一种通用航空飞行器及无人机的安全监控方法
【专利摘要】本发明提供了一种通用航空飞行器以及无人机的安全监控方法。该发明针对目前低空飞行安全监管手段单一及力量的薄弱的问题，利用北斗RNSS联合GPSL1的无源定位技术、RDSS及地面蜂窝网通信技术，完成通航飞行器及无人机飞行状态上报，以及航路服务推送。本发明的优点在于：在城市及人口密度大且有地面蜂窝网络覆盖的地区，由地面航管二次雷达、ADS?B地面站设备和北斗/GPS双模定位技术进行综合监视，确保飞行器航迹的高准确度；而在欠发达偏僻的山地及无二次雷达、ADS?B地面站覆盖的地区，利用北斗/GPS双模定位以及北斗RDSS通信保持飞行器监视的最低性能标准。本发明提出的是一种具有普适性、易部署且具备我国自主知识产权的低空空域安全监管方法。
【专利说明】
一种通用航空飞行器及无人机的安全监控方法
技术领域
[0001] 本发明涉及卫星导航领域，数据通讯领域，尤其涉及一种基于北斗和GPS定位的、 通用航空飞行器以及无人机的安全监视与控制技术方法。
【背景技术】
[0002] 自马航MH370失踪事故以来，国家已经将运输航空的全球安全运行监视作为重点 规划提上日程，并提出了逐步开放低空空域发展战略。现行的低空空域管理，基本上仅依赖 于地面航管二次雷达站及ADS-B技术，低空空域管理仅依赖于甚高频电台通讯技术，由于雷 达站统一的询问频率和应答频率，容易带来异步干扰等问题，并且建设成本较高，覆盖范围 受限。因此进行我国自主研发的机载卫星导航设备以及空管监管设备的研制是非常有意义 的。
[0003] 基于北斗RNSS/GPSL1定位以及RDSS、融合地面蜂窝网报文通信，通用航空飞行器 的安全监控技术方法，可解决地面调度系统实时监控所辖飞行器的位置、速度等状态信息， 并对其进行指挥和控制。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种可靠度高、设备复杂度较低、易部署的通用航空飞行器 及无人机实时状态监视以及控制的方法，解决国内低空空域飞行安全监管手段的单一以及 力量的薄弱的问题。本发明利用北斗RNSS联合GPSL1的无源定位技术、RDSS大容量出入站及 地面蜂窝网报文通信技术，进行通用航空飞行器及无人机飞行状态上报，以及航路服务推 送服务。
[0005] 本发明的目的是这样实现的：利用通用航空飞行器及无人机载无源定位终端进行 卫星定位，利用数据链将定位结果通过固定的转发协议发送到地面指挥控制中心，地面指 挥控制中心可通过协议约定内容对通用航空飞行器以及无人机进行控制和业务服务。包括 以下步骤：
[0006] (1)通用航空飞行器及无人机机载模块进行无源定位；
[0007] (2)通用航空飞行器及无人机的机载模块将定位结果按照约定的地空通讯协议格 式进行组帧；
[0008] (3)机载模块通过空-地路由策略，将通用航空飞行器及无人机定位状态结果组帧 完成的数据包，利用北斗的RDSS数据链路或者地面蜂窝网发送到地面指挥控制中心;地面 指挥控制中心同时引入地面航管二次雷达扫描数据和地面ADS-B数据；
[0009] (4)地面指挥控制中心，通过调度多元监测数据航迹融合算法，将组帧完成的定位 状态结果、地面航管二次雷达扫描数据和地面ADS-B数据进行融合计算，得到通用航空飞行 器及无人机最精确的实时定位结果及状态；
[0010] (5)地面指挥控制中心将通用航空飞行器及无人机的实时定位结果及状态标记在 地面指挥控制中心的航图投送设备上；
[0011] (6)地面指挥控制中心通过航图投送设备对通用航空飞行器及无人机的实时飞行 状态进行监控，向通用航空飞行器及无人机发送综合控制服务信息；
[0012] (7)通用航空飞行器及无人机载模块按照约定的地空通讯协议格式，进行综合控 制服务信息的解帧，然后执行信息内容；
[0013] 完成通用航空飞行器及无人机的安全监控。
[0014] 其中，所述步骤(3)中空-地路由策略具体为：
[0015] (301)通用航空飞行器及无人机的机载模块检测地面蜂窝网络健康状况以及北斗 RDSS通信通道健康状况；
[0016] (302)若地面蜂窝网信号健康状况达到门限标准，机载模块使用地面蜂窝网通过 http协议给地面指挥控制中心传送定位结果；否则，使用北斗RDSS通信链路给地面指挥控 制中心传送定位结果。
[0017] 其中，所述步骤(4)具体为：
[0018] (401)地面指挥控制中心通过异构平台技术的联合，确定数据融合系统采用分布 式的架构；
[0019] (402)地面指挥控制中心中的数据融合系统利用通用航空飞行器呼号、及无人机 的北斗号完成身份识别；
[0020] (403)地面指挥控制中心的数据融合系统，分别完成通用航空飞行器及无人机在 北斗监视数据源、地面航管二次雷达监视数据源和地面ADS-B监视数据源下的状态估计和 飞行航迹推算；
[0021] (404)地面指挥控制中心的数据融合系统，通过北斗监视数据源、地面航管二次雷 达监视数据源和地面ADS-B监视数据源的更新周期，确定多源数据融合周期；
[0022] (405)地面指挥控制中心的数据融合系统，通过对各监视源的局部航迹与系统航 迹进行融合，完成飞行器航迹的精度修订。
[0023]其中，所述步骤(7)具体为：
[0024] (701)通用航空飞行器或无人机机载模块接收到综合控制服务信息，按照约定的 地空通讯协议进行消息拆解帧；
[0025] (702)通用航空飞行器的机载模块，为通航机组人员通过话音或文字播放解帧后 的综合控制服务信息;无人机的机载模块，将解帧后的综合控制服务信息翻译为无人机飞 行控制器的指令格式，然后通过数据口发送到无人机的飞行控制器模块，完成无人机的控 制。
[0026] 本发明与现有技术相比的有益效果为：
[0027] (1)提供了一种新的低空空域飞行器监控方法，该方法通过RNSS/GPS多模定位技 术，联合北斗RDSS星基通讯与地面蜂窝网通讯技术，将星基无源定位与现有航管二次雷达 监视技术、ADS-B IN技术进行数据融合，进而实现地面监视控制中心的全时域、全地域全空 域的无缝监视。同时提出了基于北斗星基以及地面蜂窝网的双向的地-空通信数据链路路 由策略，与通航及无人机业务相紧密相关的通信协议技术，为有效的管理低空空域，开辟了 新的思路与手段。
[0028] (2)本发明提出方法可单一使用或组合使用二次雷达、ADS-B以及北斗/GPS定位结 果，并有效结合北斗RDSS通信链路及地面蜂窝网通讯技术进行数据传送，并承载了航管 CPDLC空中管制指令集，该技术应用更为广泛。
[0029] (3)城市及人口密度大且有地面蜂窝网络覆盖的地区，由地面航管二次雷达、ADS-B地面站设备和北斗/GPS双模定位技术决定的4s高速融合周期，可以确保飞行器航迹的准 确度及更新率;在欠发达偏僻的山地及无二次雷达、ADS-B地面站覆盖的地区，可利用北斗/ GPS双模定位设备以及北斗RDSS通信链路保证飞行器监视的最低性能标准。
【附图说明】
[0030] 图1为本发明通用航空飞行器的安全监控技术的基本原理。
[0031] 图2为本发明通用航空飞行器及无人机载模块定位过程。
[0032] 图3为本发明多元监视数据融合算法流程。
【具体实施方式】
[0033] 下面以地面指挥控制中心为一个禁飞区设定电子栅栏，禁止飞行器进入以及飞越 过程为例，结合附图对本发明进行进一步说明。
[0034]本发明通用航空飞行器的安全监控技术的基本原理如图1所示，
[0035] (1)通用航空飞行器及无人机载模块进行无源定位；
[0036] (101)将全球卫星定位扩频信号下变频为中频信号，并进行中频采样，完成信号数 字化；
[0037] (102)完成信号的捕获，实现载波和码的粗同步；
[0038] 卫星导航信号的捕获过程是对接收信号的码相位和载波频率二维搜索的过程，基 本思想就是展开输入信号找到载波频率。具体过程可描述为中频数字中频信号x IF(t)首先 分别与在一个接收通道的同相支路和正交支路的余弦复制载波进行混频，然后将混频结果 与复制的本地码进行相关，接着I和Q支路的相关结果经过时间为?-h的相干积分生成的数 据经过非相干积分得到积分幅值V，通过检测非相干积分的幅值来确定是否捕获到信号。
[0039] (103)实现中频信号的捕获与跟踪，实现码和载波相位相对精确的观测值估计；
[0040] 根据捕获过程中得到设定的频率初始值和码的粗估相位，码跟踪环通常采用延迟 锁定环(DLL)，即本地产生相位超前、即时和滞后的伪码信号与接收信号进行相关，对比超 前与滞后支路的相关峰值，得出码相位误差，从而实时动态的使码NC0产生与接收到信号相 位一致的本地信号。
[0041] (104)通过卡尔曼滤波算法得到飞行器状态估计结果。
[0042] 图2所示为北斗/GPS无源定位信号经过信道前端低噪声放大、下变频、滤波、中频 数字采样、信号捕获以及跟踪之后，再经过通用航空飞行器及无人机载模块处理模块得到 C/A码以及载波相位的观测值。然后联合卡尔曼滤波状态估计与真实的观测值，进行状态的 后验估计与滤波，完成飞行器状态量(包括位置、速度、钟差、钟漂等参量)最精确的估计。
[0043] 利用普适的非线性卡尔曼滤波器进行状态估计，其步骤定义为：
[0044] Xk = f (xk-i，Uk-i，wk-i)为离散时间非线性系统状态估计模型，yk = h(xk，vk)为非线 性测量结果，在u = u k - 1，w = 0处进行线性化，得到状态先验估计值 = ，以及求得模型状态转移的雅可比矩阵：
[0047]由此可得先验的估计均方误差矩阵：
[0049]同样在fipOj处对观测量方程进行线性化，得到：
[0053] 利用卡尔曼滤波增益得到当前的最优估计值毛=為7 +尺/Λ -和后 验证协方差矩阵巧，同时将值传递给下一历元，进行新一次的迭代，如此 往返。
[0054] (2)将通用航空飞行器及无人机载模块的定位结果，按照约定的地空通讯协议格 式进行组帧；
[0055] (3)通用航空飞行器及无人机载模块通过空-地路由策略，将通用航空飞行器及无 人机定位状态结果组帧完成的数据包，利用北斗的RDSS数据链路或者地面蜂窝网发送到地 面指挥控制中心;地面指挥控制中心同时引入地面航管二次雷达扫描数据和地面ADS-B数 据；
[0056] (301)通用航空飞行器及无人机的机载模块检测地面蜂窝网络健康状况以及北斗 RDSS通道健康状况:地面蜂窝网邻近BCCH最低信号电平不得低于-90dBm;北斗RDSS信号通 道数不少于2个，接收RDSS信号电平不得低于-128dBm;
[0057] (302)通过路由策略选择定位结果的传输路径，优先使用地面蜂窝网通过http协 议传送通用航空飞行器及无人机模块的定位结果，地面地面指挥控制中心通过万维网接收 通用航空飞行器及无人机载模块定位结果;在非蜂窝网覆盖地区，或地面蜂窝网信号健康 状况达不到持续的http协议传送要求门限，使用北斗RDSS通信链路完成通用航空飞行器及 无人机模块的定位结果的传送，地面指挥控制中心通过北斗地面指挥型用户机接收通用航 空飞行器及无人机载模块定位结果。
[0058] (4)地面指挥控制中心通过调度多元监测数据航迹融合算法，将组帧完成的定位 状态结果、地面航管二次雷达扫描数据和地面ADS-B数据进行融合计算，得到通用航空飞行 器及无人机最精确的实时飞行状态；
[0059] (401)地面指挥控制中心通过异构平台技术的联合，确定数据融合系统采用分布 式的架构；
[0060] (402)地面指挥控制中心中的数据融合系统利用通用航空飞行器呼号及无人机的 北斗号完成身份识别；
[0061] (403)地面指挥控制中心的数据融合系统，分别完成通用航空飞行器及无人机在 北斗监视数据源、地面航管二次雷达监视数据源或地面ADS-B监视数据源下的状态估计和 飞行航迹推算；
[0062]如图2所示的地面航管二次雷达航迹数据以及ADS-B IN航迹数据，由外部地面地 区级航管雷达站以及区域级ADS-B地面站提供，航迹数据已经完成了相应的身份识别、飞行 器状态估计以及单一源的航迹推算过程，并由异构的平台特征，确定本发明的数据融合系 统为分布式架构。
[0063] (404)地面指挥控制中心的数据融合系统，通过北斗监视数据源、地面航管二次雷 达监视数据源和地面ADS-B监视数据源的更新周期，确定多源数据融合周期；
[0064] (405)地面指挥控制中心的数据融合系统，通过对各监视源的局部飞行航迹与系 统航迹进行融合，完成飞行器航迹的精度修订；
[0065] 假定两条原航迹的估计差为Ρ^ = Ρ^4〇时，这样就得到航迹的状态估计：
[0067]以及系统误差协方差:P = Pi (Pi+P j)-中 j = (Pi-kP j-1) -1。
[0068] (5)地面指挥控制中心将通用航空飞行器及无人机的实时定位结果及状态标记在 地面指挥控制中心的航图投送设备上；
[0069] (6)地面指挥控制中心通过航图投送设备对通用航空飞行器及无人机的实时飞行 状态进行监控，向通用航空飞行器及无人机发送综合控制服务信息；
[0070] (7)通用航空飞行器及无人机载模块按照约定的地空通讯协议格式，进行综合控 制服务信息的解帧，然后执行信息内容；
[0071] (701)通用航空飞行器或无人机机载模块接收到综合控制服务信息，按照约定的 地空通讯协议进行消息拆解帧；
[0072] (702)通用航空飞行器机载模块，将在存储器中标记禁飞区域，然后判定通用航空 飞行器当前位置是否落在禁飞区域边界以内，或者正在穿越，如果确认，则由通航或无人机 载模块发声对飞行员进行示警，示意立刻驶离;无人机机载模块，在存储器中标记禁飞区 域，再判定无人机当前位置是否落在禁飞区域边界以内，或者正在穿越，如果确认，将直接 由模块核心控制程序向无人机飞行控制核心下达无人机缓降的飞行控制指令，完成无人机 的控制。
[0073] 完成通用航空飞行器及无人机的安全监控。
【主权项】
1. 一种通用航空飞行器及无人机的安全监控方法，其特征在于，包括以下步骤： (1) 通用航空飞行器及无人机的机载模块进行无源定位； (2) 通用航空飞行器及无人机的机载模块将定位结果按照约定的地空通讯协议格式进 行组帧； (3) 通用航空飞行器及无人机的机载模块通过空-地路由策略，将定位状态结果组帧完 成的数据包，利用北斗的RDSS数据链路或者地面蜂窝网发送到地面指挥控制中心;地面指 挥控制中心同时引入地面航管二次雷达扫描数据和地面ADS-B数据； (4) 地面指挥控制中心，通过调度多元监测数据航迹融合算法，将组帧完成的定位状态 结果、地面航管二次雷达扫描数据和地面ADS-B数据进行融合计算，得到通用航空飞行器及 无人机最精确的实时定位结果及状态； (5) 地面指挥控制中心将通用航空飞行器及无人机的实时定位结果及状态标记在地面 指挥控制中心的航图投送设备上； (6) 地面指挥控制中心通过航图投送设备对通用航空飞行器及无人机的实时飞行状态 进行监控，向通用航空飞行器及无人机发送综合控制服务信息； (7) 通用航空飞行器及无人机载模块按照约定的地空通讯协议格式，进行综合控制服 务信息的解帧，然后执行信息内容； 完成通用航空飞行器及无人机的安全监控。2. 根据权利要求1所述的一种通用航空飞行器及无人机的安全监控方法，其特征在于： 所述步骤(3)中空-地路由策略具体为： (301) 通用航空飞行器及无人机的机载模块检测地面蜂窝网络健康状况以及北斗RDSS 通信通道健康状况； (302) 若地面蜂窝网信号健康状况达到门限标准，机载模块使用地面蜂窝网通过http 协议给地面指挥控制中心传送定位结果；否则，使用北斗RDSS通信链路给地面指挥控制中 心传送定位结果。3. 根据权利要求1所述的一种通用航空飞行器及无人机的安全监控方法，其特征在于： 所述步骤(4)具体为： (401) 地面指挥控制中心通过异构平台技术的联合，确定数据融合系统采用分布式的 架构； (402) 地面指挥控制中心中的数据融合系统利用通用航空飞行器呼号、及无人机的北 斗号完成身份识别； (403) 地面指挥控制中心的数据融合系统，分别完成通用航空飞行器及无人机在北斗 监视数据源、地面航管二次雷达监视数据源和地面ADS-B监视数据源下的状态估计和飞行 航迹推算； (404) 地面指挥控制中心的数据融合系统，通过北斗监视数据源、地面航管二次雷达监 视数据源和地面ADS-B监视数据源的更新周期，确定多源数据融合周期； (405) 地面指挥控制中心的数据融合系统，通过对各监视源的局部航迹与系统航迹进 行融合，完成飞行器航迹的精度修订。4. 根据权利要求1所述的一种通用航空飞行器及无人机的安全监控方法，其特征在于： 所述步骤(7)具体为： (701) 通用航空飞行器或无人机机载模块接收到综合控制服务信息，按照约定的地空 通讯协议进行消息拆解帧； (702) 通用航空飞行器的机载模块，为通航机组人员通过话音或文字播放解帧后的综 合控制服务信息;无人机的机载模块，将解帧后的综合控制服务信息翻译为无人机飞行控 制器的指令格式，然后通过数据口发送到无人机的飞行控制器模块，完成无人机的控制。
【文档编号】G05B19/048GK105867272SQ201610230347
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月14日
【发明人】王振华, 蔚保国, 李隽 , 李博, 杜凯, 邢兆栋, 范广伟, 李志国, 王召
【申请人】中国电子科技集团公司第五十四研究所