無線紫外光信標引導直升機降落駕駛輔助系統

黃 鑫，唐冬冬，程路敏，趙太飛，2

（1．西安理工大學自動化與信息工程學院，陜西 西安 710048）2.光纖傳感與通信教育部重點實驗室（電子科技大學），四川 成都　610054）

無線紫外光信標引導直升機降落駕駛輔助系統

黃 鑫1，唐冬冬1，程路敏1，趙太飛1，2

（1．西安理工大學自動化與信息工程學院，陜西 西安 710048）2.光纖傳感與通信教育部重點實驗室（電子科技大學），四川 成都610054）

為了解決野外行動、城市突發事件、地震災害、水災火災等緊急情況下直升機應急降落的安全性問題，設計了一種基于無線紫外光信標引導的直升機降落駕駛輔助系統，實現了全天候、寬視場、抗干擾能力強的實時圖像傳輸，為直升機降落提供了精準的環境信息。同時對直升機起降中水平通信和垂直通信進行了仿真分析，并通過實驗平臺進行了實地測試，驗證了本設計具有較高的實用性與創新型，提高了直升機在復雜環境下緊急降落的安全性與穩定性。

紫外光通信；LOS鏈路；直升機助降；信標引導

隨著4000米以下低空的開放和越來越多的緊急事件或自然災害的發生，直升機在相應的救援行動中充分了發揮其靈活機動的特點，體現了越來越高的重要性，然而直升機的起降受降落場地限制較大，現有的直升機助降系統一般采用可見光標和旗語引導［1］，這種方式安全性能低且實際效率低。因此，無線紫外光信標引導直升機降落駕駛輔助系統的設計具有重要意義。

無線紫外光信標引導直升機降落駕駛輔助系統是利用紫外光散射特性［2-3］進行復雜環境下全天候通信的一種直升機應急安全保障手段，能滿足各種復雜場合下救援直升機應急輔助起降的需求。本設計針對復雜地形、天氣和電磁環境中陸地、樓頂、船載等情景下直升機起降存在的安全問題，研究基于無線紫外光通信的直升機輔助起降技術［4］來減少或消除安全隱患。同時，無線紫外光通信還可作為一種軍事保密通信手段廣泛應用于公安、武警、交通運輸、海陸空三軍，對國防現代化建設具有特殊的使用價值和實際意義。

目前，國內外對無線紫外光通信技術的研究還主要集中于通信理論研究，而對紫外光通信在直升機應急輔助起降中的引導技術研究較少。利用無線紫外光助降技術可以實現復雜環境下高可靠性的直升機全天候起降，受天氣影響小，節約人力資源，提高直升機起降的安全性。因此本設計具有廣闊的發展前景、應用空間和重要的研究價值。

紫外光波段［5］通常劃分為 315～400nm（Ultraviolet Light A，UVA）、280～315nm（Ultraviolet Light B，UVB）和 10～280nm （Ultraviolet Light C，UVC）。在UVC波段中波長為200～280nm的太陽輻射被大氣平流程的臭氧分子強烈吸收，使得其在近地太陽光譜中幾乎沒有該紫外光波段，所以稱其日盲區［6］。利用日盲紫外光進行通信有以下優勢：抗干擾能力強、全天候非視距通信、便攜式、寬視場、保密通信能力強以及適用于特殊的通信場合［7］。因此本設計選擇日盲段紫外光源進行通信。

1無線紫外光引導的直升機助降系統

1.1助降系統整體結構

本系統采用日盲波段紫外光LED［8-9］作為地面信標發送端，發送經過編碼之后的地面圖像信息，通過機載接收端接收紫外光信號，建立空地無線紫外光通信，并引導駕駛員操縱直升機逐漸抵達降落點上空，在幫助駕駛員獲取地面數據的同時以便駕駛員準確降落，系統原理框圖如圖1所示。

圖1　系統結構示意圖

1.2系統硬件組成

1.2.1地面紫外光信標發送模塊

采用UTOP2260型號的紫外光LED組成的光源陣列作為地面信標發射源，其峰值波長為265nm，處于日盲波段（200nm-280nm），符合系統設計要求。

地面紫外光LED陣列的主要作用是對經過編碼之后的圖像數據信息對空進行廣播，等待機載接收端接收。同時，可以對紫外光源的波長，頻率和角度進行特定的調節來傳輸信息。其典型功率位0.3mW，傳播過程中以日盲紫外光為載波，實現了近距離、高速率、抗干擾的數據傳輸以及效果良好的圖像通信。

1.2.2圖像數據處理模塊

采用無線攝像頭對降落場地環境進行圖像信息的采集，再交由FPGA進行編碼，形成適合紫外光通信的數據幀，最后交給地面發送模塊對空進行廣播。

根據無線紫外光傳輸特性以及自由空間光通信信道［10］的特點，對數據鏈路層數據幀格式進行分析設計，為了提高紫外光數據傳輸過程中的幀同步速率，采用經過插幀處理的封幀格式［11］，在數據區前加上固定的 2字節幀同步頭 0xFF 0xD8，以0xFF 0xD9作為幀尾，中間依次有長度位、數據段和校驗位。對長度位、數據段和校驗位的數據進行插值處理，即如果數據中（除了幀頭和幀尾）出現0xFF，則對其后面插入一個0x00，這樣處理過的視頻流數據中0xFF后面最少接一個0x00。幀中0xFF 0xD8和0xFF 0xD9只可能作為幀頭和幀尾出現，由幀頭和幀尾實現幀同步。在接收端只需判斷收到的數據字符，除去標志位外，將接收到的視頻流數據中0xFF后面的0x00剔除即可還原視頻流數據。只有當數據長度對比正確以及檢驗也無誤時才能說明數據無誤，并將收到的數據進行譯碼顯示圖片。這種方法處理過的幀，一般不會出現假同步，比較容易實現幀同步。幀格式封裝如圖2所示。

圖2　插幀格式的幀封裝

1.2.3機載紫外光接收端

采用R7154型光電倍增管，對地面信標發送的特殊幀格式的紫外光信號進行接收，接收到的紫外光信號經過濾光片過濾后，成為可信的信息。

接收端通過FPGA對經過過濾后的數據幀進行解碼譯碼，通過圖像處理算法將數據幀中的圖像信息提取出來，并送至機載顯示屏進行顯示，輔助直升機駕駛員進行降落。

機載提示燈陣列主要用來指示飛機與降落點的對準程度，此部分采用AD轉換模塊對光電倍增管的輸出電流信號進行電壓采樣，并通過微控制器FPGA編寫電壓-距離轉換算法，控制提示燈來指示當前降落點的情況。

1.3助降系統引導實施過程

無線紫外光信標引導直升機降落具體過程包括以下4個階段：

信標布置階段：地面人員選擇合適的降落場，安置紫外光信標，通過掃描陣列的方式多角度發送降落地標信息。同時檢測各個通信模塊運行狀態，等待直升機到來；

直升機搜索信號階段：地面信標發射端發送自身位置信號并將采集到的圖像信息對空進行廣播，機載設備打開，開始檢測紫外光信號；

直升機對準機載接收端階段：直升機駕駛員根據機載提示屏的提示及提示燈的亮滅情況，并且通過獲得的地面圖像，駕駛飛機逐漸靠近、對準信標上空；

直升機下降階段：當直升機靠近信標降落點時，提示燈陣列點亮的個數越來越多，亮燈越多，則證明飛機與降落點對準程度越高；當降落提示燈提示達到最佳對準時，直升機開始降落，在降落的過程中微調飛機姿態，保持飛機與降落點對準，完成降落過程。

2　直升機助降中紫外光單次散射鏈路

根據發射光束發散角、接收視場角、發送接收角度不同所形成的重疊散射區域特性［12］，紫外光非直視通信可以分為（a）（b）（c）三類通信方式如圖3所示，圖3（a）為NLOS［13］（a）類通信方式，即垂直發送-垂直接收；圖3（b）為NLOS（b）類通信方式，即定向發送-垂直接收；圖3（c）為NLOS（c）類通信方式，即定向發送-定向接收。

圖3　紫外光非視距通信方式

圖4為非視距通信系統信道模型［15-16］，發送端為Tx，接收端為Rx，發散角為φ1，發送仰角為θ1，視場角為φ2，接收仰角為θ2，有效散射體為V，通信距離為r，發送端到有效散射的距離和有效散射體到接收端的距離分別為r1和r2。Tx在φ1和θ1范圍內向空間發射光信號，光信號在有效散射體內散射后，Rx以φ2和θ2進行光信號接收。

無線紫外光信標引導直升機降落駕駛輔助系統的簡化通信模型如圖5所示，將發射端T放置在地面的降落場，設其為坐標原點，接收端R放置在位于高度h的直升機上，r為收發端之間的水平距離差，則二者的直線通信距離［17］為r′=

圖4　非視距通信系統信道模型

3　系統軟件設計與流程

3.1底層軟件

底層軟件設計主要完成任務如圖6所示，主要實現對圖像數據的采集、封裝、壓縮編碼、解碼以及數據糾錯。

圖5　直升機降落駕駛輔助系統簡化通信模型

3.2上層軟件設計

上層軟件平臺主要提供友好的人機交互界面，完成系統性能測試以及實驗數據分析。以圖像傳輸為例，圖7（a）為發送端程序運行流程圖，圖7（b）為接收端程序運行流程圖，硬件接收端在接收到數據，進行解調譯碼后通過串口把收到的數據發送給計算機對接收到的數據進行處理之后會把圖像顯示出來。

圖6　底層軟件框圖

4　系統測試結果及分析

直視狀態下直升機助降通信性能的分析

本文仿真過程中，部分系統參數［18］取值如表1所示。

利用無線紫外光直升機助降演示平臺，在1～10 m的通信距離下，我們測試了直視狀態下整個紫外光通信鏈路的實際路徑損耗值以及信號發送端與接收端各自的功率情況，經過多次重復實驗取平均值后得到如下表2所示的各項數據。

圖7　上層軟件流程圖

表1　部分系統仿真參數

表2　不同距離下的路徑損耗值及收發功率數據對比

由表2可以看出，實測路徑損耗與理論值相差在2-3個dB以內，1m處相差較大是由于發射端紫外LED以及接收端PMT的發散光束角和接收視場角的局限造成的。表中數據表明收發端功率分別在光電倍增管和紫外光LED的典型功率附近，設備利用率較高。因此，在直升機引導助降場合下，利用相關原理對紫外光鏈路進行推算，并將結果利用在實際系統設計與應用中，是符合理論預期的。

5　結　論

本系統由紫外光信標引導系統及空地圖像傳輸系統兩部分組成，無線紫外光信標引導系統解決了飛行員進行定點降落的困難，幫助飛行員更加精確、安全、快速的完成降落；無線紫外光圖像傳輸系統實現了實時的圖像傳輸，提供了一種不同于傳統無線電方式的新型通信技術。綜上所述，無線紫外光信標引導直升機降落駕駛輔助系統的技術指標、功能實現、應用前景等方面基本滿足了設計要求，體現了創新性及實用性。

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Helicopter landed driver assistance systems based on wireless ultraviolet light beacon

HUANG Xin1，TANG Dong-dong1，CHENG Lu-min1，ZHAO Tai-fei1，2
（1.Faculty of Automation and Information Engineering，Xi'an University of Technology，Xi'an 710048，China；2.Key Lab of Optical Fiber Sensing&Communications（UESTC），Ministry of Education，Chengdu 610054，China）

In order to solve the security problem of emergency landing in the field，the emergency landing of helicopter is designed based on the guidance of wireless ultraviolet beacon.The real-time image transmission is realized，which can provide accurate information for the helicopter landing.At the same time，the simulation analysis of horizontal and vertical communication is carried out，and the field test is carried out through the experimental platform.The design has high practicability and innovation，and the security and stability of helicopter landing in complex environment are improved.

ultraviolet communication；LOS link；helicopter assisted landing；beacon guiding

TN929.12

A

1674－6236（2016）09-0129-04

2015-11-24稿件編號：201511225

國家自然科學基金委員會-中國民航局民航聯合研究基金資助（U1433110）；陜西省科技計劃工業公關項目（2014K05-18）；陜西省教育廳產業化培育項目（2013JC09）；全國大學生創新創業基金支持

黃 鑫（1995—），男，陜西渭南人。研究方向：嵌入式通信。