基于北斗短報文通信的無人機安控系統(tǒng)

陶德桂，劉關心

(中國人民解放軍92419部隊，遼寧 興城 125106)

0 引言

國產(chǎn)某無人機體型大、速度快、航程遠、自重大，其所使用的部件可靠性不高，某些關鍵部件的使用壽命較短，容易出現(xiàn)故障，導致該無人機在使用過程中存在較大的安全隱患，如果不采取一定的安全控制措施，勢必會在飛行過程中失去控制，一旦墜落地面或海上，將對周邊區(qū)域的人員生命和財產(chǎn)安全構成很大的威脅，如果飛出國境線外，則可能引發(fā)政治事件，造成惡劣的政治影響。因此，其飛行安全控制備受使用單位和生產(chǎn)廠家的高度關注和重視。

隨著科技的進步和該無人機的不斷升級改造，該無人機目前已具備了依賴GPS定位信息的安控區(qū)域自主判斷和執(zhí)行安控的功能，但當遙控系統(tǒng)或者其他部件出現(xiàn)故障且需要及時控制無人機完成自毀功能時，安控措施仍顯不足。為此，建設了一套基于北斗短報文通信的無人機安控系統(tǒng)，并將靶載安控器加裝于該型無人機上配合飛控系統(tǒng)實現(xiàn)快速自毀功能，擺脫了對GPS的依賴和遙控作用距離不夠的限制，為特殊情況的處置提供了另外一條可靠途徑。

1 總體方案設計

該型無人機原有機載安控器主要由安控CPU卡和安控GPS模塊組成，可以實時采集無人機位置信息，根據(jù)安控策略完成安控狀態(tài)判斷，當無人機飛出由凸多邊形圍成的安控區(qū)域時，自主執(zhí)行安控，控制無人機墜毀。其組成如圖1所示。

圖1 無人機飛控計算機系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of UAV flight control computer system

原有機載安控器只具有自主安控功能，不能實現(xiàn)及時被動安控功能；雖采用雙GPS冗余備份，但信息源單一，易受干擾；集成在飛控計算機內部，共用電源模塊，易與飛控計算機系統(tǒng)相互干擾。

針對原有機載安控器功能上存在的上述不足，研制基于北斗短報文通信的獨立BD安控系統(tǒng)[1-3]，該系統(tǒng)由機載BD安控器、蓄電池以及地面北斗便攜站組成，系統(tǒng)結構組成如圖2所示，圖中，實線區(qū)域部分為原無人機部分機載設備，虛線區(qū)域部分為新增加的機載BD安控設備。

圖2 BD安控系統(tǒng)組成及連接Fig.2 Composition and connection of BD safety control system

獨立BD安控系統(tǒng)的工作原理為：當無人機出現(xiàn)異常情況需要及時墜毀時，由地面北斗便攜站向機載BD安控器中的北斗SIM卡發(fā)送表示“安控墜毀”指令的短報文信息，經(jīng)由北斗衛(wèi)星系統(tǒng)轉發(fā)后被機載BD2/GPS OEM板接收，并輸出給安控CPU板，安控CPU板經(jīng)解碼并確認指令后，輸出高電平到電門盒，電門盒中的繼電器動作從而斷開舵機電磁離合器，致使無人機的升降舵面處于自由狀態(tài)，其在墜毀彈簧的作用下變?yōu)檎淖畲蠖婷?，從而使得無人機低頭、快速墜毀，實現(xiàn)被動安控功能。

考慮到北斗短報文通信的傳輸成功率和傳輸延時[4]，在發(fā)送北斗短報文指令時采用指令字節(jié)連續(xù)重復3次組幀，每條指令按北斗SIM卡發(fā)送頻度間隔時間連續(xù)發(fā)送3次，解碼時采用3判2的原則確認是否收到指令；地面北斗便攜站采用2臺以上同時工作的方式，可有效提高短報文指令發(fā)送頻度，提高北斗短報文通信的傳輸成功率，減少指令接收時延。

由于BD2/GPS OEM板能同時提供無人機的實時位置信息[5]，因此可替代原來自主安控功能中的單一GPS定位信息源，擺脫對GPS的依賴。

2 具體實現(xiàn)方法

2.1 地面北斗便攜站硬件設計

地面北斗便攜站的主要功能是向指定編號的北斗SIM卡發(fā)送事先約定好的短報文指令信息，同時也具有自檢功能，檢測北斗衛(wèi)星信道通信狀態(tài)。

硬件上采用加固便攜式計算機作為主設備，同時將BD2/GPS OEM 板卡加裝于便攜式計算機內部，為了防止便攜式計算機軟件故障甚至主板故障導致無法發(fā)送短報文指令，便攜式計算機內部還集成了一塊單獨供電、單獨運行的嵌入式單片機板卡提供硬件一鍵發(fā)送安控指令功能，一鍵發(fā)送按鈕位于便攜站鍵盤右上角，并帶有保護罩以防止意外觸碰。

地面北斗便攜站硬件結構連接如圖3所示。

圖3 地面站硬件連接示意圖Fig.3 Hardware connection of the ground station

其中，便攜式計算機的串口發(fā)送端TX由單片機板卡和BD2/GPS板卡共享。單片機板卡和BD2/GPS板卡通過數(shù)據(jù)幀頭判斷便攜式計算機發(fā)送數(shù)據(jù)的目的地址，便攜式計算機和單片機板卡分時給BD2/GPS板卡發(fā)送數(shù)據(jù)。

單片機板卡選用STC15L2K08S2作為主芯片輔以少量的外圍電路[6]。該單片機工作電壓為3.3 V，有2個串口資源，8 kByte Flash程序存儲器，2 kByte SRAM，53 kByte EEPROM及26個IO口等硬件資源，可實現(xiàn)北斗SIM卡號的在線加注及掉電保存、短報文指令的自動生成、指令一鍵發(fā)送等功能。

BD2/GPS板選用OEM雙模板卡，支持RNSS基本功能及RDSS短報文通信與位置報告功能，采用三級民用插卡式北斗SIM卡，短報文發(fā)送頻度為1 次/min，短報文的通信時延約3～4 s，發(fā)送內容一次最多120個漢字或者1680 bit。

2.2 地面北斗便攜站軟件設計

地面北斗便攜站軟件運行在Windows7環(huán)境中，主要用于接收目標SIM卡號、給單片機板卡發(fā)送目標SIM卡號、給目標SIM卡號發(fā)送“安控自檢”、“安控墜毀”指令等。為了提高短報文指令接收可靠性，在發(fā)送數(shù)據(jù)幀中對代表指令編碼的字節(jié)連續(xù)重復3次組幀，當確認發(fā)送指令時，每間隔1 min重復發(fā)送1幀數(shù)據(jù)，連續(xù)發(fā)送3次。

軟件開發(fā)環(huán)境為Labview 2012[7]，主要采用了循環(huán)結構、條件結構、事件結構和定時結構等。

單片機板卡中的應用程序采用C51語言編寫[8]，其程序流程如圖4所示。

圖4 單片機應用程序流程框圖Fig.4 Flow chart of microcomputer application program

2.3 機載安控器硬件設計

機載安控器硬件由BD2/GPS OEM板、CPU板、饋線、配套天線及加溫板等組成，如圖5所示。

圖5 機載安控器硬件組成圖Fig.5 Airborne safety controller hardware composition

BD2/GPS OEM板接收北斗衛(wèi)星信號，完成接收短報文和定位解算功能。短報文SIM卡采用三級民卡，以插卡形式安裝在BD2/GPS OEM板上。

CPU采用ARM CORTEX-M3核心處理器，輔以外圍電路，包括EEPROM存儲器、復位、供電、時鐘、串口電平轉換等電路，接收BD2/GPS OEM板卡的輸出數(shù)據(jù)并完成報文解算、BD安控指令生成、BD2/GPS導航定位信息獲取、安控區(qū)域數(shù)據(jù)的接收與回顯、安控區(qū)域頂點數(shù)據(jù)存儲、安控區(qū)域判斷、安控指令輸出、與飛控計算機進行數(shù)據(jù)交換、向測控設備發(fā)送安控器的工作狀態(tài)信息等功能。

ARM CORTEX-M3核心處理器生成的數(shù)字信號為CMOS電平，需要經(jīng)過功率放大器進行功率放大，變?yōu)?7 V，同時有足夠的帶載能力，可驅動電門盒里的繼電器。為了確保安控器可靠執(zhí)行安控指令，本文采用了兩路GPIO冗余輸出。

2.4 機載安控器軟件設計

機載安控器軟件的開發(fā)環(huán)境為Keil uVision4，采用C語言編程。機載安控器軟件主流程如圖6所示。

圖6 機載安控器軟件主流程圖Fig.6 Flow chart of the airborne safety controller software

機載安控器主要實現(xiàn)了如下功能。

1) 安控區(qū)域信息裝訂：當機載BD安控器“監(jiān)控與裝訂”串行口與地面測試設備相連時，接收地面測試軟件中數(shù)據(jù)裝訂模塊發(fā)送的凸多邊形安控區(qū)域頂點經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，并按一定格式存儲在BD安控器的EEPROM中。

2) 安控狀態(tài)及BD2/GPS定位信息監(jiān)控：當機載BD安控器“監(jiān)控與裝訂”串行口與地面測試設備相連時，可實時監(jiān)測BD2/GPS定位OEM板的輸出信息和安控器的工作狀態(tài)。

3) BD2/GPS定位信息解算：根據(jù)BD2/GPS幀協(xié)議，對定位信息進行解算。

4) BD短報文解算：實時監(jiān)控BD短報文指令，并執(zhí)行相應指令，同時將收到的短報文指令按通訊協(xié)議發(fā)送給測控設備,下傳至地面測控站顯示。

5) 自主安控判斷：根據(jù)解算出的定位信息實時判斷無人機當前位置與安控區(qū)之間的相對位置關系，并確定安控狀態(tài)。

6) 執(zhí)行安控：若自主安控判斷滿足執(zhí)行安控條件或收到地面站“安控墜毀”指令后，輸出數(shù)字量信號，控制舵機離合器斷電。

3 實際使用情況

2016年10月，加裝了新研北斗安控器的國產(chǎn)大型無人機在執(zhí)行某次飛行任務時因故需要及時墜毀，地面北斗便攜站發(fā)送北斗短報文“安控墜毀”指令，無人機機載安控器實時收到了指令并正確執(zhí)行了墜毀動作，飛行任務圓滿完成。

4 結束語

基于北斗短報文通信的無人機安控系統(tǒng)除了實現(xiàn)原來基于GPS定位信息的無人機自主安控功能外，還新增加了基于北斗短報文通信的遠距離被動實時安控功能，其作用距離只受北斗衛(wèi)星覆蓋范圍限制，較好地彌補了該型無人機原有安控系統(tǒng)的不足，為其安全控制提供了可靠保障。大量的地面測試和實際使用證明該方法有效可靠，并已經(jīng)推廣應用到同類型其他無人機安控系統(tǒng)中。

參考文獻

[1] 何麗，劉茹，屈冬紅，等．一種基于北斗短報文通信的動態(tài)組網(wǎng)技術[J]．科學技術與工程，2015，15(13)：149-152．

[2] 孫方霞．基于北斗短報文通信的落水報警終端設計[J]．廣東輕工職業(yè)技術學院學報，2015，14(4)：12-15．

[3] 王華東.北斗衛(wèi)星導航應急通信應用研究[J].衛(wèi)星與網(wǎng)絡,2013(12)：66-70.

[4] 谷軍霞，王春芳，宋之光．北斗短報文通信信道性能測試與統(tǒng)計分析[J]．氣象科技，2015，43(3)：458-462．

[5]和芯星通科技(北京)有限公司．UX450用戶手冊[EB/OL]．[2017-12-16].http://www.unicorecomm.com.

[6] 南通國芯微電子有限公司.STC15系列單片機器件手冊[EB/OL].[2017-12-20].http://www.stcmcudata.com/datasheet/stc/STC-AD-PDF/STC15.pdf.

[7] 陳樹學，劉萱. LabVIEW寶典[M].北京：電子工業(yè)出版社，2016.

[8] 徐愛鈞,彭秀華. Keil Cx51 V7.0單片機高級語言編程與uVision2應用實踐[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.