CN103569372B - 基于无线紫外光的直升机助降系统及助降方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无线紫外光的直升机助降系统，包括发射端及接收端，发射端及接收端通过大气信道实现通讯，所述的发射端设置在起降场地面，发射端内部集成有语音数据图像输入设备，语音数据图像输入设备与编码器连接，编码器通过驱动电路与紫外LED光源控制连接；接收端安装于直升机上，接收端包括光电探测器，光电探测器与光电转换器连接，光电转换器通过解码器与语音数据图像输出设备连接。本发明系统及方法，利用紫外光通信技术，具有抗干扰能力强、隐蔽性好、便携式、宽视场接收等优点，能够进行全天候工作。

Description

基于无线紫外光的直升机助降系统及助降方法

技术领域

本发明属于光电信息技术领域，涉及一种基于无线紫外光的直升机助降系统，本发明还涉及一种用于直升机辅助起降的无线紫外光定位通信方法。

背景技术

随着直升机的应用越来越广泛，直升机的安全问题也越发突出。当发生了紧急事件或者自然灾害时，起降时安全系数受降落场地影响较大，由于没有正规的着陆场，降落过程中更容易发生事故，救援直升机的临时起降成为了一大难题。

现有的直升机助降系统一般采用可见光或机械方式助降，更多时候是地面引导人员通过无线电与飞行员沟通，依靠飞行员的个人技术来降落。可见光助降系统受自然光影响较大，且光束混叠后降落轨道不易确定。而类似于“鱼叉”系统的机械助降又无法满足特殊情况下应急起降的要求。无线电通信方式更是在无线电静默这样的特殊时间段内，不能保证隐蔽性且依靠飞行员肉眼来判断起降条件的方法并不可靠，从机上的视角并不能准确掌握真实的地面情况。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于无线紫外光的直升机助降系统，解决了现有技术条件下，在复杂地形和天气环境下救援过程中直升机临时起降，起降引导系统的精确性和安全性不能够满足要求的问题。

本发明的另一目的是提供一种基于无线紫外光的直升机助降方法。

本发明采用的技术方案是，一种基于无线紫外光的直升机助降系统，包括发射端及接收端，发射端及接收端通过大气信道实现通讯，

所述的发射端设置在起降场地面，发射端内部集成有语音数据图像输入设备，语音数据图像输入设备与编码器连接，编码器通过驱动电路与紫外LED光源控制连接；

接收端安装于直升机上，接收端包括光电探测器，光电探测器与光电转换器连接，光电转换器通过解码器与语音数据图像输出设备连接。

本发明采用的另一技术方案是，一种利用上述的系统进行的紫外光直升机助降方法，按照以下步骤实施：

步骤1：布置发射端

首先将四个便携式发射端固定于降落标识“H”的四角；然后，启动四个便携式发射端，检查各个传感器工作是否正常，对所需数据的测量是否正常；最后，使用发射端的操作键盘选择相应的地面信息的选项，等待直升机到来；

步骤2：直升机盘旋搜索信号

当直升机进入降落场区域上空200米左右高度，打开安装在直升机上的紫外光接收端，声光设备及接收光强指示灯阵列开始工作，按照降落场标识所指示的进场方向进入并搜索地面的紫外光信号，当接收光强指示灯阵列中有指示灯显示搜索到信号时则保持直升机姿态，根据各个指示灯的显示情况相应地调整直升机位姿；

步骤3：直升机对准接收端

飞行员通过观察机上的接收光强指示灯阵列的显示情况，继续微调机身方向使机身准确的对准接收端；

步骤4：直升机下降阶段

当四个接收端中至少三个显示对准成功后，飞行员就已经确定了具体的降落方位，然后通过多功能显示器显示，飞行员需要按照所示的地面实际降落条件，操作直升机开始下降，即成。

本发明的有益效果是：

1）利用紫外光通信技术，具有抗干扰能力强、隐蔽性好、便携式、宽视场接收等优点，能够进行全天候工作。

2）通过便携式发射端将地面角度、坡度、地面构质、障碍物内容甚至地面实时图像送到飞行员面前，帮助其顺利降落，解决了单靠飞行员在天空中通过肉眼判断降落条件的局限性，给直升机的安全降落添加了一层保障。

3）将紫外光用于直升机降落过程中的定位，通过判断各个接收端的对准情况计算出直升机与降落标示的相对位置并大致的判断出调整方向，直升机驾驶员可以迅速地得到降落地点的具体位置、起降条件等信息，帮助飞行员在复杂的环境条件下安全、准确地降落。

附图说明

图1是本发明基于无线紫外光的直升机助降系统的框图；

图2是本发明系统中分集接收技术示意框图；

图3是本发明系统中MIMO通信技术示意框图；

图4是本发明系统中地面便携式接收端的安装位置示意图；

图5是本发明方法中的直升机进场与接收端的相对运动关系示意图；

图6是本发明方法中通过三轴加速度传感器得到降落场坡度的示意图；

图7是本发明系统中的光强探测显示阵列示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

紫外光通信系统具有抗干扰能力强、全天候非视距、宽视场便携式等特点，并使用无线紫外光分集接收、无线紫外光散射信道定向通信、无线紫外光MIMO通信、角度感知、高速调制和解调等技术，使得能够应用于直升机助降，顺畅、准确、便利的实现地面与直升机之间的通信引导。

本发明基于无线紫外光的直升机助降系统，具有以下几个主要技术特征：1）基于无线紫外光语音和图像通信系统平台；2）无线紫外光分集接收技术；3）无线紫外光MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)通信；4）姿态感知的直升机辅助降落定位方法。

参照图1，本发明基于无线紫外光的直升机助降系统结构是，包括发射端及接收端，发射端及接收端通过大气信道实现通讯，

发射端底部设置有固定机构，用于将发射端可靠固定于地面；发射端内部集成有语音数据图像输入设备，包括数字键盘、小型摄像头、多种传感器（包括坡度、风向、风力等传感器），一起构成语音数据图像输入，语音数据图像输入与编码器连接，编码器通过驱动电路与紫外LED光源控制连接；发射端利用数字信号处理设备实现语音和图像信号的数字化编码处理，通过驱动电路的调制，采用紫外LED光源实现信号的发射，将飞行员所需的各种地面数据利用紫外光发射给接收端，小型化设计使其方便携带；

接收端安装于直升机上，接收端的光电探测器采用日盲型光电倍增管，用于接收发射端发送的紫外光信号，光电探测器与光电转换器连接，光电转换器通过解码器与语音数据图像输出设备连接，语音数据图像输出设备包括声光设备及数字液晶屏幕。接收端利用高速的光电转换将接收信号解码，并使用多功能的声光设备及数字液晶屏幕实现语音数据图像输出，将降落辅助信息显示给飞行员。数字液晶屏幕中设置有接收光强指示灯阵列（即接收光强显示阵列），能够显示所探测到的紫外光信号的光强程度，利用接收光强指示灯阵列表示出各个接收端的对准程度，以便辅助直升机飞行员更为准确的降落在指定地点。

参照图2，是在紫外光无线通信过程中，本发明系统采用的分集技术示意图。分集技术是克服信号衰落最为有效的技术，且不会在接收端增加额外的复杂度和占用带宽，因此本发明采用分集技术提高了通信链路的质量。

参照图3，是在紫外光无线通信过程中，本发明系统采用的MIMO通信技术示意图。本发明使用了基于角度感知的MIMO通信技术，提高了链路通信的可靠度，降低误码率，增大信道容量和通信距离并能够实时测量着陆点的震动、颠簸等情况。同时，使用MIMO通信技术能够在较低的发射功率下保证紫外光通信系统的可靠性，满足了复杂气象条件下使用的需要。其中角度、方位、波长、功率控制模块用来测量发射端的实时仰角等信息；发射端双轴角度传感器用以根据传感器返回的实时角度调整发射方向，使之按照既定方向发射；而接收端的角度、方位控制模块用以控制接收器的光电探测器接收方向，使之能够接收到信号。

参照图4，是本发明发射端的地面安装位置示意图，其中显示了一个按比例设置的直升机起降标志，在“H”符号四角分别固定设置有一个发射端，（即图4中的1、2、3、4号便携式紫外光信号发射端）；1、2、3、4号发射端所发射紫外光波长各不相同，这样能够避免互相干扰，而每个发射端所发射的紫外光束成圆锥形发散，因此从空中俯瞰下去其截面为一圆形。将四个不同波长的发射端，设置在临时选择的降落地点中心的降落标识四角上，对应的，在直升机机身上安装四个能接收对应波长紫外光的接收端，用于对应搜索和接收发射端信号，搜索成功后发射端开始上传飞行员所需的降落信息。

参照图5，在降落过程中，地面引导人员通过发射端向接收端发送所需的各种信息，飞行员得到传送来的坡度、风向、风力、实时影像等信息，帮助其判断降落条件，调整直升机各个姿态位置，最终完成降落任务。如图6所示，其中降落场地坡度的计算，使用与发送端集成的传感器进行测量，其中坡度γ由发射端携带的电子坡度测量仪测得，L、W由两终端的距离传感器测量获得，则计算得到高度H。

本发明的紫外光直升机助降方法，利用上述的紫外光直升机助降系统，按照以下步骤实施：

步骤1：布置发射端

地面引导人员选择好合适的降落场，如图4，首先将四个便携式发射端固定于降落标识“H”的四角；然后，启动四个便携式发射端，检查各个传感器工作是否正常，对所需数据的测量是否正常；最后，使用发射端的操作键盘选择相应的地面信息的选项（包括地面质地、障碍物类型、杂质种类），如下表1所示，等待直升机到来。

表1，本发明发送端所发送的地面信息类型

主要障碍物类型	树木	河流	楼宇	电线	其他
						地表构质类型	岩石	沙质	水泥	泥土	其他
地面杂物类型	浮尘	树叶	积水	浮雪	其他

步骤2：直升机盘旋搜索信号

当直升机进入降落场区域上空200米左右高度，打开安装在直升机上的紫外光接收端，声光设备及接收光强指示灯阵列开始工作，按照降落场标识所指示的进场方向进入并搜索地面的紫外光信号，当接收光强指示灯阵列中有指示灯显示搜索到信号时则保持直升机姿态，根据各个指示灯的显示情况相应地调整直升机位姿，具体调整方法参照表2所示，表2是本发明中利用发射端对准情况调整直升机位姿的具体规则。

表2，本发明中不同对准接收端组合所示意的直升机调整方向

已对准组合	调整方向(机身超过标识)	调整方向(机身未超过标识)
			1号	右转机头,左下方平移	左转机头,右上方平移
2号	左转机头.右下方平移	右转机头.左上方平移
			3号	右转机头.右下方平移	左转机头.左上方平移
4号	左转机头.左下方平移	右转机头.右上方平移
			1号.3号	右转机头.下方平移	左转机头.上方平移
2号.4号	左转机头.下方平移	右转机头.上方平移
			1号.2号	右转机头.左方平移	左转机头.右方平移
3号.4号	左转机头.左方平移	右转机头.右方平移

步骤3：直升机对准接收端

飞行员通过观察机上的接收光强指示灯阵列的显示情况，继续微调机身方向使机身准确的对准接收端，具体方法是：观察接收光强指示灯阵列，当每一行三个指示灯全部点亮时，表示该接收端与对应发射端精确对准，当每一行两个指示灯点亮时，表示该接收端与对应发射端基本对准，当每一行有一个指示灯点亮时，表示该接收端与对应发射端对准，见图5和图7，飞行员选用按照表2调整直升机位姿，使得四个接收端中至少三个显示成功搜索到信号。

步骤4：直升机下降阶段

当四个接收端中至少三个显示对准成功后，飞行员就已经确定了具体的降落方位，然后就要考虑降落时机身姿态问题了。在步骤1中，从直升机开始接收紫外光信号开始，发射端就已经将其所携带的传感器所测风力、风向及降落环境等地面信息，不间断地发送给了直升机上的接收端，并通过多功能显示器显示给飞行员。飞行员需要按照所示的地面实际降落条件，操作直升机开始下降。

在直升机下降阶段，最重要的便是调整直升机与地面的相对水平，要防止相对夹角过大产生撞击而导致事故发生。四个地面发射端将坡度测量仪测量出的地面坡度发送给直升机集中处理，处理器对各个坡度数据进行计算并将最终得到地面坡度反映给飞行员；飞行员得到信息后，据此调整直升机接地时的姿态，使得直升机安全降落，即成。

Claims (4)

1.一种紫外光直升机助降方法，其特征在于，

利用一种基于无线紫外光的直升机助降系统，包括发射端及接收端，发射端及接收端通过大气信道实现通讯；所述的发射端设置在起降场地面，发射端内部集成有语音数据图像输入设备，语音数据图像输入设备与编码器连接，编码器通过驱动电路与紫外LED光源控制连接；所述的接收端安装于直升机上，接收端包括光电探测器，光电探测器与光电转换器连接，光电转换器通过解码器与语音数据图像输出设备连接，

利用上述的基于无线紫外光的直升机助降系统，本方法按照以下步骤实施：

步骤1：布置发射端

首先将四个发射端固定于降落标识“H”的四角；然后，启动四个发射端，检查各个传感器工作是否正常，对所需数据的测量是否正常；最后，使用发射端的操作键盘选择相应的地面信息的选项，等待直升机到来；

步骤2：直升机盘旋搜索信号

当直升机进入降落场区域上空200米左右高度，打开安装在直升机上的接收端，声光设备及接收光强指示灯阵列开始工作，按照降落场标识所指示的进场方向进入并搜索地面的紫外光信号，当接收光强指示灯阵列中有指示灯显示搜索到信号时则保持直升机姿态，根据各个指示灯的显示情况相应地调整直升机位姿；

步骤3：直升机对准接收端

飞行员通过观察机上的接收光强指示灯阵列的显示情况，继续微调机身方向使机身准确的对准接收端；

步骤4：直升机下降阶段

当四个接收端中至少三个显示对准成功后，飞行员能够确定具体的降落方位，然后通过多功能显示器显示，飞行员按照所示的地面实际降落条件，操作直升机开始下降，即成。

2.根据权利要求1所述的紫外光直升机助降方法，其特征在于，所述的步骤1中，发送端所发送的地面信息类型如下表所示：

主要障碍物类型 树木 河流 楼宇 电线 其他 地表构质类型 岩石 沙质 水泥 泥土 其他 地面杂物类型 浮尘 树叶 积水 浮雪 其他

。

3.根据权利要求1所述的紫外光直升机助降方法，其特征在于，所述的步骤2中，接收光强指示灯阵列中设置有指示灯，包括1号、2号、3号、4号指示灯，具体调整方法参照下表所示：

已对准组合 调整方向(机身超过标识) 调整方向(机身未超过标识) 1号 右转机头,左下方平移 左转机头,右上方平移 2号 左转机头.右下方平移 右转机头.左上方平移 3号 右转机头.右下方平移 左转机头.左上方平移 4号 左转机头.左下方平移 右转机头.右上方平移 1号.3号 右转机头.下方平移 左转机头.上方平移 2号.4号 左转机头.下方平移 右转机头.上方平移 1号.2号 右转机头.左方平移 左转机头.右方平移 3号.4号 左转机头.左方平移 右转机头.右方平移

。

4.根据权利要求1所述的紫外光直升机助降方法，其特征在于，所述的步骤3中，具体步骤是：观察接收光强指示灯阵列，当每一行三个指示灯全部点亮时，表示该接收端与对应发射端精确对准，当每一行两个指示灯点亮时，表示该接收端与对应发射端基本对准，当每一行有一个指示灯点亮时，表示该接收端与对应发射端对准，飞行员调整直升机位姿，使得四个接收端中至少三个显示成功搜索到信号。