一種無(wú)人機(jī)應(yīng)用的北斗應(yīng)急測(cè)控系統(tǒng)

文/付海軍 扈平 王曄

近年，無(wú)人機(jī)進(jìn)入了高速發(fā)展時(shí)期，各種型號(hào)和規(guī)格的無(wú)人機(jī)進(jìn)入市場(chǎng)。在無(wú)人機(jī)各分系統(tǒng)中，非常關(guān)鍵的一個(gè)就是測(cè)控系統(tǒng)。測(cè)控系統(tǒng)的性能，往往決定了無(wú)人機(jī)的測(cè)控能力。

無(wú)人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)，是無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)的遙控、遙測(cè)、跟蹤定位和信息傳輸，主要包括數(shù)據(jù)鏈和地面控制站，其中數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)包含測(cè)量設(shè)備、信息傳輸設(shè)備、數(shù)據(jù)中繼等設(shè)備。根據(jù)測(cè)控鏈路的作戰(zhàn)距離，可以分為視距和超視距。視距測(cè)控鏈為地面測(cè)控站與無(wú)人機(jī)在視距范圍內(nèi)進(jìn)行遙控遙測(cè)，超視距測(cè)控鏈大都為地面測(cè)控站通過(guò)衛(wèi)星或者無(wú)人機(jī)中繼與無(wú)人機(jī)進(jìn)行遙控遙測(cè)。隨著無(wú)人機(jī)作戰(zhàn)半徑的不斷擴(kuò)大，衛(wèi)星測(cè)控鏈路成了一種測(cè)控系統(tǒng)的必備。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是我國(guó)自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，可以為用戶(hù)提供全天候、全天時(shí)、高精度的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)，具有實(shí)時(shí)導(dǎo)航、快速定位、精確授時(shí)、位置報(bào)告和短報(bào)文通信服務(wù)五大功能。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)時(shí)導(dǎo)航業(yè)務(wù)可以滿(mǎn)足無(wú)人機(jī)的精確定位需求，短報(bào)文通信業(yè)務(wù)可以滿(mǎn)足無(wú)人機(jī)的遙控遙測(cè)需求，于是就形成了本文的一種應(yīng)用于無(wú)人機(jī)的北斗測(cè)控系統(tǒng)。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航測(cè)控系統(tǒng)，具有超視距作戰(zhàn)能力，同時(shí)支持一站多機(jī)服務(wù)能力，符合無(wú)人機(jī)測(cè)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)組成

圖1：北斗應(yīng)急測(cè)控系統(tǒng)構(gòu)成圖

北斗應(yīng)急測(cè)控系統(tǒng)，與常規(guī)的測(cè)控系統(tǒng)的一樣，由機(jī)載終端和地面控制站構(gòu)成，地面控制站由北斗地面終端和測(cè)控軟件構(gòu)成。機(jī)載終端安裝于無(wú)人機(jī)上，通過(guò)數(shù)據(jù)總線（異步串行總線、CAN總線等）與機(jī)上飛控計(jì)算機(jī)連接。地面控制站，安裝于指揮控制方艙或指揮所內(nèi)，通過(guò)地面網(wǎng)絡(luò)與指揮平臺(tái)進(jìn)行連接?？刂栖浖惭b于指揮平臺(tái)計(jì)算機(jī)上，作為北斗應(yīng)急測(cè)控系統(tǒng)的指揮控制中心。北斗應(yīng)急測(cè)控系統(tǒng)的構(gòu)成圖1所示。

圖2：北斗機(jī)載終端組成框圖

圖3：北斗地面終端組成框圖

北斗機(jī)載終端，具有北斗定位和北斗短報(bào)文通信能力，由北斗天線、濾波器和北斗機(jī)載主機(jī)構(gòu)成。北斗天線在接收北斗RDSS S頻點(diǎn)和RNSS 衛(wèi)星信號(hào)的同時(shí)可以發(fā)射RDSS L頻點(diǎn)的入站信號(hào)。濾波器，為RDSS L頻段的帶通濾波器，具有很強(qiáng)的帶外抑制能力，抑制RDSS入站信號(hào)的帶外輻射。北斗機(jī)載主機(jī)，為北斗機(jī)載終端的核心處理單元，接收北斗天線的衛(wèi)星信號(hào)，進(jìn)行放大、下變頻、捕獲、跟蹤、解調(diào)解析、PVT解算、數(shù)據(jù)處理以及業(yè)務(wù)處理等，同時(shí)可以對(duì)將要發(fā)射的信息進(jìn)行編碼、調(diào)制、上變頻、功率放大后通過(guò)北斗天線發(fā)射出去。北斗機(jī)載主機(jī)通過(guò)機(jī)上數(shù)據(jù)總線與飛控計(jì)算機(jī)通信。

北斗機(jī)載終端的內(nèi)部功能模塊組成框圖如圖2所示。

地面控制站的核心是北斗地面終端。北斗地面終端，既可以進(jìn)行RNSS定位，與北斗機(jī)載終端進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，又可以兼收北斗機(jī)載終端接收到的消息，由北斗地面天線和北斗地面主機(jī)構(gòu)成。北斗地面天線，由天線陣子、低噪放、功率放大器、濾波器和電源控制組成，主要完成以下任務(wù)：接收并放大北斗RNSS信號(hào)和RDSS S頻點(diǎn)信號(hào)后傳送給北斗地面主機(jī)，接收北斗地面主機(jī)發(fā)射的RDSS L頻點(diǎn)調(diào)制信號(hào)，進(jìn)行功率放大后通過(guò)天線發(fā)射出去。北斗地面主機(jī)由射頻模塊、信號(hào)處理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、電源模塊、濾波器組以及接口模塊等組成。北斗地面終端的組成框圖如圖3所示。

地面控制站的人機(jī)交互是通過(guò)北斗測(cè)控軟件實(shí)現(xiàn)的。北斗測(cè)控軟件是北斗應(yīng)急測(cè)控系統(tǒng)的人機(jī)交互樞紐，也是北斗測(cè)控系統(tǒng)與其他系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的樞紐。該軟件主要由顯控界面和后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)成，顯示北斗機(jī)載終端工作狀態(tài)、北斗地面終端的工作狀態(tài)、遙測(cè)數(shù)據(jù)、遙控指令等信息，同時(shí)將這些數(shù)據(jù)分類(lèi)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中。

2 工作流程

為滿(mǎn)足無(wú)人機(jī)測(cè)控需求，北斗應(yīng)急測(cè)控系統(tǒng)有兩種工作模式：待機(jī)和工作。

北斗應(yīng)急測(cè)控系統(tǒng)在待機(jī)時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行如下工作：北斗機(jī)載終端只接收北斗衛(wèi)星信號(hào)，不發(fā)送遙測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)將當(dāng)前的工作狀態(tài)和位置信息按照一定頻度上報(bào)給飛控計(jì)算機(jī)，通過(guò)其他測(cè)控鏈路傳回給地面控制站；北斗地面終端只接收北斗衛(wèi)星信號(hào)，不進(jìn)行遙控指令發(fā)送，將工作狀態(tài)發(fā)送給北斗測(cè)控軟件；北斗測(cè)控軟件接收并顯示北斗機(jī)載終端和地面終端的工作狀態(tài)。

圖4：北斗機(jī)載終端實(shí)物圖

北斗應(yīng)急測(cè)控系統(tǒng)在工作時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行如下工作：北斗機(jī)載終端按照一定頻度將獲得的遙測(cè)數(shù)據(jù)、機(jī)載終端的工作狀態(tài)以及位置信息通過(guò)北斗短報(bào)文發(fā)送給北斗地面終端，同時(shí)將接收到的遙控指令發(fā)送給飛控計(jì)算機(jī)；北斗地面終端將從北斗測(cè)控軟件獲得的遙控指令通過(guò)北斗鏈路發(fā)送到北斗機(jī)載終端，同時(shí)接收北斗機(jī)載終端發(fā)送的遙測(cè)數(shù)據(jù)、機(jī)載終端的工作狀態(tài)和位置信息，將這些數(shù)據(jù)以及地面終端的工作狀態(tài)發(fā)送給北斗測(cè)控軟件；北斗測(cè)控軟件顯示接收到的遙測(cè)數(shù)據(jù)、機(jī)載終端工作狀態(tài)、地面終端工作狀態(tài)以及接收到的遙控指令。

北斗應(yīng)急測(cè)控系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換遵循以下模式：北斗應(yīng)急測(cè)控系統(tǒng)默認(rèn)處于待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)無(wú)人機(jī)飛行超出視距或者視距鏈路無(wú)法測(cè)控時(shí)，由飛控計(jì)算機(jī)或地面控制站控制北斗測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)。當(dāng)北斗應(yīng)急測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行入工作狀態(tài)后，無(wú)人機(jī)可根據(jù)北斗機(jī)載終端的定位結(jié)果進(jìn)行自主導(dǎo)航，也可通過(guò)北斗鏈路接受地面控制站控制，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)安全返航和降落。

3 試驗(yàn)情況

表1：北斗應(yīng)急測(cè)控系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖5：北斗地面終端實(shí)物圖

圖6：北斗測(cè)控軟件主界面

由于測(cè)控系統(tǒng)的特殊性，通用的北斗用戶(hù)終端不能滿(mǎn)足遙控指揮和控制的使用需求，同時(shí)不滿(mǎn)足機(jī)載環(huán)境的使用需求，需要進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)。

北斗機(jī)載終端，核心處理單元采用FPGA（Intel公 司 的Cyclone5系 列芯 片5CEFA9F23）+DSP（TI公 司 的TMS320C6748）的硬件架構(gòu)，在北斗RDSS業(yè)務(wù)中融合測(cè)控技術(shù)，既具備北斗RDSS終端業(yè)務(wù)能力，又具備測(cè)控系統(tǒng)機(jī)載終端測(cè)控能力；在電源方面，采用適應(yīng)無(wú)人機(jī)機(jī)載環(huán)境的電源模塊；在電磁兼容性方面，對(duì)電源和數(shù)據(jù)接口進(jìn)行EMC濾波；在系統(tǒng)互干擾方面，通過(guò)濾波器嚴(yán)格抑制RDSS入站信號(hào)的帶外功率，確保RDSS入站信號(hào)不影響GPS和其他導(dǎo)航系統(tǒng)；在重量方面，嚴(yán)格控制各組成部分的重量，在器件選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，優(yōu)先選擇質(zhì)量輕的方案。北斗機(jī)載終端實(shí)物如圖4所示。

北斗地面終端，核心處理單元采用FPGA（Intel公司的Cyclone3系列芯片3C120F484）+DSP（TI公司的TMS320C6713）的硬件架構(gòu)，在北斗RDSS指揮機(jī)業(yè)務(wù)基礎(chǔ)上融合測(cè)控技術(shù)，既具備北斗RDSS指揮機(jī)業(yè)務(wù)能力，又具備地面控制站測(cè)控能力；在供電方面，直接采用交流220V；在結(jié)構(gòu)上，采用標(biāo)準(zhǔn)1U機(jī)箱結(jié)構(gòu)形式；在數(shù)據(jù)接口方面，地面終端設(shè)有網(wǎng)口，與北斗測(cè)控軟件采用網(wǎng)絡(luò)通信。北斗地面終端實(shí)物如圖5所示。

北斗測(cè)控軟件，采用軟件界面+數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)理念，將北斗測(cè)控軟件接收到的遙控遙測(cè)數(shù)據(jù)分別存儲(chǔ)，并對(duì)數(shù)據(jù)加注時(shí)間信息，作為遙控遙測(cè)檔案。北斗測(cè)控軟件主界面如圖6所示。

2018年8 月-9月，北斗應(yīng)急測(cè)控系統(tǒng)，作為某型無(wú)人機(jī)的備用測(cè)控鏈路，隨系統(tǒng)進(jìn)行了聯(lián)調(diào)聯(lián)試和試飛試驗(yàn)，并在試飛過(guò)程中考核了北斗測(cè)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)丟失率和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率以及機(jī)載終端的定位精度等性能指標(biāo)。試驗(yàn)評(píng)估方法如下：

（1）通過(guò)視距鏈路將北斗機(jī)載終端收到的遙控指令回傳與地面控制站進(jìn)行對(duì)比，評(píng)估遙控指令丟失率和準(zhǔn)確率；

（2）通過(guò)視距鏈路將北斗機(jī)載終端回傳的遙測(cè)數(shù)據(jù)傳給地面控制站，與北斗地面終端收到的遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行丟失率和準(zhǔn)確率對(duì)比評(píng)估；

（3）通過(guò)視距鏈路將北斗機(jī)載終端的定位結(jié)果和機(jī)上組合導(dǎo)航系統(tǒng)的定位結(jié)果回傳給地面控制站，進(jìn)行定位精度對(duì)比評(píng)估。

北斗應(yīng)急測(cè)控系統(tǒng)隨著無(wú)人機(jī)進(jìn)行了試飛試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

通過(guò)以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，北斗應(yīng)急測(cè)控系統(tǒng)可以作為備用鏈路應(yīng)用于無(wú)人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)。

4 總結(jié)

北斗應(yīng)急測(cè)控系統(tǒng)，具有測(cè)控距離長(zhǎng)優(yōu)點(diǎn)，既可以滿(mǎn)足超視距測(cè)控需求，又可以在突發(fā)事件發(fā)生時(shí)使用，作為視距測(cè)控鏈路的有力補(bǔ)充。通過(guò)實(shí)際試飛試驗(yàn)，北斗應(yīng)急測(cè)控系統(tǒng)可以滿(mǎn)足無(wú)人機(jī)應(yīng)急測(cè)控使用需求。

如果通過(guò)技術(shù)手段可以解決北斗測(cè)控系統(tǒng)的通信頻度和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度受限的問(wèn)題，北斗應(yīng)急測(cè)控系統(tǒng)將會(huì)是無(wú)人機(jī)測(cè)控鏈路重要組成部分。北斗通信頻度和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度受限將是北斗測(cè)控系統(tǒng)下一步需要突破的技術(shù)難題。