某型無人機北斗短報文工作異常情況分析

吉彩妮，郭忠誠，孫輝，寧娟，張經(jīng)緯

中航貴州飛機有限責(zé)任公司

本文對以北斗短報文通信模式無法完成某型無人機的監(jiān)控進行分析，找出導(dǎo)致異常情況的可能原因，并提出解決方案。

北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)是我國自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，不僅能提供高精度位置信息，還具備短報文雙向通信能力，可在全球范圍內(nèi)全天候，全天時為各類用戶提供高精度、高可靠性定位、導(dǎo)航、短報文通信服務(wù)。

利用北斗短報文雙向通信功能，某型無人機裝配機載北斗終端設(shè)備及地面控制站配備地面北斗終端設(shè)備，在緊急情況下可完成對無人機的監(jiān)控。在地面檢查該型無人機時，使用北斗短報文模式監(jiān)控?zé)o人機，卻出現(xiàn)無人機不響應(yīng)控制指令，信息也不能回傳的現(xiàn)象，通過分析這種異常現(xiàn)象及引起的原因，提出排除方案，最終解決了問題。

排查與定位

現(xiàn)象分析

使用北斗短報文通信模式是某型無人機主、備控制鏈路均失效時的一種控制措施，只適用于發(fā)送無人機的緊急指令。無人機控制指令通過地面北斗終端設(shè)備發(fā)送給北斗導(dǎo)航衛(wèi)星，經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)后由無人機機載北斗終端設(shè)備接收并發(fā)送給飛控計算機，飛控計算機再轉(zhuǎn)發(fā)給無人機各執(zhí)行機構(gòu)，完成指令響應(yīng)。同時，機載北斗終端設(shè)備接收飛控計算機發(fā)送的無人機狀態(tài)信息，經(jīng)北斗導(dǎo)航衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)后，地面北斗終端設(shè)備接收并發(fā)送給地面控制站進行處理分析，系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 北斗短報文通信模式流程圖。

由于機載北斗終端設(shè)備與飛控計算機通過異步RS422串口進行通信，通過分析北斗短報文通信信息流程和該異常情況表現(xiàn)出的現(xiàn)象，總結(jié)出導(dǎo)致無人機控制指令無響應(yīng)且無信息回傳的幾方面原因見圖2。

圖2 北斗短報文通信異常故障樹。

排除過程及定位

由于使用北斗短報文通信模式監(jiān)控?zé)o人機涉及到空、天、地鏈路，無論哪個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，表現(xiàn)出的現(xiàn)象基本都是通信異常。因此，必須對圖2故障樹所涉及的各部件進行逐一排查，具體內(nèi)容和結(jié)果如下。

（1）操作排查

使用北斗短報文通信模式，均需對地面控制站、無人機進行機載北斗卡號、地面北斗卡號以及北斗卡頻次等參數(shù)進行正確配置。

只有地面控制站、無人機正確配置北斗卡信息，且無人機主、備鏈路均處于失效模式下，以北斗短報文通信模式發(fā)送控制指令，飛控計算機收到指令后才能正常執(zhí)行并回傳狀態(tài)信息。

根據(jù)上述約束條件進行檢查，地面控制站和無人機北斗卡信息正確配置且主、備鏈路均處于失效模式，可以排除操作有誤。

（2）機載電纜故障排查

由于機載北斗終端設(shè)備與飛控計算機通過異步RS422串口進行數(shù)據(jù)交互，根據(jù)異步RS422串口接線定義，使用萬用表檢查機載電纜連接的正確性，重點確認各設(shè)備接收端、發(fā)送端的定義，接線定義如圖3所示。

圖3 機載電纜接線定義圖。

根據(jù)各設(shè)備接線針腳定義，使用萬用表測量兩設(shè)備間機載電纜連接和其他異常情況。經(jīng)檢查，機載電纜針腳定義連接正常，且無短路、斷裂、破損等情況，可以排除機載電纜故障。

（3）地面北斗終端設(shè)備、機載北斗終端設(shè)備故障排查

根據(jù)北斗短報文通信模式流程圖，對地面北斗終端設(shè)備和機載北斗終端設(shè)備進行閉環(huán)檢查，即斷開機載北斗終端設(shè)備與飛控計算機的連接，從機載北斗終端發(fā)給飛控計算機的數(shù)據(jù)口，接上串口調(diào)試工具，如圖4所示，檢查控制數(shù)據(jù)有無和數(shù)據(jù)的正確性，如有數(shù)據(jù)且數(shù)據(jù)格式正確，說明地面北斗終端設(shè)備和機載北斗終端設(shè)備工作正常，如無數(shù)據(jù)可采取分步更換機載北斗終端設(shè)備和地面北斗終端設(shè)備的方法，確定故障設(shè)備。

圖4 串口調(diào)試接線示意圖。

設(shè)置串口調(diào)試助手的串口協(xié)議與該異步RS422串口協(xié)議保持一致，通過地面北斗終端設(shè)備發(fā)送控制指令，使用串口調(diào)試助手直接從機載北斗終端設(shè)備源頭檢查控制數(shù)據(jù)有無及數(shù)據(jù)的正確性。根據(jù)串口調(diào)試助手接收數(shù)據(jù)情況分析，有控制數(shù)據(jù)且數(shù)據(jù)格式符合雙方約定的通信協(xié)議要求，此時可排除地面北斗終端設(shè)備故障和機載北斗終端設(shè)備故障。

（4）通信協(xié)議不一致排查

根據(jù)異步RS422串口通信協(xié)議要求，控制數(shù)據(jù)和信息回傳均通過兩個固定數(shù)據(jù)包進行數(shù)據(jù)交互，機載北斗終端設(shè)備以及飛控計算機必須遵循雙方約定的通信協(xié)議格式，比如數(shù)據(jù)包幀頭、長度、數(shù)據(jù)內(nèi)容、數(shù)據(jù)包校驗等，如果兩設(shè)備間通信協(xié)議出現(xiàn)不一致等問題，北斗短報文通信模式也無法完成對無人機的監(jiān)控。

綜合考慮上述異常情況排除，控制數(shù)據(jù)經(jīng)機載電纜傳輸至飛控計算機輸入端，將串口調(diào)試工具接至飛控計算機輸入端，如圖5所示，檢查該數(shù)據(jù)包格式。

圖5 接線示意圖。

根據(jù)通信協(xié)議的規(guī)定，查看機載北斗終端設(shè)備經(jīng)機載電纜，發(fā)送給飛控計算機的控制數(shù)據(jù)包格式，從串口調(diào)試工具接收的數(shù)據(jù)包，包含幀頭、長度、數(shù)據(jù)內(nèi)容、數(shù)據(jù)包校驗等，均與通信協(xié)議規(guī)定一致，并將該串口調(diào)試工具接收的控制數(shù)據(jù)發(fā)送給飛控計算機進行仿真試驗，飛控計算機均能正常響應(yīng)，此時可以排除通信協(xié)議不一致問題。

（5）串口通信格式不一致

機載北斗終端設(shè)備與飛控計算機之間通過異步RS422串口進行通信，串口通信一般格式為：起始位+數(shù)據(jù)位+校驗位+停止位，該串口定義為：起始位1位，數(shù)據(jù)位8位，偶校驗1位，停止位1位。使用示波器檢查機載北斗終端設(shè)備串口通信格式是不是與規(guī)定的一致，檢查示意圖見6。

圖6 示波器檢查示意圖。

通過地面控制站發(fā)送北斗控制指令，在機載北斗終端設(shè)備數(shù)據(jù)口，接上示波器查看串口通信格式是否與規(guī)定的一致。

由示波器顯示的數(shù)據(jù)分析可知，機載北斗終端設(shè)備串口格式為奇校驗，與串口通信格式規(guī)定校驗位格式不一致。根據(jù)串口數(shù)據(jù)通信格式要求，如果校驗位不一致，設(shè)備間不能建立通信，即控制數(shù)據(jù)和信息回傳都不能正常傳輸。

根據(jù)第（5）步檢查結(jié)果，更改機載北斗終端設(shè)備串口數(shù)據(jù)通信格式，將串口校驗位由奇校驗更改為偶校驗，按照圖1所示流程，發(fā)送北斗短報文控制指令，飛控計算機正常響應(yīng)控制指令，同時信息回傳正常。

因此，本次異常情況可定位為，由于機載北斗終端設(shè)備串口通信格式與飛控計算機串口通信格式不一致，導(dǎo)致兩設(shè)備間不能正常通信。

機理分析

串口格式奇偶校驗位是一種校驗數(shù)據(jù)位傳輸正確性的方法。在被傳輸?shù)亩M制數(shù)據(jù)中，根據(jù)數(shù)位“1”的個數(shù)，是奇數(shù)還是偶數(shù)來進行校驗，采用奇數(shù)數(shù)位為奇校驗，采用偶數(shù)數(shù)位為偶校驗。串口傳輸?shù)囊话愀袷饺鐖D7所示。

圖7 串口傳輸格式示意圖。

例如，串口傳輸十六進制數(shù)據(jù)“55H”時，轉(zhuǎn)換為二進制為“01010101”，若選擇奇校驗時，因數(shù)據(jù)位中有4個1，為使整個1的個數(shù)為奇數(shù)，所以校驗位需要補1；若選擇偶校驗時，因數(shù)據(jù)位中有4個1，本為偶數(shù)，所以校驗位需要補0，奇校驗如圖8所示，偶校驗如圖9所示。

圖8 奇校驗傳輸格式示意圖。

圖9 偶校驗傳輸格式示意圖。

根據(jù)串口數(shù)據(jù)傳輸格式要求，本次異常情況發(fā)生的機理是，機載北斗終端設(shè)備按照奇校驗方式發(fā)送控制數(shù)據(jù)，飛控計算機按照偶校驗方式進行接收和判決，所以飛控計算機接收控制數(shù)據(jù)后，均判定為無效數(shù)據(jù)，所有控制指令均不執(zhí)行，也就是無信息回傳。

采取措施和驗證

按照雙方約定的串口通信格式要求，將機載北斗終端設(shè)備串口傳輸?shù)钠媾夹ｒ炍挥善嫘ｒ灨臑榕夹ｒ灒⒃跓o人機進行試驗驗證，北斗控制指令響應(yīng)正常，信息回傳正常，異常情況排除。■