的實驗，實驗結果如表1所示。

　　平原實驗選址在草原進行，地勢平坦，氣象條件較為理想，由于實驗環境較為空曠，且無電磁干擾，通信距離較遠，而且由于探礦作業飛行較為規則，無特殊的機動動作，故不存在天線遮擋問題，所以達到了良好的實驗效果。

　　山區實驗地理環境較為惡劣，且該機場飛行任務多為訓練飛行，會進行各類訓練科目，山的遮擋和機動動作等因素導致通信鏈路出現了較多的斷鏈問題。此問題將在下一步的工作中繼續研究。

5 結論

　　基于DSP開發技術，給出一種采用數傳電臺作為通信手段的低空監視系統，為保障低空飛行器安全，實時監控管制低空飛行器提供了可行的技術手段，通過實驗，證明了系統的可用性和可靠性，也為下一步建立低空空域監管體系奠定了基礎。

參考文獻

　　[1] 劉國鋒.簡述ADS-B IN技術在中國的應用前景[J].電腦知識與技術，2012，8（3）：704-706.

　　[2] 艾國祥，施滸立.基于通信衛星的定位系統原理[J].中國科學，2008，38（12）：1615-1633.

　　[3] 孟凡菲，王文君，俞竹青.基于DSP2812無刷直流伺服電機控制系統的開發[J].常州大學學報，2010，22（2）：42-44.

　　[4] 丁傳炳，王良明，常思江，等.卡爾曼濾波在GPS制導火箭彈中的應用[J].南京理工大學學報，2010，34（2）：157-160.

　　[5] 蔡艷輝，程鵬飛，李夕銀.用卡爾曼濾波進行GPS動態定位[J].測繪通報，2006（7）：6-8.