一种无人机应用的北斗应急测控系统

文/付海军 扈平 王晔

近年，无人机进入了高速发展时期，各种型号和规格的无人机进入市场。在无人机各分系统中，非常关键的一个就是测控系统。测控系统的性能，往往决定了无人机的测控能力。

无人机测控系统，是无人机系统的重要组成部分，用于实现对无人机的遥控、遥测、跟踪定位和信息传输，主要包括数据链和地面控制站，其中数据链系统包含测量设备、信息传输设备、数据中继等设备。根据测控链路的作战距离，可以分为视距和超视距。视距测控链为地面测控站与无人机在视距范围内进行遥控遥测，超视距测控链大都为地面测控站通过卫星或者无人机中继与无人机进行遥控遥测。随着无人机作战半径的不断扩大，卫星测控链路成了一种测控系统的必备。

北斗卫星导航系统，是我国自主建设、独立运行的卫星导航系统，可以为用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务，具有实时导航、快速定位、精确授时、位置报告和短报文通信服务五大功能。北斗卫星导航系统的实时导航业务可以满足无人机的精确定位需求，短报文通信业务可以满足无人机的遥控遥测需求，于是就形成了本文的一种应用于无人机的北斗测控系统。

北斗卫星导航测控系统，具有超视距作战能力，同时支持一站多机服务能力，符合无人机测控技术的发展趋势，具有广阔的市场应用前景。

1 系统组成

图1：北斗应急测控系统构成图

北斗应急测控系统，与常规的测控系统的一样，由机载终端和地面控制站构成，地面控制站由北斗地面终端和测控软件构成。机载终端安装于无人机上，通过数据总线（异步串行总线、CAN总线等）与机上飞控计算机连接。地面控制站，安装于指挥控制方舱或指挥所内，通过地面网络与指挥平台进行连接。控制软件安装于指挥平台计算机上，作为北斗应急测控系统的指挥控制中心。北斗应急测控系统的构成图1所示。

图2：北斗机载终端组成框图

图3：北斗地面终端组成框图

北斗机载终端，具有北斗定位和北斗短报文通信能力，由北斗天线、滤波器和北斗机载主机构成。北斗天线在接收北斗RDSS S频点和RNSS 卫星信号的同时可以发射RDSS L频点的入站信号。滤波器，为RDSS L频段的带通滤波器，具有很强的带外抑制能力，抑制RDSS入站信号的带外辐射。北斗机载主机，为北斗机载终端的核心处理单元，接收北斗天线的卫星信号，进行放大、下变频、捕获、跟踪、解调解析、PVT解算、数据处理以及业务处理等，同时可以对将要发射的信息进行编码、调制、上变频、功率放大后通过北斗天线发射出去。北斗机载主机通过机上数据总线与飞控计算机通信。

北斗机载终端的内部功能模块组成框图如图2所示。

地面控制站的核心是北斗地面终端。北斗地面终端，既可以进行RNSS定位，与北斗机载终端进行点对点通信，又可以兼收北斗机载终端接收到的消息，由北斗地面天线和北斗地面主机构成。北斗地面天线，由天线阵子、低噪放、功率放大器、滤波器和电源控制组成，主要完成以下任务：接收并放大北斗RNSS信号和RDSS S频点信号后传送给北斗地面主机，接收北斗地面主机发射的RDSS L频点调制信号，进行功率放大后通过天线发射出去。北斗地面主机由射频模块、信号处理模块、数据处理模块、电源模块、滤波器组以及接口模块等组成。北斗地面终端的组成框图如图3所示。

地面控制站的人机交互是通过北斗测控软件实现的。北斗测控软件是北斗应急测控系统的人机交互枢纽，也是北斗测控系统与其他系统进行数据交互的枢纽。该软件主要由显控界面和后台数据库构成，显示北斗机载终端工作状态、北斗地面终端的工作状态、遥测数据、遥控指令等信息，同时将这些数据分类存储于数据库中。

2 工作流程

为满足无人机测控需求，北斗应急测控系统有两种工作模式：待机和工作。

北斗应急测控系统在待机时，整个系统进行如下工作：北斗机载终端只接收北斗卫星信号，不发送遥测数据，同时将当前的工作状态和位置信息按照一定频度上报给飞控计算机，通过其他测控链路传回给地面控制站；北斗地面终端只接收北斗卫星信号，不进行遥控指令发送，将工作状态发送给北斗测控软件；北斗测控软件接收并显示北斗机载终端和地面终端的工作状态。

图4：北斗机载终端实物图

北斗应急测控系统在工作时，整个系统进行如下工作：北斗机载终端按照一定频度将获得的遥测数据、机载终端的工作状态以及位置信息通过北斗短报文发送给北斗地面终端，同时将接收到的遥控指令发送给飞控计算机；北斗地面终端将从北斗测控软件获得的遥控指令通过北斗链路发送到北斗机载终端，同时接收北斗机载终端发送的遥测数据、机载终端的工作状态和位置信息，将这些数据以及地面终端的工作状态发送给北斗测控软件；北斗测控软件显示接收到的遥测数据、机载终端工作状态、地面终端工作状态以及接收到的遥控指令。

北斗应急测控系统的状态转换遵循以下模式：北斗应急测控系统默认处于待机状态，当无人机飞行超出视距或者视距链路无法测控时，由飞控计算机或地面控制站控制北斗测控系统进入工作状态。当北斗应急测控系统进行入工作状态后，无人机可根据北斗机载终端的定位结果进行自主导航，也可通过北斗链路接受地面控制站控制，从而实现无人机安全返航和降落。

3 试验情况

表1：北斗应急测控系统试验数据

图5：北斗地面终端实物图

图6：北斗测控软件主界面

由于测控系统的特殊性，通用的北斗用户终端不能满足遥控指挥和控制的使用需求，同时不满足机载环境的使用需求，需要进行针对性的设计。

北斗机载终端，核心处理单元采用FPGA（Intel公 司 的Cyclone5系 列芯 片5CEFA9F23）+DSP（TI公 司 的TMS320C6748）的硬件架构，在北斗RDSS业务中融合测控技术，既具备北斗RDSS终端业务能力，又具备测控系统机载终端测控能力；在电源方面，采用适应无人机机载环境的电源模块；在电磁兼容性方面，对电源和数据接口进行EMC滤波；在系统互干扰方面，通过滤波器严格抑制RDSS入站信号的带外功率，确保RDSS入站信号不影响GPS和其他导航系统；在重量方面，严格控制各组成部分的重量，在器件选型和结构设计中，优先选择质量轻的方案。北斗机载终端实物如图4所示。

北斗地面终端，核心处理单元采用FPGA（Intel公司的Cyclone3系列芯片3C120F484）+DSP（TI公司的TMS320C6713）的硬件架构，在北斗RDSS指挥机业务基础上融合测控技术，既具备北斗RDSS指挥机业务能力，又具备地面控制站测控能力；在供电方面，直接采用交流220V；在结构上，采用标准1U机箱结构形式；在数据接口方面，地面终端设有网口，与北斗测控软件采用网络通信。北斗地面终端实物如图5所示。

北斗测控软件，采用软件界面+数据库的设计理念，将北斗测控软件接收到的遥控遥测数据分别存储，并对数据加注时间信息，作为遥控遥测档案。北斗测控软件主界面如图6所示。

2018年8 月-9月，北斗应急测控系统，作为某型无人机的备用测控链路，随系统进行了联调联试和试飞试验，并在试飞过程中考核了北斗测控系统的数据丢失率和数据准确率以及机载终端的定位精度等性能指标。试验评估方法如下：

（1）通过视距链路将北斗机载终端收到的遥控指令回传与地面控制站进行对比，评估遥控指令丢失率和准确率；

（2）通过视距链路将北斗机载终端回传的遥测数据传给地面控制站，与北斗地面终端收到的遥测数据进行丢失率和准确率对比评估；

（3）通过视距链路将北斗机载终端的定位结果和机上组合导航系统的定位结果回传给地面控制站，进行定位精度对比评估。

北斗应急测控系统随着无人机进行了试飞试验，试验数据如表1所示。

通过以上试验数据可以看出，北斗应急测控系统可以作为备用链路应用于无人机测控系统。

4 总结

北斗应急测控系统，具有测控距离长优点，既可以满足超视距测控需求，又可以在突发事件发生时使用，作为视距测控链路的有力补充。通过实际试飞试验，北斗应急测控系统可以满足无人机应急测控使用需求。

如果通过技术手段可以解决北斗测控系统的通信频度和数据长度受限的问题，北斗应急测控系统将会是无人机测控链路重要组成部分。北斗通信频度和数据长度受限将是北斗测控系统下一步需要突破的技术难题。