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探析基于北斗与ADS-B技术的无人机监视管理系统

2020-05-20 693 上传者：管理员

摘要：文章探究了北斗二代定位的基本原理和广播式自动相关监视（ADS-B）的工作原理，设计了装载在无人机上的北斗模块和机载ADS-B模块，并进行集成设计出一套可以对无人机进行准确追踪定位以及管理的无人机监视管理系统。该系统软件基于java技术和B/S结构，经过验证可以在浏览器有效运行，系统不仅可以对已注册无人机进行监视，而且可以对所有系统用户进行统一管理，该系统为无人机管理提供应用支持。

关键词：
ADS-B
北斗
无人机监管
电信技术
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引言

近年随着通用航空的迅速发展，国家出台了许多无人机管控的相关法律法规文件，无人机的管理也逐步由散乱走向体系化。然而，无人机仍属于新兴行业，其飞行管理等仍然存在着很大空缺。

针对目前无人机飞行监视与管理两难的问题，本文将提出基于北斗卫星系统、ADS-B以及云平台等相关技术的无人机监视管理系统设计方案，以实现无人机飞行管理规范化和高效化。

1、总体设计

北斗导航系统是我国自主研发的卫星系统，相比于美国的GPS系统具有更高的可靠性；ADS-B是如今主要的监视技术之一，系统将结合北斗二代卫星与ADS-B模块对无人机进行精确定位，并将数据导入云平台，进行进一步的数据分析与处理，最后在系统软件中呈现所需的无人机飞行计划数据（起、终点位置坐标、飞行路线，最大飞行高度、任务类型等）和实时飞行参数（海拔高度、经纬度坐标、飞机仰角、已飞时间等）。系统对无人机进行长期监视，使得飞行在相同航路的无人机之间能够保持安全的飞行距离。系统兼具无人机飞行任务管理功能，能够对无人机注册信息进行验证以及对报备的飞行计划进行审批与管理。

2、北斗与ADS-B链路

2.1北斗导航定位

北斗定位是通过测量卫星与待测物的伪距而得到的，也就是指包含了钟差、设备时延以及大气层干扰的距离，因其不完全等于真实距离，从而称之为伪距。北斗卫星系统测量不少于4颗卫星与接收机之间的距离，交会得到待测物的坐标。公式为：

公式1

ρi表示伪距，（X,Y,Z）表示接收机的三维坐标，δi表示伪距测量的误差，包括接收机钟差和大气折射等。

根据用户机的状态，北斗卫星系统具有静态定位和动态定位两种不同模式的定位方式，其原理均可简单概述为由卫星发射信号给接收机，用户根据信号传递的延迟结算出与每颗卫星之间的距离从而得到用户的相对位置或绝对位置。

静态定位适用于静止或者缓慢运动的物体，在一个观测周期内无法探测到其位置的变化。这种定位方式只需要一台接收机，费用较低而且使用灵活，无多值问题[1]。根据参考系的选取不同，可将定位分为绝对定位和相对定位，图1表示了动态绝对定位和静态相对定位的原理。

2.2ADS-B数据链路

ADS-B，又称广播式自动相关监视，是一个集通信与监视于一体的信息系统。该系统由机载设备（GPS接收机、数据收发机及其天线、驾驶舱冲突信息显示器（CDTI））和地面设备。航空器可以使用ADS-B机载设备，利用数据链（1090ES,UAT,VDL4）以DF17格式可以向外发送航空器的位置、速度、高度、姿态等信息。配备接收机的周围航空器接收到ADS-B信息后，经过机载计算机将数据显示到CDTI上。

图1 ADS-B的工作原理下载原图

ADS-B地面站可以进行接收、发送和处理地空数据广播报文等一系列工作，得到无人机飞行数据，并通过告警算法来判断两无人机之间是否存在冲突，同时可以保证空中交通管制部门来控制低空空域的整体状态，使得低空空域中无人机的安全可以得到有效、及时的保障。而ADS-B机载设备可以对获得的各种数据进行处理，从而得到航空器的飞行姿态和位置坐标等状态数据。

3、系统模块设计

3.1北斗模块设计

北斗导航模块分为定位系统、通信系统和电源系统[2]。

3.1.1北斗定位系统

北斗定位系统包含北斗模块和北斗天线，无人机北斗模块包含三大模块：射频模块、基带模块及信息处理模块。

(1）射频模块

RF射频模块负责高频卫星信号的接收，并进行降频处理，降为中频。

(2）基带模块

基带模块接收到前端射频降频信号后，对BDS导航信号进行捕获、跟踪，将接收的中频信号降为基带信号，并解析出原始导航电文。

(3）信息处理模块

信息处理模块接收到原始导航电文，利用导航算法得到被测航空器精确位置。

3.1.2北斗通信系统

无人机通过其中飞控系统的北斗模块，发送无人机的所在时间、速度、航向等信息。

(1）北斗导航BDS接收到用户请求的ID信息，与导航信息一起进行封装加密，随后将加密信号传输至北斗卫星地面接收站。

(2）北斗卫星地面接收站接收到BDS加密数据后进行解密，解密后向所有用户广播。

(3）各用户接收到广播BDS报文并进行调制、解密，解析出报文的ID信息，接收与自身ID一致的导航数据，丢弃不一致数据。

要考虑空中因素对信号的多经干扰，噪声干扰，对实际的BDS导航信号除了报文封装加密解密，传输系统还需要进行信号调制、抗多径干扰、信号编解码及校验。

3.1.3电源管理

为保证无人机及其周围环境的安全，操作者应时刻留意无人机电量。无人机可通过飞控系统的北斗模块，发送无人机的电池余量。并设置电源管理功能：电源管理部分要求能够对供电电池的充放电进行管理，提供低电压告警指示、充电防过充保护等功能。

3.2ADS-B模块设计

ADS-B机载设备主要由4部分组成，分别为外部的输入数据源、1090ESADS-BOUT数据发射子系统、1090ESADS-BIN数据接收子系统及输出数据客户应用。

ADS-BOUT数据发射子系统可以将航空器的呼号、速度、航向、经纬度、高度等信息通过1090ES数据链定期自动广播出去，ADS-BIN数据接收子系统通过接受ADS-B报文得到其他航空器的位置、速度、高度呼号信息，并将这些信息显示在CDTI上，从而使得驾驶员能够详尽地了解航空器周围的空域情况[3]。

ADS-B采用DF17格式报文进行空-地数据传输，航空器数据信息经过编码、调制后通过无线电进行发送传输；同时，地面站通过ADS-B的天线接收航空器机载设备发射的ADS-B报文。在对DF17格式的报文解析完后，生成航行动态监视终端显示数据，实现地面对空中航空器的监视[4]。

图2 ADS-B模块安装示意图下载原图

4、综合管理云平台

无人机监管系统基于J2EE架构，采用跨平台技术，适合多个操作系统。利用北斗系统获得无人机的地理位置，通过陆基ADS-B信号采集无人机信号采集接受设备的数据，展现无人机的动态信息，从而实现对无人机飞行数据的动态监视以及管理。

4.1数据信息接收

无人机北斗模块接收的定位信息以及惯导模块收集到的姿态信息、航向信息通过机载ADS-B模块向外发射，地面的ADS-B接收机调整到相应的接收频率，以获得相关的数据信息。同时机载ADS-B与陆基ADS-B信号采集接收设备进行数据交互，以地图标注点的形式展示动态的ADS-B数据。监管云台动态实时显示监视画面包含了无人机起降点、以及全部飞行空域信息（管制空域、报告空域、监视空域）。通过ADS-BOUT功能获得的实时、连续、准确的无人机地址码、飞行标识、位置、高度、航向以及其它飞行信息也会在监管云台上显示出来。

图3 动态监视界面

图4 飞行计划申请下载原图

4.2用户使用介绍

用户创建帐号后在监管云台上必须进行实名信息认证审核，已经在中国民用航空局无人机实名登记系统上登记通过后的无人机方可接入本监管云台。飞手在上传无人机驾驶执照照片并通过审核后可以使用本监管云台部分功能，如无人机飞行任务申请，空域申请，飞行计划申请等。在接受到无人机用户提出飞行申请后，系统将无人机用户的飞行计划统一提交到有关批准部门，如飞行计划受到批准后，方可进行无人的飞行活动。监管审核用户可在此期间对已经申请的飞行计划信息进行管理操作、归档处理等。

5、方案缺点分析

5.1北斗卫星导航系统缺点

北斗卫星的短报文通信有120字节的限制，民用单次通信容量有限，因此在所需数据量较大时会产生不便利的问题。并且，北斗卫星的定位精度相比于GPS仍有一定的差距，在较复杂情况下的精准定位有一定难度。

此外，北斗系统还具有无法忽略的高时延，这是由于北斗的定位原理所造成的。GPS的定位原理是，用户在接收到卫星发射的信号后解算来自多颗卫星的信号从而得到自身的位置；而北斗是由用户向卫星发射信号后，卫星在将信号发射给地面站解算得到用户的位置，最后再发送给用户端接收机，这个过程中就会产生较大的干扰和较高的信号时延问题。不过对于高速运动的物体，存在较大的误差，但对于“低小慢”的旋翼无人机，则误差相对较小。

5.2ADS-B存在的问题及解决

我国ADS-B存在着一定的问题，其一，定位信息数据来源于GPS，由此带来了安全性、可靠性及扩展性等方面的问题。其二，目前ADS-B广泛应用于民航客机等大型航空器，所以市面上ADS-B机载设备都是为大型航空器所研制，具有质量高、所占空间大、价格昂贵等特点。要想将ADS-B应用于无人机上，需要对ADS-B机载设备进行改装。

对现有ADS-B机载设备进行改装，改装过后的ADS-B机载设备能够克服质量高、所占空间大等缺陷，并且具备功耗低的特征。同时，该设备保留了ADS-BOUT和IN功能。能够保证无人机应用北斗技术且具备既能向外发送ADS-B信息，又能接受ADS-B信息。

参考文献：

[1]刘尧.基于北斗卫星定位信息接收与处理系统的实现[D].大连海事大学,2012.

[2]农军.应用北斗导航设计无人船艇通信数据传输系统[J].舰船科学技术,2019,41(12):106-108.

[3]张召悦.空管监视技术[M].国防工业出版社,2017.

[4]张永旺.基于北斗RDSS和ADS-B的航空监视系统架构研究[J].电脑知识与技术,2017,13(26):169-170.

刘珏,张恩宇,漆骏骞,程伯晗.基于北斗与ADS-B技术的无人机监视管理系统设计[J].科技创新与应用,2020(15):37-39.