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(jiān)管成為一個急需解決的問題?；?a class="innerlink" href="http://ihrv.cn/tags/數(shù)傳電臺" title="數(shù)傳電臺" target="_blank">數(shù)傳電臺和DSP開發(fā)技術，提出了一種可靠的低空監(jiān)視系統(tǒng)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(tǒng)的可靠性。
關鍵詞： 低空監(jiān)視；通用航空；數(shù)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(jīng)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(qū)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(jiān)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(fā)達國家采用如下兩種解決方案：
（1）ADS-B，即自動相關監(jiān)視廣播技術，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。國際民航組織將其確定為未來監(jiān)視技術發(fā)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(yōu)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。
?。?）基于衛(wèi)星通信設備，它通過GPS獲得定位信息，進而通過銥星、海事衛(wèi)星等通信手段把數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛嬲荆瑥亩鴮崿F(xiàn)監(jiān)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(wèi)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(jiān)管需求，提出一種基于數(shù)傳電臺的低成本監(jiān)視設備設計。
1 系統(tǒng)組成
基于數(shù)傳電臺的低空監(jiān)視設備系統(tǒng)原理方案如圖1所示。系統(tǒng)由機載端和地面端兩部分組成，機載端由DSP主板、GPS和數(shù)傳電臺組成，通過433 MHz頻段通信；地面端由地面站、數(shù)據(jù)存儲設備和客戶端應用組成，其中，地面站通過大功率數(shù)傳電臺接收轄區(qū)內機載監(jiān)視設備的信號，并且向機載監(jiān)視設備發(fā)送輪詢信號，處理接收到的定位信息，信息經(jīng)過以太網(wǎng)進入服務器存儲，并且提供給客戶端做實時監(jiān)控。
2 系統(tǒng)硬件設計
2.1 機載監(jiān)視設備
機載監(jiān)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(shù)傳電臺發(fā)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(xiàn)，考慮系統(tǒng)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(shù)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(jīng)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(shù)據(jù)處理工作，同時，數(shù)傳電臺把處理之后的數(shù)據(jù)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(jiān)視設備通信，并且通過輪詢方式接收各機載監(jiān)視設備發(fā)送的定位信息。主機采用嵌入式工控機，連接30 W功率數(shù)傳電臺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)軟件設計
3.1 軟件流程設計
地面站的監(jiān)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(wǎng)、脫網(wǎng)問題。其次，裝備有機載監(jiān)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(jiān)視才能保證整條航路的實時監(jiān)視，這就帶來了飛行器身份數(shù)據(jù)傳遞的問題?；谝陨蟽蓚€問題，提出系統(tǒng)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(jiān)視端在啟動之后，便不停地對外發(fā)送入網(wǎng)申請，一般情況下，離該機載端最近的地面站會收到其入網(wǎng)申請報文，地面站在查詢自己下屬名單之后，確認該機載監(jiān)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(fā)送入網(wǎng)許可報文，否則忽略請求。地面站在接收入網(wǎng)申請報文的同時根據(jù)點名列表不停輪詢列表中的機載監(jiān)視設備，輪到某機載監(jiān)視設備時，則向該設備發(fā)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(fā)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(xù)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(xiàn)了機載端入網(wǎng)脫網(wǎng)，地面站輪詢點名獲取實時態(tài)勢的功能。
地面站工控機采用Windows操作系統(tǒng)，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(jù)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(shù)傳電臺對通信報文進行收發(fā)。
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?？柭鼮V波是現(xiàn)代控制理論發(fā)展過程中產生的一種最優(yōu)估計技術，它是用于估計動態(tài)系統(tǒng)測量的一種較好的濾波方法[4]。應用步驟如下：
?。?）GPS誤差建模。GPS誤差包括距離誤差和速度誤差，通?？梢詫PS誤差模型取為：
其中，τf為時間常數(shù)；t和f為高斯白噪聲。
?。?）系統(tǒng)建模。飛行器的運動模型和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，用一個線性隨機微分方程來描述[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時刻的系統(tǒng)狀態(tài)，U（k）是k時刻對系統(tǒng)的控制量，A、B是系統(tǒng)參數(shù)，Z（k）為k時刻的測量值，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)上一時刻的飛行器的態(tài)勢信息預測下一時刻的狀態(tài)。假設系統(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）
結合預測值和測量值，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算下去。經(jīng)過卡爾曼濾波的GPS位置信息，不會出現(xiàn)因衛(wèi)星通信不暢問題造成的錯碼現(xiàn)象，大大提高了數(shù)據(jù)的可用性。
4 實驗與總結
為了驗證系統(tǒng)的功能和性能，進行了兩次不同地理環(huán)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(huán)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(yè)飛行較為規(guī)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(qū)實驗地理環(huán)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(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 結論
基于DSP開發(fā)技術，給出一種采用數(shù)傳電臺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，實時監(jiān)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(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。
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(wèi)星的定位系統(tǒng)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(tǒng)的開發(fā)[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(tài)定位[J].測繪通報，2006（7）：6-8.