CN105338494A - 一种基于北斗的航空应急示位信标装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于北斗的航空应急示位信标。利用我国自主研制的北斗二代卫星定位系统获得高精度、高可靠的定位信息，解决了传统全球卫星搜救系统定位误差大、定位时间长的问题，并且北斗定位通信系统是我国自主研制，突破了国外的技术封锁，可以运用于特定情况下的应急定位与军事用途中。在沿海区域，基于航海无线电指向标导航定位系统，提出RDSS和RNSS技术结合的差分定位方式，可以进一步提高定位精度。同时采用北斗一代卫星系统特有的短报文通信功能和406MHz卫星通信频段发射报警信息，可以有效缩短救生搜索和定位时间，提高了搜救效率，使得搜救船舶或飞机能够迅速的发现遇险飞机的位置，提高救援速度。

Description

一种基于北斗的航空应急示位信标装置

技术领域

本发明属于航空电子系统通讯领域,具体涉及一种基于北斗的应急示位信标，是一种在飞机遇险的情况下可以自主定位的发射器，主要用于飞机的定位和现场人员搜救。

背景技术

飞机遇险失事后的定位和搜救，是航空工业需要解决的重大课题，近年来，国际和国内多次发生飞机遇险失事，都无法进行有效的定位和快速地进行救援，给人员和财产造成重大损失。2009年,法航AF447航班在大西洋上空罹难，法航为寻找黑匣子花费大量经费和时间，前三次搜索共耗费1700万英镑，而最终一次找黑匣子花费760万英镑，总耗时近2年。2014年，马来西亚航空公司称与一架载有239人的波音777-200飞机与管制中心失去联系，马航已经启动救援和联络机制寻找该飞机，但失踪飞机没有发出具体位置信息，所以调查人员无法判断其发生了什么情况。

客机上安装的航空飞行记录器(黑匣子)有2台，可以记录飞机飞行数据和座舱话音。黑匣子非常坚固，可耐飞机坠毁时的猛烈冲击和高温热焰。然而，黑匣子上是没有无线电发送装置的，它唯一能对外发出信号的部件是水下信标(UnderWaterBeacon,ULB)。黑匣子在水下发出的声波信号只能由声纳在水中进行接收，但是其探测范围仅有数公里，相对茫茫大海，堪比"大海捞针"。

因此飞机遇险失事后对飞机失事地点的精确定位具有重要意义，用于定位搜救的应急示位信标(EmergencyLocatorTransmitter，ELT)在民航中也成为必须安装的设备。应急定位发射设备属于航电通讯系统，是一台可以独立工作的航空多用途紧急指示位置发射机，主要用于飞机遇险后发射无线电信号，帮助搜救组织确定遇险飞机的位置并快速展开遇险人员的救援工作。

根据《RTCA/DO-204A406MHz应急定位发射设备最低性能规范》中的描述，ELT按使用类型可分为四类：AF(固定型)、AP(可拆卸型)、AD(自动展开型)和S型(救生型)。AF型ELT在飞机失事前后都附设在飞机上，主要用于失事地点的定位；AP型失事前紧固在飞机上，遇险后可轻松拆卸，一般具有辅助天线；AD型ELT在飞机失事前安装在飞机上，失事时或失事后自动分离后工作；S型ELT是失事后从飞机上拆下随身携带，一般可漂浮在水面。

根据国际民航适航标准要求，在2008年7月1日以后，任何批准载客19人以下飞机必须安装1个ELT设备，可以是救生型也是自动开机型；20人以上飞机飞行时必须安装2个以上ELT设备，其中1个必须是自动展开型ELT。如果执行跨水任务的航班必须安装救生型急定位发射设备。

针对上述问题，国际国内组织一直致力于救生无线电定位技术的发展，最早的解决方案采用无线电示标位技术，利用该技术的ELT遇险后发射特定频率的无线电信标信号，通过无线电定向的原理测得信标机的方位。根据GJB2414-95《航空救生电台通用规范》，当搜救飞机飞行高度在3000米时，信标作用距离为150公里。由于信标发射功率小，一般在几百毫瓦，而且环境无线电干扰大，实际作用距离和测向精度不高。

方案二是由加拿大、法国、美国和前苏联联合开发的全球性卫星搜救系统(COSPAS/SARSAT)，是目前国际海事卫星组织推行的全球海上遇险与安全系统的重要组成部分。该系统使用低高度卫星为全球包括极区在内的海上、陆上、和空中提供遇险报警及定位服务，以使遇险者得到及时有效的救助，COSPAS-SARSAT全球卫星搜救系统已成功应用于世界范围内大量的遇险搜救行动中。利用该系统的ELT只能够在飞机损坏程度不大的情况下进行，其求救方式是将信号发送给COSPAS-SARSAT卫星系统，卫星系统发送406MHZ的“飞机遇难信号”到当地的卫星用户终端(LUT)。如果没有合适的LUT，卫星系统会把406MHZ的“飞机遇难信号”存储起来，直到有合适的LUT。跟踪搜救卫星并接收卫星转发下来的遇险示位信标信号和数据，然后解码、计算并给出信标识别码和位置数据，同时又实时修正卫星的轨道参数，把信标的报警数据和统计信息送给相应的搜救任务控制中心(MCC)。这种只是发送信号而非自己具体位置，解决的是“我是谁”的问题，然后通过地面控制中心根据所收到的信号计算事故地点，可能会带来误差。

COSPAS-SARSAT全球卫星搜救系统使用低高度卫星为全球包括极区在内的海上、陆上、和空中提供遇险报警及定位服务，由于该系统的卫星轨道较低(850～1000km)，单颗卫星覆盖地球的面积比地球同步静止卫星小。因而，在目前六颗卫星工作的情况下，对遇险目标来说存在着一定的等待时间，尤其是在靠近赤道地区，两颗卫星飞越同一地区的时间间隔最长可达1.5小时。而且该系统由国外控制，其特有的加密模式不对我国开放，不适合我国在特定情况下的救生定位和军事用途。

发明内容

本发明解决的技术问题

提供一种基于北斗的航空应急示位信标。北斗卫星导航系统是中国自行研制的全球卫星定位与通信系统(BDS)，是继美全球定位系统(GPS)和俄GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统。2012年12月27日，北斗卫星导航系统正式对亚太地区提供无源定位、导航和授时服务，目前，我国正在全力发展和建设北斗卫星覆盖全球。

不同于GPS、GLONASS等一般的卫星导航定位系统，北斗系统提供两种服务：一种是卫星无线电导航业务(RadioNavigationSatelliteSystem，缩写RNSS)，由用户接收卫星无线电导航信号，自主完成至少4颗卫星的距离测量，进行用户位置，速度及航行参数计算；另一种是卫星无线电测定业务(RadioDeterminationSatelliteService，缩写RDSS)，用户至卫星的距离测量和位置计算无法由用户自身独立完成，必须由外部系统通过用户的应答来完成，其特点是通过用户应答，在完成定位的同时，同时完成了向外部系统的用户位置报告，其特有的短报文通信功能还可实现定位与通信的集成。

基于北斗的ELT可以直接利用北斗二代卫星定位，获得高精度的定位结果，避免了再次计算所带来的误差，成功的解决了“我是谁，我在哪”的问题。北斗特有的短报文通讯功能还可以告诉第三方用户“我在哪儿”。可以有效缩短救生搜索和定位时间，提高了搜救效率，使得搜救船舶或飞机能够迅速的发现遇险飞机的位置，提高了救援速度。

本申请提案的技术方案的详细阐述

本发明提供一种基于北斗的航空应急示位信标，利用北斗二代卫星定位系统获得高精度、高可靠的定位信息，解决了目前航空应急示位信标定位误差大、定位时间长的问题。同时采用406MHz卫星通信频段和北斗一代卫星系统的短报文功能发射报警信息，可以有效缩短救生搜索和定位时间，提高了搜救效率，使得搜救船舶或飞机能够迅速的发现遇险飞机的位置，提高救援速度。

如图1所示，一种基于北斗的航空应急示位信标，该信标包括主控模块(包含主控芯片和存储单元)、电源模块、事故感知模块、手动触发模块、卫星通信模块、北斗卫星RNSS模块和北斗卫星RDSS模块；

电源模块负责给主控模块、事故感知模块、手动触发模块、卫星通信模块、北斗卫星RNSS模块和北斗卫星RDSS模块供电；

事故感知模块的输出接口连接到主控模块，用于向主控模块发出的触发信号；

手动触发模块是与事故感知模块相联，用于在紧急情况发生时驱动事故感知模块发出触发信号，进一步触发主控器；

主控模块还分别与北斗RNSS定位模块、北斗RDSS模块以及406MHZ卫星通信模块连接，在接收到事故感知模块的触发信号后，主控模块通过北斗RNSS定位模块与北斗导航卫星进行通信并将接收到的当前经纬度信息存储在存储单元中，之后主控模块将该经纬度信息转换成通信信号，并通过北斗RDSS模块的短报文通信功能以及406MHZ卫星通信模块将经纬度信息发送到地面基站。

当出现紧急情况时，飞行员可以手动操作机载设备的控制器，启动应急示位信标，或通过事故感知模块自动启动。事故感知为三轴六自由度全向加速度开关，所述三轴六自由度全向加速度开关由两个相互垂直布置的三轴加速度计及单片机构成，由单片机接受处理两个三轴加速度传感器的数据，计算飞机的加速度状态，当加速度开关实时感知飞机出现减加速度大于预设值时，对应于突然坠落和撞山等非正常情况，进行自动定位告警。该全向加速度开关的启动阀门值可以在0～10g内任意设定，一旦载机的减加速度值超过设定阈值，应急示位信标装置将自动启动，实时发出应急定位申请。

北斗RDSS通信模块电路与主控模块连接，用于将主控制器转换成的当前位置的经纬度信息通信信号以及飞机的ID等其他信息通过短报文发送至北斗地面基站；在沿海区域还可用短报文接收航海无线电指向标(PBN)载频上(283.5～325.0kHz)播发的北斗二代RNSS差分信息，可以极大的提高北斗定位精度，并且能够满足电台等通信手段不能到达区域的差分北斗增强系统的应用。现有的沿海无线电指向标-差分北斗定位系统(RBN-DBDS)是一种新型、高精度、高全天候的导航定位系统，为公共用户提供无偿的2m内的定位精度服务。利用信标差分系统在内陆是300km的作用距离，在海上是500km的作用距离。

北斗RNSS模块与主控器连接，用于与北斗二代导航卫星进行通信并快速获得用户当前位置信息，开机后在1分钟之内就能提供准确的经纬度数据，定位精度在10m之内。在沿海区域还可以接收北斗二代RNSS差分信息，以此信息作误差修正，从而可以大大减少北斗定位误差，进一步提高定位精度。

所述的406MHZ卫星通信模块与主控器连接，用于将主控制器转换成的当前位置的经纬度信息通信信号通过COSPAS-SARSAT搜救卫星系统发送至本地用户接收终端。

电源模块负责给各电路模块进行供电，同时进行电源管理，降低待机模式的电流，延长终端工作时间。电源是保证在飞机遇险时应急示位信标能够正常运行的关键部分，应急示位信标内置电池的设计应满足：有效期为4年，在-20℃时可以连续工作48小时，常温(20℃)时可以连续工作80小时。在未发生事故时，也可以由飞机电源为设备充电。

如图2所述为基于北斗的应急示位信标使用示意图。

飞机遇险乃至发生坠机时应急示位信标启动并脱离机身，利用北斗二代卫星通过RNSS方式获得高精度、高可靠的定位信息，从而实现对遇险飞机的准确定位，将当前的位置信息同时通过COSPAS-SARSAT搜救卫星系统和北斗短报文通信发送至本地用户接收终端，并通知搜救协调中心进行搜救。

另外，本发明还提供一种基于北斗的航空应急示位信标设备，该信标设备包括上箱体(1)、下箱体(2)、信标电池单元(3)、加速度开关单元(4)、天线单元、指示灯(7)、控制开关(8)、接口连接器(9)和处理电路组件；

信标电池单元(3)、加速度开关单元(4)、指示灯(7)、控制开关(8)、接口连接器(9)和处理电路组件均安装在下箱体(2)中；天线单元安装在上箱体(1)上；

处理电路组件分别与加速度开关单元(4)、指示灯(7)、控制开关(8)、接口连接器(9)以及信标电池单元(3)连接；指示灯(7)显示所述设备工作状态，控制开关(8)作为所述设备的电源开关，接口连接器(9)作为所述设备的信号输入输出接口，信标电池单元(3)用于实现电源模块功能，加速度开关单元(4)包括三轴加速度计(两个相互垂直布置的三轴加速度计)，用于感知加速度；

所述的处理电路组件为包括母板(13)、卫星通信板(10)、北斗RNSS板(11)和北斗RDSS板(12)；卫星通信板(10)、北斗RNSS板(11)和北斗RDSS板(12)均插接在母板上；卫星通信板(10)用于实现卫星通信模块的功能，北斗RNSS板(11)用于实现北斗卫星RNSS模块功能，北斗RDSS板(12)用于实现北斗卫星RDSS模块功能，母板上集成有CPU和存储器，并用于实现主控模块功能；

天线单元包括北斗微带双频天线(6)和卫星通信天线(5)，北斗微带双频天线分别与北斗RDSS板和北斗RNSS板相连，用于发送用户位置信息和接收北斗二代RNSS差分信息。

本发明的关键点和优点

1.利用北斗二代卫星定位系统的RNSS功能获得高精度、高可靠的定位信息，解决了传统全球卫星搜救系统定位误差大、定位时间长的问题。并且北斗卫星系统是我国自主研发的兼具通信与定位功能的系统，可以完成特定情况下的紧急搜救和军事用途。

2.提出RDSS和RNSS技术结合的差分定位方式。在沿海区域，利用北斗RDSS的短报文功能，接收航海无线电指向标(PBN)载频上(283.5～325.0kHz)播发的北斗二代RNSS差分信息，并通过主控模块发送的RNSS模块，以此信息作误差修正，从而可以大大减少北斗定位误差，提高定位精度。

3.同时采用406MHz卫星通信频段和北斗一代卫星系统特有的短报文发射报警信息，可以有效缩短救生搜索和定位时间，提高了搜救效率，使得搜救船舶或飞机能够迅速的发现遇险飞机的位置，提高了救援速度。

利用我国自主研制的北斗二代卫星定位系统获得高精度、高可靠的定位信息，解决了传统全球卫星搜救系统定位误差大、定位时间长的问题，并且北斗定位通信系统是我国自主研制，突破了国外的技术封锁，可以运用于特定情况下的应急定位与军事用途中。在沿海区域，基于航海无线电指向标导航定位系统，提出RDSS和RNSS技术结合的差分定位方式，可以进一步提高定位精度。同时采用北斗一代卫星系统特有的短报文通信功能和406MHz卫星通信频段发射报警信息，可以有效缩短救生搜索和定位时间，提高了搜救效率，使得搜救船舶或飞机能够迅速的发现遇险飞机的位置，提高救援速度。

附图说明

图1为本发明的原理图；

图2本发明的使用示意图；

图3本发明的设备的结构示意图；

其中：1上箱体、2下箱体、3信标电池单元、4加速度开关单元、5卫星通信天线、6北斗微带双频天线、7指示灯、8控制开关、9接口连接器、10卫星通信板、11北斗RNSS板、12北斗RDSS板、母板13。

具体实施方式

具体提供一种基于北斗的航空应急示位信标装置，该信标包括主控模块(包含主控芯片和存储单元)、电源模块、事故感知模块、手动触发模块、卫星通信模块、北斗卫星RNSS模块和北斗卫星RDSS模块；

电源模块负责给主控模块、事故感知模块、手动触发模块、卫星通信模块、北斗卫星RNSS模块和北斗卫星RDSS模块供电；

事故感知模块的输出接口连接到主控模块，用于向主控模块发出的触发信号；

手动触发模块是与事故感知模块相联，用于在紧急情况发生时驱动事故感知模块发出触发信号，进一步触发主控器；

主控模块还分别与北斗RNSS定位模块、北斗RDSS模块以及406MHZ卫星通信模块连接，在接收到事故感知模块的触发信号后，主控模块通过北斗RNSS定位模块与北斗导航卫星进行通信并将接收到的当前经纬度信息存储在存储单元中，之后主控模块将该经纬度信息转换成通信信号，并通过北斗RDSS模块的短报文通信功能以及406MHZ卫星通信模块将经纬度信息发送到地面基站。

进一步的是，能够通过机载设备的控制器启动事故感知模块或通过手动的方式触发手动触发模块启动事故感知模块。

进一步的是，事故感知模块包括三轴六自由度全向加速度开关，所述三轴六自由度全向加速度开关由两个相互垂直布置的三轴加速度计及单片机构成，由单片机接受处理两个三轴加速度传感器的数据，计算飞机的加速度状态，当加速度开关实时感知飞机出现减加速度大于预设值时，进行自动定位告警。

进一步的是，该预设值在0～10g内任意设定，一旦载机的减加速度值超过预设值，所述应急示位信标装置将自动启动。

更进一步的是，北斗RDSS通信模块电路用于将主控制器转换成的当前位置的经纬度信息通信信号以及飞机的ID信息通过短报文发送至北斗地面基站；

特别的是，北斗RNSS模块用于与北斗导航卫星进行通信并快速获得用户当前位置信息，开机后在1分钟之内就能提供准确的经纬度数据，定位精度在10m之内。

特别的是，所述的406MHZ卫星通信模块用于将经纬度信息通信信号，通过COSPAS-SARSAT搜救卫星系统发送至本地用户接收终端。

特别的是，电源模块能够由飞机电源充电。

特别的是，飞机遇险乃至发生坠机时应急示位信标装置能够启动并脱离机身，利用北斗卫星通过RNSS方式获得高精度、高可靠的定位信息，从而实现对遇险飞机的准确定位。

另外，提供了一种基于北斗的航空应急示位信标设备，该信标设备包括上箱体1、下箱体2、信标电池单元3、加速度开关单元4、天线单元、指示灯7、控制开关8、接口连接器9和处理电路组件；

信标电池单元3、加速度开关单元4、指示灯7、控制开关8、接口连接器9和处理电路组件均安装在下箱体2中；天线单元安装在上箱体1上；

处理电路组件分别与加速度开关单元4、指示灯7、控制开关8、接口连接器9以及信标电池单元3连接；指示灯7显示所述设备工作状态，控制开关8作为所述设备的电源开关，接口连接器9作为所述设备的信号输入输出接口，信标电池单元3用于实现电源模块功能，加速度开关单元4包括三轴加速度计，用于感知加速度；

所述的处理电路组件为包括母板13、卫星通信板10、北斗RNSS板11和北斗RDSS板12；卫星通信板10、北斗RNSS板11和北斗RDSS板12均插接在母板上；卫星通信板10用于实现卫星通信模块的功能，北斗RNSS板11用于实现北斗卫星RNSS模块功能，北斗RDSS板12用于实现北斗卫星RDSS模块功能，母板上集成有CPU和存储器，并用于实现主控模块功能；

天线单元包括北斗微带双频天线6和卫星通信天线5，北斗微带双频天线分别与北斗RDSS板和北斗RNSS板相连，用于发送用户位置信息和接收北斗二代RNSS差分信息。

Claims (10)

1.一种基于北斗的航空应急示位信标装置，该信标装置包括主控模块、电源模块、事故感知模块、手动触发模块、卫星通信模块、北斗卫星RNSS模块和北斗卫星RDSS模块；主控模块包括主控芯片和存储单元；

电源模块负责给主控模块、事故感知模块、手动触发模块、卫星通信模块、北斗卫星RNSS模块和北斗卫星RDSS模块供电；

事故感知模块的输出接口连接到主控模块，用于向主控模块发出的触发信号；

手动触发模块是与事故感知模块相联，用于在紧急情况发生时驱动事故感知模块发出触发信号，进一步触发主控器；

主控模块还分别与北斗RNSS定位模块、北斗RDSS模块以及406MHZ卫星通信模块连接，在接收到事故感知模块的触发信号后，主控模块通过北斗RNSS定位模块与北斗导航卫星进行通信并将接收到的当前经纬度信息存储在存储单元中，之后主控模块将该经纬度信息转换成通信信号，并通过北斗RDSS模块的短报文通信功能以及406MHZ卫星通信模块将经纬度信息发送到地面基站。

2.根据权利要求1所述的一种基于北斗的航空应急示位信标装置，其特征在于：能够通过机载设备的控制器启动事故感知模块或通过手动的方式触发手动触发模块启动事故感知模块。

3.根据权利要求1所述的一种基于北斗的航空应急示位信标装置，其特征在于：事故感知模块包括三轴六自由度全向加速度开关，所述三轴六自由度全向加速度开关由两个相互垂直布置的三轴加速度计及单片机构成，由单片机接受处理两个三轴加速度传感器的数据，计算飞机的加速度状态，当加速度开关实时感知飞机出现减加速度大于预设值时，进行自动定位告警。

4.根据权利要求3所述的一种基于北斗的航空应急示位信标装置，其特征在于：该预设值在0～10g内任意设定，一旦载机的减加速度值超过预设值，所述应急示位信标装置将自动启动。

5.根据权利要求1所述的一种基于北斗的航空应急示位信标装置，其特征在于：北斗RDSS通信模块电路用于将主控制器转换成的当前位置的经纬度信息通信信号以及飞机的ID信息通过短报文发送至北斗地面基站。

6.根据权利要求1所述的一种基于北斗的航空应急示位信标装置，其特征在于：北斗RNSS模块用于与北斗导航卫星进行通信并快速获得用户当前位置信息，开机后在1分钟之内就能提供准确的经纬度数据，定位精度在10m之内。

7.根据权利要求1所述的一种基于北斗的航空应急示位信标装置，其特征在于：所述的406MHZ卫星通信模块用于将经纬度信息通信信号，通过COSPAS-SARSAT搜救卫星系统发送至本地用户接收终端。

8.根据权利要求1所述的一种基于北斗的航空应急示位信标装置，其特征在于：电源模块能够由飞机电源充电。

9.根据权利要求1所述的一种基于北斗的航空应急示位信标装置，其特征在于：飞机遇险乃至发生坠机时应急示位信标装置能够启动并脱离机身，利用北斗卫星通过RNSS方式获得高精度、高可靠的定位信息，从而实现对遇险飞机的准确定位。

10.一种基于北斗的航空应急示位信标设备，该信标设备包括上箱体(1)、下箱体(2)、信标电池单元(3)、加速度开关单元(4)、天线单元、指示灯(7)、控制开关(8)、接口连接器(9)和处理电路组件；

信标电池单元(3)、加速度开关单元(4)、指示灯(7)、控制开关(8)、接口连接器(9)和处理电路组件均安装在下箱体(2)中；天线单元安装在上箱体(1)上；

处理电路组件分别与加速度开关单元(4)、指示灯(7)、控制开关(8)、接口连接器(9)以及信标电池单元(3)连接；指示灯(7)显示所述设备工作状态，控制开关(8)作为所述设备的电源开关，接口连接器(9)作为所述设备的信号输入输出接口，信标电池单元(3)用于实现电源模块功能，加速度开关单元(4)包括三轴加速度计，用于感知加速度；

所述的处理电路组件为包括母板(13)、卫星通信板(10)、北斗RNSS板(11)和北斗RDSS板(12)；卫星通信板(10)、北斗RNSS板(11)和北斗RDSS板(12)均插接在母板上；卫星通信板(10)用于实现卫星通信模块的功能，北斗RNSS板(11)用于实现北斗卫星RNSS模块功能，北斗RDSS板(12)用于实现北斗卫星RDSS模块功能，母板上集成有CPU和存储器，并用于实现主控模块功能；

天线单元包括北斗微带双频天线(6)和卫星通信天线(5)，北斗微带双频天线分别与北斗RDSS板和北斗RNSS板相连，用于发送用户位置信息和接收北斗二代RNSS差分信息。