基于GPS/北斗的超低空防撞警告系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉百超，劉建輝，王進(jìn)糧，楊超新，許士國(guó)

(1.中國(guó)民航大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300300;2.中國(guó)民航大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，天津 300300)

0 引言

超低空是指海拔高度在100米以下的飛行高度［1］?，F(xiàn)代民航客機(jī)裝配有交通警戒及空中防撞系統(tǒng)TCAS(traffic alert and collision avoidance)，主要用于為飛行員提供空中碰撞告警［2-6］。然而TCAS僅能夠在高空偵測(cè)上下7 000至10 000尺前后15至40海里范圍接近的航機(jī)，在超低空的空域飛行中發(fā)揮不了作用。2016年10月11日上海虹橋機(jī)場(chǎng)兩架飛機(jī)險(xiǎn)些相撞;2017年4月到5月，成都雙流國(guó)際機(jī)場(chǎng)和重慶機(jī)場(chǎng)發(fā)生多起無(wú)人機(jī)干擾民航事件，共造成幾百個(gè)航班備降、取消或延誤，上萬(wàn)名旅客受影響。由以上事件可以看出超低空飛行過(guò)程中遇到的干擾越來(lái)越多，因?yàn)門CAS在超低空不起作用，沒(méi)有超低空警告才造成一系列的事件。國(guó)際民航組織應(yīng)用地形感知和告警系統(tǒng) (TAWS，terrain awareness and warning system)改進(jìn)了原有的地面迫近警告系統(tǒng) (GPWS，ground proximity warning system)，它能提供前方地形警告和地形顯示的功能，給飛行員更多的判決時(shí)間，在一定程度上減少了可控飛行撞地事故的發(fā)生［7-8］，但是并不適用于超低空的飛機(jī)防撞警告，而TCAS在超低空也不起作用，這兩個(gè)系統(tǒng)之間的銜接存在問(wèn)題，缺少了超低空情況下的空中防撞警告情況，因此有必要對(duì)于超低空領(lǐng)域的飛行情況進(jìn)行監(jiān)控和警告，降低管制員勞動(dòng)強(qiáng)度和壓力的同時(shí)，提高飛機(jī)飛行的安全性。

基于上述情況，我們?cè)O(shè)計(jì)了基于GPS/BD雙模模塊的超低空飛機(jī)防撞警告系統(tǒng)，用于在超低空領(lǐng)域提供附近空域中的交通狀況，同時(shí)顯示出飛機(jī)數(shù)據(jù)并對(duì)飛機(jī)定位監(jiān)控，在當(dāng)潛在危險(xiǎn)接近時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的判別，預(yù)測(cè)將要可能發(fā)生的危險(xiǎn)，作出相應(yīng)等級(jí)的警告并提前向相應(yīng)機(jī)組發(fā)出警告信息，提示飛行員作出調(diào)整，避免飛機(jī)間發(fā)生碰撞危險(xiǎn)，彌補(bǔ)了TCAS和GPWS兩個(gè)系統(tǒng)銜接部分的不足。

1 基于GPS/北斗的超低空飛機(jī)防撞警告系統(tǒng)工作原理概述

北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)基本原理是測(cè)量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機(jī)之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可知道接收機(jī)的具體位置［9］。GPS的原理實(shí)際上就是通過(guò)四顆已知位置的衛(wèi)星來(lái)確定GPS接收器的位置。測(cè)量定位時(shí)，用戶可以利用接收機(jī)的儲(chǔ)存星歷得到各個(gè)衛(wèi)星的粗略位置［10］。北斗具有GPS沒(méi)有的通信和目標(biāo)定位，但缺點(diǎn)是還處于發(fā)展階段，主要應(yīng)用于軍用，民用推廣還沒(méi)做到全面普及，在中高緯度地區(qū)，由于北斗可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)較少、衛(wèi)星分布較差，定位精度較差或無(wú)法定位。GPS的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟，定位準(zhǔn)確，全球覆蓋，用戶容量無(wú)限，缺點(diǎn)是規(guī)模太大、造價(jià)太高，GPS只能用作導(dǎo)航卻無(wú)法實(shí)現(xiàn)通信功能。這兩個(gè)系統(tǒng)屬于獨(dú)立非相似系統(tǒng)，通過(guò)兩者的結(jié)合，可以很好的提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，避免一個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，或者錯(cuò)誤信息而無(wú)法糾正的情況。

該系統(tǒng)以超低空范圍內(nèi)運(yùn)行飛機(jī)為研究對(duì)象，下位機(jī)(飛機(jī))配置有GPS/BD定位模塊和4G網(wǎng)絡(luò)模塊，4G模塊通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)連接至地面控制中心的TCP SEVER以實(shí)現(xiàn)互連通信，連接之后，下位機(jī)將GPS/BD定位模塊采集的實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)等信息 (時(shí)間、經(jīng)度、緯度、高度等)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至上位機(jī)，上位機(jī)就可以實(shí)時(shí)監(jiān)控飛機(jī)位置情況，并編程設(shè)計(jì)防撞警告算法自動(dòng)向飛機(jī)和塔臺(tái)管制人員發(fā)送相應(yīng)視覺(jué)警告，提示飛行人員和管制人員采取相應(yīng)避撞措施。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作原理模型

2 基于GPS/北斗的超低空飛機(jī)防撞警告系統(tǒng)的組成

2.1 軟件部分

軟件是基于Windows操作系統(tǒng)，利用java語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)的監(jiān)控處理系統(tǒng)。軟件功能結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

軟件作為系統(tǒng)的上位機(jī)，與下位機(jī)通過(guò)4G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，從下位機(jī)中實(shí)時(shí)接收所在超低空空域中飛機(jī)的相關(guān)位置信息，包括飛機(jī)編號(hào)，經(jīng)度，緯度，海拔高度，時(shí)間五類信息，經(jīng)度和緯度用于確認(rèn)飛機(jī)的具體位置，海拔高度用于計(jì)算飛機(jī)間的高度差，編號(hào)用作飛機(jī)的唯一標(biāo)識(shí)，時(shí)間則可判斷信息的時(shí)效性，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)的實(shí)時(shí)定位監(jiān)測(cè)并發(fā)出警告等級(jí)信息，同時(shí)自動(dòng)向下位機(jī)回傳相應(yīng)警告，方便飛行器作出調(diào)整，避免發(fā)生危險(xiǎn)。軟件實(shí)現(xiàn)了處理顯示飛機(jī)位置信息、定位監(jiān)測(cè)與分析、發(fā)出伴隨警告提示燈和提示框的警告等級(jí)信息、同時(shí)反饋給下位機(jī)相應(yīng)等級(jí)警告的相關(guān)功能。如圖3所示。

圖2 軟件功能結(jié)構(gòu)圖

圖3 軟件界面

軟件部分的詳細(xì)功能介紹:

2.1.1 動(dòng)態(tài)地圖及飛機(jī)定位信息的顯示

地圖的展示是通過(guò)訪問(wèn)百度靜態(tài)地圖API得到的。每接收到下位機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的飛機(jī)位置信息即刻訪問(wèn)百度地圖，進(jìn)行定位，從而呈現(xiàn)出更新過(guò)的地圖界面，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)對(duì)飛機(jī)進(jìn)行定位監(jiān)控。

軟件可以顯示下位機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的位置信息、飛機(jī)編號(hào)、經(jīng)度、緯度、相對(duì)海拔高度和時(shí)間。上位機(jī)對(duì)這些信息進(jìn)行分析處理，實(shí)時(shí)在地圖上定位并動(dòng)態(tài)顯示飛機(jī)位置，便于后臺(tái)監(jiān)管人員監(jiān)控飛機(jī)的飛行方向、速度以及周邊鄰近的干擾飛機(jī)，從而作出判斷調(diào)整。同時(shí)提供調(diào)整地圖比例的下拉列表，可以根據(jù)地圖的顯示情況，選擇不同的比例以便于更細(xì)致的監(jiān)測(cè)。

2.1.2 飛機(jī)數(shù)據(jù)分析和警告

軟件對(duì)相同的時(shí)刻的不同飛機(jī)的位置信息進(jìn)行處理分析，根據(jù)相關(guān)算法將兩架飛機(jī)的的經(jīng)緯度進(jìn)行計(jì)算得到距離差，同時(shí)算出高度差，并與定義警告范圍進(jìn)行比較，判斷出相應(yīng)等級(jí)的警告進(jìn)而彈出相應(yīng)的警告提示框并伴隨相應(yīng)的警告燈，方便監(jiān)控人員進(jìn)行調(diào)整處理。同時(shí)不需要監(jiān)控人員作出判斷決定，軟件即自動(dòng)向硬件回送相應(yīng)的警告等級(jí)信息，方便飛行人員及時(shí)作出調(diào)整，避免即將出現(xiàn)的碰撞危險(xiǎn)。

據(jù)調(diào)查，人的應(yīng)急反應(yīng)時(shí)間大概是0.1～0.8 s［11］，考慮到飛行員接收到警告后要作出反應(yīng)，對(duì)飛機(jī)進(jìn)行一系列的操作需要一定的時(shí)間;同時(shí)，4G移動(dòng)通信的延時(shí)大多在20～40 ms，以及考慮信息的接收處理均占用一定的時(shí)間，所以把應(yīng)急時(shí)間定為3 s，而正?？蜋C(jī)的在超低空的飛行速度約為100 m/s，所以應(yīng)急距離為300米。同時(shí)在超低空高度中，當(dāng)兩飛機(jī)高度相差小于10米時(shí)，即可認(rèn)為這兩架飛機(jī)在同一高度層。當(dāng)高度相差大于10米時(shí)，即可認(rèn)為兩架飛機(jī)不在同一高度層，即使飛機(jī)進(jìn)入距離警告范圍，也被認(rèn)為是安全的情況而不作出相應(yīng)的警告。綜上所述，上位機(jī)發(fā)出等級(jí)警告的合理?xiàng)l件，類型和結(jié)果如下表1所示。

表1 警告條件表 (m)

若兩飛機(jī)實(shí)時(shí)飛行數(shù)據(jù)與相應(yīng)的警告條件相匹配，軟件上位機(jī)即刻彈出相應(yīng)的等級(jí)警告框，同時(shí)亮起警告指示燈，并且在同一時(shí)刻自動(dòng)向硬件下位機(jī)發(fā)送警告消息。

2.1.3 基于TCP的網(wǎng)絡(luò)連接及信息的收發(fā)

軟件同時(shí)充當(dāng)了一個(gè)基于TCP/IP協(xié)議的服務(wù)器端的角色，綁定了的公網(wǎng)IP和指定端口號(hào)，下位機(jī)只要通過(guò)4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)與該IP和端口建立有效的連接，即可進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，從而實(shí)現(xiàn)信息的交流與傳輸，上位機(jī)從下位機(jī)中實(shí)時(shí)接收飛行器的位置信息，一旦發(fā)生警告情況，軟件即可立即通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信向下位機(jī)回送相應(yīng)等級(jí)的警告信息。

2.2 硬件部分

硬件部分包括4G網(wǎng)絡(luò)模塊、GPS/BD定位模塊和單片機(jī)編程部分。硬件系統(tǒng)架構(gòu)如圖4。

圖4 硬件系統(tǒng)架構(gòu)

2.2.1 4G網(wǎng)絡(luò)模塊

本系統(tǒng)選用SIM7100C模塊作為4G網(wǎng)絡(luò)模塊，模塊采用串口 (LVTTL)與MCU(或其他串口設(shè)備)通信，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)串口與4G之間的轉(zhuǎn)換。通過(guò)SIM7100C模塊，傳統(tǒng)的串口設(shè)備只是需要簡(jiǎn)單的串口配置，即可通過(guò)網(wǎng)絡(luò) (4G移動(dòng)通信)傳輸自己的數(shù)據(jù)。

硬件接入4G網(wǎng)絡(luò)模塊后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)就可以連接軟件互連通信，便可以實(shí)時(shí)發(fā)向硬件發(fā)送信息。為方便顯示，在電腦端安裝XCOM串口驅(qū)動(dòng)，將模塊通過(guò)USB轉(zhuǎn)TTL模塊接入電腦串口，在電腦端通過(guò)串口助手發(fā)送AT+指令集對(duì)該4G模塊配置參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)不同的功能。在該系統(tǒng)中，通過(guò)編輯AT指令設(shè)置透?jìng)髂Ｊ絹?lái)實(shí)現(xiàn)硬件和軟件TCP SEVER通信。

4G模塊和TCP SEVER通過(guò)連接運(yùn)營(yíng)商提供的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，給TCP SEVER配置一個(gè)本地IP地址，4G模塊連該IP地址后，就可以實(shí)現(xiàn)硬件和軟件之間無(wú)線通信，硬件接入GPS/BD定位模塊之后就可以將飛機(jī)定位的實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)信息連續(xù)不斷地發(fā)送至軟件，軟件再通過(guò)編輯算法實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)在超低空空域內(nèi)的飛行防撞預(yù)警。

本項(xiàng)目采用4G網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì):1)通信速度更快，發(fā)送時(shí)延較小，理論帶寬可以達(dá)到100 Mpbs，下位機(jī)可實(shí)現(xiàn)信息的有效發(fā)送;2)可靠性高，4G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)已經(jīng)成熟，可以保證長(zhǎng)時(shí)間高性能工作;3)硬件設(shè)施簡(jiǎn)單，只需機(jī)場(chǎng)周邊及上空完全覆蓋較強(qiáng)的4G網(wǎng)絡(luò);4)費(fèi)用更低，相比于高頻通信和甚高頻通信，4G網(wǎng)絡(luò)更加廉價(jià)。

2.2.2 定位模塊

本系統(tǒng)選ATK－S1216F8－BD模塊作為飛機(jī)定位模塊，ATK－S1216F8－BD模塊是一款高性能GPS/BD定位模塊［12］。硬件接入GPS/BD定位模塊后，就能將硬件的實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)信息發(fā)送至軟件。為方便顯示，在電腦端安裝串口驅(qū)動(dòng)，將模塊通過(guò)USB轉(zhuǎn)TTL模塊接入電腦串口，在電腦端通過(guò)GNSS_Viewer軟件配置模塊的參數(shù)，以讀取不同的定位數(shù)據(jù)信息 (經(jīng)度、緯度、高度、時(shí)間等)，在串口助手上可以將定位的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息通過(guò)4G模塊經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至軟件，再由軟件對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，對(duì)飛機(jī)進(jìn)行監(jiān)控預(yù)警。

2.2.3 單片機(jī)編程

本系統(tǒng)選用C8051F020單片機(jī)，C8051F020系列單片機(jī)使用SiliconLabs的專利CIP－51微控制器內(nèi)核。CIP－51與MCS－51TM指令集完全兼容，可以使用標(biāo)準(zhǔn)803x/805x的匯編器和編譯器進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)。CIP－51內(nèi)核具有標(biāo)準(zhǔn)8052的所有外設(shè)部件，包括5個(gè)16位的計(jì)數(shù)器/定時(shí)器、兩個(gè)全雙工UART、256字節(jié)內(nèi)部RAM、128字節(jié)特殊功能寄存器(SFR)地址空間及8/4個(gè)字節(jié)寬的I/O端口。這個(gè)單片機(jī)功能強(qiáng)大，符合該系統(tǒng)的運(yùn)行要求。在電腦端編寫(xiě)單片機(jī)控制程序，使得單片機(jī)能自行獲取GPS模塊定位的數(shù)據(jù)信息并發(fā)送至軟件，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，單片機(jī)程序流程圖如圖5。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)情況

3.1 硬件部分

圖5 單片機(jī)程序流程圖

硬件部分主要包括C8051F020單片機(jī)、4G模塊、ATKS1216F8－BD定位模塊，單片機(jī)是整個(gè)硬件部分的控制系統(tǒng)，需要將GPS/BD定位模塊的數(shù)據(jù)信息通過(guò)4G模塊發(fā)送至軟件TCP SEVER。技術(shù)難度包括4G模塊、GPS/BD定位模塊和4G無(wú)線路由模塊的參數(shù)配置以及硬件單片機(jī)程序的編寫(xiě)，模塊的參數(shù)設(shè)置可以參考生產(chǎn)廠商的模塊使用用戶手冊(cè)進(jìn)行一步一步配置，實(shí)現(xiàn)模塊功能的正常運(yùn)用，整個(gè)流程中硬件單片機(jī)的程序編寫(xiě)難度大，通過(guò)撰寫(xiě)程序流程圖，不斷調(diào)試，不斷運(yùn)行，最終實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行，啟動(dòng)硬件之后就可以將定位數(shù)據(jù)信息不斷地發(fā)送至上位機(jī)TCP SEVER。

3.2 軟件部分

在與硬件通信的過(guò)程中，構(gòu)造了一個(gè)TCP服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)與硬件通過(guò)4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信進(jìn)行收發(fā)信息，軟件接收飛機(jī)位置信息后經(jīng)過(guò)嚴(yán)密的計(jì)算處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的呈現(xiàn)，通過(guò)對(duì)百度靜態(tài)地圖的訪問(wèn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)的實(shí)時(shí)定位監(jiān)控，并同時(shí)在后臺(tái)根據(jù)警告等級(jí)算法進(jìn)行合理的判斷進(jìn)而做出相應(yīng)等級(jí)的警告，彈出警告提示框并伴隨警告燈。

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在超低空領(lǐng)域提供附近空域中的交通狀況，同時(shí)顯示出飛機(jī)數(shù)據(jù)并對(duì)飛機(jī)定位監(jiān)控，在當(dāng)潛在危險(xiǎn)接近時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的判別，預(yù)測(cè)將要可能發(fā)生的危險(xiǎn)，作出相應(yīng)等級(jí)的警告并及時(shí)向相應(yīng)機(jī)組發(fā)出警告信息。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證本系統(tǒng)的可用性和可行性，采用搭載了本系統(tǒng)硬件部分 (下位機(jī))的四旋翼作為飛機(jī)的替代物，并在空曠的場(chǎng)地根據(jù)指定路線飛行的方式進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)。根據(jù)四旋翼的速度特點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的環(huán)境因素，對(duì)警告條件作出了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，距離差在0～500 m、500～600 m、600～700 m且高度差0～5 m時(shí)，則警告程度依次為嚴(yán)重警告、中度警告、輕度警告。當(dāng)距離大于700 m或是高度差大于5 m時(shí)，可認(rèn)為無(wú)警告或是發(fā)生警告后的警告消除。

圖6是其中一次實(shí)驗(yàn)的路線圖，描述了兩架四旋翼按特定路線相向飛行的情況。在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，當(dāng)兩個(gè)飛行器的距離小于700 m并且高度差小于5，本系統(tǒng)的軟件部分 (上位機(jī))立即發(fā)出了輕度警告，伴隨警告框和警告燈的提示，并對(duì)下位機(jī)做了警告反饋，隨即對(duì)四旋翼的飛行作出了調(diào)整。同時(shí)，根據(jù)相同的方式繼續(xù)進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)，并成功驗(yàn)證了中度警告、嚴(yán)重警告和警告消除的情況。表2是部分實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，A代表A四旋翼，B代表B四旋翼。

圖6 實(shí)驗(yàn)路線圖

表2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)表 (m)

綜合多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)分析，本系統(tǒng)能夠很好地作出相應(yīng)的警告提示和反饋，具有較高的可用性和可行性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)功能明確，使用方便。隨著我國(guó)民航業(yè)尤其是通用航空領(lǐng)域的飛速發(fā)展，以及低空開(kāi)放政策的實(shí)施，飛機(jī)數(shù)量迅速增長(zhǎng)，空域變得更加繁忙和擁擠，增加了飛行器在超低空飛行或起飛降落過(guò)程中發(fā)生相互碰撞的危險(xiǎn)，給民航系統(tǒng)帶來(lái)了一定的安全隱患。本系統(tǒng)很好地彌補(bǔ)了機(jī)載監(jiān)視系統(tǒng)在超低空領(lǐng)域內(nèi)的空白，通過(guò)與TCAS系統(tǒng)相互合作，為民航飛機(jī)的正常安全飛行提供了很好的保障;同時(shí)本系統(tǒng)也可運(yùn)用于超低空領(lǐng)域飛行的無(wú)人機(jī)上，為它們的正常運(yùn)作提供有力的支持。本系統(tǒng)具有很好的實(shí)際運(yùn)用價(jià)值。