基于無人機(jī)的無線電監(jiān)測定位效率提升研究

周 超，王 耀，熊仁和，肖 俊

(1. 中國民用航空飛行學(xué)院飛行技術(shù)與飛行安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 廣漢 618307；2. 中國民用航空飛行學(xué)院空中交通管理學(xué)院，四川 廣漢 618307)

1 引言

隨著國家全面開啟社會(huì)主義現(xiàn)代化強(qiáng)國建設(shè)，民用航空的發(fā)展一直發(fā)揮著基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性的作用。2021年3月12日民航局學(xué)習(xí)貫徹2021年兩會(huì)精神時(shí)明確提出：要著力構(gòu)建一流的民航安全體系，樹立民航總體安全觀。但隨著不合法無線電頻率的亂用，造成民航專用頻率受無線電干擾事件頻發(fā)，且在全國具有普遍性。僅華東空管局在2015年至2019年收到的干擾報(bào)告次數(shù)均在300起以上，其中空中干擾比例占半數(shù)以上，這是因?yàn)榈孛娓蓴_源直射波更易影響空中的飛機(jī)[1]。民航無線電通信、導(dǎo)航和監(jiān)視設(shè)備是飛行安全的保障，一旦這些設(shè)備的專用頻率受到干擾，可能會(huì)造成飛機(jī)與地面通話中斷、雷達(dá)失效、導(dǎo)航信號失真、嚴(yán)重時(shí)將造成通信設(shè)備主備機(jī)同時(shí)失效，將會(huì)直接影響民航安全體系的構(gòu)建[2-3]。

目前國家傳統(tǒng)的無線電監(jiān)測及干擾定位方法一般采用地面布設(shè)監(jiān)測站，由多個(gè)監(jiān)測站通過對干擾信號進(jìn)行測向，交叉定位地面干擾源的大致位置，然后派出移動(dòng)監(jiān)測車在可疑區(qū)域通過測向，逐漸逼近干擾源。但這種方式排查周期長，不能及時(shí)排查并拆除干擾源[4]。利用小型載人飛機(jī)、直升機(jī)平臺(tái)監(jiān)測無線電干擾，可以快速準(zhǔn)確的定位干擾源，但是又存在審批流程復(fù)雜、空域受限、成飛成本高等問題，而利用無人機(jī)作為空中無線電監(jiān)測平臺(tái)，不僅便于接收干擾源的直射波，并且具有成本低、控制簡單、高機(jī)動(dòng)性和高擴(kuò)展性等諸多優(yōu)勢。

現(xiàn)有的大多數(shù)無人機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)中，無線電監(jiān)測與無人機(jī)控制功能分散，機(jī)載端與地面端使用多條鏈路傳輸顯示，成熟產(chǎn)品的交互性弱使得定位效率不高[5]。本文基于大疆六旋翼無人機(jī)的穩(wěn)定性和擴(kuò)展性，利用機(jī)載端SDK(Software Development Kit)實(shí)現(xiàn)飛行控制與測向系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理，用地面端SDK實(shí)現(xiàn)航線規(guī)劃、測向數(shù)據(jù)可視化等功能[6-9]。同時(shí)為了提升定位精度，仿真分析觀測點(diǎn)的選定對于實(shí)際航線規(guī)劃中提高定位精度的理論意義，實(shí)際測試對比兩種基線數(shù)據(jù)處理方法，驗(yàn)證系統(tǒng)在便捷性、定位效率方面的優(yōu)越性。

2 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

為降低無人機(jī)負(fù)載、解決空中監(jiān)測系統(tǒng)新增數(shù)據(jù)傳輸鏈路影響本身鏈路的電磁抗干擾能力、解決無線電干擾監(jiān)測數(shù)據(jù)不能自動(dòng)解碼在電子地圖顯示等問題，以保證飛行平臺(tái)足夠可靠、數(shù)據(jù)采集簡單高效、監(jiān)測定位過程自動(dòng)化為原則對整體系統(tǒng)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體方案圖

考慮監(jiān)測任務(wù)的穩(wěn)定性和負(fù)載續(xù)航，選擇大疆M600pro旋翼無人機(jī)作為飛行監(jiān)測平臺(tái)。同時(shí)考慮頻段、增益、尺寸和重量、精度等空中監(jiān)測系統(tǒng)所需的性能指標(biāo)，定制機(jī)載測向系統(tǒng)進(jìn)行以滿足對便攜性、可用性 、低成本高精度、模塊化設(shè)計(jì)的要求。監(jiān)測數(shù)據(jù)滿足鏈路傳輸協(xié)議及通信帶寬要求，地面移動(dòng)控制站實(shí)現(xiàn)飛行任務(wù)與干擾數(shù)據(jù)的同步監(jiān)視控制。

3 航線規(guī)劃策略

無人機(jī)平臺(tái)在空中靈活性高、接收到的信號路徑損耗低，能在不同方向、高度通過監(jiān)測信號功率值與無人機(jī)航向獲取不同位置的來波信號方位，經(jīng)過地面站軟件將觀測點(diǎn)對應(yīng)方向線交匯，便得到估計(jì)的目標(biāo)位置區(qū)域。將無人機(jī)看作移動(dòng)站點(diǎn)，定位過程抽象成二維平面下的交叉定位模型，由于設(shè)備系統(tǒng)誤差和噪聲干擾，由多點(diǎn)交叉定位原理得出的目標(biāo)位置總是落在一個(gè)區(qū)域[10]。該區(qū)域越小則證明定位的精度越高，示意圖如圖2所示。

圖2 定位模糊區(qū)定義

設(shè)該區(qū)域面積為S，系統(tǒng)在不同觀測點(diǎn)A、B硬件狀態(tài)相同，則它們的測量誤差是相等的，默認(rèn)設(shè)備誤差值△Φ一致，定位模糊區(qū)S的表達(dá)式[11]

(1)

其中H為目標(biāo)位置與觀測基線距離，△Φ為測量誤差，θ1、θ2為示向角。為使建模方便，將定位模糊區(qū)表達(dá)式簡化為

(2)

由上式可知在H不變情況下，當(dāng)分母K越大，對應(yīng)S越小。對K求極大值，可通過求偏導(dǎo)建立K與θ1、θ2關(guān)系表達(dá)式：

(3)

(4)

由上述推導(dǎo)公式建立θ1、θ2與K值的Matlab關(guān)系模型，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 使模糊區(qū)最小的方位值間關(guān)系

從圖中觀察到當(dāng)θ1取樣本值為60°時(shí)，θ2取值120°時(shí)對應(yīng)的K值最大，進(jìn)而判斷出當(dāng)目標(biāo)區(qū)域與觀測線距離一定時(shí)，兩個(gè)觀測點(diǎn)與干擾源剛好圍成等邊三角形布局，計(jì)算得到的模糊區(qū)面積S最小，定位精度相對最高。

無人機(jī)的實(shí)際飛行航線，采用弧形軌跡能以較少連續(xù)觀測點(diǎn)獲取足夠多的有效監(jiān)測值，結(jié)合仿真結(jié)果選擇使示向線為60°交匯點(diǎn)作為有效區(qū)域邊界估計(jì)位置目標(biāo)點(diǎn)，多組有效目標(biāo)點(diǎn)構(gòu)成的區(qū)域?qū)?huì)比粗定位區(qū)域小。例如圖4中紅色交匯點(diǎn)T1點(diǎn)和綠色交匯點(diǎn)T2，挑選出三組及以上的相交點(diǎn)可構(gòu)成縮小后的定位模糊區(qū)，將多組有效數(shù)據(jù)值算術(shù)平均后可達(dá)到減小與真實(shí)位置相對誤差的目的。

圖4 航線規(guī)劃示意圖

4 基于SDK二次開發(fā)的功能實(shí)現(xiàn)

為了完成設(shè)計(jì)目標(biāo)，針對空中監(jiān)測系統(tǒng)的測向數(shù)據(jù)對地傳輸、地面控制端實(shí)時(shí)監(jiān)控、定位無線電干擾源等使用需求，利用大疆SDK二次開發(fā)設(shè)計(jì)解決方案。

4.1 機(jī)載SDK開發(fā)

考慮到測向數(shù)據(jù)的處理和通信交互不會(huì)耗費(fèi)太多計(jì)算資源，采用嵌入式系統(tǒng)(Onboard Embedded System，OES)STM32開發(fā)板作為硬件載體的開發(fā)平臺(tái)，同時(shí)將開發(fā)板作為中繼與無人機(jī)、傳感器PC連接。

OES與飛控雙向通信，需要遵循固定的通信協(xié)議，將指令信息轉(zhuǎn)換成固定的協(xié)議幀，通過串行接口進(jìn)行傳輸，前者發(fā)送包含請求操作的CMD數(shù)據(jù)包，后者用確認(rèn)或拒絕CMD的ACK包進(jìn)行回復(fù)。數(shù)據(jù)傳輸控制使用SDK框架中的API，指令調(diào)用API的驅(qū)動(dòng)控制過程如圖5。

圖5 API調(diào)用原理

機(jī)載SDK(Onboard SDK，OSDK)開發(fā)中常用串行通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，使能合適的串口，調(diào)用相關(guān)函數(shù)，設(shè)置復(fù)用器映射等步驟來完成串口數(shù)據(jù)傳輸。此外為了提高OSDK程序的安全性，采用廣播與訂閱機(jī)制。要想使機(jī)載計(jì)算機(jī)控制無人機(jī)，飛控還需與外部設(shè)備完成硬件同步。

4.2 OSDK控制方案

OSDK控制飛行具備延時(shí)極低、閉環(huán)控制、狀態(tài)自穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，因此可與監(jiān)視應(yīng)用的航線規(guī)劃結(jié)合實(shí)現(xiàn)交叉定位，以周期性偏轉(zhuǎn)角控制的直線方式進(jìn)行航線規(guī)劃并在觀測點(diǎn)完成數(shù)據(jù)記錄。OES在收到航線規(guī)劃的指令后，解析數(shù)據(jù)包利用航點(diǎn)任務(wù)規(guī)劃類的接口控制無人機(jī)執(zhí)行指定任務(wù)，其觸發(fā)器與執(zhí)行器設(shè)計(jì)原理為：觸發(fā)器選擇航點(diǎn)到位觸發(fā)，經(jīng)循環(huán)反饋產(chǎn)生期望速度；執(zhí)行器的參數(shù)設(shè)計(jì)包括設(shè)定周期及信號幅值閾值，以便判定有效干擾數(shù)據(jù)。周期獲取有效位置信息、姿態(tài)角信息、方位角信息并實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，在判定數(shù)據(jù)量達(dá)到設(shè)定條件后經(jīng)過定位解算和均值濾波得到較精確的GCJ-02(火星)坐標(biāo)系下的目標(biāo)位置信息。

4.3 SDK通信

本監(jiān)測系統(tǒng)需要在穩(wěn)定飛行過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測無人機(jī)狀態(tài)參數(shù)和無線電測向數(shù)據(jù)信息，將OSDK獲取的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)融入下行遙測鏈路，因此需設(shè)計(jì)機(jī)載端與地面端SDK的通信通道，實(shí)現(xiàn)機(jī)載端處理后的有效監(jiān)測數(shù)據(jù)能在移動(dòng)設(shè)備端顯示，完成對無線電干擾源的定位顯示。

機(jī)載端與移動(dòng)端應(yīng)用程序間的數(shù)據(jù)通信基于數(shù)據(jù)透傳技術(shù)實(shí)現(xiàn)，指的是程序應(yīng)用層將數(shù)據(jù)以緩沖區(qū)存儲(chǔ)的形式調(diào)用底層硬件驅(qū)動(dòng)去輸送，底層硬件驅(qū)動(dòng)只保證緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)發(fā)送，而不關(guān)心緩沖區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)類型，不用去解析緩沖區(qū)的具體內(nèi)容。飛行平臺(tái)為通信中介，建立機(jī)載端和移動(dòng)端數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾p向無線鏈路通道，機(jī)載端OSDK設(shè)計(jì)為服務(wù)器端，移動(dòng)端MSDK設(shè)計(jì)為客戶端。兩端通信程序的通用啟動(dòng)流程如圖6所示。

圖6 SDK通信代碼運(yùn)行流程

4.4 數(shù)據(jù)監(jiān)視應(yīng)用設(shè)計(jì)

監(jiān)視應(yīng)用由Mobile SDK(MSDK)與Android庫提供內(nèi)核支持，其中利用SDK框架如：SDK管理類、產(chǎn)品類、部件類、航點(diǎn)任務(wù)類、航點(diǎn)任務(wù)控制類等完成大疆地面站的任務(wù)執(zhí)行模塊；利用Android程序開發(fā)，設(shè)計(jì)應(yīng)用界面、控制邏輯實(shí)現(xiàn)與用戶交互；利用界面資源庫(UX SDK)提供一些通用標(biāo)簽用于在主界面顯示無人機(jī)狀態(tài)信息，自定義布局通過將UI組件綁定對應(yīng)的API類可通過標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)起降返航、狀態(tài)告警等功能。

使用高德SDK訪問地圖數(shù)據(jù)，將Android設(shè)備獲取的位置信息展示在高德的定位圖層，采用地圖糾偏算法可將地圖上的位置信息轉(zhuǎn)換為需要的標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)緯信息。智能飛行需要航線規(guī)劃，用Waypoint類配置航線中的航點(diǎn)，并統(tǒng)一設(shè)置航點(diǎn)動(dòng)作，包括到達(dá)航點(diǎn)后的動(dòng)作、朝向、速度、懸停時(shí)間等，Waypoint類設(shè)置的航點(diǎn)參數(shù)配置，優(yōu)先級高于組合航點(diǎn)類設(shè)置。

智能飛行的任務(wù)模塊開發(fā)包括無人機(jī)定位、航點(diǎn)添加/清除、航點(diǎn)參數(shù)設(shè)置、任務(wù)上傳、開始/結(jié)束任務(wù)等幾個(gè)主要功能，將這些功能與對應(yīng)按鈕綁定與地圖一同顯示在主界面上，并為所有功能設(shè)置對應(yīng)的監(jiān)聽器。執(zhí)行監(jiān)測任務(wù)時(shí)，點(diǎn)擊地圖將會(huì)調(diào)用航點(diǎn)標(biāo)記功能，記錄標(biāo)記對象的經(jīng)緯信息并傳入標(biāo)記列表；選擇好航點(diǎn)后，配置相對起飛點(diǎn)高度、速度、到達(dá)航點(diǎn)后的動(dòng)作、朝向、旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，目的在于使天線可以收集到有效的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

二次開發(fā)后的運(yùn)行界面如圖7所示。

圖7 SDK二次開發(fā)系統(tǒng)監(jiān)視定位過程截圖

5 系統(tǒng)測試與分析

通過上述設(shè)計(jì)和開發(fā)，將主要的機(jī)載設(shè)備集成到無人機(jī)上，測向系統(tǒng)與接收機(jī)固定，測向天線與機(jī)頭方向保持一致，三度冗余飛控與導(dǎo)航模塊呈前向三角形排列，地面部分主要是運(yùn)行MSDK的移動(dòng)設(shè)備與遙控器，遙控器內(nèi)置天線與解碼器，并有多個(gè)USB接口可以連接移動(dòng)設(shè)備，搭建完成的空中無線電監(jiān)測系統(tǒng)如圖8所示。

圖8 空中無線電監(jiān)測系統(tǒng)圖

在測試過程中，采用2.4G頻段的信號發(fā)生器為模擬干擾源。在安全區(qū)域內(nèi)，將干擾源放置在樓頂，控制無人機(jī)與干擾源在同一高度，對無人機(jī)進(jìn)行航線規(guī)劃，使其沿弧線監(jiān)測干擾源，選擇相鄰觀測點(diǎn)示向線交匯點(diǎn)數(shù)據(jù)與60°角示向線交匯點(diǎn)、理論計(jì)算的干擾源位置和實(shí)際干擾源位置的數(shù)據(jù)對比。對于示向線交匯的定位數(shù)據(jù)如表1所示，因?yàn)橛卸ㄎ荒：齾^(qū)，將區(qū)頂坐標(biāo)歸一化求平均得到60°角示向線交匯點(diǎn)的經(jīng)緯高坐標(biāo)(104.303031，30.949112，463.096)，相鄰示向線交匯經(jīng)緯高坐標(biāo)(104.303097，30.948793，464.05)；理論計(jì)算值的定位坐標(biāo)，是以5次有效方位與位置數(shù)據(jù)計(jì)算均值為一組有效觀測數(shù)據(jù)，兩組有效數(shù)據(jù)計(jì)算求得計(jì)算估計(jì)的經(jīng)緯高坐標(biāo)(104.303725，30.948684，461.96)；實(shí)際放置干擾源的經(jīng)緯高坐標(biāo)為(104.302741，30.949314，421.92)，這些經(jīng)緯高坐標(biāo)在地圖上的顯示，如圖9所示。

圖9 地圖上的4個(gè)目標(biāo)點(diǎn)差距

表1 部分定位數(shù)據(jù)

由圖中位置可以看出，以60°示向線交匯得到的歸一化估計(jì)值與真實(shí)值距離最近，驗(yàn)證了理論改進(jìn)航線規(guī)劃的可行性；相鄰示向線交匯點(diǎn)的歸一化估計(jì)值定位精度一般；僅靠有效觀測值經(jīng)理論模型解算的估計(jì)坐標(biāo)定位精度較差。此外MSDK監(jiān)視應(yīng)用能較快速可視化定位估計(jì)位置，且通過合理選擇有效估計(jì)值能得到較好的定位精度，基本能實(shí)現(xiàn)在可接受的工作時(shí)間和誤差范圍內(nèi)完成測向定位任務(wù)，相比于人根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)判斷方向的基線法，基于SDK開發(fā)的系統(tǒng)更智能、更準(zhǔn)確，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

6 結(jié)束語

本文以現(xiàn)有的空中無線電監(jiān)測定位系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過SDK二次開發(fā)集成了機(jī)載端系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)便攜應(yīng)用控制顯示，該移動(dòng)端系統(tǒng)具備SDK通信控制、狀態(tài)顯示、航線規(guī)劃、監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化、目標(biāo)位置解算等功能。實(shí)際測試結(jié)果表明基于SDK開發(fā)的無線電監(jiān)測系統(tǒng)利用航線規(guī)劃選擇合適的監(jiān)測位置可以提高定位效率。總之，該系統(tǒng)不僅提高了空中排查干擾源準(zhǔn)確性，還使得排查過程更為簡便和自動(dòng)化，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。進(jìn)一步的改進(jìn)方案可以考慮使用高性能傳輸設(shè)備，更換測向體制和定位方式等可能將會(huì)更準(zhǔn)確的定位干擾源的位置。