基于北斗定位的無人機可視化監測方法

宋 煜，黃 祥，張 欣，王海楠

（江蘇方天電力技術有限公司，江蘇南京 211102）

隨著通信技術的不斷發展與融入，人們已經可以利用無人機精準地監測任務，獲取大量的精準數據[1]。無人機操作者在控制無人機執行任務的同時，也要關注無人機自身及其周邊環境的相關數據[2]。由此可見無人機監管模塊的重要性，國內外學者均對其進行了深入的研究。

吳曌月[3]提出了基于GPS 全球衛星導航系統的無人機可視化監測方法，在GPS 導航的基礎上對無人機的飛行位置進行全方位監測，實時完成高精度數據上傳。該方法具有較高的數據采集精準性，但是容易造成數據泄露，安全性較低。李英成[4]等提出了基于北斗一代系統的無人機飛行數據監管方法，通過北斗一代系統中的雙星定位，獲取無人機的實時位置數據，可以實時授權無人機監管模塊上傳與通信功能，具有較高的數據采集效率。但是該方法不能滿足信號與國際導航系統的格式兼容，從而導致無人機數據監管方法沒有廣泛推廣。

綜上所述，該文利用北斗定位研究了一種新的無人機可視化監測方法。

1 無人機可視化數據采集

對無人機可視化數據的采集通常在較為復雜的環境下進行，確定可視化數據采集滿足不同環境下的精準定位要求。該文選用北斗定位導航芯片[5]作為數據采集的核心元件，該芯片具有抗干擾性能高、能夠適應北斗通信系統以及能夠精準高速處理數據的特點。該芯片在對外部的可視化數據采集的過程中設定數據的輸入通道是64 位HTM 芯片，通道中的傳輸數據頻率控制在BDSB1/GPDL1 范圍內，由于無人機所處環境實時更新，所以采集數據的更新頻率必須大于1.5 Hz，對可視化數據采集的精準度也控制在-163 dBm 以內[5]。

無人機可視化數據在芯片中會在STM32 串口處進行相關數據的接收與格式初始化，再從該引腳PA2 和PA3 處進入到引腳T2IN 中，完成可視化數據傳輸通信的申請，通過申請的數據再進入到TXD1中，被傳輸模塊中的處理器讀取。無人機可視化數據從采集到傳輸流程之間所在的電路連接圖如圖1所示。

圖1 無人機可視化數據從采集到傳輸流程之間所在的電路連接圖

根據圖1 可知，無人機可視化數據從采集到傳輸流程之間所在的電路內部擁有三個電容，一個芯片[6]。當無人機由于某種原因與操作終端之間失去聯系或無人機出現事故，其中的無線射頻模塊開始動作。無線射頻模塊中的核心元件為芯片，該芯片與操作端口中的射頻電路實時保持關聯[7]。在無人機失去聯系信號的第一時間，該模塊迅速對周圍的信息進行采集，并將采集到的可視化信息發送到操作終端中，模塊采集的可視化數據中不僅僅包含無人機的事故信息，同時也包含報警請求信號，以便幫助操控人員對無人機實施搜救。

2 無人機可視化數據傳輸

基于北斗定位的無人機可視化數據傳輸采用的是無線通信傳輸模式，可以幫助無人機在飛行狀態下具有較好的數據傳輸穩定性和暢通性。

無人機對外傳輸數據時要確定可視化數據包的基礎格式與初始格式，對兩種格式的前導碼進行檢測，同時還要校驗可視化數據長度是否符合數據傳輸終端地址的規范類型，完成檢驗后的數據包被劃分成為前導碼、同步字、數據包長、傳輸地址、有效數據、CRC 校驗數據六部分[8-9]。

其中前導碼是可視化數據的交叉序列表現形式，無人機在數據傳輸之前設置一個前導碼可以將所有的可視化數據同步，同步字的作用是將無人機可視化數據中的字節同步處理，處理后的字節可以被應用在32 位的傳輸通道中，數據包長度是表現數據包長度的一種形式[10-11]。

PC 機與無人機操作終端之間的運作流程如圖2所示。

圖2 PC機與無人機操作終端之間的運作流程

根據圖2 可知，通過參數設置和發送命令完成初始化，檢驗數據成功，判斷數據通信是否成功。有效數據和CRC 校驗數據分別代表無人機可視化采集數據和通信相關數據[12-13]。當無人機由于某種原因與操作終端之間失去聯系，或出現事故，則無人機的PC 通信機開始運作，PC 通信機中的RS-232C 與操作終端中的信息框發起呼叫，并不間斷地向操作終端發送無人機的實時位置，還要保證無人機的呼叫通信接口時鐘與操作終端時鐘同頻。

3 無人機可視化數據監測

利用傳感器對數據進行監測，監測示意圖如圖3所示。

圖3 監測示意圖

根據圖3 可知，該文研究的數據監測方法通過3個傳感器對節點進行監測。遠程服務器的通信功能建立在套接字技術上，服務器中的套接字在Socket函數上與本地IP 和端口相關聯，保證IP 端口與通信端口在同頻信道上[14]。服務器上還有listen 函數，進入該函數的通信數據需要等待無人機操控端口的確認，若得到操控端口的認可，則使用accept 函數對無人機可視化數據的內容進行提取，并將提取出來的數據與標準化數據庫中的參數對比；若沒有得到操控端口的認可，則需要返回到通信通道中，在套接字ns上規劃讀/寫格式[15]。Socket函數表達式如下所示：

其中，af代表無人機可視化待監測數據的一個地址，type 代表套接口類型，protocol 代表數據套接口的通信協議。

listen 函數的表達式如下所示：

其中，sockfd 代表套接口處的未連接可視化數據，backlog 代表可視化數據的等待監測長度[16]。accept 函數表達式如下所示：

其中，socket 代表套接口在完成數據連接后的監測連接端，addr 代表可以供信道緩沖的可視化數據地址，addeten 代表addr 地址的有效長度。

最終的函數結果表現在監控客戶端中，在客戶端中以三維圖形的方式體現，增強了北斗定位系統的可視化性能，無人機的管理人員通過數據管理模塊或通信模塊可以實現對無人機可視化數據的實時監測。當無人機由于某種原因與操作終端之間失去聯系，或出現事故，無人機的操控端仍可以應用此套流程完成對無人機事故的相關數據完成監測，幫助后續的搜救任務順利完成。

4 實驗研究

為了驗證該文提出的基于北斗定位的無人機可視化監測方法的有效性，設定驗證實驗。在實驗前，建立傳輸地址，傳輸地址是數據包中的數據卸載傳輸時需要對外表現的代碼，通過無人機內部的ADDR 寄存器可以調整地址，ADDR 寄存器可以調整的地址類型如表1 所示。

表1 ADDR寄存器可以調整的地址類型

實驗參數設定如下：操作系統為Windows 10，共有60 位，內存為48 GB，處理器為i5。設定實驗環境如圖4 所示。

圖4 設定實驗環境

圖4 中，m 表示無人機空位信號，d 表示串行通信接口。根據圖4 可知，該文研究的無人機可視化監測實驗利用發送電路和接收電路實現信息的處理，內部設置了消息模塊，通過光纖以太網進行數據發送。

在小型固定翼無人機平臺上，對無人機數據進行采集設定相機的曝光時間低于1/500 s，采集的數據為2 663 幅，飛機的飛行高度為800 m，飛行區域如圖5 所示。

圖5 飛行區域示意圖

根據圖5 可知，飛行區域跨越經過一段時間。利用該文的監測方法和傳統的基于GPS 全球衛星導航系統的無人機可視化監測方法、基于北斗一代系統的無人機飛行數據監管方法進行精度對比，比較并行路段的精度和合點、分點精度。并行路段精度實驗結果如圖6 所示。

圖6 并行路段精度實驗結果

根據圖6 可知，在并行路段，無人機以曲線方式飛行，傳統的基于GPS 全球衛星導航系統的無人機可視化監測方法、基于北斗一代系統的無人機飛行數據監管方法與實際位置存在較大的偏差，該文方法與實際位置基本一致。造成這種現象的原因是該文基于新一代的北斗定位研究無人機可視化監測方法，在北斗定位系統通信技術和定位技術逐漸成熟的情況下，對無人機的飛行狀態和飛行環境等信息實時觀測，再將觀測到的數據上傳至終端，供操作人員分析使用，解決了傳統方法中的無法保障信息安全問題和監測結果不準確等問題。合點、分點精度實驗結果如圖7 所示。

根據圖7 可知，實際的無人機采用直線方式進行飛行，該文方法與實際位置相近，而傳統的基于GPS 全球衛星導航系統的無人機可視化監測方法、基于北斗一代系統的無人機飛行數據監管方法向著反方向行駛。造成這種現象的原因是該文研究的基于北斗定位的無人機可視化數據監控中心是無人機可視化數據監測流程的核心。監控中心可以通過北斗定位系統對無人機所采集和處理的所有數據進行監控管理，負責數據監控的是基于北斗定位系統的遠程服務器，負責數據管理的是基于北斗定位系統的數據庫。其中遠程服務器可以使無人機與控制終端之間建立起數據紐帶，實現兩者之間的通信，數據庫可以對無人機采集與處理的數據實現長久存留，并在大數據與云計算的基礎上建立起三維的無人機飛行歷史記錄。

數據庫除了具有提供數據儲存的功能外，還具有檢索、數據處理和保護數據的功能，為了能夠滿足無人機可視化數據監測的持續性，數據庫在數據監測的過程中不斷擴展自身的儲存空間，隨著監測時間的增長，數據庫的容量也就越大，但是數據庫的數據極限儲存量為三個月的無人機監測數據。

5 結束語

該文研究了基于北斗定位系統的無人機可視化數據監測方法，利用北斗定位系統的精準定位功能和數據采集功能，再加上無人機自身的數據通信、處理、管理和儲存功能，解決了傳統方法中的信息采集質量差、安全性不高等問題。該文研究的監測方法監測時間較長，未來需要進一步深入分析。