一種無人機應用的北斗應急測控系統

文/付海軍 扈平 王曄

近年，無人機進入了高速發展時期，各種型號和規格的無人機進入市場。在無人機各分系統中，非常關鍵的一個就是測控系統。測控系統的性能，往往決定了無人機的測控能力。

無人機測控系統，是無人機系統的重要組成部分，用于實現對無人機的遙控、遙測、跟蹤定位和信息傳輸，主要包括數據鏈和地面控制站，其中數據鏈系統包含測量設備、信息傳輸設備、數據中繼等設備。根據測控鏈路的作戰距離，可以分為視距和超視距。視距測控鏈為地面測控站與無人機在視距范圍內進行遙控遙測，超視距測控鏈大都為地面測控站通過衛星或者無人機中繼與無人機進行遙控遙測。隨著無人機作戰半徑的不斷擴大，衛星測控鏈路成了一種測控系統的必備。

北斗衛星導航系統，是我國自主建設、獨立運行的衛星導航系統，可以為用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務，具有實時導航、快速定位、精確授時、位置報告和短報文通信服務五大功能。北斗衛星導航系統的實時導航業務可以滿足無人機的精確定位需求，短報文通信業務可以滿足無人機的遙控遙測需求，于是就形成了本文的一種應用于無人機的北斗測控系統。

北斗衛星導航測控系統，具有超視距作戰能力，同時支持一站多機服務能力，符合無人機測控技術的發展趨勢，具有廣闊的市場應用前景。

1 系統組成

圖1：北斗應急測控系統構成圖

北斗應急測控系統，與常規的測控系統的一樣，由機載終端和地面控制站構成，地面控制站由北斗地面終端和測控軟件構成。機載終端安裝于無人機上，通過數據總線（異步串行總線、CAN總線等）與機上飛控計算機連接。地面控制站，安裝于指揮控制方艙或指揮所內，通過地面網絡與指揮平臺進行連接。控制軟件安裝于指揮平臺計算機上，作為北斗應急測控系統的指揮控制中心。北斗應急測控系統的構成圖1所示。

圖2：北斗機載終端組成框圖

圖3：北斗地面終端組成框圖

北斗機載終端，具有北斗定位和北斗短報文通信能力，由北斗天線、濾波器和北斗機載主機構成。北斗天線在接收北斗RDSS S頻點和RNSS 衛星信號的同時可以發射RDSS L頻點的入站信號。濾波器，為RDSS L頻段的帶通濾波器，具有很強的帶外抑制能力，抑制RDSS入站信號的帶外輻射。北斗機載主機，為北斗機載終端的核心處理單元，接收北斗天線的衛星信號，進行放大、下變頻、捕獲、跟蹤、解調解析、PVT解算、數據處理以及業務處理等，同時可以對將要發射的信息進行編碼、調制、上變頻、功率放大后通過北斗天線發射出去。北斗機載主機通過機上數據總線與飛控計算機通信。

北斗機載終端的內部功能模塊組成框圖如圖2所示。

地面控制站的核心是北斗地面終端。北斗地面終端，既可以進行RNSS定位，與北斗機載終端進行點對點通信，又可以兼收北斗機載終端接收到的消息，由北斗地面天線和北斗地面主機構成。北斗地面天線，由天線陣子、低噪放、功率放大器、濾波器和電源控制組成，主要完成以下任務：接收并放大北斗RNSS信號和RDSS S頻點信號后傳送給北斗地面主機，接收北斗地面主機發射的RDSS L頻點調制信號，進行功率放大后通過天線發射出去。北斗地面主機由射頻模塊、信號處理模塊、數據處理模塊、電源模塊、濾波器組以及接口模塊等組成。北斗地面終端的組成框圖如圖3所示。

地面控制站的人機交互是通過北斗測控軟件實現的。北斗測控軟件是北斗應急測控系統的人機交互樞紐，也是北斗測控系統與其他系統進行數據交互的樞紐。該軟件主要由顯控界面和后臺數據庫構成，顯示北斗機載終端工作狀態、北斗地面終端的工作狀態、遙測數據、遙控指令等信息，同時將這些數據分類存儲于數據庫中。

2 工作流程

為滿足無人機測控需求，北斗應急測控系統有兩種工作模式：待機和工作。

北斗應急測控系統在待機時，整個系統進行如下工作：北斗機載終端只接收北斗衛星信號，不發送遙測數據，同時將當前的工作狀態和位置信息按照一定頻度上報給飛控計算機，通過其他測控鏈路傳回給地面控制站；北斗地面終端只接收北斗衛星信號，不進行遙控指令發送，將工作狀態發送給北斗測控軟件；北斗測控軟件接收并顯示北斗機載終端和地面終端的工作狀態。

圖4：北斗機載終端實物圖

北斗應急測控系統在工作時，整個系統進行如下工作：北斗機載終端按照一定頻度將獲得的遙測數據、機載終端的工作狀態以及位置信息通過北斗短報文發送給北斗地面終端，同時將接收到的遙控指令發送給飛控計算機；北斗地面終端將從北斗測控軟件獲得的遙控指令通過北斗鏈路發送到北斗機載終端，同時接收北斗機載終端發送的遙測數據、機載終端的工作狀態和位置信息，將這些數據以及地面終端的工作狀態發送給北斗測控軟件；北斗測控軟件顯示接收到的遙測數據、機載終端工作狀態、地面終端工作狀態以及接收到的遙控指令。

北斗應急測控系統的狀態轉換遵循以下模式：北斗應急測控系統默認處于待機狀態，當無人機飛行超出視距或者視距鏈路無法測控時，由飛控計算機或地面控制站控制北斗測控系統進入工作狀態。當北斗應急測控系統進行入工作狀態后，無人機可根據北斗機載終端的定位結果進行自主導航，也可通過北斗鏈路接受地面控制站控制，從而實現無人機安全返航和降落。

3 試驗情況

表1：北斗應急測控系統試驗數據

圖5：北斗地面終端實物圖

圖6：北斗測控軟件主界面

由于測控系統的特殊性，通用的北斗用戶終端不能滿足遙控指揮和控制的使用需求，同時不滿足機載環境的使用需求，需要進行針對性的設計。

北斗機載終端，核心處理單元采用FPGA（Intel公 司 的Cyclone5系 列芯 片5CEFA9F23）+DSP（TI公 司 的TMS320C6748）的硬件架構，在北斗RDSS業務中融合測控技術，既具備北斗RDSS終端業務能力，又具備測控系統機載終端測控能力；在電源方面，采用適應無人機機載環境的電源模塊；在電磁兼容性方面，對電源和數據接口進行EMC濾波；在系統互干擾方面，通過濾波器嚴格抑制RDSS入站信號的帶外功率，確保RDSS入站信號不影響GPS和其他導航系統；在重量方面，嚴格控制各組成部分的重量，在器件選型和結構設計中，優先選擇質量輕的方案。北斗機載終端實物如圖4所示。

北斗地面終端，核心處理單元采用FPGA（Intel公司的Cyclone3系列芯片3C120F484）+DSP（TI公司的TMS320C6713）的硬件架構，在北斗RDSS指揮機業務基礎上融合測控技術，既具備北斗RDSS指揮機業務能力，又具備地面控制站測控能力；在供電方面，直接采用交流220V；在結構上，采用標準1U機箱結構形式；在數據接口方面，地面終端設有網口，與北斗測控軟件采用網絡通信。北斗地面終端實物如圖5所示。

北斗測控軟件，采用軟件界面+數據庫的設計理念，將北斗測控軟件接收到的遙控遙測數據分別存儲，并對數據加注時間信息，作為遙控遙測檔案。北斗測控軟件主界面如圖6所示。

2018年8 月-9月，北斗應急測控系統，作為某型無人機的備用測控鏈路，隨系統進行了聯調聯試和試飛試驗，并在試飛過程中考核了北斗測控系統的數據丟失率和數據準確率以及機載終端的定位精度等性能指標。試驗評估方法如下：

（1）通過視距鏈路將北斗機載終端收到的遙控指令回傳與地面控制站進行對比，評估遙控指令丟失率和準確率；

（2）通過視距鏈路將北斗機載終端回傳的遙測數據傳給地面控制站，與北斗地面終端收到的遙測數據進行丟失率和準確率對比評估；

（3）通過視距鏈路將北斗機載終端的定位結果和機上組合導航系統的定位結果回傳給地面控制站，進行定位精度對比評估。

北斗應急測控系統隨著無人機進行了試飛試驗，試驗數據如表1所示。

通過以上試驗數據可以看出，北斗應急測控系統可以作為備用鏈路應用于無人機測控系統。

4 總結

北斗應急測控系統，具有測控距離長優點，既可以滿足超視距測控需求，又可以在突發事件發生時使用，作為視距測控鏈路的有力補充。通過實際試飛試驗，北斗應急測控系統可以滿足無人機應急測控使用需求。

如果通過技術手段可以解決北斗測控系統的通信頻度和數據長度受限的問題，北斗應急測控系統將會是無人機測控鏈路重要組成部分。北斗通信頻度和數據長度受限將是北斗測控系統下一步需要突破的技術難題。