CN110071754B - Uav测控链路中断故障应急处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种UAV测控链路中断故障应急处理方法，旨在提供一种提高系统整体可靠性，将事故损失减至最小，为突发性事件的应急监测提供一种技术选择方法。本发明通过下述技术方案予以实现，基于无人机平台的应急监测系统，机载飞控计算机将飞控系统中的无人机测控链路分为L波段与UHF波段，按照所处位置划入测控系统；飞控系统对测控链路的管理中优先使用L波段数据，在L波段数据中断情况下，采用U波段数据；机载飞控计算机根据当前的飞行阶段与飞行速度，对故障设置不同，通过故障处理程序软件设定的决断速度门限，监视画面正常显示设置判据的生成,读取并处理测试仪器送来的数据控制，自检测比较监控和模型监控方式监测飞行中的故障。

Description

UAV测控链路中断故障应急处理方法

技术领域

本发明涉及一种主要运用于高空高速无人驾驶飞机测控链路中断时的应急处置方法。

背景技术

无人机UAV测控与信息传输主要完成对无人机的遥控指令、遥测参数和图像信息的传输，是连接地面操作人员和无人机的唯一桥梁和纽带，在无人机系统中起着非常重要的作用。无人机的飞行主要是通过飞行控制系统自动控制来实现，但是控制模态的转换需要人工干预实现，或者可以人工调整控制目标。实际上是一种决策信息不够全面或者决策不够确定，继而通过人的感知进行补充的控制方式。无人驾驶飞机与地面人员通过测控系统实现人机互动，飞行过程中通过测控链路接收测控指令，实现复杂的机载系统管理及繁琐的任务飞行。无人机数据链基本构成包括发射系统,接收系统,天线及馈源系统,信号处理及显示系统,测控终端发出的遥控信号送往发射机,调制放大后由天线辐射出去。无人机各种控制指令都必须通过上行的遥控信道传送，而各种遥测参数以及大量的侦察图像数据都必须通过下行的遥测信道传送到地面站。因此无人机按数据传输方向的不同，分为上行链路和下行链路。上行链路主要完成地面站至无人机遥控指令的发送和接收；下行链路主要完成无人机至地面站的遥测数据以及红外或电视图像的发送和接收。并利用上下行链路进行测距。数据链传输需要一定的频率范围，从高频到微波均可，但是无人机数据链应用的主要频段为微波，因为微波数据链路有更高的可用带宽，可传输视频画面，它所采用的高带宽和高增益天线阻抗干扰性能良好。微波链路主要应用波段有：Ｋu波段（15GH_Z）、Ｘ波段（10GH_Z）、C波段（5 GH_Z）、L/S波段（1-2GH_Z），其中，X/Kｕ波段通用数据链的上行数据速率可达200kbit/ｓ，下行数据速率可达137Mbit/s，作用距离200ｋｍ；Ｃ波段上行数据速率7.3kbit/s，下行数据速率2.2Mbit/s或6.6Mbit/s，作用距离200ｋｍ；L/S波段上行数据速率16kbit/s，下行数据速率64部分组成的无人机系统。微波链路的缺点是依赖于视线传播，若要克服无人机数据链采用L/S波段，视线条件引起的距离限制。测控链路是无人机系统操纵的主要途径也是无人机的薄弱环节。无人机常用的导航定位方式也存在较多隐患。在执行“持久自由”行动的飞行任务中，通信链路收到干扰，可能失去与地面控制站的数据传输能力，从而带来不同的飞行故障。大量统计事故结果表明，无人机的事故主要来自飞行控制系统、推进系统、操作和通信系统。

目前无人机测控与信息传输系统虽在各种不同类型无人机平台上得到应用，而且不断改进完善，但还是存在很多不足之处。无人机从起飞至回收全过程都存在不同程度的安全威胁，在飞行过程中如果出现测控链路中断会给飞行安全带来致命的危险。无人机常见飞行故障与有人机相比无人机存在两个方面的致命弱点，一是自主飞行能力较弱，飞行过程中采用地面人工遥控或自主导航等方式，缺乏有人飞机人在环路所具有的高度灵活性和适应能力，仅能够按照预定的程序、策略执行，二是飞行状态实时掌控难，特别是对于复杂情况下的飞行任务，由于地面指挥控制人员对无人机所处环境的了解必须借助远距离通信，且大部分情况下获得的信息有限，人机之间及时、准确的信息交流存在较多制约。航程大超过执行任务时，若出现测控链路失效以及机载电气、机械设备故障等情况，则可能不受控制而飞行出预定航区。由于无人机航时长，地面实时判断故障难度大，难以预知可能坠毁的地点不易于防范。故障后情况复杂飞行航线、坠毁地点难以预判。例如若测控链路、导航传感器失效而飞行控制系统仍能控制无人机继续飞行，既不能地面遥控也不能执行自主飞行降落在指定的区域，则只能眼睁睁地看着它带来损失。基于无人机系统自身的特点，飞行过程中出现故障的原因通常可以归纳为以下两个方面，一是外部原因，主要是是天气环境影响、其它设备或人为对无人机的干扰，二是内部原因，主要包括无人飞行器分系统、测控与信息传输分系统等设备故障。其它设备或人为干扰对无人机影响较多的是对卫星定位接收机、测控链路、无线电高度表等机载设备的电磁干扰。无人机失事最常见的原因是失去联系和无法借助于自动驾驶仪返回驻地也是需要重点解决的一个关键问题。提高飞行安全性的主要技术手段是提高无人机飞行器分系统的可靠性。消除安全隐患的主要技术有冗余技术、故障诊断及自修复技术、防护技术等。冗余技术主要包括部件冗余和信息冗余。部件冗余主要采取对机载关键部件冗余备份，常用的部件冗余系统有两类，一类是贮备系统，另一类是表决系统。冗余在本质上是同时配置两套视距链路和两套卫星链路。多数据链的配置一方面增加了系统的冗余度，提高了系统的可靠性，扩展系统的作用距离，另一方面但却带来了多数据链综合管理问题。目前因设备成本、机载安装空间等多个因素在无人机领域部件冗余技术采用有限，较多的是采用信息冗余技术，主要指多传感器信息融合技术故障诊断及自修复。故障诊断技术是一个提高无人机飞行可靠性、安全性的关键手段。自修复技术属于系统故障检测、监控与隔离类型，主要是通过无人机飞行控制系统来实现。近年来业界进一步提出了无人机安全监控与健康管理系统的概念，功能主要包括无人机飞行过程中的数据采集、分析、故障检测与隔离、故障预测分析、飞行安全评估与预测等，为飞控系统提供辅助决策，并将机载信息传输给地面测控系统，以进行故障诊断和预测。无人机在任务飞行时机载电气、飞控、供电、数据链设备出现故障，导致无人机既无法按照预定航线执行任务，也无法在地面远程遥控的情况下实现安全回收，则需要设计人员解决无人机飞出安全区域给地面及空中目标带来的威胁。无人机若出现链路中断不接受地面遥控，且飞控导航系统导航失效或副翼舵机卡死，会导致无人机无法转弯等情况，有可能飞出安控判断线。链路中断条件是机载安控器连续判断机载测控终端发送的更新信号，连续人工预先设定无更新时认为链路中断。无人机进行安控判断线的超界判断时，如果在当前点满足条件，则判定无人机超界并向地面发送“告警”信号。无人机导航信息来源出现问题，主要是常用的卫星导航定位用户设备故障，则无人机将无法自主导航或按照预定的航线飞行。在地面指挥人员不进行遥控的情况下必然偏离航线。其次是姿态信息异常，若姿态输出异常则会造成无人机的实际姿态角与参控的姿态角存在偏差，有可能造成无人机偏离航线。无人机不同滚动角偏差时，无人机航线偏差不能正确地输出控制信号，若飞行导航控制与管理计算机异常，不能正确的输出控制信号，则有可能造成无人机偏离航线。无人机测控与信息传输系统承担对无人机的遥控、遥测以及图像信息的实时监控、记录和分发的任务，其工作状态、可靠性、稳定性直接影响到无人机任务的完成情况。由于无人机测控与信息传输系统比较复杂,而且外界存在许多不可控制的干扰因素,致使链路出现故障机率增加。不管机载设备还是地面设备故障，都只有一个故障现象，那就是链路中断。此时，很难判断是地面故障还是机载故障，只有通过更换地面站或是更换机载设备初步判断，即使故障锁定在机载或地面站后，因没有预留故障检测点没法对设备进行检查，给排故带来了很大的困难。测控与信息传输系统一旦出现故障，如果不能及时排除，就可能造成无法挽回的损失。无人机在起降阶段对应于不同的起降方式，控制一般更侧重于对空速和轨迹的控制。多种不同的用于起降控制的模态，其中最为复杂的轮式自动起降控制中专门设有起飞控制、下滑控制、拉平控制和地面自动纠偏控制等。无人机的飞行控制还体现在多种控制模态、控制方式之间的平稳转接以及根据飞行状态的不同，自动判断所处阶段并调用相应控制模态。由于无人机数据链系统是一个庞大复杂的系统,不可能在实际的环境中对它进行应急监测,数据管理单元或通信管理器的任务较多，实现复杂，必然带来设备可靠性的降低。由于信道带宽的限制，遥控遥测数据都不可避免地存在延迟和无人机链路不可避免的大的操纵延迟。而无人机地面控制站中的控制人员对于飞行状态的掌握，完全得靠机载传感器感受并通过遥测下传，一旦传感器失效，在无法目视看到无人机的情况，从理论上讲也不可能发现所有的问题，成为整个无人机数据链的瓶颈，一旦出现故障，整个测控与信息传输系统处于瘫痪状态。而且与无人机数据链系统相比,它们的测试系统造价相对较高。

发明内容

本发明的目的是针对以上现有技术存在的不足之处，提供一种提高系统整体可靠性，将事故损失减至最小，为突发性事件的应急监测提供一种适用于高空高速无人机UAV测控链路中断时的应急处理方法的技术选择。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种UAV测控链路中断故障应急处理方法，具有如下技术特征，基于无人机UAV平台的应急监测系统，机载飞控计算机将飞控系统中的无人机测控链路分为L波段与UHF波段，按照所处位置划入测控系统；飞控系统对测控链路的管理中优先使用L波段数据，在L波段数据中断情况下，采用U波段数据；机载飞控计算机根据当前的飞行阶段与飞行速度，对故障设置不同，通过故障处理程序软件设定的决断速度门限，监视画面正常显示设置的生成判据，读取并处理测试仪器送来的控制数据，自检测比较监控和模型监控方式监测飞行中的故障，运用操作手A、操作手B先发现先报告，当机载飞控计算机连续2s未收到U、L波段的任何数据帧时，就判为测控链路中断；当只有L波段或只有UHF波段，指挥员决策应急返航，当L波段与UHF波段两个波段均无有效数据，且持续2s，数据链报故等待复位，同时中断两条链路通信，进入中断等待，小于2min钟数据链不报故障不作处理，保持飞机平飞，保持高度和航向，等待数据链恢复正常后切入预定航线，自动恢复正常；大于2min钟链路信号中断和数据链报故后，飞控中设定故障处理程序自动执行应急返航。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

本发明针对高空高速无人驾驶飞机在飞行过程中出现的测控链路中断现象，将飞控系统中的无人机测控链路分为L波段与UHF波段，按照所处位置划入测控系统，避免了微波链路依赖于视线传播，视线条件引起的距离限制的缺点。

作业效率高，机动灵活，使用方便。本发明针对自主飞行能力较弱，缺乏有人飞机人在环路所具有的高度灵活性和适应能力不足的缺陷，通过飞控系统对测控链路的管理中优先使用L波段数据，在L波段数据中断情况下，采用U波段数据，通过检测、比较监控和模型监控方式监测飞行中的故障，判故后的处理根据设备功能、飞行阶段以及控制方式的不同。如对于自主链路中断暂不处理，对于实际飞行中可能出现超出设定控制的立即转为自主导航，作业效率高，机动灵活，为控制参数的确定提供依据。通过地面操作手的遥控控制提供安全保障，而其他阶段采用自动控制，如起飞、降落用遥控，巡航飞行用自控无人机的空速，彻底解决了视距链路主备全断故障。该故障解决进一步完善了应急处置体系, 提高了无人机飞行的安全性。对于预防危险性故障,提高系统整体可靠性。

本发明针对不同飞行阶段与不同的飞行速度进行分类处置，设计一种涵括了所有飞行阶段应急处置方法，采用机载飞控计算机，机载飞控计算机根据当前的飞行阶段与飞行速度，通过软件设定对故障设置不同的决断速度门限监视画面正常显示，设置判据的生成，读取并处理测试仪器送来的数据控制,运用操作手A、操作手B先发现先报告，当飞控计算机连续2s未收到U、L波段的任何数据帧时，就判为测控链路中断；当只有L波段或只有UHF波段，指挥员决策应急返航，当L波段与UHF波段两个波段均无有效数据，且持续2s，数据链报故等待复位，同时中断两条链路通信，进入中断等待，小于2min钟数据链不报故障不作处理，保持飞机平飞，保持高度和航向，等待数据链恢复正常后自动恢复正常，表现出一定的抗干扰性。大于2min钟链路信号中断和数据链报故后，飞控中设定故障处理程序自动执行应急返航。飞行数据经过了整个数据链路（上行链路和下行链路）的传输反映出数据链的性能，从时间延迟和丢帧率两个指标来分析计算飞行数据，根据信号传输路径和硬件数据刷新率，算出时间延迟，可以克服地面站定向天线无法准确找到机载天线，数据链报故障的不足。有效弥补了传统以环境监测车和便携式设备为主体的环境应急监测体系的不足。具有响应速度快、监测范围大、地形干扰小等优点，为事故处置快速、正确决策赢得宝贵的时间，以有效控制范围，缩短事故持续时间，将事故损失减至最小。

附图说明

下面结合附图和实施对本技术进一步说明。

图1是本发明无人机测控链路中断故障处理流程图。

具体实施方式

参阅图1。根据本发明，基于无人机UAV平台的应急监测系统，机载飞控计算机将飞控系统中的无人机UAV测控链路分为L波段与UHF波段，按照所处位置划入测控系统；飞控系统对测控链路的管理中优先使用L波段数据，在L波段数据中断情况下，采用U波段数据；机载飞控计算机根据当前的飞行阶段与飞行速度，对故障设置不同，通过故障处理程序软件设定的决断速度门限，监视画面正常显示设置判据的生成,读取并处理测试仪器送来的数据控制，自检测比较监控和模型监控方式监测飞行中的故障，运用操作手A、操作手B先发现先报告，当机载飞控计算机连续2s未收到U、L波段的任何数据帧时，就判为测控链路中断；当只有L波段或只有UHF波段，指挥员决策应急返航，当L波段与UHF波段两个波段均无有效数据，且持续2s，数据链报故等待复位，同时中断两条链路通信，进入中断等待，小于2min钟数据链不报故障不作处理，保持飞机平飞，保持高度和航向，等待数据链恢复正常后切入预定航线，自动恢复正常；大于2min钟链路信号中断和数据链报故后，飞控中设定故障处理程序软件自动执行应急返航。

机载飞控计算机故障处理程序软件判断测控链路中断的判据为：机载飞控计算机连续2s未收到U、L波段的任何数据帧，链路中断标志置为1后，根据不同的飞行阶段与飞行速度将做如下处置：

起飞滑跑阶段，若飞机速度大于起飞决断速度，则飞机正常起飞，不处置；若飞机速度小于起飞决断速度，飞控自动切换为自主控制模式，终止起飞；起飞离地、爬升1段、爬升2段不作处置，飞机继续飞行。起飞离地1/2段五边准备及以后阶段不作处理，继续飞行或着陆。故障处理程序软件根据判定的结果正常与否进行分别操作，如果正常,则直接显示,否则先进行异常处理,然后显示，显示的同时, 故障处理程序软件再进行时间控制,如果测试时间未到,则继续读取测试仪器数据;否,则结束测试。定高、下降无人机UAV大于2min，按装订航线继续飞行，若2min通讯没有恢复，飞控系统控制飞机自动执行应急返航；若2min钟内通讯恢复正常，飞机继续按当前航线飞行，测量出无人机的实时飞行坐标，并不断地把无人机飞行状态和设备状态的“遥测”数据传到无人机的地面站，同时地面站操纵员根据这些数据发出遥控指令指挥控制无人机使之做出各种动作，完成既定任务，实现预期目的。

优先使用L波段数据，L波段数据中断情况下，采用U波段数据，进入中断等待，飞控系统对测控链路的管理：2min内均无有效数据且持续2s，实时视景画面停止，认为通信中断，如果2min钟内两个波段数据链依旧无数据刷新，监控参数曲线无法更新，判为中断难复，为保证飞行安全和数据链顺利恢复，产生数据通讯中断，故障处理程序指令低中速滑行或在空中飞行中保持平飞。

机载飞控计算机采用单进程模式，地面站飞行计算机采用接收、发送两个进程模式；无人机数据链将测试信号发出，经过测控机载终端、测控地面终端回到飞行计算机，完成下行信号传输，机载飞控计算机以地面站飞行计算机的时钟为基准时钟，每周期记录时间、发送测试信号数值和接收测试信号数值，选取从地面飞行计算机发送，由飞控计算机接收和发送的固定长度数据上行帧，由地面飞行计算机接收的固定长度数据上下行帧中一个固定的字节，放置在测试数据的位置；地面站飞行计算机循环发送，每次发送数值累加１，当数值累加到100并发送完成后，再将数值设回到１，循环发送并累加；机载飞控计算机取出上行帧中的测试数据，填入到下行帧中的测试数据位置并发送出去；故障处理程序软件中规定，当丢帧后采用上一帧值，直到接收到新一帧数据，使瞬间时间延迟增加。

本领域内的技术人员可以明白，在不偏离本发明的精神和必要特性的情况下，可以以除了在此阐述的特定形式之外的其它特定形式来体现本发明。因此，上面的说明要在所有的方面被解释为说明性而非限制性的。应当通过所附的权利要求的合理解释确定本发明的范围，并且在本发明的等同范围内的所有改变旨在落入本发明的范围内。另外，不显式地从属于彼此的权利要求可以被组合以提供实施例，或者能够通过在提交本申请后的修改来增加新的权利要求。

Claims (8)

1.一种UAV测控链路中断故障应急处理方法，具有如下技术特征，针对高空高速无人驾驶飞机在飞行过程中出现的测控链路中断现象，基于无人机平台的应急监测系统，机载飞控计算机将飞控系统中的无人机测控链路分为L波段与UHF波段，按照所处位置划入测控系统；飞控系统对测控链路的管理中优先使用L波段数据，在L波段数据中断情况下，采用U波段数据，自检测比较监控和模型监控方式监测飞行中的故障，对于实际飞行中可能出现超出设定控制的立即转为自主控制；机载飞控计算机根据当前的飞行阶段与飞行速度，对故障设置不同飞行阶段与不同的飞行速度进行分类处置，通过故障处理程序软件设定涵括了所有飞行阶段应急处置的决断速度门限，从时间延迟和丢帧率两个指标来分析计算飞行数据，根据信号传输路径和硬件数据刷新率，算出时间延迟；机载飞控计算机以地面站飞行计算机的时钟为基准时钟，每周期记录时间、发送测试信号数值和接收测试信号数值，选取从地面飞行计算机发送，由机载飞控计算机接收和发送固定长度数据上行帧，由地面飞行计算机将接收的固定长度数据上行帧中一个固定的字节，放置在测试数据的位置；机载飞控计算机取出上行帧中的测试数据，填入到下行帧中的测试数据位置并发送出去，无人机数据链将测试信号发出，经过测控机载终端、测控地面终端回到地面飞行计算机，完成下行信号传输；监视画面正常显示设置的生成判据,读取并处理测试仪器送来的数据控制，自检测比较监控和模型监控方式监测飞行中的故障，故障处理程序软件根据判定的结果正常与否进行分别操作，如果正常,则直接显示，否则先进行异常处理,再进行时间控制,如果测试时间未到,则继续读取测试仪器数据;否则结束测试；运用操作手A、操作手B先发现先报告，当机载飞控计算机连续2s未收到U、L波段的任何数据帧时，就判为测控链路中断；当只有L波段或只有UHF波段，指挥员决策应急返航，当L波段与UHF波段两个波段均无有效数据，且持续2s，数据链报故等待复位，同时中断两条链路通信，进入中断等待，小于2min数据链不报故障不作处理，保持飞机平飞，保持高度和航向，等待数据链恢复正常后切入预定航线，自动恢复正常；大于2min链路信号中断和数据链报故后，飞控中设定故障处理程序自动执行应急返航。

2.如权利要求1所述的UAV测控链路中断故障应急处理方法，其特征在于：机载飞控计算机故障处理程序软件判断测控链路中断的判据为：机载飞控计算机连续2s未收到U、L波段的任何数据帧，链路中断标志置为1后，根据不同的飞行阶段与飞行速度将做如下处置：

起飞滑跑阶段，若飞机速度大于起飞决断速度，则飞机正常起飞，不处置；若飞机速度小于起飞决断速度，飞控自动切换为自主控制模式，终止起飞；起飞离地、爬升1段、爬升2段不作处置，飞机继续飞行。

3.如权利要求1所述的UAV测控链路中断故障应急处理方法，其特征在于：起飞离地1、2段进行五边准备及以后阶段不作处理，继续飞行或着陆。

4.如权利要求1所述的UAV测控链路中断故障应急处理方法，其特征在于：定高、下降无人机大于2min，按装订航线继续飞行，若2min通讯没有恢复，飞控系统控制飞机自动执行应急返航；若2min内通讯恢复正常，飞机继续按当前航线飞行，测量出无人机的实时飞行坐标，并不断地把无人机飞行状态和设备状态的“遥测”数据传到无人机的地面站，同时地面站操纵员根据这些数据发出遥控指令指挥控制无人机使之做出各种动作，完成既定任务。

5.如权利要求1所述的UAV测控链路中断故障应急处理方法，其特征在于：优先使用L波段数据，L波段数据中断情况下，采用U波段数据，进入中断等待；飞控系统对测控链路的管理：2min内均无有效数据且持续2s，实时视景画面停止，认为通信中断，如果2min内两个波段数据链依旧无数据刷新，监控参数曲线无法更新，判为中断难复，为保证飞行安全和数据链顺利恢复，产生数据通讯中断，故障处理程序指令低中速滑行或在空中飞行中保持平飞。

6.如权利要求1所述的UAV测控链路中断故障应急处理方法，其特征在于：机载飞控计算机采用单进程模式，地面站飞行计算机采用接收、发送两个进程模式。

7.如权利要求1所述的UAV测控链路中断故障应急处理方法，其特征在于：地面站飞行计算机循环发送，每次发送数值累加1，当数值累加到100并发送完成后，再将数值设回到1，循环发送并累加；机载飞控计算机取出上行帧中的测试数据，填入到下行帧中的测试数据位置并发送出去。

8.如权利要求1所述的UAV测控链路中断故障应急处理方法，其特征在于：故障处理程序软件中规定，当丢帧后采用上一帧值，直到接收到新一帧数据，使瞬间时间延迟增加。

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