劉紀(jì)紅,王倩倩,楊 麗

(東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,沈陽(yáng)110819)

1 引 言

21世紀(jì)以來(lái),民航空域緊張?jiān)絹?lái)越成為困擾航空發(fā)展的主要難題。低空空域(我國(guó)確定為真高1 000 m以下區(qū)域)若能開(kāi)放[1],將為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)——通航產(chǎn)業(yè)帶來(lái)超過(guò)萬(wàn)億元的發(fā)展規(guī)模。而低空空域?qū)Ш奖O(jiān)管體制是影響低空空域開(kāi)放的速度和應(yīng)用效率的關(guān)鍵因素,所以本文利用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)建立一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用的低空空域監(jiān)管系統(tǒng)。

在空域通用航空監(jiān)督管理方面,美國(guó)國(guó)家級(jí)法律《聯(lián)邦航空法(Federal Aviation Act)》明確規(guī)定“公民享有空域使用的自由權(quán)利和接受空域?qū)Ш椒?wù)的權(quán)利”[2],其通用航空運(yùn)行在導(dǎo)航和監(jiān)視方面基本上是利用國(guó)家現(xiàn)有的用于公共運(yùn)輸航空服務(wù)的設(shè)施設(shè)備。目前,在國(guó)際民航組織推行廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視(ADS-B)作為低成本監(jiān)視的背景下,美國(guó)和歐洲均發(fā)展了主用于通用航空監(jiān)視的ADS-B系統(tǒng),對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)美國(guó)命名為通用訪問(wèn)收發(fā)機(jī)(UAT),歐洲部分國(guó)家(瑞典)為甚高頻數(shù)據(jù)鏈模式。美國(guó)已把通用航空運(yùn)輸作為民航新的運(yùn)輸發(fā)展戰(zhàn)略,并認(rèn)為是高速交通的第四次革命。國(guó)外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)是,在完善的空域分類劃設(shè)和管理基礎(chǔ)上,建立綜合有效的通用航空運(yùn)行管理和保障服務(wù)體系,就可搭建起通用航空活動(dòng)發(fā)展的良好空域環(huán)境和運(yùn)行管理服務(wù)機(jī)制。

我國(guó)已于2010年頒布了《關(guān)于深化我國(guó)低空空域管理改革的意見(jiàn)》,加快深化低空空域管理,以促進(jìn)通航產(chǎn)業(yè)的發(fā)展繁榮。本文主要利用GPS(Global Positioning System)和“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)低空空域監(jiān)管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)主要包含GPS定位、“北斗”衛(wèi)星通信、低空空域飛行器機(jī)載設(shè)備和地面控制中心四大模塊。隨著“北斗”系統(tǒng)組網(wǎng)建設(shè)的完成[3]和低空空域開(kāi)放政策的完善,可建設(shè)一個(gè)完全只依靠“北斗”系統(tǒng)的、自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的低空空域衛(wèi)星導(dǎo)航監(jiān)管系統(tǒng),打破GPS在實(shí)際應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化方面的壟斷,為完善低空空域監(jiān)管體系以及促進(jìn)國(guó)防與經(jīng)濟(jì)建設(shè)邁出跨越性的一步。

2 低空空域監(jiān)管系統(tǒng)

目前,我國(guó)主要采用二次雷達(dá)(Secondary Surveillance Radar,SSR)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)空域飛行器的檢測(cè),這需要在飛行設(shè)備上安裝價(jià)格昂貴的應(yīng)答機(jī),不適合低成本的低空空域監(jiān)管。而衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)是空間監(jiān)管系統(tǒng)中很重要的基礎(chǔ)設(shè)施,衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)是一種比較理想的導(dǎo)航工具。

2.1 低空空域監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的是一個(gè)低成本、全覆蓋的低空空域通用航空飛行器監(jiān)管系統(tǒng),主要分為GPS定位、“北斗”衛(wèi)星通信、地面控制中心和低空飛行器機(jī)載設(shè)備四大模塊[4]。系統(tǒng)具體工作過(guò)程如圖1所示。定位部分采用技術(shù)相對(duì)成熟的GPS來(lái)實(shí)現(xiàn);在通信方面,采用“北斗”系統(tǒng)獨(dú)有的短報(bào)文通信功能[5],一次可傳送多達(dá)120個(gè)漢字的信息,具有傳遞信息量小、便于存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)性高等優(yōu)點(diǎn)。

系統(tǒng)首先由低空飛行器上的衛(wèi)星接收設(shè)備接收來(lái)自GPS的定位信號(hào),定位信息經(jīng)處理后傳送到機(jī)載的數(shù)據(jù)采集與輸出接口板,經(jīng)接口板處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)串口通信傳送給機(jī)載的“北斗”通信型用戶機(jī),用戶機(jī)通過(guò)收發(fā)天線將數(shù)據(jù)以報(bào)文的形式發(fā)送給“北斗”衛(wèi)星,經(jīng)過(guò)“北斗”衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)到地面控制中心的“北斗”指揮型用戶機(jī),控制中心將接收到的信息進(jìn)行處理并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器,并結(jié)合地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System,GIS)將低空飛行器的位置、速度等三維位置信息顯示在大屏幕上,以便控制中心人員觀察與監(jiān)管;定位信息還可通過(guò)加密后反饋給用戶,實(shí)現(xiàn)對(duì)低空空域飛行的導(dǎo)航與監(jiān)測(cè)。

圖1 低空空域監(jiān)管系統(tǒng)示意圖Fig.1 The low-altitude airspace supervision system

2.2 低空監(jiān)管系統(tǒng)機(jī)載子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

低空空域飛行器機(jī)載子系統(tǒng)組成如圖2所示,主要包括GPS定位模塊、數(shù)據(jù)采集與輸出處理模塊、“北斗”通信型用戶機(jī)、機(jī)上顯示設(shè)備和機(jī)載供電設(shè)備等。

圖2 低空空域監(jiān)管機(jī)載子系統(tǒng)Fig.2 Airborne subsystem of the low-altitude airspace supervision system

機(jī)載子系統(tǒng)各模塊功能與工作過(guò)程如下,GPS接收機(jī)[6]是可以接收全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星信號(hào)以確定地面空間位置的儀器。GPS OEM板作為GPS接收機(jī)的核心組件,可接收來(lái)自天線單元的信號(hào),并具有處理信號(hào)、輸出觀測(cè)信號(hào)和定位結(jié)果等功能。利用OEM板進(jìn)行二次硬件開(kāi)發(fā)可研制成滿足不同應(yīng)用需求的GPS接收機(jī)。GPS定位信息串行輸出格式大多采用美國(guó)國(guó)家海洋電子協(xié)會(huì)制定的NMEA-0183通信標(biāo)準(zhǔn)格式。其輸出數(shù)據(jù)采用的是ASCII碼,內(nèi)容包含緯度、經(jīng)度、高度、速度、日期、時(shí)間、航向以及衛(wèi)星狀況等信息。機(jī)載GPS天線接收來(lái)自GPS衛(wèi)星的定位信息,OEM將其進(jìn)行變頻、放大、濾波等一系列處理過(guò)程,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)GPS衛(wèi)星信號(hào)的跟蹤、鎖定、測(cè)量,最后產(chǎn)生計(jì)算位置的數(shù)據(jù)信息。根據(jù)OEM板通道數(shù)量的不同,可以跟蹤的衛(wèi)星數(shù)量也不一樣。OEM板處理后的數(shù)據(jù)信息由RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口輸出至數(shù)據(jù)采集與輸出接口板,接口板與“北斗”通信型用戶機(jī)的通信嚴(yán)格按照“北斗”通信型用戶機(jī)的通用接口協(xié)議進(jìn)行。

數(shù)據(jù)采集與輸出接口板是機(jī)載子系統(tǒng)的核心組件,主要負(fù)責(zé)對(duì)機(jī)上數(shù)據(jù)信息如定位信息、低空地標(biāo)信息和機(jī)上供電設(shè)備狀態(tài)等進(jìn)行采集、處理、存儲(chǔ)并通過(guò)串口發(fā)送給“北斗”通信型用戶機(jī)。機(jī)上顯示設(shè)備可以將這些信息直觀地呈現(xiàn)給飛行人員,讓機(jī)上人員及時(shí)了解到機(jī)上設(shè)備的相關(guān)參數(shù),為采取對(duì)應(yīng)措施提供可靠、實(shí)時(shí)參考依據(jù)。

機(jī)載供電模塊是低空飛行器上的能源模塊,主要為機(jī)載設(shè)備的正常運(yùn)行提供必備的能源,確保持續(xù)的供電。

“北斗”通信型用戶機(jī)是飛行器上實(shí)現(xiàn)與“北斗”衛(wèi)星通信的設(shè)備。通信型用戶機(jī)主要負(fù)責(zé)將機(jī)上信息如定位信息、低空觀測(cè)的地標(biāo)信息和機(jī)載設(shè)備狀態(tài)信息等發(fā)送給“北斗”衛(wèi)星,經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)給地面控制中心的指揮型用戶機(jī),在地面控制中心完成信息結(jié)算與監(jiān)控決策,實(shí)現(xiàn)低空飛行器與“北斗”衛(wèi)星之間的實(shí)時(shí)通信功能。

2.3 地面監(jiān)控中心子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

地面控制中心組成模塊如圖3所示,主要包括“北斗”指揮型用戶機(jī)和收發(fā)“北斗”衛(wèi)星信號(hào)的衛(wèi)星天線、GIS服務(wù)器、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器及大型顯示設(shè)備等。

圖3 控制中心子系統(tǒng)Fig.3 The control center subsystem of the low-altitude airspace supervision system

2.3.1 控制中心功能介紹

“北斗”指揮型用戶機(jī)主要由衛(wèi)星收發(fā)天線、主機(jī)和計(jì)算機(jī)三部分組成。指揮型用戶機(jī)也可接收來(lái)自地面控制中心的命令信息,收發(fā)信息都是以“北斗”衛(wèi)星獨(dú)有的短信報(bào)文通信形式,具有信息量小、傳輸速度快和效率高等優(yōu)勢(shì);衛(wèi)星收發(fā)天線包括前置放大器及功率放大器等功能模塊,并配備一定長(zhǎng)度的連接電纜;主機(jī)是收發(fā)信息的通道,包括信號(hào)信息及供電等功能模塊;計(jì)算機(jī)是“北斗”信息頂層處理中心,與主機(jī)以串行方式連接。配備的大型顯示器連接在主機(jī)上,以提供顯示服務(wù)。“北斗”指揮型用戶機(jī)接收“北斗”衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的來(lái)自“北斗”通信型用戶機(jī)的信息,由監(jiān)控軟件將數(shù)據(jù)解碼后存入數(shù)據(jù)庫(kù),這些數(shù)據(jù)信息主要包括兩部分。一部分是GPS定位信息、低空地標(biāo)觀測(cè)信息和機(jī)載設(shè)備狀態(tài)信息等相關(guān)數(shù)據(jù),控制中心在處理這些數(shù)據(jù)的同時(shí),也將飛行器的位置和狀態(tài)信息等顯示在大型顯示屏上,便于管理人員觀察信息和實(shí)施調(diào)度安排,從而更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)低空飛行的監(jiān)管。另一部分是指系統(tǒng)還包含兩臺(tái)服務(wù)器,一臺(tái)為GIS服務(wù)器,存儲(chǔ)低空數(shù)字地圖的相關(guān)信息;另一臺(tái)用來(lái)存儲(chǔ)定位信息、地標(biāo)信息和機(jī)上設(shè)備狀態(tài)等的相關(guān)信息。

隨著我國(guó)“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)組網(wǎng)建設(shè)的完成,此部分的“北斗”指揮型用戶機(jī)完全可以用來(lái)接收“北斗”系統(tǒng)的定位信息,依據(jù)“北斗”系統(tǒng)的定位原理,在控制中心解算出低空飛行器的三維信息,實(shí)現(xiàn)一個(gè)完全基于我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的低空空域監(jiān)管系統(tǒng)。

2.3.2 控制中心監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

地面指揮控制中心監(jiān)控軟件主要工作是接收并顯示來(lái)自“北斗”指揮型用戶機(jī)的飛行器定位、地標(biāo)、授時(shí)信息和機(jī)上設(shè)備的狀態(tài)信息等,同時(shí)將這些信息存入數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中。地面指揮控制中心監(jiān)控軟件包含以下功能模塊。控制中心的監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)嚴(yán)格遵循面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法,主要采用Visual Basic[7]與SQLServer2000[8]來(lái)實(shí)現(xiàn),將整個(gè)軟件系統(tǒng)分為3個(gè)層次,如圖4所示。

圖4 控制中心監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)Fig.4 Control center monitoring software design

(1)用戶界面層

這是與用戶關(guān)系最密切的也是最直觀的一層,本層由應(yīng)用程序主框架、用戶登錄界面、注冊(cè)修改用戶信息界面、飛行器位置監(jiān)控界面、飛行器電源供電狀態(tài)監(jiān)控界面和信息查詢界面等。主要完成根據(jù)用戶名、密碼和用戶權(quán)限進(jìn)行限制登陸并對(duì)不符合要求的用戶拒絕登陸請(qǐng)求、信息顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。

(2)通信服務(wù)層

是信息處理的核心環(huán)節(jié),本層中應(yīng)該實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)和“北斗”指揮型用戶機(jī)的串口通信,即從串口中以定時(shí)或時(shí)間驅(qū)動(dòng)的方式讀取發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù),解析該數(shù)據(jù)包,組織成用戶界面層所需要的數(shù)據(jù)包格式,將有效數(shù)據(jù)提取出來(lái)在相應(yīng)的用戶界面層顯示,例如經(jīng)緯度、時(shí)間、日期、速度和航向等信息,實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器位置和飛行器設(shè)備工作狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

(3)數(shù)據(jù)服務(wù)層

本層主要完成飛行器相關(guān)信息的存儲(chǔ),為導(dǎo)航的后處理提供數(shù)據(jù)支持,例如完成數(shù)據(jù)庫(kù)的創(chuàng)建、數(shù)據(jù)表的設(shè)計(jì)。利用類模塊中函數(shù)完成數(shù)據(jù)庫(kù)有關(guān)的操作,數(shù)據(jù)庫(kù)選用SQLServer2000,利用ADO數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行訪問(wèn)。

3 低空空域監(jiān)管系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

本文設(shè)計(jì)的基于GPS與“北斗”衛(wèi)星系統(tǒng)的低空空域監(jiān)管系統(tǒng)擁有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值[9]。現(xiàn)就低空監(jiān)管系統(tǒng)在具體幾個(gè)行業(yè)中的應(yīng)用做一些介紹。圖5為低空空域飛行監(jiān)管系統(tǒng)在農(nóng)林作業(yè)、旅游、漁業(yè)等方面的具體應(yīng)用示意圖。

圖6 低空空域監(jiān)管系統(tǒng)應(yīng)用示例Fig.6 Application examples of the supervision system

在農(nóng)林作業(yè)中,可以利用低空飛行器進(jìn)行播種、施肥、澆水等操作,由于處于空中,視野開(kāi)闊,更便于觀察和作業(yè),不僅大大節(jié)省了人力物力,更能加快生產(chǎn)進(jìn)程,提高經(jīng)濟(jì)效益;對(duì)重點(diǎn)保護(hù)的大型森林防火災(zāi)檢測(cè)也是低空飛行的一個(gè)重要應(yīng)用,利用低空檢測(cè)距離近、成本低等優(yōu)點(diǎn)對(duì)森林進(jìn)行實(shí)時(shí)防護(hù),為環(huán)保作出貢獻(xiàn)。

在旅游業(yè)中,低空飛行本身就可以開(kāi)創(chuàng)一項(xiàng)旅游項(xiàng)目,例如熱氣球等低空飛行設(shè)備,可以在距地面近、速度緩慢的低空自由翱翔,帶來(lái)美妙的視覺(jué)之旅的同時(shí)也創(chuàng)造出新的經(jīng)濟(jì)效益。此外,低空監(jiān)控可以方便監(jiān)管地形復(fù)雜的旅游區(qū),例如九寨溝、石林等這樣的山區(qū)旅游基地,無(wú)論是在方位導(dǎo)航,還是在安全監(jiān)控和緊急求助等方面都可以發(fā)揮巨大的作用。

在漁業(yè)方面,由于海上作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)性大、天氣不穩(wěn)定等因素的影響,使得利用“北斗”衛(wèi)星對(duì)海上作業(yè)的船只進(jìn)行導(dǎo)航與監(jiān)管顯得更加重要。低空空域的飛行監(jiān)管系統(tǒng)可以提供方便通信系統(tǒng),為船只提供位置、天氣等實(shí)用信息,可有效避免偏離航向、遺失船只和不能及時(shí)得到救助等緊急情況;尤其在大型的停泊港口,不管是對(duì)大量船只的靈活調(diào)度還是協(xié)助所有船只順利通行,都能為海上經(jīng)濟(jì)和保護(hù)生命財(cái)產(chǎn)安全等方面作出巨大的貢獻(xiàn)。

4 總 結(jié)

本文結(jié)合低空空域監(jiān)管系統(tǒng)的設(shè)計(jì),對(duì)GPS和“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在低空空域飛行監(jiān)管系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了分析。在我國(guó)低空空域開(kāi)放政策的逐步實(shí)施以后,將在低空空域的主要產(chǎn)業(yè)——通航產(chǎn)業(yè)發(fā)揮巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。本設(shè)計(jì)采用GPS精準(zhǔn)定位,并采用了“北斗”系統(tǒng)獨(dú)有的短信報(bào)文通信功能,使得整個(gè)監(jiān)管系統(tǒng)在通信部分具有信息量小、傳輸速率快、性能穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)。就目前來(lái)看,加快“北斗”系統(tǒng)的組網(wǎng)建設(shè),可以在本系統(tǒng)中采用“北斗”無(wú)源定位代替GPS定位,不僅可以打破在衛(wèi)星導(dǎo)航定位方面對(duì)美國(guó)GPS的依賴,更能快速解決我國(guó)的高空交通擁堵、飛行監(jiān)管流程不健全等難題,從而樹(shù)立我國(guó)在低空領(lǐng)域開(kāi)放程度高、監(jiān)管體制健全的強(qiáng)國(guó)形象。

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