CN102608636A - 一种用于飞行数据记录仪的步进式询问－应答定位系统 - Google Patents

Abstract

一种用于飞行数据记录仪的步进式询问—应答定位系统。包括FDR机载北斗定位装置和地面移动搜寻定位装置；前者安装在飞行数据记录器的内部；后者安装在用于搜救的移动地面站内部。由于本发明提供的用于飞行数据记录仪的步进式询问—应答定位系统采用了北斗导航定位系统、询问—应答模式和多点定位系统的方式，且发射包含标识码和位置坐标的指定响应信号频率的广播数据包，搜索定位方法包含了协作定位和相关定位算法的位置坐标的互相印证模式，使搜索救援人员能够根据收到的北斗坐标信息和指定频率迅速找到失事飞机飞行数据记录仪，从而达到快速发现目标的目的，能够节省大量的人力、物力、财力和时间，并且提高了救援效率。

Description

一种用于飞行数据记录仪的步进式询问-应答定位系统

技术领域

本发明属于航空技术领域，特别是涉及一种用于记录交通工具运行状态的飞行数据记录仪(FDR，俗称“黑匣子”)的基于北斗导航系统的步进式询问—应答搜寻定位方法。

背景技术

美国负责航空事故调查的机构——国家交通安全委员会前副主席、安全专家罗伯特·弗朗西斯表示，“如果找不到飞行数据记录仪，这将是航空界的一大耻辱。因为如果我们想在未来避免类似悲剧，首先要知道哪些方面出了问题。”波音公司曾经说过：“很多时候，我们只能通过空难去发现故障来改进飞机”。依赖飞行数据记录仪记录的飞行状态参数，事故调查员可以直接得到或推断出飞机空难事故原因。这些飞行状态参数记录在机载飞行数据记录仪里面，因此寻找飞行数据记录仪就成为航空空难事故调查的第一任务。所以国际航空运输界的航空器普遍装备有飞行数据记录仪，用于实时记录其飞行状态参数。目前，用于飞行数据记录仪的主要搜索定位技术有：①无线电全向信标定位技术—典型系统有COSPAS/SARSAT系统。该系统要求飞机在受到撞击时，自动激活ELT(紧急无线电位置指示塔台)以发射求救信号，通过该信号可以对失事飞机飞行数据记录仪进行定位；②GPS定位技术—利用GPS提供的数字编码定位信息进行飞行数据记录仪的精确定位；③人工视觉定位技术—GPS或者ELT的定位精确度都不能使搜救人员直接抵达飞行数据记录仪的精确位置，统计结果表明，多数时候失事航空器的飞行数据记录仪还需要搜救人员通过视觉搜索；④机载光学遥感搜索技术—这种技术常用来辅助搜索飞行数据记录仪。如：前视红外传感器等，将其安装在直升机上，可以用来搜索定位失事飞机。但是由于失事航空器地点的地形通常比较复杂，即使在开阔地带，也由于航空器爆炸、空中解体等多种原因而造成失事航空器散布在一个较大的区域，很难及时找到飞行数据记录仪，因此需要大量的搜索人员的艰苦努力才能奏效。有时需要几天或者更长的时间，致使飞行器失事原因迟迟不能得到确认，造成各方面不必要的人力、物力和财力的巨大损失。例如2009年6月法航AF447A330客机失事，经过近两年坚持不懈地、不计成本地努力，2011年4月26日发现飞行记录仪，2011年5月27日法国BEA就公布了最新的事故调查报告。

综上，传统的飞行数据记录仪定位技术存在的共同问题是：①由于无法知晓飞行数据记录仪的坠落轨迹，因此只能将飞机从雷达屏幕消失的地方判断为失事地点，从而带来确定方位范围的困难；②无法知晓飞行数据记录仪坠落的准确位置。由于失事飞机散落面积大，从而带来了搜索范围的不确定，因此只能在空难现场进行大规模、大范围的大海捞针式的查找；③单频无方向性定位信号容易受到周边电磁环境的干扰，水面下容易受到背景噪声的影响，造成虚假目标多；④单频无方向性定位信号不包含任何协助定位信息，仅能根据能量的强弱人工判断大致方位；⑤可供查找的时间不够长、成功率不高。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种能够快速发现目标，从而可以节省大量人力、物力、财力和时间的用于飞行数据记录仪的步进式询问—应答定位系统。

为了达到上述目的，本发明提供的用于飞行数据记录仪的步进式询问—应答定位系统包括FDR机载北斗定位装置和地面移动搜寻定位装置；其中：FDR机载北斗定位装置安装在飞行数据记录器的内部，具有利用北斗系统实时定位、自动状态检测、自动应答和广播功能；地面移动搜寻定位装置安装在用于搜救的移动地面站内部，其能够通过北斗系统接收FDR机载北斗定位装置发出的位置信息进行搜寻定位，同时利用多点定位组件通过步进式询问的方式与FDR机载北斗定位装置进行问答式通信，并利用多点定位组件进一步确定FDR机载北斗定位装置的位置。

所述的FDR机载北斗定位装置包括：本机电源、检测单元、飞行姿态参数单元、备用电源、声纳单元、中央控制单元、北斗收发单元、北斗单元天线、应答收发单元、应答单元天线和ELT单元；其中：本机电源为正常情况下本系统的工作电源，其输入电源由飞机内部的工作电源提供，输出端与检测单元相连接，为FDR机载北斗定位装置提供直流28V电源；

检测单元为飞机工作状态检测检测电路，其输入端与飞行姿态参数单元、声纳单元和ELT单元相连接，输出端与中央控制单元相连接，用于检测上述各单元的工作状态，并将检测结果传输给中央控制单元；

飞行姿态参数单元用于采集飞机的运行参数，并传输给检测单元；

备用电源为蓄电池组成的28V备用电源，用于在本机电源失效的情况下，继续为FDR机载北斗定位装置供电；备用电源分别与检测单元、声纳单元和ELT单元相连接；

声纳单元和ELT单元为传统技术中采用的紧急通讯装置，能够在飞机遇险的时候自行启动运行；

中央控制单元为整个装置的控制核心，其能够通过检测单元对飞机当前的状态做出判断，并控制北斗收发单元、应答收发单元、声纳单元和ELT单元根据要求正常工作；

北斗收发单元为北斗系统通信单元，用于接收北斗系统发出的定位信息和通过北斗系统实现与地面移动搜寻定位装置之间的短消息互通；北斗单元天线为与北斗收发单元配套的射频天线；

应答收发单元为与地面移动搜寻定位装置实现通信的无线收发单元，应答单元天线为与之配套的射频天线。

所述的中央控制单元之中存储有FDR标识码。

所述的地面移动搜寻定位装置包括：搜索定位显示单元、北斗接收天线、北斗接收机、综合处理目标追踪单元、数据处理单元、步进式询问单元、询问天线、多个TOA接收单元和多个TOA接收天线；其中：搜索定位显示单元为内部具有电子地图系统的定位显示器，其与北斗接收机和综合处理目标追踪单元相连接，能够根据北斗接收机与综合处理目标追踪单元提供的位置信息在电子地图上显示追踪目标的位置；

北斗接收机为北斗系统通信单元，用于通过北斗系统接收FDR机载北斗定位装置发出的短消息形式的广播数据包；北斗接收天线为与北斗接收机配套的射频天线；

综合处理目标追踪单元与北斗接收机、数据处理单元和步进式询问单元相连接，用于接收并处理搜寻目标的位置信息和指挥步进式询问通信；

数据处理单元为TDOA/FDOA信息处理器，其与多个TOA接收单元相连接，用于根据接收的应答信号计算目标的位置；

步进式询问单元为问询信号发射装置，与询问天线相连接，询问天线为与步进式询问单元配套的射频天线；

TOA接收单元为应答信号接收装置，与TOA接收天线相连接，TOA接收天线为与TOA接收单元配套的射频天线。

由于本发明提供的用于飞行数据记录仪的步进式询问—应答定位系统采用了北斗导航定位系统、询问—应答模式和多点定位系统的方式，且发射包含标识码和位置坐标的指定响应信号频率的广播数据包，搜索定位方法包含了协作定位和相关定位算法的位置坐标的互相印证模式，使搜索救援人员能够根据收到的北斗坐标信息和指定频率迅速找到失事飞机飞行数据记录仪，从而达到快速发现目标的目的，能够节省大量的人力、物力、财力和时间，并且提高了救援效率。

附图说明

图1为本发明提供的用于飞行数据记录仪的步进式询问—应答定位系统构成框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的用于飞行数据记录仪的步进式询问—应答定位系统进行详细说明。

如图1所示，本发明提供的用于飞行数据记录仪的步进式询问—应答定位系统包括FDR机载北斗定位装置1和地面移动搜寻定位装置2；其中：FDR机载北斗定位装置1安装在飞行数据记录器的内部，具有利用北斗系统实时定位、自动状态检测、自动应答和广播功能；地面移动搜寻定位装置2安装在用于搜救的移动地面站内部，其能够通过北斗系统接收FDR机载北斗定位装置1发出的位置信息进行搜寻定位，同时利用多点定位组件通过步进式询问的方式与FDR机载北斗定位装置1进行问答式通信，并利用多点定位组件进一步确定FDR机载北斗定位装置1的位置。

所述的FDR机载北斗定位装置1包括：本机电源101、检测单元102、飞行姿态参数单元103、备用电源104、声纳单元105、中央控制单元106、北斗收发单元107、北斗单元天线108、应答收发单元109、应答单元天线110和ELT单元111；其中：本机电源101为正常情况下本系统的工作电源，其输入电源由飞机内部的工作电源提供，输出端与检测单元102相连接，为FDR机载北斗定位装置1提供直流28V电源；

检测单元102为飞机工作状态检测检测电路，其输入端与飞行姿态参数单元103、声纳单元105和ELT单元111相连接，输出端与中央控制单元106相连接，用于检测上述各单元的工作状态，并将检测结果传输给中央控制单元106；

飞行姿态参数单元103用于采集飞机的运行参数，并传输给检测单元102；

备用电源104为由蓄电池组成的28V备用电源，用于在本机电源101失效的情况下，继续为FDR机载北斗定位装置1供电；备用电源104分别与检测单元102、声纳单元105和ELT单元111相连接；

声纳单元105和ELT单元111为传统技术中采用的紧急通讯装置，能够在飞机遇险的时候根据环境因素自行激活并启动运行；

中央控制单元106为整个装置的控制核心，其能够通过检测单元102对飞机当前的状态做出判断，并控制北斗收发单元107、应答收发单元109、声纳单元105和ELT单元111根据要求正常工作；

北斗收发单元107为北斗系统通信单元，用于接收北斗系统发出的定位信息和通过北斗系统实现与地面移动搜寻定位装置2之间的短消息互通；北斗单元天线108为与北斗收发单元107配套的射频天线；

应答收发单元109为与地面移动搜寻定位装置2实现通信的无线收发单元，应答单元天线110为与之配套的射频天线。

所述的中央控制单元106之中存储有FDR标识码。

所述的地面移动搜寻定位装置2包括：搜索定位显示单元201、北斗接收天线202、北斗接收机203、综合处理目标追踪单元204、数据处理单元205、步进式询问单元206、询问天线207、多个TOA接收单元208和多个TOA接收天线209；其中：搜索定位显示单元201为内部具有电子地图系统的定位显示器，其与北斗接收机203和综合处理目标追踪单元204相连接，能够根据北斗接收机203与综合处理目标追踪单元204提供的位置信息在电子地图上显示追踪目标的位置；

北斗接收机203为北斗系统通信单元，用于通过北斗系统接收FDR机载北斗定位装置1发出的短消息形式的广播数据包；北斗接收天线202为与北斗接收机203配套的射频天线；

综合处理目标追踪单元204与北斗接收机203、数据处理单元205和步进式询问单元206相连接，用于接收并处理搜寻目标的位置信息和指挥步进式询问通信；

数据处理单元205为TDOA/FDOA信息处理器，其与多个TOA接收单元208相连接，用于根据接收的应答信号计算目标的位置；

步进式询问单元206为问询信号发射装置，与询问天线207相连接，询问天线207为与步进式询问单元206配套的射频天线；

TOA接收单元208为应答信号接收装置，与TOA接收天线209相连接，TOA接收天线209为与TOA接收单元208配套的射频天线。

本发明提供的用于飞行数据记录仪的步进式询问—应答定位系统中FDR机载北斗定位装置1的工作过程为：当航空器飞行时，检测单元102通过测量本机电源101输出的28V电源信号和通过飞行姿态参数单元103输入的飞行姿态参数，实时监视航空器的运行状态；如果航空器运行正常，检测单元102无输出，此时北斗收发单元107中的接收部件是正常工作的，可以实时计算航空器坐标参数并显示；一旦检测单元102检测到本机电源101输出电源电压降为0V或者检测到航空器飞行姿态参数与前连续三个时刻的检测值存在矛盾(如航空器爬升时，高度参数是连续上升的，但是在爬升段未结束时高度值反而迅速下降)，检测单元102立即产生输出信号，中央控制单元106接到信号后立即启动机载北斗收发单元107中的发射部件，通过北斗系统将含有FDR标识码和FDR航迹信息的广播数据包以1Hz的频率间隔用短消息的形式向外广播，同时开始检测声纳单元105和ELT单元111的工作状态，以便确认航空器是否处于失事状态，中央控制单元106将本航空器坐标参数与FDR标识码封装成可供应答收发单元109应答发射的应答数据包；若在T＝10分钟(可根据环境参数设定)的延时检测中发现声纳单元105或者ELT单元111均未进入工作状态，则中央控制单元106不启动应答收发单元109，并停止北斗收发单元107中发射部件的广播数据包发射；如果在T＝10分钟的延时检测中检测单元102检测到声纳单元105或者ELT单元111开始工作，中央控制单元106将启动应答收发单元109的接收机：若检测单元102检测到ELT单元111开始工作，则中央控制单元106将通过应答收发单元109的接收机开始搜索频率为f1＝1030MHz(根据需要设置)的询问信号，如果在f1频段接收到询问信号，中央控制单元106将立即启动应答收发单元109内部的发射机，采用f2＝1090MHz(根据需要设置)的频率发射包含当前时刻北斗收发单元107的坐标参数和FDR标识码的应答数据包；若检测单元102检测到声纳单元105开始工作，则中央控制单元106将通过应答收发单元109开始搜索频率为f1＝30KHz(根据需要设置)的询问信号，如果在f1频段接收到询问信号，中央控制单元106将立即启动应答收发单元109内部的发射机，采用f2＝40KHz(根据需要设置)的频率发射包含当前时刻北斗收发单元107的坐标参数和FDR标识码的应答数据包；此时，北斗收发单元107中的接收发射部件均在工作，并通过北斗系统的短消息功能不断广播包含本航空器坐标参数与FDR标识码信息的广播数据包。由于FDR所处位置原因，此时北斗收发单元107广播的坐标参数并不准确也可能不是当前坐标。

所述的地面移动搜寻定位装置2的工作大致过程如下：搜救部门收到航空器失事信息，通过北斗系统的短消息可以获得相应的航空器位置参数与FDR标识码信息。在失事地域通过北斗接收机203接获从FDR机载北斗定位装置1发出的短消息形式的广播数据包中的FDR坐标参数与标识码信息，并显示在搜索定位显示单元201上，然后根据显示的坐标参数启动地面移动搜寻定位装置2，通过北斗接收机203可接收到FDR机载北斗定位装置1所发送的FDR最后时刻位置坐标，通过搜索定位显示单元201显示其位置；将多个TOA接收单元208按照一定的定位规则布置，形成多点定位模式，同时启动步进式询问单元206，发射频率为f1的询问信号、覆盖范围取R＝30NM的最大值；若FDR是在陆地上，步进式询问单元206采用f1＝1030MHz(根据需要设置)的频率发送询问信号，并通过多个TOA接收单元208搜索频率为f2＝1090MHz(根据需要设置)的应答信号；若FDR是在水面下，步进式询问单元206采用f1＝30KHz(根据需要设置)的频率发送询问信号，并通过多个TOA接收单元208搜索频率为f2＝40KHz(根据需要设置)的应答信号；由于FDR机载北斗定位装置1所发射的应答信号包含FDR坐标参数与FDR标识码信息，此时地面移动搜寻定位装置2等待在多个TOA接收单元208之中不少于三个TOA接收单元208收到应答信号f2的时候，数据处理单元205将对不少于三个应答信号进行处理，从中估算出FDR的最新位置坐标；受FDR机载北斗定位装置1和地面移动搜寻定位装置2中的数据处理单元205的定位状态与定位参数影响，定位精确度并不很好，为了提高定位精确度，根据最新的FDR位置坐标调整步进式询问单元206发射信号覆盖范围，减小步进式询问单元206中R的取值并再次进行询问，利用不少于三个TOA接收单元208接收的f2到达时间参数，数据处理单元205再次估算FDR的位置坐标，重复以上步骤，直到找到FDR。

本发明提供的用于飞行数据记录仪的步进式询问—应答定位系统是利用北斗系统短消息功能、询问—应答模式和到达时间差(TDOA)或到达频差(FDOA)等参数来估算目标位置，在地面移动搜寻定位装置2的无线电覆盖范围内实现目标飞行数据记录仪的快速搜索定位，其中飞行数据记录仪被赋予固定标识码，以便地面单位系统实施询问—应答。通过北斗导航系统短消息，FDR定位系统能够方便、快速地将失事航空器飞行数据记录仪的落地点坐标自动地传递给搜救人员，无论是在任何地点(其中包括海洋、丘陵、山地、森林、沼泽等等复杂多变的地形地貌)，地面搜救人员根据落地点坐标、利用地面移动搜寻定位装置2与目标飞行数据记录仪形成询问—应答对，同时再根据TDOA参数及FDOA参数估算出目标飞行数据记录仪的位置。

Claims (4)

1.一种用于飞行数据记录仪的步进式询问—应答定位系统，其特征在于：所述的步进式询问—应答定位系统包括FDR机载北斗定位装置(1)和地面移动搜寻定位装置(2)；其中：FDR机载北斗定位装置(1)安装在飞行数据记录器的内部，具有利用北斗系统实时定位、自动状态检测、自动应答和广播功能；地面移动搜寻定位装置(2)安装在用于搜救的移动地面站内部，其能够通过北斗系统接收FDR机载北斗定位装置(1)发出的位置信息进行搜寻定位，同时利用多点定位组件通过步进式询问的方式与FDR机载北斗定位装置(1)进行问答式通信，并利用多点定位组件进一步确定FDR机载北斗定位装置(1)的位置。

2.根据权利要求1所述的用于飞行数据记录仪的步进式询问—应答定位系统，其特征在于：所述的FDR机载北斗定位装置(1)包括：本机电源(101)、检测单元(102)、飞行姿态参数单元(103)、备用电源(104)、声纳单元(105)、中央控制单元(106)、北斗收发单元(107)、北斗单元天线(108)、应答收发单元(109)、应答单元天线(110)和ELT单元(111)；其中：本机电源(101)为正常情况下本系统的工作电源，其输入电源由飞机内部的工作电源提供，输出端与检测单元(102)相连接，为FDR机载北斗定位装置(1)提供直流28V电源；

检测单元(102)为飞机工作状态检测检测电路，其输入端与飞行姿态参数单元(103)、声纳单元(105)和ELT单元(111)相连接，输出端与中央控制单元(106)相连接，用于检测上述各单元的工作状态，并将检测结果传输给中央控制单元(106)；

飞行姿态参数单元(103)用于采集飞机的运行参数，并传输给检测单元(102)；

备用电源(104)为蓄电池组成的28V备用电源，用于在本机电源(101)失效的情况下，继续为FDR机载北斗定位装置(1)供电；备用电源(104)分别与检测单元(102)、声纳单元(105)和ELT单元(111)相连接；

声纳单元(105)和ELT单元(111)为传统技术中采用的紧急通讯装置，能够在飞机遇险的时候根据环境因素自行激活并启动运行；

中央控制单元(106)为整个装置的控制核心，其能够通过检测单元(102)对飞机当前的状态做出判断，并控制北斗收发单元(107)、应答收发单元(109)、声纳单元(105)和ELT单元(111)根据要求正常工作；

北斗收发单元(107)为北斗系统通信单元，用于接收北斗系统发出的定位信息和通过北斗系统实现与地面移动搜寻定位装置(2)之间的短消息互通；北斗单元天线(108)为与北斗收发单元(107)配套的射频天线；

应答收发单元(109)为与地面移动搜寻定位装置(2)实现通信的无线收发单元，应答单元天线(110)为与之配套的射频天线。

3.根据权利要求2所述的用于飞行数据记录仪的步进式询问—应答定位系统，其特征在于：所述的中央控制单元(106)之中存储有FDR标识码。

4.根据权利要求1所述的用于飞行数据记录仪的步进式询问—应答定位系统，其特征在于：所述的地面移动搜寻定位装置(2)包括：搜索定位显示单元(201)、北斗接收天线(202)、北斗接收机(203)、综合处理目标追踪单元(204)、数据处理单元(205)、步进式询问单元(206)、询问天线(207)、多个TOA接收单元(208)和多个TOA接收天线(209)；其中：搜索定位显示单元(201)为内部具有电子地图系统的定位显示器，其与北斗接收机(203)和综合处理目标追踪单元(204)相连接，能够根据北斗接收机(203)与综合处理目标追踪单元(204)提供的位置信息在电子地图上显示追踪目标的位置；

北斗接收机(203)为北斗系统通信单元，用于通过北斗系统接收FDR机载北斗定位装置(1)发出的短消息形式的广播数据包；北斗接收天线(202)为与北斗接收机(203)配套的射频天线；

综合处理目标追踪单元(204)与北斗接收机(203)、数据处理单元(205)和步进式询问单元(206)相连接，用于接收并处理搜寻目标的位置信息和指挥步进式询问通信；

数据处理单元(205)为TDOA/FDOA信息处理器，其与多个TOA接收单元(208)相连接，用于根据接收的应答信号计算目标的位置；

步进式询问单元(206)为问询信号发射装置，与询问天线(207)相连接，询问天线(207)为与步进式询问单元(206)配套的射频天线；

TOA接收单元(208)为应答信号接收装置，与TOA接收天线(209)相连接，TOA接收天线(209)为与TOA接收单元(208)配套的射频天线。

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