一種低成本便攜式機(jī)載導(dǎo)航設(shè)備

趙澤榮，趙小勇

（中國民用航空飛行學(xué)院，廣漢618307）

引 言

“低、慢、小”飛行器屬于通用航空的范疇。隨著中國低空空域的逐步開放，通用航空將迎來前所未有的發(fā)展機(jī)遇，將會創(chuàng)造巨大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。然而由于通用航空作業(yè)點(diǎn)多、面廣［1］，保障條件和作業(yè)環(huán)境差，安全基礎(chǔ)脆弱，保障安全體系和機(jī)制不健全，安全監(jiān)管技術(shù)手段有限，安全管理水平低，造成中國通用航空飛行事故和事故征候高于運(yùn)輸航空［2］。因此，在通用航空業(yè)規(guī)模迅猛增長的同時(shí)，其安全問題將面臨空前的挑戰(zhàn)，將成為通用航空業(yè)可持續(xù)發(fā)展的屏障。為了加快中國通用航空事業(yè)的發(fā)展步伐，必須采取行之有效的安全技術(shù)手段和安全管理辦法解決發(fā)展過程中存在的安全問題。

“低、慢、小”這樣的飛行器由于受其自身構(gòu)型及成本等因素的限制，導(dǎo)航通信不可能與運(yùn)輸航空同步。特別是中國無人機(jī)的發(fā)展，黑飛、亂飛的情況經(jīng)常出現(xiàn)，在融合空域內(nèi)給運(yùn)輸航空造成安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。從2016至今，全國無人機(jī)亂飛造成運(yùn)輸航空改航或停運(yùn)事件不低于100起。因此有效地監(jiān)管“低、慢、小”飛行器將是中國低空開放后面臨的難題。首先要解決“看得見”的問題?，F(xiàn)在的“低、慢、小”飛行器由于沒有通信導(dǎo)航系統(tǒng)，導(dǎo)致地面管制員無法看到其在空中的態(tài)勢。由于設(shè)備的加改裝必須得到民航局相關(guān)單位的適航加改裝審批，成本比較高，因此通航的飛行器多數(shù)沒有加裝導(dǎo)航設(shè)備。當(dāng)這些飛行器在融合空域作業(yè)時(shí)，民航的監(jiān)管部門無法了解到這些飛行器在空中的態(tài)勢，從而對運(yùn)輸航空造成了安全威脅。國外的通航比較發(fā)達(dá)，設(shè)備的加改裝不受機(jī)型約束及政府部門的監(jiān)管，因此對設(shè)備的體積、功耗方面沒有太多的考慮，并且國外通導(dǎo)設(shè)備的導(dǎo)航源只有GPS。而國內(nèi)沒有針對民航取得適航認(rèn)證的機(jī)載導(dǎo)航設(shè)備，便攜的機(jī)載導(dǎo)航設(shè)備都是基于GPS導(dǎo)航源，且體積大、成本昂貴。針對中國“低、慢、小”飛行器的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)一種低成本、小體積、低功耗的便攜式導(dǎo)航通信設(shè)備，使得這些飛行器納入民航的通信導(dǎo)航監(jiān)視/空中交通管理（Communication navigation surveillance/air traffic management，CNS/ATM）監(jiān)管體系，以符合民航機(jī)載設(shè)備的適航取證要求。該通信導(dǎo)航設(shè)備具備北斗短報(bào)文的功能。當(dāng)目標(biāo)在低空或者遮擋比較嚴(yán)重的區(qū)域作業(yè)時(shí)，根據(jù)ADS?B數(shù)據(jù)鏈的通信體制［3］，ADS?B地面站是無法收到這些目標(biāo)發(fā)送的信息，而北斗短報(bào)文是采用衛(wèi)星通信方式，彌補(bǔ)了ADS?B數(shù)據(jù)鏈通信的不足。

1 設(shè)計(jì)原理及構(gòu)架

當(dāng)前“低、慢、小”飛行器都是處在“黑飛”階段，即使獲得了空管監(jiān)管部門的允許，空管監(jiān)管部門的監(jiān)視系統(tǒng)仍無法對這些飛行器進(jìn)行監(jiān)控。且市面上沒有成熟的產(chǎn)品滿足這些航空器的導(dǎo)航監(jiān)視需求。為了實(shí)現(xiàn)與當(dāng)前的監(jiān)視體制兼容，設(shè)備采用了ADS?B通信數(shù)據(jù)鏈。其系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理如圖1所示。在圖1中，導(dǎo)航源接收模塊、北斗短報(bào)文處理模塊、大氣計(jì)處理模塊以及FPGA處理接口為ARM處理器的外設(shè)；機(jī)載報(bào)文處理和外部接口為ARM內(nèi)部處理信息模塊。ARM處理器通過串口1、串口2、SPI總線、DMA總線以及USB接口分別與導(dǎo)航源接收模塊、北斗短報(bào)文處理模塊、大氣計(jì)處理模塊、FPGA處理接口和外部接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。射頻處理模塊與FPGA交互ARM處理器編碼的機(jī)載報(bào)文，并以模擬信號的方式對外發(fā)射。電源模塊采用外部供電和電池供電兩種方式，方便該設(shè)備與其他系統(tǒng)集成。外部接口是設(shè)備維護(hù)及配置的接口，可以與外部進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。該設(shè)備主要加裝在“低、慢、小”的飛行器上，設(shè)備通過1 090 MHz的無線頻率廣播數(shù)據(jù)信息，民航的地面接收設(shè)備可以收到這些飛行器的空中交通信息，使得這些飛行器在融合空域中作業(yè)時(shí)，不會造成民航運(yùn)輸?shù)目罩薪煌ò踩{。

圖1 設(shè)備系統(tǒng)原理圖Fig.1 Diagram of equipment

2 設(shè)備硬件及固件的設(shè)計(jì)

為了使設(shè)備設(shè)計(jì)達(dá)到低成本、小體積和低功耗的目標(biāo)，在整個(gè)設(shè)備的設(shè)計(jì)過程中，對元器件的選型以及PCB板的電路設(shè)計(jì)都提出了更高的要求。ARM處理器采用STM 32107VCT 6，該芯片具有低功耗、小體積以及多接口功能［4］。在系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，ARM處理器采用睡眠節(jié)能模式，外設(shè)通過中斷響應(yīng)的方式喚醒CPU。系統(tǒng)構(gòu)架如圖2所示。導(dǎo)航源及氣壓計(jì)選擇低功耗、小體積的芯片集成，而FPGA采用Xilinx生產(chǎn)的XC3S250E系列，該芯片與設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，并承擔(dān)了部分射頻模塊的處理功能。北斗短報(bào)文處理模塊選用GNS1531，并通過多卡復(fù)用的設(shè)計(jì)，規(guī)避了北斗普通用戶1 min只能發(fā)送一次信息的要求［5］，增強(qiáng)了設(shè)備的可用性。通過地面控制設(shè)備發(fā)送短報(bào)文的時(shí)間，當(dāng)設(shè)備ADS?B鏈路可用時(shí)，設(shè)備不發(fā)送短報(bào)文信息，從而降低了設(shè)備的功耗。

圖2 ARM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 System structure of ARM

ARM處理器在與外設(shè)通信的過程中，都是通過ARM的引腳進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和控制。由于STM 32107VCT 6有100個(gè)引腳，每個(gè)外設(shè)與ARM處理器引腳的連接是由設(shè)備的結(jié)構(gòu)及在PCB板上的布局決定的。因此需要配置硬件的寄存器、控制時(shí)鐘和輸入輸出數(shù)據(jù)線等對應(yīng)的地址，實(shí)現(xiàn)底層硬件驅(qū)動(dòng)，為應(yīng)用層的開發(fā)提供便捷的控制接口。

3 系統(tǒng)軟件處理設(shè)計(jì)

ARM處理器是整個(gè)系統(tǒng)的處理中心，外設(shè)數(shù)據(jù)交互完全由處理器控制。然而ARM處理器沒有操作系統(tǒng)，因此任務(wù)的調(diào)度處理由軟件設(shè)計(jì)來控制。為了充分發(fā)揮硬件的性能，合理優(yōu)化資源配置，使得外設(shè)的硬件井然有序地工作，軟件設(shè)計(jì)中必須考慮到每個(gè)外設(shè)業(yè)務(wù)的優(yōu)先級、處理速度等，從而合理分配CPU資源，保證數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性及可靠性。整個(gè)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)處理邏輯如圖3所示。

在圖3中，ARM通過串口中的方式接收導(dǎo)航源報(bào)文，并控制導(dǎo)航源輸出的類型；北斗短報(bào)文處理也是通過串口來控制，接收地面處理中心發(fā)送的控制信息，發(fā)送機(jī)載自定義的報(bào)文信息以及設(shè)備故障時(shí)的信息。大氣計(jì)外設(shè)是提供氣壓高度，ARM處理器通過SPI總線進(jìn)行控制，并把大氣計(jì)芯片工作模式設(shè)置為主模式，當(dāng)需要高度的時(shí)候，ARM處理器才去讀大氣計(jì)芯片的寄存器。外部接口是上位機(jī)通過USB方式對設(shè)備進(jìn)行維護(hù)及控制。FPGA接口是處理ADS?B機(jī)載報(bào)文的通道，ARM處理器根據(jù)導(dǎo)航信息、高度及外部的配置信息，按照ADS?B機(jī)載報(bào)文的編碼協(xié)議，組裝成報(bào)文發(fā)送給FPGA后并通過射頻對外廣播。面板指示燈控制是ARM處理器通過GPIO控制LED燈狀態(tài)，標(biāo)識設(shè)備的工作模式及運(yùn)行狀態(tài)。

圖3 系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯Fig.3 System business logic

3.1 導(dǎo)航信息處理

設(shè)備中的導(dǎo)航信息為多模式導(dǎo)航源。由于北斗導(dǎo)航信息在民航的應(yīng)用精度沒有GPS高［6?9］，但GPS導(dǎo)航源信息容易受到干擾，因此多模式導(dǎo)航信息能確保定位信息可得，通過對多模式導(dǎo)航信息的修正和融合處理，使得地面監(jiān)視系統(tǒng)能實(shí)時(shí)了解目標(biāo)的精確位置。數(shù)據(jù)處理流程如圖4所示。

在圖4中，ARM處理器開辟一個(gè)任務(wù)來處理導(dǎo)航信息，并把任務(wù)的優(yōu)先級設(shè)置了最高。當(dāng)有信息的時(shí)候，觸發(fā)中斷，喚醒ARM處理器，開始接收數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)的同步進(jìn)行處理。當(dāng)同步的時(shí)候，把所收到的數(shù)據(jù)保存到緩沖區(qū)，直到接收到報(bào)文的結(jié)束符號，表示接收到一條完整的導(dǎo)航信息。并調(diào)用數(shù)據(jù)處理模塊，更新機(jī)載報(bào)文的位置信息以及導(dǎo)航性能參數(shù)。當(dāng)導(dǎo)航源不可定位時(shí)，采用外推算法對目標(biāo)的位置進(jìn)行更新。設(shè)t1導(dǎo)航信息丟失時(shí)接收到上一次導(dǎo)航信息的時(shí)間；t2為當(dāng)前需要發(fā)送報(bào)文的時(shí)間，精確到0.2 s；φ1，λ1為t1時(shí)刻的緯度和經(jīng)度，ν為目標(biāo)的速度；θ為目標(biāo)的航向，則t2時(shí)刻的緯度φ2和經(jīng)度λ2分別為

圖4 導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理流程Fig.4 Navigation data processing process

在式（1）中，每次更新后的位置，都作為下一次更新的起始位置進(jìn)行迭代。

3.2 高度信息處理

在機(jī)載設(shè)備中，目標(biāo)的高度有幾何高度及氣壓高度兩種模式選擇。由于幾何高度來源于導(dǎo)航源，在實(shí)際應(yīng)用中有一定的誤差，只有在氣壓高度不可得的情況下，才選擇幾何高度。對于氣壓高度的獲取，ARM處理器在需要的時(shí)候，主動(dòng)讀取氣壓傳感器的寄存器，讀取的值只是當(dāng)前目標(biāo)所在空間的壓強(qiáng)及溫度，需要進(jìn)行處理計(jì)算后才能得到目標(biāo)的高度。數(shù)據(jù)處理流程如圖5所示。

圖5 高度數(shù)據(jù)處理流程Fig.5 Processing process of high data

在圖5中，氣壓高度的處理是在位置參數(shù)更新后立即處理。由于氣壓傳感器被設(shè)置為主模式，ARM處理器獲取數(shù)據(jù)時(shí)需要向傳感器發(fā)送控制數(shù)據(jù)，當(dāng)把傳感器中寄存器的數(shù)據(jù)讀完后，就進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算氣壓高度值。其算法如圖6所示。系統(tǒng)需要?dú)鈮焊叨戎禃r(shí)，ARM處理區(qū)域氣壓傳感器的狀態(tài)值C1～C6，D1～D2，通過計(jì)算處理獲取當(dāng)前的溫度，并對溫度值進(jìn)一步修正，再根據(jù)當(dāng)前的壓強(qiáng)值以及壓強(qiáng)相關(guān)的系數(shù)，進(jìn)一步計(jì)算飛機(jī)當(dāng)前在空中的高度值。該高度值通過通信導(dǎo)航設(shè)備發(fā)送到地面的空中交通監(jiān)視系統(tǒng)，管制員就可以根據(jù)該高度值合理調(diào)度空中的交通流量。

圖6 氣壓高度處理算法Fig.6 Algorithm of air pressure height

3.3 北斗短報(bào)文處理

為了彌補(bǔ)地空視距通信存在的盲區(qū)，設(shè)備增加了北斗短報(bào)文的處理功能。由于北斗短報(bào)文普通用戶發(fā)送報(bào)文的周期是1 min，對于空中飛行器的定位監(jiān)視應(yīng)用，是不實(shí)用的，因此設(shè)計(jì)了多卡復(fù)用處理，縮短報(bào)文發(fā)送周期［10］。而且短報(bào)文發(fā)送是由地面處理中心進(jìn)行控制，當(dāng)ADS?B數(shù)據(jù)鏈通信正常時(shí)，短報(bào)文發(fā)送功能是不啟動(dòng)的。如果設(shè)備出現(xiàn)故障，設(shè)備會把故障信息通過北斗短報(bào)文的功能發(fā)送到地面處理中心。數(shù)據(jù)處理流程如圖7所示。

在圖7中，北斗短報(bào)文處理包括了發(fā)送和接收。發(fā)送的數(shù)據(jù)包括ADS?B數(shù)據(jù)以及設(shè)備故障信息的數(shù)據(jù)。對于北斗短報(bào)文發(fā)送ADS?B數(shù)據(jù)的功能，是通過地面控制中心觸發(fā)。地面控制中心根據(jù)目標(biāo)當(dāng)前的位置、飛行計(jì)劃、ADS?B地面站作用距離以及目標(biāo)當(dāng)前的地形情況，向機(jī)載發(fā)送控制命令觸發(fā)短報(bào)文發(fā)送功能，以降低設(shè)備的整體功耗。因此北斗短報(bào)文的接收數(shù)據(jù)是地面控制中心的控制數(shù)據(jù)。由于北斗短報(bào)文的傳輸處理是通過衛(wèi)星鏈路，有效地彌補(bǔ)了ADS?B數(shù)據(jù)鏈在障礙物遮擋、超視距等情況下無線信號丟失的問題。

3.4 FGPA接口的數(shù)據(jù)處理

FPGA接口是ARM處理器發(fā)送ADS?B報(bào)文的通道。當(dāng)ARM處理器在一定周期內(nèi)，把ADS?B報(bào)文組裝好，就往FPGA發(fā)送，而且FPGA對報(bào)文進(jìn)行調(diào)制處理，最終送給射頻處理模塊，以模擬信號的方式對外發(fā)射。同時(shí)，F(xiàn)PGA及射頻模塊的固件更新、運(yùn)行狀態(tài)等信息也從這個(gè)接口與ARM處理器進(jìn)行交互。數(shù)據(jù)處理流程如圖8所示。

在圖8中，采用DMA的方式傳輸數(shù)據(jù)，傳輸帶寬為8 bit，報(bào)文交互為自定義格式。發(fā)送的報(bào)文除了ADS?B報(bào)文外，還有一些控制命令，如自檢、讀取狀態(tài)和更新固件等。接收的信息為反饋消息及故障信息等。

圖7 北斗短報(bào)文數(shù)據(jù)流程Fig.7 Process of Beidou short Message

圖8 FPGA接口數(shù)據(jù)流程Fig.8 Process of FPGA interface data

3.5 外部接口的數(shù)據(jù)處理

外部接口采用USB通信，并與上位機(jī)進(jìn)行連接，通過上位機(jī)軟件可以對設(shè)備進(jìn)行維護(hù)及配置。包括設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)視、日志信息讀取、軟件更新和機(jī)載報(bào)文參數(shù)配置等。特別是對機(jī)載報(bào)文參數(shù)如呼號、地址碼、報(bào)文類型、導(dǎo)航源以及氣壓模式選擇及修正等的配置，而且這些配置信息寫入了Flash芯片中，當(dāng)下次開機(jī)時(shí)，這些信息就直接從Flash中讀取。

4 測試與驗(yàn)證

該設(shè)備通過器件選型和高度集成設(shè)計(jì)，體積為120 mm×90 mm×30 mm，設(shè)備的發(fā)射頻率為1 090±1 MHz，發(fā)射功率50～250 W之間，設(shè)備的作用距離≤300 km，功耗≤10 W，完全達(dá)到了低成本、小體積和低功耗的要求。為了測試導(dǎo)航設(shè)備的性能，本文采用兩種方式進(jìn)行比對測試驗(yàn)證：（1）跑車對比驗(yàn)證；（2）在通航飛機(jī)上攜帶導(dǎo)航設(shè)備與飛機(jī)本身的機(jī)載導(dǎo)航設(shè)備進(jìn)行比對測試驗(yàn)證。圖9展示了設(shè)備在飛機(jī)上的安裝配置。

導(dǎo)航設(shè)備發(fā)射信息的處理，需要地面監(jiān)視系統(tǒng)的配合，才能得到驗(yàn)證結(jié)果。詳細(xì)的測試方案如圖10所示。在圖10中，地面接收系統(tǒng)有機(jī)場運(yùn)行的監(jiān)視系統(tǒng)及測試監(jiān)視系統(tǒng)，其中測試的監(jiān)視系統(tǒng)不僅包含了ADS?B地面站，還包括了北斗短報(bào)文收發(fā)機(jī)，該設(shè)備與ADS?B地面監(jiān)視系統(tǒng)融合數(shù)據(jù)處理［11］。測試的效果如圖11～13所示。

在圖11，12中，采用跑車的測試驗(yàn)證方式，Test0001是測試的目標(biāo)，該設(shè)備放置在車上，并在綿陽城里樓群比較密集的地方進(jìn)行跑車測試。圖11是帶有北斗短報(bào)文收發(fā)機(jī)的地面系統(tǒng)呈現(xiàn)的效果圖，圖12為機(jī)場運(yùn)行的監(jiān)視系統(tǒng)顯示的效果。對比圖11和圖12，圖11的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡比較連續(xù)，雖然有丟包的情況，但是比較少；而圖12丟包情況就比較明顯。這由于測試地方是在機(jī)場的下方，且有山遮擋，同時(shí)測試系統(tǒng)能收到北斗短報(bào)文的信息，從而更新了軌跡的連續(xù)性。圖13為在B7936的通航飛機(jī)上攜帶該導(dǎo)航設(shè)備進(jìn)行飛行驗(yàn)證測試的效果圖。由于飛機(jī)上有兩個(gè)通信導(dǎo)航設(shè)備，因此在監(jiān)視界面上出現(xiàn)兩個(gè)監(jiān)視目標(biāo)，分別是B7936和Test0001。飛機(jī)從綿陽機(jī)場起飛后，在空曠沒有遮擋的地方，而且距離地面接收系統(tǒng)比較近的時(shí)候，兩個(gè)目標(biāo)幾乎是重疊在一起運(yùn)行。從圖11可以看出，在B7936目標(biāo)信號消失前，運(yùn)行的軌跡是連續(xù)的，而且是B7936和Test0001軌跡的疊加，因此比較密集；但是飛機(jī)穿越山區(qū)的時(shí)候，B7936的信號丟失，也就是ADS?B數(shù)據(jù)鏈的無線信號因?yàn)檎趽鯇?dǎo)致地面監(jiān)視系統(tǒng)接收不到，所以Test0001的ADS?B數(shù)據(jù)鏈功能也就失效。但是目標(biāo)還能繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，是由于北斗短報(bào)文更新了地面監(jiān)視系統(tǒng)目標(biāo)所在的位置，而且Test0001的軌跡也沒有那么連續(xù)，是因?yàn)楸倍范虉?bào)文更新周期是1 min，而Test0001采用多卡復(fù)用的功能，軌跡的間隔相對要小一些。在圖13中，在同一個(gè)位置不同高度可以看到民航的大飛機(jī)，因?yàn)槊窈斤w機(jī)的高度在10 000多米，而小飛機(jī)的高度只有1 640多米，因此受地形的影響比較大。通過這兩種對比測試驗(yàn)證，設(shè)備的實(shí)用性比現(xiàn)有的系統(tǒng)有所提高。最主要的是設(shè)備的低成本、小體積和低功耗等優(yōu)勢，非常適合“低、慢、小”飛行器加裝，為通航的發(fā)展提供了技術(shù)支撐。

圖9 導(dǎo)航設(shè)備實(shí)物圖Fig.9 Diagram of navigation equipment

圖10 導(dǎo)航設(shè)備測試性能方案Fig.10 Performance test scheme for equipment

圖11 設(shè)備測試效果圖Fig.11 Test effect of equipment

圖12 機(jī)場監(jiān)視系統(tǒng)顯示結(jié)果Fig.12 Result of airport sur?veillance system

圖13 飛行測試結(jié)果Fig.13 Flight test result

5 結(jié)束語

隨著通用航空的發(fā)展，空域內(nèi)航空器品種將會越來越繁雜。由于“低、慢、小”的航空器使用空域隨意性大，飛行作業(yè)項(xiàng)目多樣化，飛行時(shí)間不確定等，管理及監(jiān)視上的困難增加。為了使這些航空器在融合空域不影響運(yùn)輸航空飛行，需要低成本、高效率的技術(shù)手段來加強(qiáng)管理及監(jiān)視問題。本文針對通用航空器的應(yīng)用需求，研發(fā)一種低成本、小體積、低功耗的通信導(dǎo)航設(shè)備。通過對比測試證明其性能優(yōu)于當(dāng)前的ADS?B機(jī)載通信導(dǎo)航設(shè)備。且該設(shè)備自帶電池，充一次電在空中能持續(xù)工作6 h，功耗小于

10 W。特別是對低空、超低空飛行的目標(biāo)，彌補(bǔ)了ADS?B數(shù)據(jù)鏈視距通信的盲區(qū)。為“低、慢、小”航空器納入民航監(jiān)管體系提供了一種技術(shù)解決方法。下一步的工作將完善設(shè)備性能，降低設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)膩G包率，研究設(shè)備與飛行器的其他接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互問題，縮短北斗短報(bào)文發(fā)送周期等，增強(qiáng)設(shè)備的可靠性及實(shí)用性。