“北斗”卫星导航系统在低空空域监管系统中的应用

刘纪红,王倩倩,杨 丽

(东北大学信息科学与工程学院,沈阳110819)

1 引 言

21世纪以来,民航空域紧张越来越成为困扰航空发展的主要难题。低空空域(我国确定为真高1 000 m以下区域)若能开放[1],将为战略性新兴产业——通航产业带来超过万亿元的发展规模。而低空空域导航监管体制是影响低空空域开放的速度和应用效率的关键因素,所以本文利用卫星导航系统设计建立一个简单实用的低空空域监管系统。

在空域通用航空监督管理方面,美国国家级法律《联邦航空法(Federal Aviation Act)》明确规定“公民享有空域使用的自由权利和接受空域导航服务的权利”[2],其通用航空运行在导航和监视方面基本上是利用国家现有的用于公共运输航空服务的设施设备。目前,在国际民航组织推行广播式自动相关监视(ADS-B)作为低成本监视的背景下,美国和欧洲均发展了主用于通用航空监视的ADS-B系统,对应的系统美国命名为通用访问收发机(UAT),欧洲部分国家(瑞典)为甚高频数据链模式。美国已把通用航空运输作为民航新的运输发展战略,并认为是高速交通的第四次革命。国外的先进经验是,在完善的空域分类划设和管理基础上,建立综合有效的通用航空运行管理和保障服务体系,就可搭建起通用航空活动发展的良好空域环境和运行管理服务机制。

我国已于2010年颁布了《关于深化我国低空空域管理改革的意见》,加快深化低空空域管理,以促进通航产业的发展繁荣。本文主要利用GPS(Global Positioning System)和“北斗”卫星导航系统,实现低空空域监管系统的设计。设计主要包含GPS定位、“北斗”卫星通信、低空空域飞行器机载设备和地面控制中心四大模块。随着“北斗”系统组网建设的完成[3]和低空空域开放政策的完善,可建设一个完全只依靠“北斗”系统的、自主知识产权的低空空域卫星导航监管系统,打破GPS在实际应用和产业化方面的垄断,为完善低空空域监管体系以及促进国防与经济建设迈出跨越性的一步。

2 低空空域监管系统

目前,我国主要采用二次雷达(Secondary Surveillance Radar,SSR)技术实现对空域飞行器的检测,这需要在飞行设备上安装价格昂贵的应答机,不适合低成本的低空空域监管。而卫星导航定位系统是空间监管系统中很重要的基础设施,卫星导航技术是一种比较理想的导航工具。

2.1 低空空域监管系统设计

本文设计的是一个低成本、全覆盖的低空空域通用航空飞行器监管系统,主要分为GPS定位、“北斗”卫星通信、地面控制中心和低空飞行器机载设备四大模块[4]。系统具体工作过程如图1所示。定位部分采用技术相对成熟的GPS来实现;在通信方面,采用“北斗”系统独有的短报文通信功能[5],一次可传送多达120个汉字的信息,具有传递信息量小、便于存储和实时性高等优点。

系统首先由低空飞行器上的卫星接收设备接收来自GPS的定位信号,定位信息经处理后传送到机载的数据采集与输出接口板,经接口板处理后的数据经过串口通信传送给机载的“北斗”通信型用户机,用户机通过收发天线将数据以报文的形式发送给“北斗”卫星,经过“北斗”卫星转发到地面控制中心的“北斗”指挥型用户机,控制中心将接收到的信息进行处理并存储到数据库服务器,并结合地理信息系统(Geographic Information System,GIS)将低空飞行器的位置、速度等三维位置信息显示在大屏幕上,以便控制中心人员观察与监管;定位信息还可通过加密后反馈给用户,实现对低空空域飞行的导航与监测。

图1 低空空域监管系统示意图Fig.1 The low-altitude airspace supervision system

2.2 低空监管系统机载子系统设计

低空空域飞行器机载子系统组成如图2所示,主要包括GPS定位模块、数据采集与输出处理模块、“北斗”通信型用户机、机上显示设备和机载供电设备等。

图2 低空空域监管机载子系统Fig.2 Airborne subsystem of the low-altitude airspace supervision system

机载子系统各模块功能与工作过程如下,GPS接收机[6]是可以接收全球定位系统卫星信号以确定地面空间位置的仪器。GPS OEM板作为GPS接收机的核心组件,可接收来自天线单元的信号,并具有处理信号、输出观测信号和定位结果等功能。利用OEM板进行二次硬件开发可研制成满足不同应用需求的GPS接收机。GPS定位信息串行输出格式大多采用美国国家海洋电子协会制定的NMEA-0183通信标准格式。其输出数据采用的是ASCII码,内容包含纬度、经度、高度、速度、日期、时间、航向以及卫星状况等信息。机载GPS天线接收来自GPS卫星的定位信息,OEM将其进行变频、放大、滤波等一系列处理过程,从而实现对GPS卫星信号的跟踪、锁定、测量,最后产生计算位置的数据信息。根据OEM板通道数量的不同,可以跟踪的卫星数量也不一样。OEM板处理后的数据信息由RS-232标准串口输出至数据采集与输出接口板,接口板与“北斗”通信型用户机的通信严格按照“北斗”通信型用户机的通用接口协议进行。

数据采集与输出接口板是机载子系统的核心组件,主要负责对机上数据信息如定位信息、低空地标信息和机上供电设备状态等进行采集、处理、存储并通过串口发送给“北斗”通信型用户机。机上显示设备可以将这些信息直观地呈现给飞行人员,让机上人员及时了解到机上设备的相关参数,为采取对应措施提供可靠、实时参考依据。

机载供电模块是低空飞行器上的能源模块,主要为机载设备的正常运行提供必备的能源,确保持续的供电。

“北斗”通信型用户机是飞行器上实现与“北斗”卫星通信的设备。通信型用户机主要负责将机上信息如定位信息、低空观测的地标信息和机载设备状态信息等发送给“北斗”卫星,经卫星转发给地面控制中心的指挥型用户机,在地面控制中心完成信息结算与监控决策,实现低空飞行器与“北斗”卫星之间的实时通信功能。

2.3 地面监控中心子系统设计

地面控制中心组成模块如图3所示,主要包括“北斗”指挥型用户机和收发“北斗”卫星信号的卫星天线、GIS服务器、监控数据库服务器及大型显示设备等。

图3 控制中心子系统Fig.3 The control center subsystem of the low-altitude airspace supervision system

2.3.1 控制中心功能介绍

“北斗”指挥型用户机主要由卫星收发天线、主机和计算机三部分组成。指挥型用户机也可接收来自地面控制中心的命令信息,收发信息都是以“北斗”卫星独有的短信报文通信形式,具有信息量小、传输速度快和效率高等优势;卫星收发天线包括前置放大器及功率放大器等功能模块,并配备一定长度的连接电缆;主机是收发信息的通道,包括信号信息及供电等功能模块;计算机是“北斗”信息顶层处理中心,与主机以串行方式连接。配备的大型显示器连接在主机上,以提供显示服务。“北斗”指挥型用户机接收“北斗”卫星转发的来自“北斗”通信型用户机的信息,由监控软件将数据解码后存入数据库,这些数据信息主要包括两部分。一部分是GPS定位信息、低空地标观测信息和机载设备状态信息等相关数据,控制中心在处理这些数据的同时,也将飞行器的位置和状态信息等显示在大型显示屏上,便于管理人员观察信息和实施调度安排,从而更好地实现对低空飞行的监管。另一部分是指系统还包含两台服务器,一台为GIS服务器,存储低空数字地图的相关信息;另一台用来存储定位信息、地标信息和机上设备状态等的相关信息。

随着我国“北斗”卫星导航定位系统组网建设的完成,此部分的“北斗”指挥型用户机完全可以用来接收“北斗”系统的定位信息,依据“北斗”系统的定位原理,在控制中心解算出低空飞行器的三维信息,实现一个完全基于我国自主知识产权的全球卫星导航定位系统的低空空域监管系统。

2.3.2 控制中心监控软件设计

地面指挥控制中心监控软件主要工作是接收并显示来自“北斗”指挥型用户机的飞行器定位、地标、授时信息和机上设备的状态信息等,同时将这些信息存入数据库服务器中。地面指挥控制中心监控软件包含以下功能模块。控制中心的监控软件设计严格遵循面向对象的程序设计方法,主要采用Visual Basic[7]与SQLServer2000[8]来实现,将整个软件系统分为3个层次,如图4所示。

图4 控制中心监控软件设计Fig.4 Control center monitoring software design

(1)用户界面层

这是与用户关系最密切的也是最直观的一层,本层由应用程序主框架、用户登录界面、注册修改用户信息界面、飞行器位置监控界面、飞行器电源供电状态监控界面和信息查询界面等。主要完成根据用户名、密码和用户权限进行限制登陆并对不符合要求的用户拒绝登陆请求、信息显示和数据存储功能。

(2)通信服务层

是信息处理的核心环节,本层中应该实现计算机和“北斗”指挥型用户机的串口通信,即从串口中以定时或时间驱动的方式读取发送来的数据,解析该数据包,组织成用户界面层所需要的数据包格式,将有效数据提取出来在相应的用户界面层显示,例如经纬度、时间、日期、速度和航向等信息,实现对飞行器位置和飞行器设备工作状态的远程监控功能。

(3)数据服务层

本层主要完成飞行器相关信息的存储,为导航的后处理提供数据支持,例如完成数据库的创建、数据表的设计。利用类模块中函数完成数据库有关的操作,数据库选用SQLServer2000,利用ADO数据库访问技术对数据库进行访问。

3 低空空域监管系统应用实例

本文设计的基于GPS与“北斗”卫星系统的低空空域监管系统拥有广泛的应用领域和实际的应用价值[9]。现就低空监管系统在具体几个行业中的应用做一些介绍。图5为低空空域飞行监管系统在农林作业、旅游、渔业等方面的具体应用示意图。

图6 低空空域监管系统应用示例Fig.6 Application examples of the supervision system

在农林作业中,可以利用低空飞行器进行播种、施肥、浇水等操作,由于处于空中,视野开阔,更便于观察和作业,不仅大大节省了人力物力,更能加快生产进程,提高经济效益;对重点保护的大型森林防火灾检测也是低空飞行的一个重要应用,利用低空检测距离近、成本低等优点对森林进行实时防护,为环保作出贡献。

在旅游业中,低空飞行本身就可以开创一项旅游项目,例如热气球等低空飞行设备,可以在距地面近、速度缓慢的低空自由翱翔,带来美妙的视觉之旅的同时也创造出新的经济效益。此外,低空监控可以方便监管地形复杂的旅游区,例如九寨沟、石林等这样的山区旅游基地,无论是在方位导航,还是在安全监控和紧急求助等方面都可以发挥巨大的作用。

在渔业方面,由于海上作业风险性大、天气不稳定等因素的影响,使得利用“北斗”卫星对海上作业的船只进行导航与监管显得更加重要。低空空域的飞行监管系统可以提供方便通信系统,为船只提供位置、天气等实用信息,可有效避免偏离航向、遗失船只和不能及时得到救助等紧急情况;尤其在大型的停泊港口,不管是对大量船只的灵活调度还是协助所有船只顺利通行,都能为海上经济和保护生命财产安全等方面作出巨大的贡献。

4 总 结

本文结合低空空域监管系统的设计,对GPS和“北斗”卫星导航系统在低空空域飞行监管系统中的应用进行了分析。在我国低空空域开放政策的逐步实施以后,将在低空空域的主要产业——通航产业发挥巨大的经济和社会效益。本设计采用GPS精准定位,并采用了“北斗”系统独有的短信报文通信功能,使得整个监管系统在通信部分具有信息量小、传输速率快、性能稳定等优势。就目前来看,加快“北斗”系统的组网建设,可以在本系统中采用“北斗”无源定位代替GPS定位,不仅可以打破在卫星导航定位方面对美国GPS的依赖,更能快速解决我国的高空交通拥堵、飞行监管流程不健全等难题,从而树立我国在低空领域开放程度高、监管体制健全的强国形象。

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