CN110060515B - 一种基于gnss的航空器监控系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供的一种基于GNSS的航空器监控系统，所述系统包括综合处理机载端、GNSS机载设备，和卫星导航中心站，其中所述GNSS机载设备，用于实现航空器定位；所述综合处理机载端，用于整合航空器飞行信息并组帧通过北斗RDSS系统发送给所述卫星导航中心站；所述卫星导航中心站，用于综合处理航空器飞行信息，实现航空器飞行显示以及目标航空器和周边航空器的组群，同时将航空器飞行状态通过北斗RDSS系统发送给目标航空器。

Description

一种基于GNSS的航空器监控系统及方法

技术领域

本申请属于航空技术领域，具体涉及一种基于GNSS的航空器监控系统及方法。

背景技术

随着中国经济地不断增长，中国的航空业得到了前所未有的发展。整个行业迅猛发展，造成了空中飞机数量的增加，空域的管理、航空器监控问题逐步凸显，有人机和无人机的监控方式不统一，通用航空器和民用航空器的监控受地形和高度限制。为了确保航空运输安全，提高空域容量和航空器运行效率，亟需在航空器监视、空中交通管理采用新技术，推行新方法。

传统的航空器雷达监控方式，雷达覆盖范围有限，70％以上地域没有雷达覆盖，且受地形和高度影响严重，航路上布设受多方因素困扰，监控范围受限，无法有效覆盖中低空空域，报文通信更新频率较低，设备功能单一、通用性差。

在民用航空中基于ADS－B的航空器监视方法，利用甚高频空地数据链周期性广播飞机精确的位置信息，ADS－B配备不足，机载电子设备成本高，数据更新率低，且需要在航路上布设ADS－B地面站，建设费用高，受限于地理因素，地面站维护成本高，目前在无人机和通用航空监控中不具备推广意义。

发明内容

针对上述问题，本申请基于以北斗为主的GNSS机载设备，通过建立配套的综合处理机载端和综合处理地面管理端，提出了一种航空器监控方法，实现航空器快速定位，与空中交通管理中心、航空公司持续无间断通信，实现航空器飞行状态监视、记录、回放，卫星链路上传指令等功能。

第一方面，本申请提出了一种基于GNSS的航空器监控系统，所述系统包括综合处理机载端、GNSS机载设备，和卫星导航中心站，其中：

所述GNSS机载设备，用于实现航空器定位；

所述综合处理机载端，用于整合航空器飞行信息并组帧通过北斗RDSS系统发送给所述卫星导航中心站；

所述卫星导航中心站，用于综合处理航空器飞行信息，实现航空器飞行显示以及目标航空器和周边航空器的组群，同时将航空器飞行状态通过北斗RDSS系统发送给目标航空器。

可选的，所述GNSS机载设备还用于：

接收北斗RNSS和GALILEO卫星信号，经过场放，数字下变频，进行伪码捕获，卫星优选以及解调，通过对伪距进行PVT解算，得到航空器的经度、纬度、高度以及时间同步信息；

通过外置RDSS天线接收北斗RDSS出站信号，经过场放，数字下变频，进行伪码捕获，信号解扩解调，电文解析，得到综合处理地面管理端传输的地面信息发送给综合处理机载端；

整合综合处理机载设备端发送的入站信息，通过信息编码，信道编码，数字变频，功放，由RDSS天线输出发射。

可选的，所述综合处理机载端还用于：

通过与GNSS机载设备交互，获取飞机惯导、气压信息、航班号、机型、飞行状态信息，按照北斗入站信号通信电文格式进行组帧打包，通过接口发送给GNSS机载设备，经由RDSS入站信号链路发送给北斗导航系统中心站；

接收GNSS机载设备发送的信息，将地面发送的管制、气象信息通过接口模块转发给机载航电设备，同时将相关内容送给显示模块；

提取并解析GNSS机载设备发送的信息，解析综合处理地面管理端发送的航空器组群内的多个航空器飞行状态，结合本机地图，传送给综合处理机载端的监控/显示模块，进行实时飞行状态观测；

提取并解析GNSS机载设备发送的信息，解析综合处理地面管理端发送的航空器服务码，通过监控/显示模块输入需要通信的内容，将航空器服务码与通信内容打包组帧通过接口发送给GNSS机载设备，实现航空器之间的通信。

可选的，所述航空器监控系统还包括综合处理地面管理端，所述综合处理地面管理端还用于：

接收地面通信网传输来的RDSS入站电文，通过匹配航空器服务码，解析提取入站飞行信息，通过接口发送给相关部门；

通过外部接口链接到空管中心/航空公司，将需要上传的气象、管制数据进行组帧打包，通过接口经由地面通信网发送给北斗导航中心站；

通过内置的优选范围，确定中心目标航空器，规定半径范围内的空域飞行情况，整合范围内航空器服务码建立组群，将该组群航空器服务码组帧成出站信号，发送给组群内的航空器，航空器可根据服务码实现组群内的通信交互。

第二方面，本申请提出了一种基于上述的航空器监控系统的航空器监控方法，所述方法包括：

综合处理机载端根据机载GNSS设备、惯导、气压仪的信息，获取航空器的实时经度、纬度、高度、时间、速度、航向信息；

综合处理机载端对所述航空器的实时经度、纬度、高度、时间、速度、航向信息进行整合，并将整合后的信息通过北斗RDSS数据链发送入站信息给北斗导航系统中心站；

所述北斗导航系统中心站通过识别字段航空器服务码，提取航空器回发内容，通过地面通信网将相应的航空器下传内容转发给综合处理地面管理端；

所述综合处理地面管理端整合接收到航空器信息，进行位置信息综合优化，将航空器信息、时间信息、服务代码内容综合显示，得到回传航空器的实时位置及相关信息；

综合处理地面管理端获取管制信息，通过地面通信网将所述管制信息发送给北斗导航系统中心站，地面运控中心组帧，通过北斗RDSS数据链发送出站信息给综合处理机载端；

综合处理机载端接收所述管制信息，进行解帧，发送给相应的机载设备，执行相应的管理指令。

可选的，在所述综合处理机载端接收所述管制信息，进行解帧，发送给相应的机载设备，执行相应的管理指令后，所述方法还包括：

综合地面处理管理端根据设置的范围门限，提取目标机门限范围内的航空器服务码发送给北斗导航系统中心站；

北斗导航系统中心站进行组群，将相应群组服务码以及组群内航空器信息通过北斗出站信号发送到目标航空器。

可选的，在所述北斗导航系统中心站进行组群，将相应群组服务码以及组群内航空器信息通过北斗出站信号发送到目标航空器之后，所述方法还包括：

目标航空器接收到北斗出站信号，进行变频，信号解扩解调译码，提取电文内容，由综合处理机载端综合显示群组内的航空器状态，实现目标航空器周边飞行状态显示。

可选的，在所述目标航空器接收到北斗出站信号，进行变频，信号解扩解调译码，提取电文内容，所述方法还包括：

目标航空器通过提取的航空器服务码，发送RDSS入站信号，可以实现与周边航空器的通信，完成空－空实时通信功能。

综上所述，本申请具有以下有益效果：

1)提供了一种新的航空器监控方法，该方法通过GNSS多模定位技术，北斗RDSS星基通讯与新布设的综合处理机载端、综合处理地面运控端结合，将卫星导航无源定位与现有地面通信网融合，进而实现空管中心对航空器的全时域、全地域全空域的无缝监视。

2)本申请提出的方法适用于高空、低空空域的所有航空器，同时也适用于有人机和无人机，机载设备轻便简单，该技术为低空空域管理以及无人机领域的航空器监管提供了切实可行的方法，同时也为航空器军民融合、通用航空与民用航空统一化管理提供了新的思路。

3)本申请主要基于已有具有自主知识产权的卫星导航空间段、地面段以及用户段已有设备为基础，新增成本极低的综合处理机载端和综合处理运控端，不局限于人口密集的城市，抑或缺少二次雷达以及ADS－B覆盖的偏远地区，都可以通过该方法实现飞行器实时监管。无需高成本地面建站，从系统规划和应用层面进行了融合，节省了系统建设成本，提高了系统复用率。

4)结合未来航空运输发展趋势，基于航迹的运行，所有的航空器均配备多模高集成度的机载卫星导航设备，我国正在建设北斗三号全球卫星导航系统，从系统建设层面融入航空器的综合应用，跟随系统建设的步伐推进机载导航设备在航电中的核心地位，综合处理机载端等功能集成到机载卫星导航设备中，实现机载设备新理念。

附图说明

图1为本申请实施例提供的系统结构图；

图2为本申请实施例提供的GNSS机载设备原理图；

图3为本申请实施例提供的综合处理机载端原理图；

图4为本申请实施例提供的综合处理地面运控端原理图。

具体实施方式

本申请基于以北斗为主的GNSS机载设备，通过建立配套的综合处理机载端和综合处理地面管理端，提出了一种航空器监控方法，实现航空器快速定位，与空中交通管理中心、航空公司持续无间断通信，实现航空器飞行状态监视、记录、回放，卫星链路上传指令等功能，以解决目前不同航空器使用中存在的空域差异导致监控难，互联频率低，通用性差，建设复杂，价格昂贵等问题，对我国航空器监控规范化、实施救援跟踪等有借鉴意义。

实施例一

本申请采用如下技术方案，本申请包括综合处理机载端，综合处理地面管理端。

本申请利用GNSS机载设备，包括北斗RNSS联合GALILEO实现无源定位，RDSS大容量出入站结合地面通信网技术，进行航空器飞行状态上报，以及相关的航路运行、航空管制等服务。其中RNSS和RDSS均为我国自主知识产权卫星导航，GALILEO是由我国参与投资并作为研发国之一，故设备层面不存在安全隐患或受制于人的技术状况。

本技术方案工作流程如下：

1)综合处理机载端获取并综合机载GNSS设备、惯导、气压仪的信息，获取航空器的实时经度、纬度、高度、时间、速度、航向等信息。

2)整合后的信息通过北斗RDSS数据链发送入站信息给北斗导航系统中心站。

3)北斗导航系统中心站通过识别字段航空器服务码，提取航空器回发内容，通过地面通信网将相应的航空器下传内容转发给综合处理地面管理端。

4)综合处理地面管理端整合接收到航空器信息，进行位置信息综合优化，将航空器信息、时间信息、服务代码等内容综合显示，可得到所有回传航空器的实时位置及相关信息。

5)综合处理地面管理端回传空管中心/航空公司发送的管制/气象等信息，整合后通过地面通信网发送给北斗导航系统中心站，地面运控中心组帧，通过北斗RDSS数据链发送出站信息给综合处理机载端。

6)综合处理机载端接收到空管/航空公司等发送的地面信息后，进行解帧，发送给相应的机载设备，执行相应的管理指令。

7)综合地面处理管理端根据设置的范围门限，提取目标机门限范围内的航空器服务码发送给北斗导航系统中心站，由北斗导航系统中心站进行组群，将相应群组服务码以及组群内航空器信息通过北斗出站信号发送到目标航空器中。

8)目标航空器接收到北斗出站信号，进行变频，信号解扩解调译码，提取电文内容，由综合处理机载端综合显示群组内的航空器状态，实现目标航空器周边飞行状态显示。

9)目标航空器通过提取的航空器服务码，发送RDSS入站信号，可以实现与周边航空器的通信，完成空－空实时通信功能。

以下结合附图对本申请的系统进行进一步描述：本实施例在以本申请技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本申请的保护范围不限于下述的实施例。

实施例二

本申请利用GNSS机载设备，包括北斗RNSS联合GALILEO实现无源定位，RDSS大容量出入站结合地面通信网技术，进行航空器飞行状态上报，以及相关的航路运行、航空管制等服务。其中RNSS和RDSS均为我国自主知识产权卫星导航，GALILEO是由我国参与投资并作为研发国之一，故设备层面不存在安全隐患或受制于人的技术状况。

如图1所示，本实施例包括：综合处理机载端，综合处理地面管理端，GNSS机载设备，以及卫星导航系统必备的已经建立的卫星导航中心站，GNSS卫星群。其中GNSS机载设备用于实现航空器定位，综合处理机载端用于整合航空器飞行信息并组帧通过北斗RDSS系统发送给卫星导航中心站，卫星导航中心站用于传输空地信息，综合处理地面管理端整合接收到的北斗信息，实现航空器飞行显示以及目标航空器和周边航空器的组群，同时将地面管制、气象等先验信息以及周边航空器飞行状态通过北斗RDSS系统传递给目标航空器，航空器通过综合处理机载端提取周边航空器飞行状态，以及地面管控等信息。

图2是GNSS机载设备，完成GNSS下行信号接收及处理功能，通过机载外置RNSS/GALILEO天线接收北斗RNSS和GALILEO卫星信号，经过场放，数字下变频，进行伪码捕获，卫星优选以及解调，通过对伪距进行PVT解算，得到航空器的经度、纬度、高度以及时间同步信息。

GNSS机载设备，完成RDSS出站信号接收功能，通过外置RDSS天线接收北斗RDSS出站信号，经过场放，数字下变频，进行伪码捕获，信号解扩解调，电文解析，得到综合处理地面管理端传输的地面信息发送给综合处理机载端。

GNSS机载设备，完成RDSS入站信号发送功能，整合综合处理机载设备端发送的入站信息，通过信息编码，信道编码，数字变频，功放，由RDSS天线输出发射。

图3是综合处理机载端，实现机载信息整合与传输功能，通过与GNSS机载设备以及其他航电设备交互，获取飞机惯导、气压信息、航班号、机型、飞行状态等信息，按照北斗入站信号通信电文格式进行组帧打包，通过接口发送给GNSS机载设备，经由RDSS入站信号链路发送给北斗导航系统中心站。

综合处理机载端，实现地空信息交互功能，接收GNSS机载设备发送的信息，将地面发送的管制、气象等信息通过接口模块转发给机载航电设备，同时将相关内容送给显示模块，供飞行员参考。

综合处理机载端，实现飞行状态监控及显示功能，提取并解析GNSS机载设备发送的信息，解析综合处理地面管理端发送的航空器组群内的多个航空器飞行状态，包括经度、纬度、高度、时间、航向、速度、航班编号等信息，结合本机地图，传送给综合处理机载端的监控/显示模块，进行实时飞行状态观测。

综合处理机载端，实现空－空通信功能，提取并解析GNSS机载设备发送的信息，解析综合处理地面管理端发送的航空器服务码，通过监控/显示模块输入需要通信的内容，将航空器服务码与通信内容打包组帧通过接口发送给GNSS机载设备，实现航空器之间的一对一通信。

图4是综合处理地面管理端，实现航空器监视功能，综合处理地面管理端接收地面通信网传输来的RDSS入站电文，通过匹配航空器服务码，解析提取入站飞行信息，包括经度、纬度、高度、时间、航向、速度、航班编号等，通过接口发送给相关部门，如空管中心/航空公司。

综合处理地面管理端，实现地空信息交互功能，通过外部接口链接到空管中心/航空公司，将需要上传的气象、管制数据进行组帧打包，通过接口经由地面通信网发送给北斗导航中心站。

综合处理地面管理端，实现航空器组群功能，通过内置的优选范围，得到以某目标航空器为中心，规定半径范围内的空域飞行情况，整合范围内航空器服务码建立组群，将该组群航空器服务码组帧成出站信号，发送给组群内的航空器，航空器可根据服务码实现组群内的通信交互。

综上所述，本申请具有以下有益效果：

1)提供了一种新的航空器监控方法，该方法通过GNSS多模定位技术，北斗RDSS星基通讯与新布设的综合处理机载端、综合处理地面运控端结合，将卫星导航无源定位与现有地面通信网融合，进而实现空管中心对航空器的全时域、全地域全空域的无缝监视。

2)本申请提出的方法适用于高空、低空空域的所有航空器，同时也适用于有人机和无人机，机载设备轻便简单，该技术为低空空域管理以及无人机领域的航空器监管提供了切实可行的方法，同时也为航空器军民融合、通用航空与民用航空统一化管理提供了新的思路。

3)本申请主要基于已有具有自主知识产权的卫星导航空间段、地面段以及用户段已有设备为基础，新增成本极低的综合处理机载端和综合处理运控端，不局限于人口密集的城市，抑或缺少二次雷达以及ADS－B覆盖的偏远地区，都可以通过该方法实现飞行器实时监管。无需高成本地面建站，从系统规划和应用层面进行了融合，节省了系统建设成本，提高了系统复用率。

4)结合未来航空运输发展趋势，基于航迹的运行，所有的航空器均配备多模高集成度的机载卫星导航设备，我国正在建设北斗三号全球卫星导航系统，从系统建设层面融入航空器的综合应用，跟随系统建设的步伐推进机载导航设备在航电中的核心地位，综合处理机载端等功能集成到机载卫星导航设备中，实现机载设备新理念。

Claims (6)

1.一种基于全球导航卫星系统(GNSS，Globa lNavigation Satellite System)的航空器监控系统，其特征在于，所述系统包括综合处理机载端、GNSS机载设备，和卫星导航中心站，其中：

所述GNSS机载设备，用于实现航空器定位；

所述综合处理机载端，用于整合航空器飞行信息并组帧通过北斗RDSS系统发送给所述卫星导航中心站；

所述卫星导航中心站，用于综合处理航空器飞行信息，实现航空器飞行显示以及目标航空器和周边航空器的组群，同时将航空器飞行状态通过北斗RDSS系统发送给目标航空器；

所述GNSS机载设备，完成GNSS下行信号接收及处理功能，还用于：

通过机载外置RNSS/GALILEO天线接收北斗RNSS和GALILEO卫星信号，经过场放，数字下变频，进行伪码捕获，卫星优选以及解调，通过对伪距进行PVT解算，得到航空器的经度、纬度、高度以及时间同步信息；

通过外置RDSS天线接收北斗RDSS出站信号，经过场放，数字下变频，进行伪码捕获，信号解扩解调，电文解析，得到综合处理地面管理端传输的地面信息发送给综合处理机载端；

整合综合处理机载设备端发送的入站信息，通过信息编码，信道编码，数字变频，功放，由RDSS天线输出发射；

所述综合处理机载端实现机载信息整合与传输功能，还用于：

通过与GNSS机载设备交互，获取飞机惯导、气压信息、航班号、机型、飞行状态信息，按照北斗入站信号通信电文格式进行组帧打包，通过接口发送给GNSS机载设备，经由RDSS入站信号链路发送给北斗导航系统中心站；

接收GNSS机载设备发送的信息，将地面发送的管制、气象信息通过接口模块转发给机载航电设备，同时将相关内容送给显示模块；

提取并解析GNSS机载设备发送的信息，解析综合处理地面管理端发送的航空器组群内的多个航空器飞行状态，结合本机地图，传送给综合处理机载端的监控/显示模块，进行实时飞行状态观测；

提取并解析GNSS机载设备发送的信息，解析综合处理地面管理端发送的航空器服务码，通过监控/显示模块输入需要通信的内容，将航空器服务码与通信内容打包组帧通过接口发送给GNSS机载设备，实现航空器之间的通信。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述航空器监控系统还包括综合处理地面管理端，所述综合处理地面管理端还用于：

接收地面通信网传输来的RDSS入站电文，通过匹配航空器服务码，解析提取入站飞行信息，通过接口发送给相关部门；

通过外部接口链接到空管中心/航空公司，将需要上传的气象、管制数据进行组帧打包，通过接口经由地面通信网发送给北斗导航中心站；

通过内置的优选范围，确定中心目标航空器，规定半径范围内的空域飞行情况，整合范围内航空器服务码建立组群，将该组群航空器服务码组帧成出站信号，发送给组群内的航空器，航空器可根据服务码实现组群内的通信交互。

3.一种基于权利要求1所述的航空器监控系统的航空器监控方法，其特征在于，所述方法包括：

综合处理机载端根据机载GNSS设备、惯导、气压仪的信息，获取航空器的实时经度、纬度、高度、时间、速度、航向信息；

综合处理机载端对所述航空器的实时经度、纬度、高度、时间、速度、航向信息进行整合，并将整合后的信息通过北斗RDSS数据链发送入站信息给北斗导航系统中心站；

所述北斗导航系统中心站通过识别字段航空器服务码，提取航空器回发内容，通过地面通信网将相应的航空器下传内容转发给综合处理地面管理端；

所述综合处理地面管理端整合接收到航空器信息，进行位置信息综合优化，将航空器信息、时间信息、服务代码内容综合显示，得到回传航空器的实时位置及相关信息；

综合处理地面管理端获取管制信息，通过地面通信网将所述管制信息发送给北斗导航系统中心站，地面运控中心组帧，通过北斗RDSS数据链发送出站信息给综合处理机载端；

综合处理机载端接收所述管制信息，进行解帧，发送给相应的机载设备，执行相应的管理指令。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述综合处理机载端接收所述管制信息，进行解帧，发送给相应的机载设备，执行相应的管理指令后，所述方法还包括：

综合地面处理管理端根据设置的范围门限，提取目标机门限范围内的航空器服务码发送给北斗导航系统中心站；

北斗导航系统中心站进行组群，将相应群组服务码以及组群内航空器信息通过北斗出站信号发送到目标航空器。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述北斗导航系统中心站进行组群，将相应群组服务码以及组群内航空器信息通过北斗出站信号发送到目标航空器之后，所述方法还包括：

目标航空器接收到北斗出站信号，进行变频，信号解扩解调译码，提取电文内容，由综合处理机载端综合显示群组内的航空器状态，实现目标航空器周边飞行状态显示。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述目标航空器接收到北斗出站信号，进行变频，信号解扩解调译码，提取电文内容，所述方法还包括：

目标航空器通过提取的航空器服务码，发送RDSS入站信号，可以实现与周边航空器的通信，完成空－空实时通信功能。

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