基于GPS/北斗的超低空防撞警告系統設計與實現

劉百超，劉建輝，王進糧，楊超新，許士國

(1.中國民航大學電子信息與自動化學院，天津 300300;2.中國民航大學計算機科學與技術學院，天津 300300)

0 引言

超低空是指海拔高度在100米以下的飛行高度［1］?，F代民航客機裝配有交通警戒及空中防撞系統TCAS(traffic alert and collision avoidance)，主要用于為飛行員提供空中碰撞告警［2-6］。然而TCAS僅能夠在高空偵測上下7 000至10 000尺前后15至40海里范圍接近的航機，在超低空的空域飛行中發揮不了作用。2016年10月11日上海虹橋機場兩架飛機險些相撞;2017年4月到5月，成都雙流國際機場和重慶機場發生多起無人機干擾民航事件，共造成幾百個航班備降、取消或延誤，上萬名旅客受影響。由以上事件可以看出超低空飛行過程中遇到的干擾越來越多，因為TCAS在超低空不起作用，沒有超低空警告才造成一系列的事件。國際民航組織應用地形感知和告警系統 (TAWS，terrain awareness and warning system)改進了原有的地面迫近警告系統 (GPWS，ground proximity warning system)，它能提供前方地形警告和地形顯示的功能，給飛行員更多的判決時間，在一定程度上減少了可控飛行撞地事故的發生［7-8］，但是并不適用于超低空的飛機防撞警告，而TCAS在超低空也不起作用，這兩個系統之間的銜接存在問題，缺少了超低空情況下的空中防撞警告情況，因此有必要對于超低空領域的飛行情況進行監控和警告，降低管制員勞動強度和壓力的同時，提高飛機飛行的安全性。

基于上述情況，我們設計了基于GPS/BD雙模模塊的超低空飛機防撞警告系統，用于在超低空領域提供附近空域中的交通狀況，同時顯示出飛機數據并對飛機定位監控，在當潛在危險接近時進行相應的判別，預測將要可能發生的危險，作出相應等級的警告并提前向相應機組發出警告信息，提示飛行員作出調整，避免飛機間發生碰撞危險，彌補了TCAS和GPWS兩個系統銜接部分的不足。

1 基于GPS/北斗的超低空飛機防撞警告系統工作原理概述

北斗衛星定位系統基本原理是測量出已知位置的衛星到用戶接收機之間的距離，然后綜合多顆衛星的數據就可知道接收機的具體位置［9］。GPS的原理實際上就是通過四顆已知位置的衛星來確定GPS接收器的位置。測量定位時，用戶可以利用接收機的儲存星歷得到各個衛星的粗略位置［10］。北斗具有GPS沒有的通信和目標定位，但缺點是還處于發展階段，主要應用于軍用，民用推廣還沒做到全面普及，在中高緯度地區，由于北斗可見衛星數較少、衛星分布較差，定位精度較差或無法定位。GPS的優點是技術成熟，定位準確，全球覆蓋，用戶容量無限，缺點是規模太大、造價太高，GPS只能用作導航卻無法實現通信功能。這兩個系統屬于獨立非相似系統，通過兩者的結合，可以很好的提高系統的穩定性和安全性，避免一個系統出現故障，或者錯誤信息而無法糾正的情況。

該系統以超低空范圍內運行飛機為研究對象，下位機(飛機)配置有GPS/BD定位模塊和4G網絡模塊，4G模塊通過4G網絡連接至地面控制中心的TCP SEVER以實現互連通信，連接之后，下位機將GPS/BD定位模塊采集的實時定位數據等信息 (時間、經度、緯度、高度等)經網絡發送至上位機，上位機就可以實時監控飛機位置情況，并編程設計防撞警告算法自動向飛機和塔臺管制人員發送相應視覺警告，提示飛行人員和管制人員采取相應避撞措施。如圖1所示。

圖1 系統工作原理模型

2 基于GPS/北斗的超低空飛機防撞警告系統的組成

2.1 軟件部分

軟件是基于Windows操作系統，利用java語言進行開發的監控處理系統。軟件功能結構圖如圖2所示。

軟件作為系統的上位機，與下位機通過4G移動通信網絡進行通信，從下位機中實時接收所在超低空空域中飛機的相關位置信息，包括飛機編號，經度，緯度，海拔高度，時間五類信息，經度和緯度用于確認飛機的具體位置，海拔高度用于計算飛機間的高度差，編號用作飛機的唯一標識，時間則可判斷信息的時效性，對這些數據進行處理分析，實現對飛機的實時定位監測并發出警告等級信息，同時自動向下位機回傳相應警告，方便飛行器作出調整，避免發生危險。軟件實現了處理顯示飛機位置信息、定位監測與分析、發出伴隨警告提示燈和提示框的警告等級信息、同時反饋給下位機相應等級警告的相關功能。如圖3所示。

圖2 軟件功能結構圖

圖3 軟件界面

軟件部分的詳細功能介紹:

2.1.1 動態地圖及飛機定位信息的顯示

地圖的展示是通過訪問百度靜態地圖API得到的。每接收到下位機發送過來的飛機位置信息即刻訪問百度地圖，進行定位，從而呈現出更新過的地圖界面，實現實時對飛機進行定位監控。

軟件可以顯示下位機發送過來的位置信息、飛機編號、經度、緯度、相對海拔高度和時間。上位機對這些信息進行分析處理，實時在地圖上定位并動態顯示飛機位置，便于后臺監管人員監控飛機的飛行方向、速度以及周邊鄰近的干擾飛機，從而作出判斷調整。同時提供調整地圖比例的下拉列表，可以根據地圖的顯示情況，選擇不同的比例以便于更細致的監測。

2.1.2 飛機數據分析和警告

軟件對相同的時刻的不同飛機的位置信息進行處理分析，根據相關算法將兩架飛機的的經緯度進行計算得到距離差，同時算出高度差，并與定義警告范圍進行比較，判斷出相應等級的警告進而彈出相應的警告提示框并伴隨相應的警告燈，方便監控人員進行調整處理。同時不需要監控人員作出判斷決定，軟件即自動向硬件回送相應的警告等級信息，方便飛行人員及時作出調整，避免即將出現的碰撞危險。

據調查，人的應急反應時間大概是0.1～0.8 s［11］，考慮到飛行員接收到警告后要作出反應，對飛機進行一系列的操作需要一定的時間;同時，4G移動通信的延時大多在20～40 ms，以及考慮信息的接收處理均占用一定的時間，所以把應急時間定為3 s，而正常客機的在超低空的飛行速度約為100 m/s，所以應急距離為300米。同時在超低空高度中，當兩飛機高度相差小于10米時，即可認為這兩架飛機在同一高度層。當高度相差大于10米時，即可認為兩架飛機不在同一高度層，即使飛機進入距離警告范圍，也被認為是安全的情況而不作出相應的警告。綜上所述，上位機發出等級警告的合理條件，類型和結果如下表1所示。

表1 警告條件表 (m)

若兩飛機實時飛行數據與相應的警告條件相匹配，軟件上位機即刻彈出相應的等級警告框，同時亮起警告指示燈，并且在同一時刻自動向硬件下位機發送警告消息。

2.1.3 基于TCP的網絡連接及信息的收發

軟件同時充當了一個基于TCP/IP協議的服務器端的角色，綁定了的公網IP和指定端口號，下位機只要通過4G移動網絡與該IP和端口建立有效的連接，即可進行數據通信，從而實現信息的交流與傳輸，上位機從下位機中實時接收飛行器的位置信息，一旦發生警告情況，軟件即可立即通過網絡通信向下位機回送相應等級的警告信息。

2.2 硬件部分

硬件部分包括4G網絡模塊、GPS/BD定位模塊和單片機編程部分。硬件系統架構如圖4。

圖4 硬件系統架構

2.2.1 4G網絡模塊

本系統選用SIM7100C模塊作為4G網絡模塊，模塊采用串口 (LVTTL)與MCU(或其他串口設備)通信，內置TCP/IP協議棧，能夠實現串口與4G之間的轉換。通過SIM7100C模塊，傳統的串口設備只是需要簡單的串口配置，即可通過網絡 (4G移動通信)傳輸自己的數據。

硬件接入4G網絡模塊后，通過網絡就可以連接軟件互連通信，便可以實時發向硬件發送信息。為方便顯示，在電腦端安裝XCOM串口驅動，將模塊通過USB轉TTL模塊接入電腦串口，在電腦端通過串口助手發送AT+指令集對該4G模塊配置參數，以實現不同的功能。在該系統中，通過編輯AT指令設置透傳模式來實現硬件和軟件TCP SEVER通信。

4G模塊和TCP SEVER通過連接運營商提供的數據網絡，給TCP SEVER配置一個本地IP地址，4G模塊連該IP地址后，就可以實現硬件和軟件之間無線通信，硬件接入GPS/BD定位模塊之后就可以將飛機定位的實時定位數據信息連續不斷地發送至軟件，軟件再通過編輯算法實現對飛機在超低空空域內的飛行防撞預警。

本項目采用4G網絡的優勢:1)通信速度更快，發送時延較小，理論帶寬可以達到100 Mpbs，下位機可實現信息的有效發送;2)可靠性高，4G網絡通信技術已經成熟，可以保證長時間高性能工作;3)硬件設施簡單，只需機場周邊及上空完全覆蓋較強的4G網絡;4)費用更低，相比于高頻通信和甚高頻通信，4G網絡更加廉價。

2.2.2 定位模塊

本系統選ATK－S1216F8－BD模塊作為飛機定位模塊，ATK－S1216F8－BD模塊是一款高性能GPS/BD定位模塊［12］。硬件接入GPS/BD定位模塊后，就能將硬件的實時定位數據信息發送至軟件。為方便顯示，在電腦端安裝串口驅動，將模塊通過USB轉TTL模塊接入電腦串口，在電腦端通過GNSS_Viewer軟件配置模塊的參數，以讀取不同的定位數據信息 (經度、緯度、高度、時間等)，在串口助手上可以將定位的實時數據信息通過4G模塊經由網絡發送至軟件，再由軟件對數據信息進行處理，對飛機進行監控預警。

2.2.3 單片機編程

本系統選用C8051F020單片機，C8051F020系列單片機使用SiliconLabs的專利CIP－51微控制器內核。CIP－51與MCS－51TM指令集完全兼容，可以使用標準803x/805x的匯編器和編譯器進行軟件開發。CIP－51內核具有標準8052的所有外設部件，包括5個16位的計數器/定時器、兩個全雙工UART、256字節內部RAM、128字節特殊功能寄存器(SFR)地址空間及8/4個字節寬的I/O端口。這個單片機功能強大，符合該系統的運行要求。在電腦端編寫單片機控制程序，使得單片機能自行獲取GPS模塊定位的數據信息并發送至軟件，實現系統穩定運行，單片機程序流程圖如圖5。

3 系統實現情況

3.1 硬件部分

圖5 單片機程序流程圖

硬件部分主要包括C8051F020單片機、4G模塊、ATKS1216F8－BD定位模塊，單片機是整個硬件部分的控制系統，需要將GPS/BD定位模塊的數據信息通過4G模塊發送至軟件TCP SEVER。技術難度包括4G模塊、GPS/BD定位模塊和4G無線路由模塊的參數配置以及硬件單片機程序的編寫，模塊的參數設置可以參考生產廠商的模塊使用用戶手冊進行一步一步配置，實現模塊功能的正常運用，整個流程中硬件單片機的程序編寫難度大，通過撰寫程序流程圖，不斷調試，不斷運行，最終實現了整個系統的自動運行，啟動硬件之后就可以將定位數據信息不斷地發送至上位機TCP SEVER。

3.2 軟件部分

在與硬件通信的過程中，構造了一個TCP服務器，實現與硬件通過4G移動網絡通信進行收發信息，軟件接收飛機位置信息后經過嚴密的計算處理，實現數據信息的呈現，通過對百度靜態地圖的訪問，實現對飛機的實時定位監控，并同時在后臺根據警告等級算法進行合理的判斷進而做出相應等級的警告，彈出警告提示框并伴隨警告燈。

本系統實現了在超低空領域提供附近空域中的交通狀況，同時顯示出飛機數據并對飛機定位監控，在當潛在危險接近時進行相應的判別，預測將要可能發生的危險，作出相應等級的警告并及時向相應機組發出警告信息。

4 實驗結果與分析

為了驗證本系統的可用性和可行性，采用搭載了本系統硬件部分 (下位機)的四旋翼作為飛機的替代物，并在空曠的場地根據指定路線飛行的方式進行了多次實驗。根據四旋翼的速度特點和實驗場地的環境因素，對警告條件作出了適當的調整，距離差在0～500 m、500～600 m、600～700 m且高度差0～5 m時，則警告程度依次為嚴重警告、中度警告、輕度警告。當距離大于700 m或是高度差大于5 m時，可認為無警告或是發生警告后的警告消除。

圖6是其中一次實驗的路線圖，描述了兩架四旋翼按特定路線相向飛行的情況。在實驗的過程中，當兩個飛行器的距離小于700 m并且高度差小于5，本系統的軟件部分 (上位機)立即發出了輕度警告，伴隨警告框和警告燈的提示，并對下位機做了警告反饋，隨即對四旋翼的飛行作出了調整。同時，根據相同的方式繼續進行了多次實驗，并成功驗證了中度警告、嚴重警告和警告消除的情況。表2是部分實驗測試數據，A代表A四旋翼，B代表B四旋翼。

圖6 實驗路線圖

表2 實驗測試數據表 (m)

綜合多次實驗結果和數據分析，本系統能夠很好地作出相應的警告提示和反饋，具有較高的可用性和可行性。

5 結束語

本系統功能明確，使用方便。隨著我國民航業尤其是通用航空領域的飛速發展，以及低空開放政策的實施，飛機數量迅速增長，空域變得更加繁忙和擁擠，增加了飛行器在超低空飛行或起飛降落過程中發生相互碰撞的危險，給民航系統帶來了一定的安全隱患。本系統很好地彌補了機載監視系統在超低空領域內的空白，通過與TCAS系統相互合作，為民航飛機的正常安全飛行提供了很好的保障;同時本系統也可運用于超低空領域飛行的無人機上，為它們的正常運作提供有力的支持。本系統具有很好的實際運用價值。