“北斗”導(dǎo)航系統(tǒng)和無線電臺(tái)在無人機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用?

王爾申，張述杰，雷虹，孫延鵬

（1.沈陽航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，沈陽110136；2.電磁環(huán)境效應(yīng)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽110035）

“北斗”導(dǎo)航系統(tǒng)和無線電臺(tái)在無人機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用?

王爾申1，??，張述杰1，雷虹2，孫延鵬1

（1.沈陽航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，沈陽110136；2.電磁環(huán)境效應(yīng)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽110035）

針對GPS系統(tǒng)為美國軍方控制的現(xiàn)狀，研究了以我國已具備區(qū)域?qū)Ш蕉ㄎ坏哪芰Φ摹氨倍贰毙l(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和無線數(shù)傳電臺(tái)為核心的無人機(jī)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)以MSP430系列處理器為控制單元，利用UM220“北斗”導(dǎo)航接收機(jī)獲取無人機(jī)的狀態(tài)信息，通過無線數(shù)傳電臺(tái)EL805將機(jī)載信息發(fā)送至地面監(jiān)控中心以及接收地面監(jiān)控中心的控制指令，并利用虛擬儀器軟件LabVIEW開發(fā)無人機(jī)監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)飛行姿態(tài)的監(jiān)控。引入范數(shù)的概念對“北斗”導(dǎo)航定位性能進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)測試表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，人機(jī)交互界面良好，信息化程度較高。本研究對擺脫GPS，利用“北斗”實(shí)現(xiàn)無人機(jī)和通用航空飛機(jī)的導(dǎo)航和監(jiān)控具有一定的參考價(jià)值。

無人機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)；“北斗”導(dǎo)航系統(tǒng)；數(shù)傳電臺(tái)；監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

1 引言

無人飛機(jī)（UAV），包括無人作戰(zhàn)飛機(jī)（UCAV）是當(dāng)今世界軍用武器發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)。由于無人機(jī)具有低成本、輕結(jié)構(gòu)、高隱身、長航時(shí)等特點(diǎn)，并且是以無線電遙控或由自身程序控制為主的不載人飛機(jī)，能攜帶各種任務(wù)載荷，其在軍用和民用領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用［1］。在無人機(jī)各系統(tǒng)中，作為關(guān)鍵技術(shù)之一的導(dǎo)航系統(tǒng)，為其實(shí)現(xiàn)自主飛行、完成各種作戰(zhàn)任務(wù)提供了重要保證。國外無人機(jī)一般采用GPS與其他導(dǎo)航系統(tǒng)組合來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航，如美國“全球鷹”和“捕食者”都采用慣性／衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)。由于GPS由美國國防部控制，其他國家采用GPS在很多方面都受制于人，尤其在未來戰(zhàn)爭應(yīng)用中會(huì)存在巨大的潛在危險(xiǎn)［2］。

BD－2衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)于2012年12月27日起正式提供導(dǎo)航服務(wù)，服務(wù)范圍涵蓋亞太大部分地區(qū)，提供定位、測速、授時(shí)服務(wù)，定位精度為10 m，測速精度0.2 m／s，授時(shí)精度50 ns?！氨倍贰倍鷮?dǎo)航系統(tǒng)在測繪、交通以及低空空域監(jiān)管系統(tǒng)中都有廣泛的應(yīng)用前景［3－4］。

本文以研究的無人機(jī)為應(yīng)用背景，對“北斗”和無線數(shù)傳電臺(tái)構(gòu)成的無人機(jī)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，系統(tǒng)具有低功耗、重量輕、便于擴(kuò)展的特點(diǎn)。同時(shí)，由于采用的LabVIEW軟件設(shè)計(jì)地面站，具有開發(fā)靈活方便、界面豐富等特點(diǎn)。設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)在我校通用航空重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究的無人機(jī)測試中進(jìn)行了應(yīng)用。

2 無人機(jī)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

無人機(jī)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)主要是采集飛機(jī)的飛行姿態(tài)參數(shù)、傳感器狀態(tài)以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的參數(shù)，并在地面監(jiān)控中心對相關(guān)信息處理后，發(fā)送相關(guān)指令控制飛機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)等。其組成主要包括電源系統(tǒng)、機(jī)載系統(tǒng)和地面系統(tǒng)，機(jī)載系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)鏈路、“北斗”導(dǎo)航接收機(jī)等；地面系統(tǒng)包括地面控制站（數(shù)據(jù)鏈路終端、地面站配套軟件及硬件），完成與機(jī)載系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信。系統(tǒng)各個(gè)組成部分通過總線進(jìn)行通信，機(jī)載系統(tǒng)與地面系統(tǒng)通過無線鏈路進(jìn)行通信［5］。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。分別供電，需要多個(gè)電源轉(zhuǎn)換器進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。本電源電路將鋰電池輸出的28 V電壓通過開關(guān)電源轉(zhuǎn)換為12 V電壓，采用線性穩(wěn)壓器得到5 V電壓，為“北斗”接收機(jī)和數(shù)據(jù)鏈電臺(tái)提供電源。在電源設(shè)計(jì)時(shí)采用濾波和吸收方法來抑制電源引入的干擾［6］。主控模塊是機(jī)載終端的核心，負(fù)責(zé)完成定位數(shù)據(jù)采集與傳輸控制模塊工作，設(shè)計(jì)中選擇功耗較低以及有良好可擴(kuò)展性的TI公司的MSP430F149微控制器。

定位模塊為機(jī)載終端提供有效準(zhǔn)確的位置、狀態(tài)信息。考慮到目前GNSS四大系統(tǒng)GPS、GLONASS、GALILEO和Beidou的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)中選擇我國自主研發(fā)的“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)作為導(dǎo)航定位接收模塊。目前我國“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已發(fā)射16顆衛(wèi)星，覆蓋范圍包括我國全境在內(nèi)的亞太大部分地區(qū)，除了具有導(dǎo)航定位授時(shí)功能外，“北斗”系統(tǒng)還具備雙向短報(bào)文傳輸功能，有利于系統(tǒng)功能的擴(kuò)展。本設(shè)計(jì)中選用UM220型號(hào)的“北斗”導(dǎo)航OEM模塊，此模塊通過RS232串口與主控模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

無線數(shù)傳電臺(tái)在無人機(jī)系統(tǒng)中占有非常重要的地位，用于實(shí)現(xiàn)無人機(jī)和地面站之間的信息傳輸。采用MDS的TransNET900的EL805，該模塊采用跳頻擴(kuò)頻技術(shù)，具有接收靈敏度高、抗干擾和保密性強(qiáng)的特點(diǎn)。同時(shí)，無線數(shù)傳模塊EL805可進(jìn)行組網(wǎng)設(shè)計(jì)，有利于實(shí)現(xiàn)無人機(jī)編隊(duì)控制，具有較強(qiáng)的擴(kuò)展功能。

2.2 地面站系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

地面站主要由無線數(shù)傳電臺(tái)和地面站計(jì)算機(jī)組成，并配備地面站系統(tǒng)軟件。其中，地面站軟件基于LabVIEW軟件開發(fā)而成，實(shí)現(xiàn)包括飛機(jī)狀態(tài)監(jiān)控、航跡規(guī)劃、電子地圖、指令發(fā)送、狀態(tài)監(jiān)測等功能。本文只涉及飛機(jī)狀態(tài)監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)。地面站選用的無線數(shù)傳電臺(tái)與機(jī)載終端無線電臺(tái)相同，在工作中需要對其進(jìn)行設(shè)置，關(guān)于無線數(shù)傳電臺(tái)的設(shè)置在文中第4部分中進(jìn)行說明。

圖1 無人機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)原理框圖Fig.1 General architecture of the UAV monitoring system

3 LabVIEW地面站監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)載終端系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

機(jī)載終端由主控模塊、定位模塊、數(shù)傳模塊和電源模塊組成。機(jī)載系統(tǒng)中電子設(shè)備的種類繁多，設(shè)備內(nèi)部電路的供電需求各異，加上大電流與小電流電源

無人機(jī)地面站監(jiān)控軟件依托由美國國家儀器公司推出的虛擬儀器軟件LabVIEW設(shè)計(jì)而成，Lab-VIEW軟件突出特點(diǎn)是圖形化編程環(huán)境，編程方便，界面友好直觀。利用LabVIEW設(shè)計(jì)的軟件處理程序?qū)崿F(xiàn)多種功能，包括串口通信、接收數(shù)據(jù)以txt格式存儲(chǔ)、飛行參數(shù)顯示、“北斗”定位可用性計(jì)算、定位精度評價(jià)參數(shù)顯示及地面指令發(fā)送等。

圖2和圖3給出了無人機(jī)地面站監(jiān)控軟件的部分LabVIEW程序框圖。LabVIEW的函數(shù)庫中提供了串口的操作控件，可實(shí)現(xiàn)串口的讀寫等操作。在對串口進(jìn)行讀寫操作之前，先對串口進(jìn)行配置，包括串口號(hào)、波特率、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位、停止位等。圖2給出了利用串口控件設(shè)計(jì)的串口通信程序。圖3對北斗接收機(jī)輸出的＄BDGGA語句進(jìn)行參數(shù)提取，將獲取的經(jīng)緯度、可用星數(shù)量以及高度信息顯示在軟件的前面板文本框中。

圖2 串口通信程序框圖Fig.2 Block diagram of serial communication program

圖3 飛行參數(shù)獲取與顯示程序框圖Fig.3 Block diagram of the flight parameters acquisition and display program

無人機(jī)地面監(jiān)控軟件LabVIEW前面板如圖4所示，圖中給出了獲取的Beidou接收機(jī)相關(guān)參數(shù)的顯示結(jié)果，包括顯示當(dāng)前的定位狀態(tài)、經(jīng)緯度、高度、速度、時(shí)間、日期、可見衛(wèi)星數(shù)及用于定位的衛(wèi)星數(shù)目、幾何精度因子（DOP）值。同時(shí)，可以分析“北斗”導(dǎo)航系統(tǒng)的定位可用性等參數(shù)值，可以實(shí)時(shí)了解Beidou導(dǎo)航定位系統(tǒng)的定位性能。

Beidou定位的可用性通過計(jì)算一維定位、二維定位、三維定位時(shí)間的百分比，即可以得到Beidou信號(hào)的可用性。Beidou分別處于一維定位、二維定位、三維定位的狀態(tài)下以存儲(chǔ)數(shù)字1、2、3來代表工作狀態(tài)。設(shè)所存儲(chǔ)的Beidou的工作狀態(tài)為列矩陣T，例如T＝［3 3 3 3 2 1 3 3 2 2 3 3 3…3 1 3］，一維定位、二維定位、三維定位分別為x、y、z，設(shè)列矩陣T求和即∑T為b，T的1－范數(shù)為a，2－范數(shù)為c。則根據(jù)范數(shù)的數(shù)學(xué)定義可以得到定位狀態(tài)的方程為

由此可以求出x、y、z：

則Beidou信號(hào)的可用性為

圖4 地面站監(jiān)控軟件平臺(tái)界面Fig.4 Running result of the front panel of ground station monitoring software

4 系統(tǒng)的調(diào)試

無線數(shù)傳電臺(tái)EL805上有PWR、DCD、TXD、RXD 4個(gè)狀態(tài)指示燈，其中，PWR信號(hào)燈為電源狀態(tài)指示，DCD信號(hào)燈為電臺(tái)工作狀態(tài)指示，TXD信號(hào)燈為電臺(tái)收到串口的數(shù)據(jù)并發(fā)送到空中，RXD信號(hào)燈為電臺(tái)收到空中數(shù)據(jù)并送到串口。在應(yīng)用EL805進(jìn)行通信之前，需要對其進(jìn)行設(shè)置。電臺(tái)的配置采用上位機(jī)（PC機(jī)）通過專門的配置軟件MDS TransNET Radio Configuration進(jìn)行配置，上位機(jī)通過DB9口和電臺(tái)DIAG接口連接。通過配置軟件默認(rèn)的窗口直接配置2個(gè)電臺(tái)的參數(shù)，圖5為電臺(tái)參數(shù)配置界面，圖6為經(jīng)過正確配置后電源上電后電臺(tái)處于同步狀態(tài)。電臺(tái)需要配置的主要參數(shù)為：

（1）工作模式：一個(gè)為MODEM（主機(jī)模式），另一個(gè)為MODE R（從機(jī)模式）；

（2）通信波特率：設(shè)置為19 200 b／s，并保證主從電臺(tái)的波特率要一致；

（3）網(wǎng)絡(luò)地址：設(shè)置為1～65 000之間任意數(shù)字，注意主從機(jī)一定要相同；

（4）跳頻時(shí)間：可以設(shè)置為7 ms、14 ms、28 ms，保持主從機(jī)設(shè)置一致。

圖5 電臺(tái)參數(shù)設(shè)置Fig.5 Parameters setting of data transceiver

圖6 電臺(tái)同步狀態(tài)Fig.6 Synchronization state of data transceiver

5 結(jié)論

文中采用我國自主研制的Beidou導(dǎo)航定位模塊，通過無線數(shù)傳電臺(tái)，利用虛擬儀器軟件LabVIEW研究并設(shè)計(jì)了無人機(jī)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。功能測試結(jié)果表明：機(jī)載終端能夠報(bào)告自身的位置等狀態(tài)信息，可實(shí)現(xiàn)無人機(jī)飛行參數(shù)的顯示、記錄以及地面監(jiān)控系統(tǒng)對無人機(jī)控制指令的傳輸。文中研究的無人機(jī)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)對進(jìn)一步提高無人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)的定位性能以及促進(jìn)我國Beidou導(dǎo)航定位系統(tǒng)在無人機(jī)中的應(yīng)用具有一定的意義。由于電臺(tái)具有組網(wǎng)功能，可對利用多個(gè)電臺(tái)組網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離監(jiān)控以及電臺(tái)之間無縫切換確保數(shù)據(jù)不丟失等問題進(jìn)行深入研究。

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Application of Beidou Satellite Navigation System and Data Transceiver in UAV Monitoring System

WANG Er-shen1，ZHANG Shu-jie1，LEI Hong2，SUN Yan-peng1
（1.School of Electronic and Information Engineering，Shenyang Aerospace University，Shenyang 110136，China；2.Electromagnetic Environment Effect Top Laboratory of Aviation Industry，Shenyang 110035，China）

Due to the status of Global Positioning System（GPS）system under the control of USA DoD，the Unmanned Aerial Vehicle（UAV）monitoring system is studied，the core of which is China′s Beidou satellite navigation system and wireless data transceiver.The MSP430 processor is selected as the control unit.The UM220 Beidou navigation receiver is used to acquire the UAV status information.The wireless data transceiver EL805 is used to send onboard information to ground monitoring center and receive control command from ground control center.By using Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench（LabVIEW）software，the UAV status monitoring platform is developed to achieve the UAV flight status as well as the analysis of Beidou navigation positioning performance.Experiment results show that the system can work stably，and is featured by good man-machine interfaces，information and intellectualization.This study has some reference value for getting rid of GPS and taking advantage of Beidou to navigate UAV and general aviation aircraft.

UAV monitoring system；Beidou navigation system；data transceiver；monitoring software design

The National Natural Science Foundation of China（No.61101161）；The Aeronautical Science Foundation of China（2011ZC54010）；The Joint Funds of the Natural Science Foundation of Liaoning Province（No.2013024003）

the Ph.D.degree from Dalian Maritime University in 2009.He is now an associate professor.His research concerns GPS signal processing. Email：wes2016＠126.com

10.3969／j.issn.1001－893x.2013.07.001

2013－03－02；

2013－05－02Received date：2013－03－02；Revised date：2013－05－02

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61101161）；航空科學(xué)基金項(xiàng)目（2011ZC54010）；遼寧省自然科學(xué)基金（聯(lián)合基金）項(xiàng)目（2013024003）

??通訊作者：wes2016＠126.comCorresponding author：wes2016＠126.com

V249；TN924

A

1001－893X（2013）07－0831－04

王爾申（1980—），男，遼寧遼陽人，2009年于大連海事大學(xué)獲博士學(xué)位，現(xiàn)為副教授，主要從事GPS接收機(jī)信號(hào)處理算法研究。WANG Er-shen was born in Liaoyang，Liaoning Province，in 1980.He