CN110572201A - 一种飞机的并行数据链系统设计方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种飞机的并行数据链系统设计方法及系统，飞机的并行数据链由至少两组能够分工或交替工作的数据链组成，通过链路转换开关实现两组数据链交替工作；并行数据链的收发两端分别安装在飞机上和地面站上，两端之间进行遥测遥控与信息传输。本发明提出并行数据链的功能结构及分组工作模式设计方法，给出飞机地面站的分类，以及地面站的关系定义和权限定义设计方法，是兼顾地面站功能、使用和成本的解决方案。本发明支持飞机起降阶段、航线飞行和作业阶段对数据链和地面站的功能需求，是推动地面站实现定制与通用开发的新途径。特别是塔台监控器的应用，有助于无人化技术融入新航行系统、深化空域管理体系与飞机发展的互动。
Description
技术领域
本发明属于航空技术领域，特别是飞行控制与数据链应用技术。
背景技术
无人机与地面站构成1套，称为无人机系统，地面站对无人机进行遥测遥控作业即测控作业是基本方法。工业级无人机普遍应用了一站多机技术，正在推广一机多站技术。
地面站是高密度电子设备，截至目前的设备故障率仍然比较高。为保证重要飞行的安全，选择了双站配置，称为主副站，使用中同时开机热备份。为降低成本，对地面站简化功能和设备，开发出起降地面站作为副站，配置在机场。主站也在机场使用。小型无人机经常在作业空域使用，起降方式不依赖机场，其地面站简化为低成本的便携式。以1:1000-2000大比例尺测绘作业为例，小型无人机每天作业量约90km，中大型无人机相同时间作业量大于1000km2。为抢晴天或应急救援作业，需要中大型无人机快速作业。随着无人机不断融入公共空域，无人机与有人驾驶飞机在混合空域飞行将是刚需。有人驾驶飞机或简称飞机，采用无人化技术而配置地面站是发展趋势。地面站面对的难题是，缺少设计规范和技术标准，成本比较高，使用不灵活，难以融入空域管制体系。因此，对于飞行控制与数据链应用技术的开发，是有十分重大的意义的。
在现有技术中，北京机械设备研究所申请的申请号为CN201710213388.7的发明专利公开了一种无人机遥测数据实时并行压缩处理方法，包括：实时获取无人机遥测数据；对实时接收到的遥测数据进行分类存储；将不同类型的数据并行导入不同的冗余度判断处理器中；当导入数据维数m大于M时，进行数据冗余度计算，根据冗余度判断导入的数据是否需要压缩处理，是，则采用主分量分析法对数据进行压缩处理后实时输出。采用本该方法能够适应遥测数据种类繁多，数据海量的压缩处理，在最大化保留数据信息的前提下直观地实现数据降维压缩，以便快速直观地分析其变化趋势、统计规律，具有重要的应用价值。
杨万君，崔艳华，王旭宁等人的《无人机多机并行测控与数传技术研究》在对无人机多机并行测控与数传体制进行分析的基础上,探索满足大容量数据传输和遥测遥控需求的新体制、新方法,突破了多机并行测控、高速并行数据传输和测控与通信一体化等关键技术难题。将这些成果应用于无人机测控通信,实现了无人机多机测控与数传系统原理样机,样机满足有限带宽下大容量数据传输和遥测遥控测距的任务需求,对其他相关工程实践有很好的借鉴意义。
另外Manifold公司在2017年发布了新的并行数据工程解决方案Radian Studio，这是一种可用于DBMS(数据库管理系统)和GIS(地理信息系统)的并行数据工程环境软件，可提高无人机图像处理速度。基于成千上万个GPU核心及所有CPU核心，Radian Studio可实现自动运行，用户可以利用该款软件对传统数据类型及空间数据类型，如无人机捕获的图像、向量几何、多光谱位图、位置数据、图纸和地图进行探索、提取、可视化、融合、转换、加载、数据挖掘和分析。
发明内容
本发明的目的在于提出一种飞机的并行数据链系统设计方法及系统，以克服现有技术存在的不足。
本发明将飞机的并行数据链由至少两组能够分工或交替工作的数据链组成，通过链路转换开关实现两组数据链交替工作；并行数据链的收发两端分别安装在飞机上和地面站上，两端之间进行遥测遥控与信息传输。
详细技术说明：
前述的并行数据链由至少两组能够分工或交替工作的数据链组成，通过链路转换开关可实现两组数据链交替工作。并行数据链的收发两端分别是安装在飞机上的机载数据链和安装在地面站的数据链，两端之间无线电连接进行遥测遥控与信息传输。
并行数据链可分为一组较高功率的远程数据链，简称航线专用链路，设计的作用距离一般大于100km甚至200km，主要用于飞行航线范围飞机与地面站之间的遥测遥控与信息传输；一组较低功率的近程数据链，简称作业通用链路，设计的作用距离约30km范围，主要用于机场空域的飞机起降阶段的，以及作业空域内空地协同阶段的遥测遥控与信息传输。两组链路都可用于飞机的起飞降落阶段。两组数据链都可以包括1套或多套链路设备。其中，航线专用链路至少有1套超视距链路设备，比如点对点Ku或Ka波段卫星中继系统，或卫星移动通信设备如天通一号用户机，短波通信电台，并且至少有1套视距链路设备，比如U波段全向链路，L或C波段定向链路。而作业通用链路至少有1套全向或定向视距通用链路，并具备一站多机或一机多站工作的通用数据链性能，比如L或C波段全向视距宽带通用链路。4/5G通信链路归于作业通用链路，飞行全程可借助功率增强型的用户终端设备CPE(Customer Premise Equipment)入网通信，用于飞行的起降阶段和飞行沿途的遥测遥控与信息传输。加装机载激光通信设备可以构建并行数据链的另一组成员，其设备功率可选择，一般用于近距通信。
并行数据链的低功率近程通用数据链可以设计具有带宽资源可在多架飞机链路之间进行自动分配的自组网性能。用于支持飞机空中编队飞行，通过数据连通，传送飞机实时位置以便协同飞行，或分享图像数据，或提供话音通讯。
链路转换开关与两组数据链有线或无线连接，并设计转换条件进行链路工作的转换，可通过机载飞行管理系统控制。一种转换条件是采用飞行空域的地理识别方法，针对所设置的或自动生成的飞行空域的地理范围，由飞机导航系统及传感器提供地理位置的探测响应，根据转换条件的决策生成指令控制链路转换开关，实现两组数据链的交替工作。为提高链路转换开关工作可靠性，对其附加设计一种限时自动开机的功能，当从航线专用链路转换到空域通用链路的工作期间，在给定的接通时间内没有检测到空域通用链路的工作信号，推送问询仍无回应，则自动转换到航线专用链路的工作状态。
地面站数据链与机载数据链配套设计。通用数据链可选分频使用一站多机或一机多站的方案，地面站相应设计并行工作的数据链收发组合设备，用于一站多机的遥测遥控与信息传输，并且，可设计子母机地面站及并行数据链工作的权限管理系统，用于一机多站的遥测遥控与信息传输。子母机地面站的搭配可采用1套或多套子机地面站与1套母机地面站的硬件定义，或者采用子母机工作权限的设计，子母机地面站由软件定义，实现子母机之间遥测遥控与信息传输的动态化流程管理。地面站相应配置工作设备，如配置显示屏可列表或翻屏动态监视数据链工作状态，配置航空话音设备可与塔台或地面站之间通话，配置4/5G通信设备，可通过机场到地面站的4/5G连接将机场地面站布置在机场外使用且多个机场共享，可采用功率增强型的用户终端设备CPE地面天线，配置广播式自动相关监视设备ADS-B(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast)。地面站配置激光通信设备，可用于飞机起降阶段或作业空域的通信。
对近程通用数据链进行排他的安全性设计，使得两组链路具有抗干扰抗诱骗的安全性能，以及供电安全性。此外，可以对机载或地面站数据链采用双链路设备的余度设计，简单的方法是两套链路设备并行工作，带宽共享。
本发明针对无人机起降阶段、航线飞行和作业阶段对地面站的功能需求，以及地面站的用户需求细分，为地面站降低成本，适应车载、便携、穿戴各式地面站硬件结构的功能裁剪，提出飞机和地面站的并行数据链的功能结构及分组工作模式，给出三类地面站设计方案，给出子母机地面站及关系定义和权限定义的设计方法。本发明兼顾地面站功能、使用和成本的需求给出综合的解决方案，为无人机和飞机获得高技术低成本的数据链及地面站提供了新途径，是推动地面站独立于飞机实现定制与通用开发的借鉴。通过权限定义推出的塔台监控器的应用模式，是无人化技术融入新航行系统、深化空域管理体系融入飞机创新发展的必然趋势。
附图说明
图1为多种地面站的布置示意；
图2为并行数据链跨空域工作转换示意。
附图中的标记为：1-飞控地面站，2-作业地面站，3-机场空域，4-起降地面站，5-塔台地面站，6-培训空域，7-待机空域，8-机场塔台，9-飞机，10-航线专用链路，11-作业通用链路，12-作业空域。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1：地面站的多功能设计与应用
(一)飞机9的地面站设计，可以按照功能方案，分为三类地面站：
一种是起降地面站4，安装并行数据链及相关地面设备，与飞机9并行数据链无线电连接；地理上，起降地面站4布置在机场内；并可采用子母机地面站模式，分工侧重于正常测控与应急测控，可分别设置起降地面站4母机，塔台地面站5子机；功能上，优先选装航空话音、ADS-B或CPE设备；起降地面站4设计方案主要是有人操作的，可定制无人值守或遥控的自动起降控制系统。
一种是飞控地面站1，安装航线专用链路10及相关地面设备，与飞机9上航线专用链路10无线电连接；地理上，飞控地面站1布置在机场内，或布置在机场外；功能上，可对某一地区的多个机场的飞机9起降和进近阶段进行视距的或超视距的测控操作，可对飞机9的航线飞行进行测控的操作；飞控地面站1的设计方案是有人操作的地面站。
一种是作业地面站2，安装空域通用链路及相关地面设备，优先选装航空话音、ADS-B或CPE设备，与飞机9上空域通用链路无线电连接；作业地面站2的设计方案主要是有人操作的地面站；地理上，作业地面站2可在机场内使用，充当起降地面站4，或在机场外的作业空域12使用，用于对飞机9的空对地作业如航空测绘，航空物探，农林作业，或军事作战的操作。
作业地面站2可以预制专用接口，可以灵活选装部分航线专用链路10设备，如卫星中继设备，或连接本地的信息远程传输设备，如光纤网络。
(二)应用于机场的一种起降地面站4
起降地面站4的性能应具备对飞机9起飞和着陆阶段，以及待机阶段的测控作业。为机场空域3管制构建协同指挥和飞行安全环境。将机场的地面站分为负责正常测控的起降地面站4，布置在停机坪或跑道通视区由飞机9机务组使用；负责飞机9应急测控的辅助起降地面站4，并简称塔台地面站5或塔台监控器，布置在机场塔台8由飞行管制员使用。起降地面站4和塔台监视器组成一种功能有所分工侧重的子母机地面站。
起降地面站4配置并行数据链，支持一机多站或一站多机的应用模式，塔台监控器配置空域通用链路，只在应急处置状态具有测控优先权。根据优先权设计方案，塔台监控器可对机场空域3的飞机9发出指令使其进入预定的待机空域7或待机航线，或使地面飞机9停止滑行，以及应急着陆，以便配合晚点航班或意外空情。其中，一机多站或一站多机所指的地面和空中的飞机9可达1到逾百架，所指的地面站可达1到约10站。
对多个地面站构成的子母机地面站关系，一般的设计方法采用对母机地面站赋予全功能的设计，对子机地面站赋予应急功能的设计方案，通过对子母机地面站工作权限的权限定义，实现子母机地面站之间并与飞机9之间的预设工作流程。其中，应急功能的实现采用预设指令的一键式操作。
对子母机地面站的关系定义可采用硬件定义和软件定义。当母机地面站与子机地面站的硬件性能差距较大时，采用硬件定义，一般设计是母机地面站的性能比较强大。子母机硬件性能相同或接近时，采用软件定义。
(三)地面站的权限定义
作业地面站2经常应用于一机多站或一站多机的环境，除了需要子母机地面站之间的关系定义，还需要子母机地面站之间并与飞机9之间的预设测控流程的权限定义。权限定义的几种方案如下：
(1)赋予作业空域12内的部分或全部作业地面站2能够接收机载链路下传的作业信息的接收权限；
(2)赋予作业空域12内的部分或全部作业地面站2能够接收机载链路下传的作业信息，并能够接收机载链路的遥测信息的接收权限，如航线数据或飞参数据，以及向机载链路上传全部的或定制的遥控指令的操作权限，特别是应急遥控指令，如应急待机或应急返航指令，如在机场空域3内可操作飞机9的起降和待机；
(3)赋予作业空域12内的部分或全部作业地面站2能够与飞控地面站1进行数据交互或话音通信的权限，实现双方人员的协同操作，包括应急指令的协同操作，或飞行的协同操作；
(4)赋予作业空域12内的部分或全部作业地面站2能够相互数据或话音信息连通，并赋予部分作业地面站2能够对其它作业地面站2的上述权限进行二次授权的分配权限，特别是赋予一个作业地面站2对作业空域12内的其它作业地面站2执行上述某一权限的设置；比如指挥员使用自己的作业地面站2能够对作战参谋的作业地面站2进行操作权限的权限终止，或权限缩减，或权限扩大的二次授权，典型的应用场景是赋予机场空域3内的起降地面站4对飞机9的起降阶段或应急待机的测控权限交由机场塔台8管制员或机务组操作；
(5)通过一个地面站对测控权限的定义，可以增加作业空域12内的作业地面站2数量，实现子母机地面站的扩展应用。
(四)地面站的硬件结构设计
地面站的硬件结构设计方案包括但不限于车载式，便携式，穿戴式，嵌入式。通过权限定义可以裁剪人机界面的显示规格和操作指令，适应机群数据处理与关键数据监控的应用。如便携或穿戴式的多机数据显示，可采用列表显示机号，位置，速度和重要系统状态字符，附带应急状态报警的简要显示规格，以及采用翻页详查和应急指令的简要动作集。
(五)地面站设计成果的应用
实施例1给出了一种通航机场有人驾驶飞机9与无人驾驶飞机9在融合空域起降飞行航调指挥系统的建设方案。
实施例2：并行数据链的工作转换与应用
起降地面站4使用空域通用链路帮助飞机9从机场起飞，飞控地面站1使用航线专用链路10协助飞到作业空域12并接收回传信息，作业地面站2使用空域通用链路执行对飞机9的测控与作业信息传输。在飞机9机载系统中相应设计一种链路转换开关，根据链路在不同空域的工作方案，由机载飞行管理系统控制链路转换开关进行链路工作的转换；一般设计方案是，在起飞和着陆阶段，转换到空域通用链路工作；离开机场空域3后在航线飞行阶段，航线专用链路10与机场起降地面站4互联工作，优先由链路转换开关自动将空域通用链路切换为无线电静默状态，或保持其部分天线开通工作状态；当飞行到达作业空域12，自动将空域通用链路切换为开通工作状态，使得空域通用链路与作业空域12的地面站连通工作，而后自动将航线专用链路10切换为无线电静默状态，或保持其部分天线开通工作；当飞行离开作业空域12，再自动将航线专用链路10切换为开通工作状态，将空域通用链路切换为静默状态，或保持开通工作状态；为避免链路转换开关在切换中意外故障，给链路转换开关附加设计一种在航线专用链路10无线电静默期间可选择设置的限时自动开机功能，即在作业空域12内自动将航线专用链路10切换为无线电静默状态后，对空域通用链路给定一个工作信号检测的监视时间，在给定监视时间内没有检测到空域通用链路的工作信号，推送问询仍无回应，则自动将航线专用链路10再切换为开通工作状态。
总之，在作业空域12内，多个地面站可按照子母机地面站的关系定义，或对地面站的权限定义，与飞机9建立空域通用链路的遥测遥控与信息传输的工作流程。
实施例3：激光通信链路组
一是用于机场空域3近程通信，安装在飞机9停机坪附近，对飞机9的停机和起降阶段，或待机阶段进行宽带测控，可避免电磁干扰。
二是用于飞机9的空地宽带通信，也适合隐蔽通信，由飞机9机载激光器与地面站激光器对准通信；同时，可实施空空中继通信，由激光器载机与空中其它飞机9的激光器对准通信，将信息转发到地面站；或由激光器载机空投携带激光器的小型无人机，接收小型无人机传回信息并转发地面站的机机通信中继；如果空投前出的多架无人机机群回传目标信息，地面站人员识别或预定目标自动匹配后，可选择机群某一无人机坐标位置，以便激光束对其继续接收信息。可设计一套自动测算飞行平稳度和大气能见度的辅助软件，以便确定激光通信的有效距离，由机载系统自动生成，或由地面站上传装订，供机载系统解算和控制。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种飞机的并行数据链系统设计方法，其特征在于：飞机(9)的并行数据链由至少两组能够分工或交替工作的数据链组成，通过链路转换开关实现两组数据链交替工作；并行数据链的收发两端分别安装在飞机(9)上和地面站上，两端之间进行遥测遥控与信息传输。
2.根据权利要求1所述的飞机的并行数据链系统设计方法，其特征在于：所述并行数据链分为一组远程数据链，即航线专用链路(10)，和一组近程数据链，即作业通用链路(11)；两组数据链包括1套或多套链路设备；其中，航线专用链路(10)至少具有1套超视距链路设备，而作业通用链路(11)至少具有1套近程视距链路设备。
3.根据权利要求1所述的飞机的并行数据链系统设计方法，其特征在于：并行数据链的近程通用数据链设计具有带宽资源并在多架飞机链路之间进行自动分配的自组网系统。
4.根据权利要求1所述的飞机的并行数据链系统设计方法，其特征在于：设计链路转换开关与两组数据链连接，并设计转换条件进行链路工作的转换；一种转换条件是采用飞行空域的地理识别方法，针对所处飞行空域的探测响应来控制链路转换开关的转换。
5.根据权利要求1所述的飞机的并行数据链系统设计方法，其特征在于：地面站设计并行工作的数据链收发组合设备，用于一站多机的遥测遥控与信息传输，并设计子母机地面站及工作权限的管理系统，用于一机多站的遥测遥控与信息传输。
6.根据权利要求1所述的飞机的并行数据链系统设计方法，其特征在于：对近程通用数据链进行排他的安全性设计，使得两组链路具有抗干扰抗诱骗的安全性能，以及供电安全性；此外，对机载或地面站数据链采用双链路设备的余度设计。
7.一种飞机的并行数据链系统，其特征在于：包括飞机(9)、地面站和并行数据链；所述地面站包括飞控地面站(1)、作业地面站(2)、起降地面站(4)或塔台地面站(5)；所述并行数据链由至少两组能够分工或交替工作的数据链组成，通过链路转换开关实现两组数据链交替工作；并行数据链的收发两端分别是安装在飞机(9)上的机载数据链和安装在地面站的数据链，两端之间无线电连接进行遥测遥控与信息传输。
8.根据权利要求7所述的飞机的并行数据链系统，其特征在于：所述起降地面站(4)安装并行数据链及相关地面设备，与飞机并行数据链无线电连接；所述飞控地面站(1)安装航线专用链路(10)的地面设备，与飞机上航线专用链路(10)无线电连接；所述作业地面站(2)安装作业通用链路(11)的地面设备，与飞机(9)上作业通用链路(11)无线电连接。
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| CN201910928383.1A Pending CN110572201A (zh) | 2019-09-28 | 2019-09-28 | 一种飞机的并行数据链系统设计方法及系统 |
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|---|---|
| CN (1) | CN110572201A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112214332A (zh) * | 2020-09-11 | 2021-01-12 | 中国航空工业集团公司成都飞机设计研究所 | 一种基于多总线架构的任务系统设计方法 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN105487534A (zh) * | 2014-10-09 | 2016-04-13 | 深圳光启空间技术有限公司 | 用于飞行器的测控系统和方法 |
| KR20180055271A (ko) * | 2016-11-16 | 2018-05-25 | 주식회사 팔네트웍스 | 비행 정보 통합 관리 시스템 |
| CN108173590A (zh) * | 2017-12-28 | 2018-06-15 | 彩虹无人机科技有限公司 | 一种无人机语音中继通信系统 |
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-
2019
- 2019-09-28 CN CN201910928383.1A patent/CN110572201A/zh active Pending
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