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://forexkbc.com/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(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,。通過實驗驗證了系統(tǒng)的可靠性。

　　關(guān)鍵詞： 低空監(jiān)視,；通用航空,；數(shù)傳電臺；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(nèi)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(wù)人員,，如何實時監(jiān)控自己飛行器的位置也成為開展航務(wù)工作的一個技術(shù)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：

　?。?）ADS-B，即自動相關(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)用還處在初級階段,，其優(yōu)勢是屬于國際民航推薦的標準，但是機載設(shè)備昂貴,，地面站選址難,，建設(shè)成本高。

　?。?）基于衛(wèi)星通信設(shè)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?，從而實現(xiàn)監(jiān)視的目的[2]。此類產(chǎn)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(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)傳電臺的低成本監(jiān)視設(shè)備設(shè)計。

1 系統(tǒng)組成

　　基于數(shù)傳電臺的低空監(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(shè)備和客戶端應(yīng)用組成,，其中,，地面站通過大功率數(shù)傳電臺接收轄區(qū)內(nèi)機載監(jiān)視設(shè)備的信號，并且向機載監(jiān)視設(shè)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(wù)器存儲，并且提供給客戶端做實時監(jiān)控。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　2.1 機載監(jiān)視設(shè)備

　　機載監(jiān)視設(shè)備主要負責(zé)接收GPS定位信息,，并響應(yīng)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(shè)備組成原理圖如圖2所示,。

　　設(shè)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(jié)構(gòu),，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(shè)備接口不同，需要兩個串口做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,、定位時間等信息的GPS報文通過232串口接入TMS320F2812，TMS320F2812進行相應(yīng)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(yīng)地面站的其他請求,。

　　2.2 地面站

　　地面站主要負責(zé)與機載監(jiān)視設(shè)備通信,，并且通過輪詢方式接收各機載監(jiān)視設(shè)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(shè)計

　　3.1 軟件流程設(shè)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(nèi)，當(dāng)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(shè)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,。基于以上兩個問題,，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(shè)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(shè)備,，輪到某機載監(jiān)視設(shè)備時，則向該設(shè)備發(fā)送點名報文,，機載端在接收到點名報文之后,，則回復(fù)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(yīng)，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(diào)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(zé)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(yù)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(chǎn)生的一種最優(yōu)估計技術(shù),，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(yīng)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(yù)測下一時刻的狀態(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(jié)

　　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(jié)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(wù)多為訓(xùn)練飛行，會進行各類訓(xùn)練科目,，山的遮擋和機動動作等因素導(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(shù)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(chǔ),。

參考文獻

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　　[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無刷直流伺服電機控制系統(tǒng)的開發(fā)[J].常州大學(xué)學(xué)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(dǎo)火箭彈中的應(yīng)用[J].南京理工大學(xué)學(xué)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.