基于空管数据链的无人机主动威胁避让系统的制作方法

本发明属于航空技术领域，涉及一种用于ADS-B技术与TCAS系统进行融合的混合监视方法；。

背景技术：

飞机空中防相撞是通过地面空管监视设备掌握飞行动态，依靠空中交通管制系统调配飞行冲突。为了避免空中相撞，有人飞机还装有机载防撞系统、ADS-B系统。其中，机载防撞系统可不依赖地面空中交通管制，独立完成防撞告警；ADS-B系统可不依赖地面空中交通管制，自主获取空域内其他装备有ADS-B系统飞机的飞行态势。而无人机没有相应技术手段，目前还完全依赖隔离空域运行防止与军民航有人机空中相撞。

随着低空空域开放逐步深化，空中飞行器的数量将会大大增加，空域密度压力将很难再为无人机规划单独运行的隔离空域，无人机必然需要频频访问国家空域系统，低空运行无人机与通航飞行器发生碰撞的概率也随之大大提高，安全隐患巨大。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的发明目的在于提供一种基于空管数据链的无人机主动威胁避让系统，利用无人机有限的装机条件为无人机地面站操控员提供附近空域协同飞机的飞行态势感知及紧急时刻的主动威胁避让建议，从而有效提升无人机运行区域综合空情态势的感知能力、主动安全间隔保持能力、主动冲突解除能力。

本发明的发明目的主要通过以下技术方案实现：

一种基于空管数据链的无人机主动威胁避让系统，应用在无人机机载端，包含射频收发模块和态势感知与规避处理主机，所述态势感知与规避处理主机包含本机信息监控模块、邻机DF17转换模块、邻机监视跟踪模块和CAS模块；

所述射频收发模块被配置为接收地面端和其他飞机发送的邻机ADS-B信息，并传输给邻机DF17转换模块；

所述本机信息监控模块被配置通过机载数据源获得本机ADS-B信息，并传输给邻机DF17转换模块；

邻机DF17转换模块被配置为根据邻机ADS-B信息和本机ADS-B信息获得邻机的角度、距离、高度和时间戳；

所述邻机监视跟踪模块被配置根据邻机的角度、距离、高度和时间戳评估出邻机的威胁级别，并将邻机的角度、距离、时间戳和威胁级别发送给CAS模块，并由CAS模块通过无人机数据链转发给地面端。

优选地，所述射频收发模块包含发射模块，所述本机信息监控模块还被配置为将本机ADS-B信息通过发射模块对外发射。

优选地，本机信息监控模块还被配置产生S模式应答机的应答信号和ACAS收发主机的询问信号，所述发射模块包含一条发射通道，通过采用分时复用的方法发送应答信号和询问信号。

优选地，所述射频收发模块包含接收模块，所述接收模块包含连接上全向天线的第一接收通道和连接下全向天线的第二接收通道，第一接收通道和第二接收通道采用频分复用的方法接收S模式应答机的询问信号、ACAS收发主机的广播信号、ACAS收发主机的应答信号。

本发明突破无人机防撞、射频综合、天线复用、信息融合、任务综合等关键技术，在满足无人机装机适应性的基础上，融合TCAS主动询问监视信息和ADS-B广播式自动相关监视信息，兼容1090ES数据链、机载防撞、空管应答等功能，为无人机提供空中态势感知和防撞告警，同时具有未来升级能力，可利用光电、自主相对定位信息，完善监视类型、提高监视精度，从而为研制保障各型军用无人机全天候远程跨航线空中防相撞、编队间隔保持等飞行任务的态势感知与防撞告警装备奠定基础。

同时，本发明只需采用两路接收通道接收入侵飞机的应答信号和扩展电文信息，即可完成入侵飞机的测距、测向，实现入侵飞机的冲突检测和防撞告警，有效地减小了系统的体积、功耗，提高系统的可靠性，从而使之满足无人机的混合监视防撞告警需要，提高无人机的飞行安全，具有极高的社会效益和经济效益。

附图说明

图1是实施例基于空管数据链的无人机主动威胁避让系统的结构示意图；

图2是基于空管数据链的无人机主动威胁避让原理图；

图3是实施例中射频收发模块的结构示意图；

图4是实施例中态势感知与规避处理主机的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图和实施例进一步阐述本发明。

如图1所示，一种基于空管数据链的无人机主动威胁避让系统，应用在无人机机载端，包含射频收发模块和态势感知与规避处理主机。态势感知与规避处理主机通过机载数据源获取包含本机经度、纬度、速度、时间、高度等内容的导航信息，按各种类型分成多个56位的数据，并插入DF17格式的ME字段，组装成多个适合于1090ES数据链传输的不同类型的ADS-B消息，按不同的速率通过全向天线以广播的形式发射出去。

态势感知与规避处理主机通过上下全向天线对附近空域进行询问，当附近装有空管应答机(S模式/ATCRBS应答机)的飞机接收到询问后就会做出相应应答。态势感知与规避处理主机还可通过上下全向天线同时接收地面端和其他飞机发送的ADS-B信息。对收到的应答信息与ADS-B信息融合后，获得入侵飞机的高度、高度变化率、相对距离、相对距离变化率、方位、航向、FID等目标信息，监视、跟踪目标，建立、更新和维护目标航迹。

态势感知与规避处理主机将监视和跟踪的目标航迹与本机信息综合，评估出目标机的威胁级别，并将目标机信息送至无人机数据链系统机载端，并由其转发给地面指控人员。当目标机的威胁级别被定义为TA时，态势感知与规避处理主机还可提供告警信息；当目标机的威胁级别被定义为RA时，态势感知与规避处理主机还可提供避让建议，从而为地面指控人员提供飞行决策支撑。

态势感知与规避处理主机接收从地面ATC站、安装ACAS的飞机发出的询问信息，解码、处理数据并按要求发送应答信息，从而实现对其飞行态势的监视。

如图3所示，射频收发模块包含发射模块和接收模块，所述发射模块包含一条发射通道，所述接收模块包含连接上全向天线的第一接收通道和连接下全向天线的第二接收通道。

发射信号时，态势感知与规避处理主机内部的FPGA将基带信号送给处理主机内部的射频发射通道进行DA变换及上变频处理，同时FPGA可以通过本振配置控制信号快速切换射频发射通道的本振频率，以实现射频发射信号在1030MHz和1090MHz两个频率点快速切换，态势感知与规避处理主机可以在不同的时间点发射不同频率(1030MHz或1090MHz)的信号，即实现发射通道的时分复用；接收信号时，上下两路天线接收的射频信号经射频开关矩阵分配后分别进入到态势感知与规避处理主机内部的第一接收通道和第二接收通道，第一接收通道和第二接收通道功能与电路组成完全一致，每路接收通道的射频接收信号分别经过两路独立的1030MHz滤波器和1090MHz滤波器进行滤波处理后产生1030MHz和1090MHz两路射频信号，随后这两路滤波后的射频信号进行后续的下变频、中频采样等后续处理并将中频采样产生的两路中频信号送往FPGA进行后续的基带信号处理工作，上下两路射频接收通道共产生4路中频采样信号，实现了射频接收通道的频分复用，可以同时接收上下两路天线接收到的1030MHz和1090MHz射频信号并进行后续的基带信号处理工作，实现了1030MHz射频信号和1090MHz射频信号的同时接收和处理。通过发射通道的时分复用和接收通道的频分复用技术，处理主机实现了L频段射频资源的复用(1路1030M/1090M发射通道、2路1030M/1090M接收通道)，同时满足了射频发射通道快速切换和冗余备份的设计要求。

如图4所示，态势感知与规避处理主机包含本机信息监控模块、邻机DF17转换模块、邻机监视跟踪模块和CAS模块。

本机信息监控模块被配置通过机载数据源获得包含本机经度、纬度、速度、时间、高度等内容的本机ADS-B信息，并传输给邻机DF17转换模块。由于在后续计算邻机角度、距离时，需要采用本机的经纬度、高度等信息，所以本机信息监控模块需要对本机的经纬度、高度等信息进行处理——跟踪平滑本机的无线电高度、经纬度、气压高度等信息。本机信息监控模块还将本机经度、纬度、速度、时间、高度等内容发送给态势感知与规避处理主机的FPGA，由FPGA按各种类型分成多个56位的数据，并插入DF17格式的ME字段，组装成多个适合于1090ES数据链传输的不同类型的ADS-B消息，按不同的速率通过发射通道以广播的形式发射出去。

邻机DF17转换模块被配置为根据邻机ADS-B信息和本机ADS-B信息获得邻机的角度、距离、高度和时间戳。为了建立邻机的跟踪，需要对解码后的ADS-B信息进行转换和处理，将高度、经纬度、空地状态等信息转化为CAS模块所需要的数据形式——邻机的角度、距离、高度和时间戳。

相对距离和相对位置角度计算公式为：

第一步：计算地心坐标系中本机坐标。

x-A＝(NA+h-A)*cos(lat-A)*cos(lon-A)

y-A＝(NA+h-A)*cos(lat-A)*sin(lon-A)

z-A＝(NA*(1-e²)+h-A)*sin(lat-A)

其中，a表示WGC84坐标系地球长半轴，e表示WGC84坐标系地球扁率，lat-A表示本机纬度，lon-A表示本机经度，h-A表示本机高度，x-A，y-A，z-A分别表示本机地心坐标系中xyz轴坐标。

第二步：计算地心坐标系中目标飞机坐标。

x-B＝(NB+h-B)*cos(lat-B)*cos(lon-B)

y-B＝(NB+h-B)*cos(lat-B)*sin(lon-B)

z-B＝(NB*(1-e²)+h-B)*sin(lat-B)

其中，lat-B表示目标飞机纬度，lon-B表示目标飞机经度，h-B表示目标飞机高度，x-B，y-B，z-B分别表示本机地心坐标系中xyz轴坐标。

第三步：计算目标飞机相对于本机直角坐标。

x＝-sin(lat-A)*cos(lon-A)*(x-B-x-A)-sin(lat-A)*sin(lon-A)*(y-B-y-A)+cos(lat-A)*(z-B-z-A)

y＝-sin(lon-A)*(x-B-x-A)+cos(lon-A)*(y-B-y-A)

z＝cos(lat-A)*cos(lon-A)*(x-B-x-A)+cos(lat-A)*sin(lon-A)*(y-B-y-A)+sin(lat-A)*(z-B-z-A)

其中，x，y，z分别表示目标飞机地心坐标系中相对于本机xyz轴坐标。

第四步：计算目标飞机相对于本机极坐标。

dis＝sqrt(x²+y²)

azi-angle＝a*tan(y/x)

其中，dis表示目标飞机相对于本机距离，azi-angle表示目标飞机本机方位角。

所述邻机监视跟踪模块被配置根据邻机的角度、距离、高度和时间戳评估出邻机的威胁级别，并将邻机的角度、距离、时间戳和威胁级别发送给CAS模块，并由CAS模块通过无人机数据链转发给地面端。

监视跟踪模块对转换后的邻机信息进行处理和跟踪，跟踪过程中存在三个状态——监听、捕获、跟踪，监视模块根据邻机的状态在3个状态中相互切换，当邻机处于跟踪状态，则对其进行预测和平滑，并将平滑后的结果送至CAS模块。

图2是本机与邻机以及地面站的通讯方式。

本发明将ADS-B信息融入DO-185B机载防撞处理算法，通过接收空域中的ADS-B信息，从而建立对邻机的监视跟踪，并根据相应的算法对产生的威胁进行告警。以往装载TCAS的飞机只能对装载S模式应答机的飞机进行跟踪监视，而且是通过主动询问S模式应答机并获得S模式应答机的应答信号，从而计算出相对距离和相对方位等信息。当前将ADS-B技术与TCAS进行综合化，装载ADS-B的飞机主动发送广播信息，综合化的TCAS就可以被动接收广播信号并解码出入侵飞机经纬度、高度、飞机标识、空速等信息，再根据本机的经纬度和高度解算出入侵机的相对距离和相对方位，从而产生告警建议。由于采用被动接收的方式进行跟踪告警，因此可以减少对传统TCAS中射频模块的依赖，简化设备降低成本更加适合轻型飞机或无人机使用，同时减少问询发送的频率，降低了对空域无线环境的干扰；另一方面相对传统的TCAS，ADS-B能够提供更加精确的角度测量和估计，解决了全向天线无法测向的缺陷，使系统具备了完整的态势感知能力，从而为水平方向的避撞提供了可能。

本发明主要有以下几个特点：

1.S模式应答机和ACAS收发主机共用两个全向天线，完全实现S模式应答机的所有功能和ACAS系统的测距功能和高度测量功能，减小了设备体积、降低了功率等优点。S模式应答机发送应答信号和ACAS收发主机发送询问信号共用两个全向天线进行分时复用，但是在接收信号的时候只管接收并解码。

2.采用ADS-B技术实现对入侵飞机方位的判决，并且减少ACAS系统的主动询问率，减少无线电干扰。

3.采用模糊化的ACAS询问周期方法分配天线资源，在允许一定应答率降低的情况下，避免了ACAS收发系统与S模式应答机的应答冲突。