基于北斗與ADS-B技術的無人機監視管理系統設計

劉玨 張恩宇 漆駿騫 程伯晗

摘? 要：文章探究了北斗二代定位的基本原理和廣播式自動相關監視（ADS-B）的工作原理，設計了裝載在無人機上的北斗模塊和機載ADS-B模塊，并進行集成設計出一套可以對無人機進行準確追蹤定位以及管理的無人機監視管理系統。該系統軟件基于java技術和B/S結構，經過驗證可以在瀏覽器有效運行，系統不僅可以對已注冊無人機進行監視，而且可以對所有系統用戶進行統一管理，該系統為無人機管理提供應用支持。

關鍵詞：北斗;ADS-B;無人機監管

中圖分類號：TN967? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）15-0037-03

Abstract： This paper probes into the basic principle of the second generation positioning of Beidou and the working principle of Automatic Dependent Surveillance - Broadcast （ADS-B）， designs the Beidou module and airborne ADS-B module loaded on the UAV， and designs a set of UAV monitoring and management system which can track and manage the UAV accurately. The system software is based on Java technology and B/S structure， and it is verified that it can run effectively in the browser. The system can not only monitor the registered UAV， but can also manage all the system users. The system provides application support for UAV surveillance.

Keywords： Beidou; ADS-B; UAV surveillance

引言

近年隨著通用航空的迅速發展，國家出臺了許多無人機管控的相關法律法規文件，無人機的管理也逐步由散亂走向體系化。然而，無人機仍屬于新興行業，其飛行管理等仍然存在著很大空缺。

針對目前無人機飛行監視與管理兩難的問題，本文將提出基于北斗衛星系統、ADS-B以及云平臺等相關技術的無人機監視管理系統設計方案，以實現無人機飛行管理規范化和高效化。

1 總體設計

北斗導航系統是我國自主研發的衛星系統，相比于美國的GPS系統具有更高的可靠性;ADS-B是如今主要的監視技術之一，系統將結合北斗二代衛星與ADS-B模塊對無人機進行精確定位，并將數據導入云平臺，進行進一步的數據分析與處理，最后在系統軟件中呈現所需的無人機飛行計劃數據（起、終點位置坐標、飛行路線，最大飛行高度、任務類型等）和實時飛行參數（海拔高度、經緯度坐標、飛機仰角、已飛時間等）。系統對無人機進行長期監視，使得飛行在相同航路的無人機之間能夠保持安全的飛行距離。系統兼具無人機飛行任務管理功能，能夠對無人機注冊信息進行驗證以及對報備的飛行計劃進行審批與管理。

2 北斗與ADS-B鏈路

2.1 北斗導航定位

北斗定位是通過測量衛星與待測物的偽距而得到的，也就是指包含了鐘差、設備時延以及大氣層干擾的距離，因其不完全等于真實距離，從而稱之為偽距。北斗衛星系統測量不少于4顆衛星與接收機之間的距離，交會得到待測物的坐標。公式為：

i表示偽距，（X，Y，Z）表示接收機的三維坐標，？啄i表示偽距測量的誤差，包括接收機鐘差和大氣折射等。

根據用戶機的狀態，北斗衛星系統具有靜態定位和動態定位兩種不同模式的定位方式，其原理均可簡單概述為由衛星發射信號給接收機，用戶根據信號傳遞的延遲結算出與每顆衛星之間的距離從而得到用戶的相對位置或絕對位置。

靜態定位適用于靜止或者緩慢運動的物體，在一個觀測周期內無法探測到其位置的變化。這種定位方式只需要一臺接收機，費用較低而且使用靈活，無多值問題[1]。根據參考系的選取不同，可將定位分為絕對定位和相對定位，圖1表示了動態絕對定位和靜態相對定位的原理。

2.2 ADS-B數據鏈路

ADS-B，又稱廣播式自動相關監視，是一個集通信與監視于一體的信息系統。該系統由機載設備（GPS接收機、數據收發機及其天線、駕駛艙沖突信息顯示器（CDTI））和地面設備。航空器可以使用ADS-B機載設備，利用數據鏈（1090ES，UAT，VDL4）以DF17格式可以向外發送航空器的位置、速度、高度、姿態等信息。配備接收機的周圍航空器接收到ADS-B信息后，經過機載計算機將數據顯示到CDTI上。

ADS-B地面站可以進行接收、發送和處理地空數據廣播報文等一系列工作，得到無人機飛行數據，并通過告警算法來判斷兩無人機之間是否存在沖突，同時可以保證空中交通管制部門來控制低空空域的整體狀態，使得低空空域中無人機的安全可以得到有效、及時的保障。而ADS-B機載設備可以對獲得的各種數據進行處理，從而得到航空器的飛行姿態和位置坐標等狀態數據。

3 系統模塊設計

3.1 北斗模塊設計

北斗導航模塊分為定位系統、通信系統和電源系統[2]。

3.1.1 北斗定位系統

北斗定位系統包含北斗模塊和北斗天線，無人機北斗模塊包含三大模塊：射頻模塊、基帶模塊及信息處理模塊。

（1）射頻模塊

RF射頻模塊負責高頻衛星信號的接收，并進行降頻處理，降為中頻。

（2）基帶模塊

基帶模塊接收到前端射頻降頻信號后，對BDS導航信號進行捕獲、跟蹤，將接收的中頻信號降為基帶信號，并解析出原始導航電文。

（3）信息處理模塊

信息處理模塊接收到原始導航電文，利用導航算法得到被測航空器精確位置。

3.1.2 北斗通信系統

無人機通過其中飛控系統的北斗模塊，發送無人機的所在時間、速度、航向等信息。

（1）北斗導航BDS接收到用戶請求的ID信息，與導航信息一起進行封裝加密，隨后將加密信號傳輸至北斗衛星地面接收站。

（2）北斗衛星地面接收站接收到BDS加密數據后進行解密，解密后向所有用戶廣播。

（3）各用戶接收到廣播BDS報文并進行調制、解密，解析出報文的ID信息，接收與自身ID一致的導航數據，丟棄不一致數據。

要考慮空中因素對信號的多經干擾，噪聲干擾，對實際的BDS導航信號除了報文封裝加密解密，傳輸系統還需要進行信號調制、抗多徑干擾、信號編解碼及校驗。

3.1.3 電源管理

為保證無人機及其周圍環境的安全，操作者應時刻留意無人機電量。無人機可通過飛控系統的北斗模塊，發送無人機的電池余量。并設置電源管理功能：電源管理部分要求能夠對供電電池的充放電進行管理，提供低電壓告警指示、充電防過充保護等功能。

3.2 ADS-B模塊設計

ADS-B機載設備主要由4部分組成，分別為外部的輸入數據源、1090ES ADS-B OUT數據發射子系統、1090ES ADS-B IN數據接收子系統及輸出數據客戶應用。

ADS-B OUT數據發射子系統可以將航空器的呼號、速度、航向、經緯度、高度等信息通過1090ES數據鏈定期自動廣播出去，ADS-B IN數據接收子系統通過接受ADS-B報文得到其他航空器的位置、速度、高度呼號信息，并將這些信息顯示在CDTI上，從而使得駕駛員能夠詳盡地了解航空器周圍的空域情況[3]。

ADS-B采用DF17格式報文進行空-地數據傳輸，航空器數據信息經過編碼、調制后通過無線電進行發送傳輸;同時，地面站通過ADS-B的天線接收航空器機載設備發射的ADS-B報文。在對DF17格式的報文解析完后，生成航行動態監視終端顯示數據，實現地面對空中航空器的監視[4]。

4 綜合管理云平臺

無人機監管系統基于J2EE架構，采用跨平臺技術，適合多個操作系統。利用北斗系統獲得無人機的地理位置，通過陸基ADS-B信號采集無人機信號采集接受設備的數據，展現無人機的動態信息，從而實現對無人機飛行數據的動態監視以及管理。

4.1 數據信息接收

無人機北斗模塊接收的定位信息以及慣導模塊收集到的姿態信息、航向信息通過機載ADS-B模塊向外發射，地面的ADS-B接收機調整到相應的接收頻率，以獲得相關的數據信息。同時機載ADS-B與陸基ADS-B信號采集接收設備進行數據交互，以地圖標注點的形式展示動態的ADS-B數據。監管云臺動態實時顯示監視畫面包含了無人機起降點、以及全部飛行空域信息（管制空域、報告空域、監視空域）。通過ADS-B OUT功能獲得的實時、連續、準確的無人機地址碼、飛行標識、位置、高度、航向以及其它飛行信息也會在監管云臺上顯示出來。

4.2 用戶使用介紹

用戶創建帳號后在監管云臺上必須進行實名信息認證審核，已經在中國民用航空局無人機實名登記系統上登記通過后的無人機方可接入本監管云臺。飛手在上傳無人機駕駛執照照片并通過審核后可以使用本監管云臺部分功能，如無人機飛行任務申請，空域申請，飛行計劃申請等。在接受到無人機用戶提出飛行申請后，系統將無人機用戶的飛行計劃統一提交到有關批準部門，如飛行計劃受到批準后，方可進行無人的飛行活動。監管審核用戶可在此期間對已經申請的飛行計劃信息進行管理操作、歸檔處理等。

5 方案缺點分析

5.1 北斗衛星導航系統缺點

北斗衛星的短報文通信有120字節的限制，民用單次通信容量有限，因此在所需數據量較大時會產生不便利的問題。并且，北斗衛星的定位精度相比于GPS仍有一定的差距，在較復雜情況下的精準定位有一定難度。

此外，北斗系統還具有無法忽略的高時延，這是由于北斗的定位原理所造成的。GPS的定位原理是，用戶在接收到衛星發射的信號后解算來自多顆衛星的信號從而得到自身的位置;而北斗是由用戶向衛星發射信號后，衛星在將信號發射給地面站解算得到用戶的位置，最后再發送給用戶端接收機，這個過程中就會產生較大的干擾和較高的信號時延問題。不過對于高速運動的物體，存在較大的誤差，但對于“低小慢”的旋翼無人機，則誤差相對較小。

5.2 ADS-B存在的問題及解決

我國ADS-B存在著一定的問題，其一，定位信息數據來源于GPS，由此帶來了安全性、可靠性及擴展性等方面的問題。其二，目前ADS-B廣泛應用于民航客機等大型航空器，所以市面上ADS-B機載設備都是為大型航空器所研制，具有質量高、所占空間大、價格昂貴等特點。要想將ADS-B應用于無人機上，需要對ADS-B機載設備進行改裝。

對現有ADS-B機載設備進行改裝，改裝過后的ADS-B機載設備能夠克服質量高、所占空間大等缺陷，并且具備功耗低的特征。同時，該設備保留了ADS-B OUT和IN功能。能夠保證無人機應用北斗技術且具備既能向外發送ADS-B信息，又能接受ADS-B信息。

參考文獻：

[1]劉堯.基于北斗衛星定位信息接收與處理系統的實現[D].大連海事大學，2012.

[2]農軍.應用北斗導航設計無人船艇通信數據傳輸系統[J].艦船科學技術，2019，41（12）：106-108.

[3]張召悅.空管監視技術[M].國防工業出版社，2017.

[4]張永旺.基于北斗RDSS和ADS-B的航空監視系統架構研究[J].電腦知識與技術，2017，13（26）：169-170.