基于北斗與ADS-B技術(shù)的無(wú)人機(jī)監(jiān)視管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉玨 張恩宇 漆駿騫 程伯晗

摘? 要：文章探究了北斗二代定位的基本原理和廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）的工作原理，設(shè)計(jì)了裝載在無(wú)人機(jī)上的北斗模塊和機(jī)載ADS-B模塊，并進(jìn)行集成設(shè)計(jì)出一套可以對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)確追蹤定位以及管理的無(wú)人機(jī)監(jiān)視管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)軟件基于java技術(shù)和B/S結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證可以在瀏覽器有效運(yùn)行，系統(tǒng)不僅可以對(duì)已注冊(cè)無(wú)人機(jī)進(jìn)行監(jiān)視，而且可以對(duì)所有系統(tǒng)用戶進(jìn)行統(tǒng)一管理，該系統(tǒng)為無(wú)人機(jī)管理提供應(yīng)用支持。

關(guān)鍵詞：北斗;ADS-B;無(wú)人機(jī)監(jiān)管

中圖分類號(hào)：TN967? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2020）15-0037-03

Abstract： This paper probes into the basic principle of the second generation positioning of Beidou and the working principle of Automatic Dependent Surveillance - Broadcast （ADS-B）， designs the Beidou module and airborne ADS-B module loaded on the UAV， and designs a set of UAV monitoring and management system which can track and manage the UAV accurately. The system software is based on Java technology and B/S structure， and it is verified that it can run effectively in the browser. The system can not only monitor the registered UAV， but can also manage all the system users. The system provides application support for UAV surveillance.

Keywords： Beidou; ADS-B; UAV surveillance

引言

近年隨著通用航空的迅速發(fā)展，國(guó)家出臺(tái)了許多無(wú)人機(jī)管控的相關(guān)法律法規(guī)文件，無(wú)人機(jī)的管理也逐步由散亂走向體系化。然而，無(wú)人機(jī)仍屬于新興行業(yè)，其飛行管理等仍然存在著很大空缺。

針對(duì)目前無(wú)人機(jī)飛行監(jiān)視與管理兩難的問(wèn)題，本文將提出基于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)、ADS-B以及云平臺(tái)等相關(guān)技術(shù)的無(wú)人機(jī)監(jiān)視管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，以實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)飛行管理規(guī)范化和高效化。

1 總體設(shè)計(jì)

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)自主研發(fā)的衛(wèi)星系統(tǒng)，相比于美國(guó)的GPS系統(tǒng)具有更高的可靠性;ADS-B是如今主要的監(jiān)視技術(shù)之一，系統(tǒng)將結(jié)合北斗二代衛(wèi)星與ADS-B模塊對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行精確定位，并將數(shù)據(jù)導(dǎo)入云平臺(tái)，進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析與處理，最后在系統(tǒng)軟件中呈現(xiàn)所需的無(wú)人機(jī)飛行計(jì)劃數(shù)據(jù)（起、終點(diǎn)位置坐標(biāo)、飛行路線，最大飛行高度、任務(wù)類型等）和實(shí)時(shí)飛行參數(shù)（海拔高度、經(jīng)緯度坐標(biāo)、飛機(jī)仰角、已飛時(shí)間等）。系統(tǒng)對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)視，使得飛行在相同航路的無(wú)人機(jī)之間能夠保持安全的飛行距離。系統(tǒng)兼具無(wú)人機(jī)飛行任務(wù)管理功能，能夠?qū)o(wú)人機(jī)注冊(cè)信息進(jìn)行驗(yàn)證以及對(duì)報(bào)備的飛行計(jì)劃進(jìn)行審批與管理。

2 北斗與ADS-B鏈路

2.1 北斗導(dǎo)航定位

北斗定位是通過(guò)測(cè)量衛(wèi)星與待測(cè)物的偽距而得到的，也就是指包含了鐘差、設(shè)備時(shí)延以及大氣層干擾的距離，因其不完全等于真實(shí)距離，從而稱之為偽距。北斗衛(wèi)星系統(tǒng)測(cè)量不少于4顆衛(wèi)星與接收機(jī)之間的距離，交會(huì)得到待測(cè)物的坐標(biāo)。公式為：

i表示偽距，（X，Y，Z）表示接收機(jī)的三維坐標(biāo)，？啄i表示偽距測(cè)量的誤差，包括接收機(jī)鐘差和大氣折射等。

根據(jù)用戶機(jī)的狀態(tài)，北斗衛(wèi)星系統(tǒng)具有靜態(tài)定位和動(dòng)態(tài)定位兩種不同模式的定位方式，其原理均可簡(jiǎn)單概述為由衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)給接收機(jī)，用戶根據(jù)信號(hào)傳遞的延遲結(jié)算出與每顆衛(wèi)星之間的距離從而得到用戶的相對(duì)位置或絕對(duì)位置。

靜態(tài)定位適用于靜止或者緩慢運(yùn)動(dòng)的物體，在一個(gè)觀測(cè)周期內(nèi)無(wú)法探測(cè)到其位置的變化。這種定位方式只需要一臺(tái)接收機(jī)，費(fèi)用較低而且使用靈活，無(wú)多值問(wèn)題[1]。根據(jù)參考系的選取不同，可將定位分為絕對(duì)定位和相對(duì)定位，圖1表示了動(dòng)態(tài)絕對(duì)定位和靜態(tài)相對(duì)定位的原理。

2.2 ADS-B數(shù)據(jù)鏈路

ADS-B，又稱廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視，是一個(gè)集通信與監(jiān)視于一體的信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)由機(jī)載設(shè)備（GPS接收機(jī)、數(shù)據(jù)收發(fā)機(jī)及其天線、駕駛艙沖突信息顯示器（CDTI））和地面設(shè)備。航空器可以使用ADS-B機(jī)載設(shè)備，利用數(shù)據(jù)鏈（1090ES，UAT，VDL4）以DF17格式可以向外發(fā)送航空器的位置、速度、高度、姿態(tài)等信息。配備接收機(jī)的周圍航空器接收到ADS-B信息后，經(jīng)過(guò)機(jī)載計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)顯示到CDTI上。

ADS-B地面站可以進(jìn)行接收、發(fā)送和處理地空數(shù)據(jù)廣播報(bào)文等一系列工作，得到無(wú)人機(jī)飛行數(shù)據(jù)，并通過(guò)告警算法來(lái)判斷兩無(wú)人機(jī)之間是否存在沖突，同時(shí)可以保證空中交通管制部門來(lái)控制低空空域的整體狀態(tài)，使得低空空域中無(wú)人機(jī)的安全可以得到有效、及時(shí)的保障。而ADS-B機(jī)載設(shè)備可以對(duì)獲得的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而得到航空器的飛行姿態(tài)和位置坐標(biāo)等狀態(tài)數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

3.1 北斗模塊設(shè)計(jì)

北斗導(dǎo)航模塊分為定位系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和電源系統(tǒng)[2]。

3.1.1 北斗定位系統(tǒng)

北斗定位系統(tǒng)包含北斗模塊和北斗天線，無(wú)人機(jī)北斗模塊包含三大模塊：射頻模塊、基帶模塊及信息處理模塊。

（1）射頻模塊

RF射頻模塊負(fù)責(zé)高頻衛(wèi)星信號(hào)的接收，并進(jìn)行降頻處理，降為中頻。

（2）基帶模塊

基帶模塊接收到前端射頻降頻信號(hào)后，對(duì)BDS導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行捕獲、跟蹤，將接收的中頻信號(hào)降為基帶信號(hào)，并解析出原始導(dǎo)航電文。

（3）信息處理模塊

信息處理模塊接收到原始導(dǎo)航電文，利用導(dǎo)航算法得到被測(cè)航空器精確位置。

3.1.2 北斗通信系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)通過(guò)其中飛控系統(tǒng)的北斗模塊，發(fā)送無(wú)人機(jī)的所在時(shí)間、速度、航向等信息。

（1）北斗導(dǎo)航BDS接收到用戶請(qǐng)求的ID信息，與導(dǎo)航信息一起進(jìn)行封裝加密，隨后將加密信號(hào)傳輸至北斗衛(wèi)星地面接收站。

（2）北斗衛(wèi)星地面接收站接收到BDS加密數(shù)據(jù)后進(jìn)行解密，解密后向所有用戶廣播。

（3）各用戶接收到廣播BDS報(bào)文并進(jìn)行調(diào)制、解密，解析出報(bào)文的ID信息，接收與自身ID一致的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，丟棄不一致數(shù)據(jù)。

要考慮空中因素對(duì)信號(hào)的多經(jīng)干擾，噪聲干擾，對(duì)實(shí)際的BDS導(dǎo)航信號(hào)除了報(bào)文封裝加密解密，傳輸系統(tǒng)還需要進(jìn)行信號(hào)調(diào)制、抗多徑干擾、信號(hào)編解碼及校驗(yàn)。

3.1.3 電源管理

為保證無(wú)人機(jī)及其周圍環(huán)境的安全，操作者應(yīng)時(shí)刻留意無(wú)人機(jī)電量。無(wú)人機(jī)可通過(guò)飛控系統(tǒng)的北斗模塊，發(fā)送無(wú)人機(jī)的電池余量。并設(shè)置電源管理功能：電源管理部分要求能夠?qū)╇婋姵氐某浞烹娺M(jìn)行管理，提供低電壓告警指示、充電防過(guò)充保護(hù)等功能。

3.2 ADS-B模塊設(shè)計(jì)

ADS-B機(jī)載設(shè)備主要由4部分組成，分別為外部的輸入數(shù)據(jù)源、1090ES ADS-B OUT數(shù)據(jù)發(fā)射子系統(tǒng)、1090ES ADS-B IN數(shù)據(jù)接收子系統(tǒng)及輸出數(shù)據(jù)客戶應(yīng)用。

ADS-B OUT數(shù)據(jù)發(fā)射子系統(tǒng)可以將航空器的呼號(hào)、速度、航向、經(jīng)緯度、高度等信息通過(guò)1090ES數(shù)據(jù)鏈定期自動(dòng)廣播出去，ADS-B IN數(shù)據(jù)接收子系統(tǒng)通過(guò)接受ADS-B報(bào)文得到其他航空器的位置、速度、高度呼號(hào)信息，并將這些信息顯示在CDTI上，從而使得駕駛員能夠詳盡地了解航空器周圍的空域情況[3]。

ADS-B采用DF17格式報(bào)文進(jìn)行空-地?cái)?shù)據(jù)傳輸，航空器數(shù)據(jù)信息經(jīng)過(guò)編碼、調(diào)制后通過(guò)無(wú)線電進(jìn)行發(fā)送傳輸;同時(shí)，地面站通過(guò)ADS-B的天線接收航空器機(jī)載設(shè)備發(fā)射的ADS-B報(bào)文。在對(duì)DF17格式的報(bào)文解析完后，生成航行動(dòng)態(tài)監(jiān)視終端顯示數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)地面對(duì)空中航空器的監(jiān)視[4]。

4 綜合管理云平臺(tái)

無(wú)人機(jī)監(jiān)管系統(tǒng)基于J2EE架構(gòu)，采用跨平臺(tái)技術(shù)，適合多個(gè)操作系統(tǒng)。利用北斗系統(tǒng)獲得無(wú)人機(jī)的地理位置，通過(guò)陸基ADS-B信號(hào)采集無(wú)人機(jī)信號(hào)采集接受設(shè)備的數(shù)據(jù)，展現(xiàn)無(wú)人機(jī)的動(dòng)態(tài)信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)飛行數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)視以及管理。

4.1 數(shù)據(jù)信息接收

無(wú)人機(jī)北斗模塊接收的定位信息以及慣導(dǎo)模塊收集到的姿態(tài)信息、航向信息通過(guò)機(jī)載ADS-B模塊向外發(fā)射，地面的ADS-B接收機(jī)調(diào)整到相應(yīng)的接收頻率，以獲得相關(guān)的數(shù)據(jù)信息。同時(shí)機(jī)載ADS-B與陸基ADS-B信號(hào)采集接收設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，以地圖標(biāo)注點(diǎn)的形式展示動(dòng)態(tài)的ADS-B數(shù)據(jù)。監(jiān)管云臺(tái)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示監(jiān)視畫面包含了無(wú)人機(jī)起降點(diǎn)、以及全部飛行空域信息（管制空域、報(bào)告空域、監(jiān)視空域）。通過(guò)ADS-B OUT功能獲得的實(shí)時(shí)、連續(xù)、準(zhǔn)確的無(wú)人機(jī)地址碼、飛行標(biāo)識(shí)、位置、高度、航向以及其它飛行信息也會(huì)在監(jiān)管云臺(tái)上顯示出來(lái)。

4.2 用戶使用介紹

用戶創(chuàng)建帳號(hào)后在監(jiān)管云臺(tái)上必須進(jìn)行實(shí)名信息認(rèn)證審核，已經(jīng)在中國(guó)民用航空局無(wú)人機(jī)實(shí)名登記系統(tǒng)上登記通過(guò)后的無(wú)人機(jī)方可接入本監(jiān)管云臺(tái)。飛手在上傳無(wú)人機(jī)駕駛執(zhí)照照片并通過(guò)審核后可以使用本監(jiān)管云臺(tái)部分功能，如無(wú)人機(jī)飛行任務(wù)申請(qǐng)，空域申請(qǐng)，飛行計(jì)劃申請(qǐng)等。在接受到無(wú)人機(jī)用戶提出飛行申請(qǐng)后，系統(tǒng)將無(wú)人機(jī)用戶的飛行計(jì)劃統(tǒng)一提交到有關(guān)批準(zhǔn)部門，如飛行計(jì)劃受到批準(zhǔn)后，方可進(jìn)行無(wú)人的飛行活動(dòng)。監(jiān)管審核用戶可在此期間對(duì)已經(jīng)申請(qǐng)的飛行計(jì)劃信息進(jìn)行管理操作、歸檔處理等。

5 方案缺點(diǎn)分析

5.1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)缺點(diǎn)

北斗衛(wèi)星的短報(bào)文通信有120字節(jié)的限制，民用單次通信容量有限，因此在所需數(shù)據(jù)量較大時(shí)會(huì)產(chǎn)生不便利的問(wèn)題。并且，北斗衛(wèi)星的定位精度相比于GPS仍有一定的差距，在較復(fù)雜情況下的精準(zhǔn)定位有一定難度。

此外，北斗系統(tǒng)還具有無(wú)法忽略的高時(shí)延，這是由于北斗的定位原理所造成的。GPS的定位原理是，用戶在接收到衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)后解算來(lái)自多顆衛(wèi)星的信號(hào)從而得到自身的位置;而北斗是由用戶向衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)后，衛(wèi)星在將信號(hào)發(fā)射給地面站解算得到用戶的位置，最后再發(fā)送給用戶端接收機(jī)，這個(gè)過(guò)程中就會(huì)產(chǎn)生較大的干擾和較高的信號(hào)時(shí)延問(wèn)題。不過(guò)對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)的物體，存在較大的誤差，但對(duì)于“低小慢”的旋翼無(wú)人機(jī)，則誤差相對(duì)較小。

5.2 ADS-B存在的問(wèn)題及解決

我國(guó)ADS-B存在著一定的問(wèn)題，其一，定位信息數(shù)據(jù)來(lái)源于GPS，由此帶來(lái)了安全性、可靠性及擴(kuò)展性等方面的問(wèn)題。其二，目前ADS-B廣泛應(yīng)用于民航客機(jī)等大型航空器，所以市面上ADS-B機(jī)載設(shè)備都是為大型航空器所研制，具有質(zhì)量高、所占空間大、價(jià)格昂貴等特點(diǎn)。要想將ADS-B應(yīng)用于無(wú)人機(jī)上，需要對(duì)ADS-B機(jī)載設(shè)備進(jìn)行改裝。

對(duì)現(xiàn)有ADS-B機(jī)載設(shè)備進(jìn)行改裝，改裝過(guò)后的ADS-B機(jī)載設(shè)備能夠克服質(zhì)量高、所占空間大等缺陷，并且具備功耗低的特征。同時(shí)，該設(shè)備保留了ADS-B OUT和IN功能。能夠保證無(wú)人機(jī)應(yīng)用北斗技術(shù)且具備既能向外發(fā)送ADS-B信息，又能接受ADS-B信息。

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