“北斗”衛星導航系統在低空空域監管系統中的應用

劉紀紅,王倩倩,楊 麗

(東北大學信息科學與工程學院,沈陽110819)

1 引 言

21世紀以來,民航空域緊張越來越成為困擾航空發展的主要難題。低空空域(我國確定為真高1 000 m以下區域)若能開放[1],將為戰略性新興產業——通航產業帶來超過萬億元的發展規模。而低空空域導航監管體制是影響低空空域開放的速度和應用效率的關鍵因素,所以本文利用衛星導航系統設計建立一個簡單實用的低空空域監管系統。

在空域通用航空監督管理方面,美國國家級法律《聯邦航空法(Federal Aviation Act)》明確規定“公民享有空域使用的自由權利和接受空域導航服務的權利”[2],其通用航空運行在導航和監視方面基本上是利用國家現有的用于公共運輸航空服務的設施設備。目前,在國際民航組織推行廣播式自動相關監視(ADS-B)作為低成本監視的背景下,美國和歐洲均發展了主用于通用航空監視的ADS-B系統,對應的系統美國命名為通用訪問收發機(UAT),歐洲部分國家(瑞典)為甚高頻數據鏈模式。美國已把通用航空運輸作為民航新的運輸發展戰略,并認為是高速交通的第四次革命。國外的先進經驗是,在完善的空域分類劃設和管理基礎上,建立綜合有效的通用航空運行管理和保障服務體系,就可搭建起通用航空活動發展的良好空域環境和運行管理服務機制。

我國已于2010年頒布了《關于深化我國低空空域管理改革的意見》,加快深化低空空域管理,以促進通航產業的發展繁榮。本文主要利用GPS(Global Positioning System)和“北斗”衛星導航系統,實現低空空域監管系統的設計。設計主要包含GPS定位、“北斗”衛星通信、低空空域飛行器機載設備和地面控制中心四大模塊。隨著“北斗”系統組網建設的完成[3]和低空空域開放政策的完善,可建設一個完全只依靠“北斗”系統的、自主知識產權的低空空域衛星導航監管系統,打破GPS在實際應用和產業化方面的壟斷,為完善低空空域監管體系以及促進國防與經濟建設邁出跨越性的一步。

2 低空空域監管系統

目前,我國主要采用二次雷達(Secondary Surveillance Radar,SSR)技術實現對空域飛行器的檢測,這需要在飛行設備上安裝價格昂貴的應答機,不適合低成本的低空空域監管。而衛星導航定位系統是空間監管系統中很重要的基礎設施,衛星導航技術是一種比較理想的導航工具。

2.1 低空空域監管系統設計

本文設計的是一個低成本、全覆蓋的低空空域通用航空飛行器監管系統,主要分為GPS定位、“北斗”衛星通信、地面控制中心和低空飛行器機載設備四大模塊[4]。系統具體工作過程如圖1所示。定位部分采用技術相對成熟的GPS來實現;在通信方面,采用“北斗”系統獨有的短報文通信功能[5],一次可傳送多達120個漢字的信息,具有傳遞信息量小、便于存儲和實時性高等優點。

系統首先由低空飛行器上的衛星接收設備接收來自GPS的定位信號,定位信息經處理后傳送到機載的數據采集與輸出接口板,經接口板處理后的數據經過串口通信傳送給機載的“北斗”通信型用戶機,用戶機通過收發天線將數據以報文的形式發送給“北斗”衛星,經過“北斗”衛星轉發到地面控制中心的“北斗”指揮型用戶機,控制中心將接收到的信息進行處理并存儲到數據庫服務器,并結合地理信息系統(Geographic Information System,GIS)將低空飛行器的位置、速度等三維位置信息顯示在大屏幕上,以便控制中心人員觀察與監管;定位信息還可通過加密后反饋給用戶,實現對低空空域飛行的導航與監測。

圖1 低空空域監管系統示意圖Fig.1 The low-altitude airspace supervision system

2.2 低空監管系統機載子系統設計

低空空域飛行器機載子系統組成如圖2所示,主要包括GPS定位模塊、數據采集與輸出處理模塊、“北斗”通信型用戶機、機上顯示設備和機載供電設備等。

圖2 低空空域監管機載子系統Fig.2 Airborne subsystem of the low-altitude airspace supervision system

機載子系統各模塊功能與工作過程如下,GPS接收機[6]是可以接收全球定位系統衛星信號以確定地面空間位置的儀器。GPS OEM板作為GPS接收機的核心組件,可接收來自天線單元的信號,并具有處理信號、輸出觀測信號和定位結果等功能。利用OEM板進行二次硬件開發可研制成滿足不同應用需求的GPS接收機。GPS定位信息串行輸出格式大多采用美國國家海洋電子協會制定的NMEA-0183通信標準格式。其輸出數據采用的是ASCII碼,內容包含緯度、經度、高度、速度、日期、時間、航向以及衛星狀況等信息。機載GPS天線接收來自GPS衛星的定位信息,OEM將其進行變頻、放大、濾波等一系列處理過程,從而實現對GPS衛星信號的跟蹤、鎖定、測量,最后產生計算位置的數據信息。根據OEM板通道數量的不同,可以跟蹤的衛星數量也不一樣。OEM板處理后的數據信息由RS-232標準串口輸出至數據采集與輸出接口板,接口板與“北斗”通信型用戶機的通信嚴格按照“北斗”通信型用戶機的通用接口協議進行。

數據采集與輸出接口板是機載子系統的核心組件,主要負責對機上數據信息如定位信息、低空地標信息和機上供電設備狀態等進行采集、處理、存儲并通過串口發送給“北斗”通信型用戶機。機上顯示設備可以將這些信息直觀地呈現給飛行人員,讓機上人員及時了解到機上設備的相關參數,為采取對應措施提供可靠、實時參考依據。

機載供電模塊是低空飛行器上的能源模塊,主要為機載設備的正常運行提供必備的能源,確保持續的供電。

“北斗”通信型用戶機是飛行器上實現與“北斗”衛星通信的設備。通信型用戶機主要負責將機上信息如定位信息、低空觀測的地標信息和機載設備狀態信息等發送給“北斗”衛星,經衛星轉發給地面控制中心的指揮型用戶機,在地面控制中心完成信息結算與監控決策,實現低空飛行器與“北斗”衛星之間的實時通信功能。

2.3 地面監控中心子系統設計

地面控制中心組成模塊如圖3所示,主要包括“北斗”指揮型用戶機和收發“北斗”衛星信號的衛星天線、GIS服務器、監控數據庫服務器及大型顯示設備等。

圖3 控制中心子系統Fig.3 The control center subsystem of the low-altitude airspace supervision system

2.3.1 控制中心功能介紹

“北斗”指揮型用戶機主要由衛星收發天線、主機和計算機三部分組成。指揮型用戶機也可接收來自地面控制中心的命令信息,收發信息都是以“北斗”衛星獨有的短信報文通信形式,具有信息量小、傳輸速度快和效率高等優勢;衛星收發天線包括前置放大器及功率放大器等功能模塊,并配備一定長度的連接電纜;主機是收發信息的通道,包括信號信息及供電等功能模塊;計算機是“北斗”信息頂層處理中心,與主機以串行方式連接。配備的大型顯示器連接在主機上,以提供顯示服務。“北斗”指揮型用戶機接收“北斗”衛星轉發的來自“北斗”通信型用戶機的信息,由監控軟件將數據解碼后存入數據庫,這些數據信息主要包括兩部分。一部分是GPS定位信息、低空地標觀測信息和機載設備狀態信息等相關數據,控制中心在處理這些數據的同時,也將飛行器的位置和狀態信息等顯示在大型顯示屏上,便于管理人員觀察信息和實施調度安排,從而更好地實現對低空飛行的監管。另一部分是指系統還包含兩臺服務器,一臺為GIS服務器,存儲低空數字地圖的相關信息;另一臺用來存儲定位信息、地標信息和機上設備狀態等的相關信息。

隨著我國“北斗”衛星導航定位系統組網建設的完成,此部分的“北斗”指揮型用戶機完全可以用來接收“北斗”系統的定位信息,依據“北斗”系統的定位原理,在控制中心解算出低空飛行器的三維信息,實現一個完全基于我國自主知識產權的全球衛星導航定位系統的低空空域監管系統。

2.3.2 控制中心監控軟件設計

地面指揮控制中心監控軟件主要工作是接收并顯示來自“北斗”指揮型用戶機的飛行器定位、地標、授時信息和機上設備的狀態信息等,同時將這些信息存入數據庫服務器中。地面指揮控制中心監控軟件包含以下功能模塊。控制中心的監控軟件設計嚴格遵循面向對象的程序設計方法,主要采用Visual Basic[7]與SQLServer2000[8]來實現,將整個軟件系統分為3個層次,如圖4所示。

圖4 控制中心監控軟件設計Fig.4 Control center monitoring software design

(1)用戶界面層

這是與用戶關系最密切的也是最直觀的一層,本層由應用程序主框架、用戶登錄界面、注冊修改用戶信息界面、飛行器位置監控界面、飛行器電源供電狀態監控界面和信息查詢界面等。主要完成根據用戶名、密碼和用戶權限進行限制登陸并對不符合要求的用戶拒絕登陸請求、信息顯示和數據存儲功能。

(2)通信服務層

是信息處理的核心環節,本層中應該實現計算機和“北斗”指揮型用戶機的串口通信,即從串口中以定時或時間驅動的方式讀取發送來的數據,解析該數據包,組織成用戶界面層所需要的數據包格式,將有效數據提取出來在相應的用戶界面層顯示,例如經緯度、時間、日期、速度和航向等信息,實現對飛行器位置和飛行器設備工作狀態的遠程監控功能。

(3)數據服務層

本層主要完成飛行器相關信息的存儲,為導航的后處理提供數據支持,例如完成數據庫的創建、數據表的設計。利用類模塊中函數完成數據庫有關的操作,數據庫選用SQLServer2000,利用ADO數據庫訪問技術對數據庫進行訪問。

3 低空空域監管系統應用實例

本文設計的基于GPS與“北斗”衛星系統的低空空域監管系統擁有廣泛的應用領域和實際的應用價值[9]。現就低空監管系統在具體幾個行業中的應用做一些介紹。圖5為低空空域飛行監管系統在農林作業、旅游、漁業等方面的具體應用示意圖。

圖6 低空空域監管系統應用示例Fig.6 Application examples of the supervision system

在農林作業中,可以利用低空飛行器進行播種、施肥、澆水等操作,由于處于空中,視野開闊,更便于觀察和作業,不僅大大節省了人力物力,更能加快生產進程,提高經濟效益;對重點保護的大型森林防火災檢測也是低空飛行的一個重要應用,利用低空檢測距離近、成本低等優點對森林進行實時防護,為環保作出貢獻。

在旅游業中,低空飛行本身就可以開創一項旅游項目,例如熱氣球等低空飛行設備,可以在距地面近、速度緩慢的低空自由翱翔,帶來美妙的視覺之旅的同時也創造出新的經濟效益。此外,低空監控可以方便監管地形復雜的旅游區,例如九寨溝、石林等這樣的山區旅游基地,無論是在方位導航,還是在安全監控和緊急求助等方面都可以發揮巨大的作用。

在漁業方面,由于海上作業風險性大、天氣不穩定等因素的影響,使得利用“北斗”衛星對海上作業的船只進行導航與監管顯得更加重要。低空空域的飛行監管系統可以提供方便通信系統,為船只提供位置、天氣等實用信息,可有效避免偏離航向、遺失船只和不能及時得到救助等緊急情況;尤其在大型的停泊港口,不管是對大量船只的靈活調度還是協助所有船只順利通行,都能為海上經濟和保護生命財產安全等方面作出巨大的貢獻。

4 總 結

本文結合低空空域監管系統的設計,對GPS和“北斗”衛星導航系統在低空空域飛行監管系統中的應用進行了分析。在我國低空空域開放政策的逐步實施以后,將在低空空域的主要產業——通航產業發揮巨大的經濟和社會效益。本設計采用GPS精準定位,并采用了“北斗”系統獨有的短信報文通信功能,使得整個監管系統在通信部分具有信息量小、傳輸速率快、性能穩定等優勢。就目前來看,加快“北斗”系統的組網建設,可以在本系統中采用“北斗”無源定位代替GPS定位,不僅可以打破在衛星導航定位方面對美國GPS的依賴,更能快速解決我國的高空交通擁堵、飛行監管流程不健全等難題,從而樹立我國在低空領域開放程度高、監管體制健全的強國形象。

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