某型无人机北斗短报文工作异常情况分析

吉彩妮，郭忠诚，孙辉，宁娟，张经纬

中航贵州飞机有限责任公司

本文对以北斗短报文通信模式无法完成某型无人机的监控进行分析，找出导致异常情况的可能原因，并提出解决方案。

北斗导航卫星系统是我国自行研制的全球卫星导航系统，不仅能提供高精度位置信息，还具备短报文双向通信能力，可在全球范围内全天候，全天时为各类用户提供高精度、高可靠性定位、导航、短报文通信服务。

利用北斗短报文双向通信功能，某型无人机装配机载北斗终端设备及地面控制站配备地面北斗终端设备，在紧急情况下可完成对无人机的监控。在地面检查该型无人机时，使用北斗短报文模式监控无人机，却出现无人机不响应控制指令，信息也不能回传的现象，通过分析这种异常现象及引起的原因，提出排除方案，最终解决了问题。

排查与定位

现象分析

使用北斗短报文通信模式是某型无人机主、备控制链路均失效时的一种控制措施，只适用于发送无人机的紧急指令。无人机控制指令通过地面北斗终端设备发送给北斗导航卫星，经卫星转发后由无人机机载北斗终端设备接收并发送给飞控计算机，飞控计算机再转发给无人机各执行机构，完成指令响应。同时，机载北斗终端设备接收飞控计算机发送的无人机状态信息，经北斗导航卫星转发后，地面北斗终端设备接收并发送给地面控制站进行处理分析，系统流程如图1所示。

图1 北斗短报文通信模式流程图。

由于机载北斗终端设备与飞控计算机通过异步RS422串口进行通信，通过分析北斗短报文通信信息流程和该异常情况表现出的现象，总结出导致无人机控制指令无响应且无信息回传的几方面原因见图2。

图2 北斗短报文通信异常故障树。

排除过程及定位

由于使用北斗短报文通信模式监控无人机涉及到空、天、地链路，无论哪个环节出现问题，表现出的现象基本都是通信异常。因此，必须对图2故障树所涉及的各部件进行逐一排查，具体内容和结果如下。

（1）操作排查

使用北斗短报文通信模式，均需对地面控制站、无人机进行机载北斗卡号、地面北斗卡号以及北斗卡频次等参数进行正确配置。

只有地面控制站、无人机正确配置北斗卡信息，且无人机主、备链路均处于失效模式下，以北斗短报文通信模式发送控制指令，飞控计算机收到指令后才能正常执行并回传状态信息。

根据上述约束条件进行检查，地面控制站和无人机北斗卡信息正确配置且主、备链路均处于失效模式，可以排除操作有误。

（2）机载电缆故障排查

由于机载北斗终端设备与飞控计算机通过异步RS422串口进行数据交互，根据异步RS422串口接线定义，使用万用表检查机载电缆连接的正确性，重点确认各设备接收端、发送端的定义，接线定义如图3所示。

图3 机载电缆接线定义图。

根据各设备接线针脚定义，使用万用表测量两设备间机载电缆连接和其他异常情况。经检查，机载电缆针脚定义连接正常，且无短路、断裂、破损等情况，可以排除机载电缆故障。

（3）地面北斗终端设备、机载北斗终端设备故障排查

根据北斗短报文通信模式流程图，对地面北斗终端设备和机载北斗终端设备进行闭环检查，即断开机载北斗终端设备与飞控计算机的连接，从机载北斗终端发给飞控计算机的数据口，接上串口调试工具，如图4所示，检查控制数据有无和数据的正确性，如有数据且数据格式正确，说明地面北斗终端设备和机载北斗终端设备工作正常，如无数据可采取分步更换机载北斗终端设备和地面北斗终端设备的方法，确定故障设备。

图4 串口调试接线示意图。

设置串口调试助手的串口协议与该异步RS422串口协议保持一致，通过地面北斗终端设备发送控制指令，使用串口调试助手直接从机载北斗终端设备源头检查控制数据有无及数据的正确性。根据串口调试助手接收数据情况分析，有控制数据且数据格式符合双方约定的通信协议要求，此时可排除地面北斗终端设备故障和机载北斗终端设备故障。

（4）通信协议不一致排查

根据异步RS422串口通信协议要求，控制数据和信息回传均通过两个固定数据包进行数据交互，机载北斗终端设备以及飞控计算机必须遵循双方约定的通信协议格式，比如数据包帧头、长度、数据内容、数据包校验等，如果两设备间通信协议出现不一致等问题，北斗短报文通信模式也无法完成对无人机的监控。

综合考虑上述异常情况排除，控制数据经机载电缆传输至飞控计算机输入端，将串口调试工具接至飞控计算机输入端，如图5所示，检查该数据包格式。

图5 接线示意图。

根据通信协议的规定，查看机载北斗终端设备经机载电缆，发送给飞控计算机的控制数据包格式，从串口调试工具接收的数据包，包含帧头、长度、数据内容、数据包校验等，均与通信协议规定一致，并将该串口调试工具接收的控制数据发送给飞控计算机进行仿真试验，飞控计算机均能正常响应，此时可以排除通信协议不一致问题。

（5）串口通信格式不一致

机载北斗终端设备与飞控计算机之间通过异步RS422串口进行通信，串口通信一般格式为：起始位+数据位+校验位+停止位，该串口定义为：起始位1位，数据位8位，偶校验1位，停止位1位。使用示波器检查机载北斗终端设备串口通信格式是不是与规定的一致，检查示意图见6。

图6 示波器检查示意图。

通过地面控制站发送北斗控制指令，在机载北斗终端设备数据口，接上示波器查看串口通信格式是否与规定的一致。

由示波器显示的数据分析可知，机载北斗终端设备串口格式为奇校验，与串口通信格式规定校验位格式不一致。根据串口数据通信格式要求，如果校验位不一致，设备间不能建立通信，即控制数据和信息回传都不能正常传输。

根据第（5）步检查结果，更改机载北斗终端设备串口数据通信格式，将串口校验位由奇校验更改为偶校验，按照图1所示流程，发送北斗短报文控制指令，飞控计算机正常响应控制指令，同时信息回传正常。

因此，本次异常情况可定位为，由于机载北斗终端设备串口通信格式与飞控计算机串口通信格式不一致，导致两设备间不能正常通信。

机理分析

串口格式奇偶校验位是一种校验数据位传输正确性的方法。在被传输的二进制数据中，根据数位“1”的个数，是奇数还是偶数来进行校验，采用奇数数位为奇校验，采用偶数数位为偶校验。串口传输的一般格式如图7所示。

图7 串口传输格式示意图。

例如，串口传输十六进制数据“55H”时，转换为二进制为“01010101”，若选择奇校验时，因数据位中有4个1，为使整个1的个数为奇数，所以校验位需要补1；若选择偶校验时，因数据位中有4个1，本为偶数，所以校验位需要补0，奇校验如图8所示，偶校验如图9所示。

图8 奇校验传输格式示意图。

图9 偶校验传输格式示意图。

根据串口数据传输格式要求，本次异常情况发生的机理是，机载北斗终端设备按照奇校验方式发送控制数据，飞控计算机按照偶校验方式进行接收和判决，所以飞控计算机接收控制数据后，均判定为无效数据，所有控制指令均不执行，也就是无信息回传。

采取措施和验证

按照双方约定的串口通信格式要求，将机载北斗终端设备串口传输的奇偶校验位由奇校验更改为偶校验，并在无人机进行试验验证，北斗控制指令响应正常，信息回传正常，异常情况排除。■