CN105487409B - 无人机空域综合飞行安全管控演示验证平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机空域综合飞行安全管控演示验证平台，包括建模单元、仿真单元和空域态势显示单元，所述建模单元用于构建空域态势，所述仿真单元用于对空域态势进行解析发送给待评估系统，再将待评估系统输出的信号进行解析回传至建模单元；所述空域态势显示单元用于从多种角度对空域态势及本机运行情况进行显示，完成对待评估系统的评估。本发明通过建立若干无人机典型运行场景，利用人在回路的仿真运行，验证系统在不同应用架构下的运行品质，分析关键性能参数变化对系统运行能效影响，支撑系统为达到最终需求指标而进行的架构设计、性能参数不断迭代优化，为技术最终转化为可保障无人机全天候安全飞行的态势感知与威胁避让装备奠定基础。

Description

无人机空域综合飞行安全管控演示验证平台

技术领域

本发明涉及一种无人机空域态势构建及系统飞行安全管控能效评估方法，属于航空技术领域。

背景技术

无人机空域综合的内涵是指无人机系统成为国家空域中的一个节点，像有人机一样的使用空域，无需额外限制实现多无人机、无人机/有人机空中有序、高效、安全的飞行管控。

无人机态势感知与避让技术是保障空域综合下无人机飞行安全的核心技术手段。该技术包含地基感知与避让技术和机载感知与避让技术两部分。地基感知与避让技术通过与空中交通管制中心空情信息的交互，多机多站间的互操作，使空管部门对无人机“看得见、通得话、管得住”，真正行使起对无人机的管制权；机载感知与避让技术提供机载设备自主间隔保持和碰撞避免能力，从而保证合适的无人机飞行安全等级。该技术预期通过协同数据链和主动探测传感器监视附近空域其他飞机，预测其运行轨迹，并将其与本机的位置信息实时迭代入基于本机气动特性的自主避让模型，从而为无人机地面指挥人员提供安全间隔保障信息，并在可能产生碰撞危险时，执行主动机动避让。

发明内容

本发明的发明目的在于提供一种无人机空域综合的飞行安全管控演示验证平台，通过建立若干无人机典型运行场景，利用人在回路的仿真运行，验证系统在不同应用架构下的运行品质，分析关键性能参数变化对系统运行能效影响，支撑系统为达到最终需求指标而进行的架构设计、性能参数不断迭代优化，为技术最终转化为可保障无人机全天候安全飞行的态势感知与威胁避让装备奠定基础。

本发明的发明目的通过以下技术方案实现：

一种无人机空域综合飞行安全管控演示验证平台，包括建模单元、仿真单元和空域态势显示单元；

所述建模单元用于依据不同飞行场景建模需求，通过基于时刻的轨迹规划构建本机运行轨迹的空域态势和它机运行轨迹的空域态势并发送给仿真单元和空域态势显示单元；还用于将仿真单元提取的待评估系统的本机飞行参数信息、它机飞行参数信息发送给空域态势显示单元；

所述仿真单元包含空域状态信息解析模块、空域它机空管射频信号仿真接收/发射模块、本机状态信息解析模块和被测系统运行低频信息激励模块；

所述空域状态信息解析模块用于对建模单元输出的它机运行轨迹的空域态势进行解析生成它机载机参数信息和空管射频信号后通过所述空域它机空管射频信号仿真接收/发射模块发射给待评估系统，同时对所述空域它机空管射频信号仿真接收/发射模块接收的待评估系统输出的信号进行解析提取它机飞行参数信息回传至建模单元；

所述本机状态信息解析模块用于对建模单元输出的本机运行轨迹的空域态势进行解析后生成本机载机参数信息通过所述被测系统运行低频信息激励模块发送给测试系统，同时对所述被测系统运行低频信息激励模块接收的待评估系统输出的信号进行解析提取本机飞行参数信息回传至建模单元；

所述空域态势显示单元用于接收建模单元输出的本机运行轨迹的空域态势和它机运行轨迹的空域态势、本机飞行参数信息、它机飞行参数信息，从多种角度对空域态势及本机运行情况进行显示，完成对待评估系统的评估。

依据上述特征，所述建模单元通过提供供使用者输入建模参数信息的显示界面，根据输入的建模参数信息后进行手动配置构建本机运行轨迹的空域态势和它机运行轨迹的空域态势。

依据上述特征，所述建模参数信息包含：

1)本机S模式设置；

2)本机飞行标识设置；

3)本机运行状态设置；

4)基于时刻的本机经纬度设置；

5)基于时刻的本机无线电高度设置；

6)基于时刻的本机气压高度设置；

7)它机类型设置；

8)它机S模式设置；

9)它机空管信发射功率设置；

10)它机飞行标识设置；

11)基于时刻的它机经纬度设置；

12)基于时刻的它机无线电高度设置；

13)基于时刻的它机气压高度设置。

依据上述特征，所述建模单元根据所述建模参数信息通过以下计算完成本机运行轨迹的空域态势的建模：

1)基于时刻的本机垂直速度计算；

2)基于时刻的本机航向计算；

3)基于时刻的本机地速计算；

通过以下计算完成它机运行轨迹的空域态势的建模：

1)基于时刻的它机垂直速度计算；

2)基于时刻的它机航向计算；

3)基于时刻的它机地速计算；

4)基于时刻的它机相对与本机的距离计算；

5)基于时刻的它机相对与本机的方位计算。

依据上述特征，所述本机载机参数信息包含本机的无线电高度、气压高度、经纬度，所述它机载机参数信息包含它机的无线电高度、气压高度、经纬度。

依据上述特征，所述被测系统运行低频信息激励模块通过ARINC 429总线、RS422总线或者I/O总线与待评估系统相连。

依据上述特征，所述空域它机空管射频信号仿真接收/发射模块通过内部总线与待评估系统相连。

依据上述特征，所述多种角度包含鹰眼、跟随、第一人称。

本方案可实现典型场景下的实时多模空管射频信号模拟，提供基于被测系统接口的载机参数输出实时配置，提供任意可配置的基于运行环境的ARINC429、RS422、I/O等载机运行参数信号和它机实时射频空管信号，并通过3D空域态势评估分析验证系统运行品质。摒弃了传统着眼于性能指标的测试验证，有益于系统在多任务环境下的运行能效评估。

附图说明

图1是无人机空域综合飞行安全管控演示验证平台的结构示意图；

图2是本发明中仿真单元的内部结构示意图；

图3是本发明中仿真单元的外部结构示意图；

图4是无人机空域综合飞行安全管控演示验证平台软件架构图；

图5是本发明中建模单元的软件配置界面；

图6是本发明中空域态势显示单元的软件显示界面图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步详细阐述本发明。

无人机空域综合飞行安全管控演示验证平台包括下列组成单元：

a)建模单元；

b)仿真单元；

c)空域态势显示单元；

各组成单元及配套关系如图1所示。

建模单元依据不同典型飞行场景建模需求，通过基于时刻的轨迹规划构建本机运行轨迹的空域态势和多架次、多类型空域的它机运行轨迹的空域态势。

建模单元是基于上位机开发的软件平台，其开发软件的显示界面如图5所示，该界面中可以对本机、它机(入侵机)的机型、时间、S模式地址、飞机标识、飞行状态等等参数进行手动配置，从而实现基于预设时间的本机/它机飞行轨迹规划，并在右侧显示界面中全景展示整个空域配置态势信息，其具体功能包括：

1)基于时刻的本机运行轨迹规划

a)本机S模式设置

b)本机飞行标识设置

c)本机运行状态设置(正常工作/无线电静默)

d)基于时刻的本机经纬度设置

e)基于时刻的本机无线电高度设置

f)基于时刻的本机气压高度设置

g)基于时刻的本机垂直速度计算

h)基于时刻的本机航向计算

i)基于时刻的本机地速计算

2)基于时刻的它机运行轨迹规划

6)它机类型设置(ADS-B/S模式/ADS-B+S模式)

7)它机S模式设置

8)它机空管信发射功率设置

9)它机飞行标识设置

10)基于时刻的它机经纬度设置

11)基于时刻的它机无线电高度设置

12)基于时刻的它机气压高度设置

13)基于时刻的它机垂直速度计算

14)基于时刻的它机航向计算

15)基于时刻的它机地速计算

16)基于时刻的它机相对与本机的距离计算

17)基于时刻的它机相对与本机的方位计算

3)全景展示无人机空管态势感知与规避系统运行环境的建模情况。

仿真单元是基于3U机箱的硬件平台，主要由空域状态信息解析模块、空域它机空管射频信号仿真接收/发射模块、本机状态信息解析模块、被测系统运行低频信息激励模块组成，如图2所示，其外观结构设计如图3所示。

空域状态信息解析模块通过网口协议接收建模单元输出的它机运行轨迹的态势信息并解析，按照标准格式组帧形成实时的它机位置、速度等它机载机参数信息以及空管射频信号驱动空域它机空管射频信号仿真接收/发射模块发射，对空域它机空管射频信号仿真接收/发射模块接收的待评估系统的射频输入信号进行解析提供它机飞行参数信息送至建模单元(上位机)解析显示。

如果构建的它机类型为S模式它机，则空域状态信息解析模块接收本机的询问信号，并根据场景建模中两机的实时距离，延迟对应的时间模拟产生针对该次询问的应答信号；如果构建的它机类型为ADS-B模式它机，则空域状态信息解析模块根据场景建模中该机的ADS-B相关信息生成符合标准的空中位置ES、空中速度ES、地面位置ES、飞行标识ES等信息，并按照标准的时间间隔射频调制输出。

空域它机空管射频信号仿真接收/发射模块接收空域状态信息解析模块发送的控制信号选择相对应的功率输出，接收空域状态信息解析模块提供的它机载机参数数据并输出1090MHz射频信号。

空域它机空管射频信号仿真接收/发射模块接收待评估系统的射频输入信号，经变频、解调后送至空域状态信息解析模块处理。

本机状态信息解析模块通过网口协议接收建模单元中的本机运行轨迹的空域态势，按照标准协议编码组帧形成符合要求的本机载机参数数据发送至被测系统运行低频信息激励模块，同时接收被测系统运行低频信息激励模块反馈的待评估系统的射频输入信号回传至建模单元输出显示。

被测系统运行低频信息激励模块接收和解析本机状态信息解析模块的本机载机参数信息，按照要求接口定义、配置通道、数据组帧输出，并能接收和反馈待评估系统的低频激励数据。

仿真单元的总体功能包括：

a)态势信息解析；

b)它机载机参数信息、本机载机参数信息生成；

c)它机载机参数信息、本机载机参数信息通过配置输出及状态显示；

d)实时空域它机1090ES报文信息生成；

e)实时空域它机ADS-B out射频信号输出；

f)实时空域它机应答射频信号输出；

g)实时空域它机询问射频信号输出；

h)空域它机射频信号输出状态显示。

空域态势显示单元是基于上位机的X-Plane软件平台，软件各视角、配置窗口等实际显示画面如图6所示，具备的主要能力包括：

a)无人机空域综合飞行安全管控运行环境建模信息解析；

b)可通过鹰眼、跟随、第一人称等视角显示空域态势；

c)具备本机和它机的飞机状态、飞行轨迹等目标信息的显示能力；

d)具备本机、空域它机贴图的配置能力(包含军用运输机、民航客机、通航飞机、战斗机、无人机五种选择)

e)具有记录、回放功能。

无人机空域综合飞行安全管控演示验证平台的软件组成如图4所示，负责任务调度、管理，实现运行环境的建模、空域态势的显示、载机运行参数信息的生成、空域它机空管射频信号信息的生成。

a)本机状态信息解析软件具备功能(即本机状态信息解析模块的功能)：

1)数据接口：通过TCP/IP协议，接收环境建模软件的输出信息；

2)数据转化：将解析后的载机信息按照内部协议完成数据转化，并通过3个RS422串口对外输出；

3)状态配置：提供人机交互的控制界面对载机参数输出通道进行配置，并将配置信息按照内部协议通过RS232串口对外输出；

4)状态指示：通过RS232串口接收显示输出通道的配置状态，并在人机交互的控制界面显示；

b)空域状态信息解析软件具备功能(即空域状态信息解析模块的功能)：

1)数据接口：通过TCP/IP协议，接收环境建模软件的输出信息；

2)数据转换：将解析后的空域它机信息中ADS-B相关信息生成实时的空域它机1090ES报文信息(空中位置ES、空中速度ES、飞机标识ES、地面位置ES)；

3)数据发送：将生成的1090ES报文信息、空域它机的其他信息按照内部协议通过内部总线输出。

本专利构建了无人机空域综合飞行安全管控演示验证平台，实现了面向无人机空域综合的飞行安全管控能效评估，突破基于典型运行场景的系统运行能效评估、基于典型运行场景的实时多模空管射频信号模拟、基于被测系统接口的载机参数输出实时配置等关键技术，实现对系统提供任意可配置的基于运行环境的ARINC 429、RS422、I/O等载机运行参数信号和它机实时射频空管信号，并通过3D空域态势评估分析，验证系统运行品质，其评估流程如下：

a)建模单元依据不同典型飞行场景建模需求，通过基于时刻的轨迹规划完成包含本机运行轨迹，多架次、多类型空域它机运行轨迹的空域态势构建；

b)仿真单元接收并解析建构的空域态势(本机/它机数据)，将其转换模拟可激励系统运行的实时无线电高度、气压高度、经纬度等载机参数信息，同时，平台可根据要求模拟不同类型的空管射频信号，将这些低频、射频信号发送至待评估设备系统，实现受评估系统的激励输入。

c)仿真单元接收待评估系统的输出信号(低频、射频信号)并解析处理，提取本机和它机的飞行参数信息，将所有提炼数据反馈至建模单元。

d)建模单元将空域态势、本机和它机的飞行参数信息输出至空域态势显示单元。

e)空域态势显示单元收到所有本机、它机飞行参数信息后，通过多种机种、视角切换、目标信息显示等手段反映空域态势及本机运行情况，可直观显示多架飞机的空中防撞告警、空情态势感知等等实时安全信息，实现典型场景下的系统飞行安全管控能效评估。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种无人机空域综合飞行安全管控演示验证平台，包括建模单元、仿真单元和空域态势显示单元，其特征在于：

所述建模单元用于依据不同飞行场景建模需求，通过基于时刻的轨迹规划构建本机运行轨迹的空域态势和它机运行轨迹的空域态势并发送给仿真单元和空域态势显示单元；还用于将仿真单元提取的待评估系统的本机飞行参数信息、它机飞行参数信息发送给空域态势显示单元；

所述仿真单元包含空域状态信息解析模块、空域它机空管射频信号仿真接收/发射模块、本机状态信息解析模块和被测系统运行低频信息激励模块；

所述空域状态信息解析模块用于对建模单元输出的它机运行轨迹的空域态势进行解析生成它机载机参数信息和空管射频信号后通过所述空域它机空管射频信号仿真接收/发射模块发射给待评估系统，同时对所述空域它机空管射频信号仿真接收/发射模块接收的待评估系统输出的信号进行解析提取它机飞行参数信息回传至建模单元；

所述本机状态信息解析模块用于对建模单元输出的本机运行轨迹的空域态势进行解析后生成本机载机参数信息通过所述被测系统运行低频信息激励模块发送给测试系统，同时对所述被测系统运行低频信息激励模块接收的待评估系统输出的信号进行解析提取本机飞行参数信息回传至建模单元；

所述空域态势显示单元用于接收建模单元输出的本机运行轨迹的空域态势和它机运行轨迹的空域态势、本机飞行参数信息、它机飞行参数信息，从多种角度对空域态势及本机运行情况进行显示，完成对待评估系统的评估。

2.根据权利要求1所述一种无人机空域综合飞行安全管控演示验证平台，其特征在于所述建模单元通过提供供使用者输入建模参数信息的显示界面，对输入的建模参数信息进行手动配置构建本机运行轨迹的空域态势和它机运行轨迹的空域态势。

3.根 据权利要求2所述一种无人机空域综合飞行安全管控演示验证平台，其特征在于所述建模参数信息包含：

1)本机S模式设置；

2)本机飞行标识设置；

3)本机运行状态设置；

4)基于时刻的本机经纬度设置；

5)基于时刻的本机无线电高度设置；

6)基于时刻的本机气压高度设置；

7)它机类型设置；

8)它机S模式设置；

9)它机空管信号发射功率设置；

10)它机飞行标识设置；

11)基于时刻的它机经纬度设置；

12)基于时刻的它机无线电高度设置；

13)基于时刻的它机气压高度设置。

4.根 据权利要求3所述一种无人机空域综合飞行安全管控演示验证平台，其特征在于所述建模单元根据所述建模参数信息通过以下计算完成本机运行轨迹的空域态势的建模：

1)基于时刻的本机垂直速度计算；

2)基于时刻的本机航向计算；

3)基于时刻的本机地速计算；

通过以下计算完成它机运行轨迹的空域态势的建模：

1)基于时刻的它机垂直速度计算；

2)基于时刻的它机航向计算；

3)基于时刻的它机地速计算；

4)基于时刻的它机相对于本机的距离计算；

5)基于时刻的它机相对于本机的方位计算。

5.根据权利要求1所述一种无人机空域综合飞行安全管控演示验证平台，其特征在于所述本机载机参数信息包含本机的无线电高度、气压高度、经纬度，所述它机载机参数信息包含它机的无线电高度、气压高度、经纬度。

6.根据权利要求1所述一种无人机空域综合飞行安全管控演示验证平台，其特征在于所述被测系统运行低频信息激励模块通过ARINC 429总线、RS422总线或者I/O总线与待评估系统相连。

7.根据权利要求1所述一种无人机空域综合飞行安全管控演示验证平台，其特征在于所述空域它机空管射频信号仿真接收/发射模块通过内部总线与待评估系统相连。

8.根据权利要求1所述一种无人机空域综合飞行安全管控演示验证平台，其特征在于所述多种角度包含鹰眼、跟随、第一人称。