CN110937138B - 一种无人机飞行校验系统及校验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机飞行校验系统及校验方法。该系统的无人机动力系统和机载校验系统有线连接，无人机动力系统与地面控制系统无线连接；机载校验系统通过测试天线接收地面导航设备信号并通过信号处理模块处理所述地面导航设备信号，得到机载校验数据，并将机载校验数据有线传输至无人机动力系统；无人机动力系统将机载校验数据无线发送至地面控制系统；地面控制系统对机载校验数据进行监控，并将校验科目切换指令无线发送至无人机动力系统；无人机动力系统还用于将校验科目切换指令传输至机载校验系统；机载校验系统根据校验科目切换指令切换测试天线和信号处理模块。采用本发明的系统及方法，能降低飞行校验成本，提高飞行校验准确性和效率。

Description

一种无人机飞行校验系统及校验方法

技术领域

本发明涉及飞行校验技术领域，特别是涉及一种无人机飞行校验系统及校验方法。

背景技术

校验飞行是对地面通信、监视、导航设备精度鉴定的唯一手段，是在动态条件下考核被测控地面设备各关键技术指标，也是确认被测控地面设备技术状态达标的有效途径。而且地面设备在投产验收、维护大修都需要进行飞行校验，即使运行良好稳定也需要进行定期飞行校验工作，飞行校验是地面设备整个生命周期不可缺少的重要环节。目前，校飞飞机携带载荷种类繁多，价格昂贵，对校验飞行飞机本身的可靠性与安全性要求都很高。

在目前的飞行校验中需要以校飞飞机搭载相关的测试设备，具有可操作性强、飞行空域广阔、携带校验设备种类多以及校验种类丰富的特点，是整个校飞系统的全部组成部分。但是在实际运行过程中也体现出校飞任务策划时间长、组织协调难度较大、价格昂贵、续航时间受限、飞行程序设计受限、低高度飞行存在危险以及其他不确定因素，并且随着中小机场增多，需要校验的地面设施设备也日益增多，传统的飞行校验方式很难满足未来发展趋势。

发明内容

本发明的目的是提供一种无人机飞行校验系统及校验方法，具有能够降低飞行校验的成本，提高飞行校验的准确性和效率的优点。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种无人机飞行校验系统，包括：

无人机动力系统、机载校验系统和地面控制系统；

所述无人机动力系统和所述机载校验系统设置在无人机上；所述无人机动力系统和机载校验系统有线连接；所述无人机动力系统与所述地面控制系统无线连接；

所述机载校验系统用于通过测试天线接收地面导航设备信号并通过信号处理模块处理所述地面导航设备信号，得到机载校验数据，并将所述机载校验数据有线传输至所述无人机动力系统；所述无人机动力系统用于将所述机载校验数据无线发送至所述地面控制系统；

所述地面控制系统用于对所述机载校验数据进行监控，并将校验科目切换指令无线发送至所述无人机动力系统；所述无人机动力系统还用于将所述校验科目切换指令传输至所述机载校验系统；所述机载校验系统根据所述校验科目切换指令切换测试天线和信号处理模块。

可选的，无人机飞行校验系统，还包括：

校验载荷定位系统；

所述校验载荷定位系统与所述机载校验系统无线连接；所述校验载荷定位系统用于向所述机载校验系统提供差分定位信息；所述机载校验系统用于根据所述差分定位信息进行定位校准。

可选的，所述无人机动力系统，具体包括：

机载定位系统、机载飞行控制系统、飞行数据记录系统和无人机数据链路系统；

所述机载飞行控制系统分别与所述机载定位系统、所述飞行数据记录系统和所述无人机数据链路系统连接；所述机载飞行控制系统用于获取无人机飞行参数并根据所述飞行参数进行飞行控制；

所述机载定位系统用于无人机飞行位置定位；

所述飞行数据记录系统用于记录无人机飞行数据；所述无人机飞行数据包括卫星定位数据、机载校验数据、视频数据以及飞行动态数据；

所述无人机数据链路系统用于将所述无人机飞行数据发送至所述地面控制系统，并接收地面控制系统发送的遥控信号。

可选的，所述机载校验系统，具体包括：飞行校验载荷系统；

所述飞行校验载荷系统，具体包括：

校验测试天线阵列、多路信号处理系统和信号采集系统；

所述校验测试天线阵列与所述多路信号处理系统连接，所述多路信号处理系统与所述信号采集系统连接，所述信号采集系统与所述机载飞行控制系统连接；

所述校验测试天线阵列包括多种测试天线，所述测试天线用于接收地面导航设备信号；所述多路信号处理系统包括多个信号处理模块，所述信号处理模块用于处理所述测试天线接收的信号，得到机载校验数据；所述信号采集系统用于存储机载校验数据。

可选的，其特征在于，所述机载校验系统，还包括：

飞行校验载荷定位子系统、第一数传电台和ADS-B发射模块；

所述飞行校验载荷定位子系统与所述信号采集系统连接；所述第一数传电台和所述ADS-B发射模块分别与所述飞行校验载荷定位子系统连接；

所述飞行校验载荷定位子系统用于确定校验过程中无人机的位置信息，并将所述校验过程中无人机的位置信息传输给所述ADS-B发射模块；

所述ADS-B发射模块用于将所述校验过程中无人机的位置信息以报文形式广播；

所述第一数传电台用于接收所述校验载荷定位系统发送的差分定位信息，所述飞行校验载荷定位子系统根据所述差分定位信息进行定位校准。

可选的，所述地面控制系统，具体包括：

地面飞行控制系统、地面数据记录系统、地面校验飞行系统和地面数据链路系统；

所述地面飞行控制系统分别与所述地面数据记录系统、所述地面校验飞行系统和所述地面数据链路系统连接；所述地面数据链路系统与所述无人机数据链路系统无线连接；

所述地面校验飞行系统用于对所述机载校验数据进行监控；所述地面数据记录系统用于记录所述无人机飞行数据和所述机载校验数据；所述地面数据链路系统用于对无人机的飞行轨迹进行控制并接收所述无人机动力系统发送的所述无人机飞行数据和所述机载校验数据。

本发明还提供一种无人机飞行校验方法，应用于上述无人机飞行校验系统，所述方法包括：

机载校验系统通过测试天线接收地面导航设备信号并通过信号处理模块处理所述地面导航设备信号，得到机载校验数据；

所述机载校验系统将所述机载校验数据发送至无人机动力系统；

所述无人机动力系统将所述机载校验数据无线发送至所述地面控制系统；

所述地面控制系统接收并对所述机载校验数据进行监控；

所述地面控制系统将校验科目切换指令无线发送至所述无人机动力系统；

所述无人机动力系统将所述校验科目切换指令传输至所述机载校验系统；

所述机载校验系统根据所述校验科目切换指令切换测试天线和信号处理模块。

可选的，所述方法，还包括：

校验载荷定位系统向所述机载校验系统提供差分定位信息；

所述机载校验系统根据所述差分定位信息进行定位校准。

可选的，所述方法，还包括：

ADS-B发射模块将所述校验过程中无人机的位置信息以报文形式广播。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出了一种无人机飞行校验系统及校验方法，无人机飞行校验系统设置了无人机动力系统、机载校验系统和地面控制系统，机载校验系统用于通过测试天线接收地面导航设备信号并通过信号处理模块处理所述地面导航设备信号，得到机载校验数据，并将机载校验数据有线传输至无人机动力系统；无人机动力系统用于将机载校验数据无线发送至地面控制系统；地面控制系统用于对机载校验数据进行监控，并将校验科目切换指令无线发送至无人机动力系统；无人机动力系统还用于将校验科目切换指令传输至机载校验系统；机载校验系统根据校验科目切换指令切换测试天线和信号处理模块。本发明避免了目前校飞飞机携带载荷种类繁多，价格昂贵，对校验飞行飞机本身的可靠性与安全性要求都很高的问题，具有能够降低飞行校验的成本，提高飞行校验的准确性和效率的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中无人机飞行校验系统结构图；

图2为本发明实施例中校验测试天线阵列安装方式示意图；

图3为本发明实施例中机载校验系统原理框图。

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。

本发明的目的是提供一种无人机飞行校验系统及校验方法，具有能够降低飞行校验的成本，提高飞行校验的准确性和效率的优点。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例

图1为本发明实施例中无人机飞行校验系统结构图，如图1所示，本发明提供的一种无人机飞行校验系统，包括：无人机动力系统1、机载校验系统2、地面控制系统3和校验载荷定位系统4。无人机动力系统1和机载校验系统2设置在无人机上；无人机动力系统1和机载校验系统2有线连接，无人机动力系统1与地面控制系统3无线连接，校验载荷定位系统4与机载校验系统2无线连接。

无人机动力系统1为具有一定质量的固定翼无人机或带有旋翼的无人机，并具备一定的载荷量，能够满足校验载荷系统放置要求。包括机载定位系统11、机载飞行控制系统12、飞行数据记录系统13和无人机数据链路系统14。机载飞行控制系统12分别与机载定位系统11、飞行数据记录系统13和无人机数据链路系统14连接；机载飞行控制系统12用于获取无人机飞行参数并根据飞行参数进行飞行控制。机载飞行控制系统12是无人机动力系统1的核心部件，包括飞行控制计算机、传感器模块，飞行控制计算机主要完成飞行控制、姿态解算和飞行管理功能。传感器模块完成无人机各种飞行姿态参数的测量。机载定位系统11包括GPS天线和GPS定位模块，根据卫星信号确定无人机飞行过程中的位置信息实现对无人机飞行全程监控。在整个飞行校验过程中,无人机内置飞行数据记录系统13，即一块数据记录仪，同步记录从起飞到降落所有卫星定位数据、机载校验设备数据、视频数据以及飞行过程中对飞行动态和载荷的操作数据。无人机数据链路系统14主要完成从地面控制系统3接收上行遥控信号，并把遥测数据和校验数据及图像信息发送到地面控制系统3。

机载校验系统2包括飞行校验载荷系统21、飞行校验载荷定位子系统22、第一数传电台23和ADS-B发射模块24。

飞行校验载荷系统21是无人机飞行校验系统的核心装备，完成飞行校验过程中校验数据的处理采集，飞行校验载荷系统21包括校验测试天线阵列、多路信号处理系统和信号采集系统。校验测试天线阵列与多路信号处理系统连接，多路信号处理系统与信号采集系统连接，信号采集系统与机载飞行控制系统12连接。

校验测试天线阵列包括VOR/LOC（航向）天线、GS（下滑）天线、MKR（指点信标）天线、VHF（甚高频）天线、DME（测距仪天线）、NDB（无方向信标）天线（图中未示出）、ADF（自动定向机）天线、ADS-B（自动广播相关监视）天线，用于接收地面导航设备信号，根据不同的测试需求，选取合适的测试天线。测试天线根据功能安装于无人机合适位置，典型的安装位置比如VOR/LOC（航向）天线与机身轴线平行安装，MKR天线安装于机身对称面机腹外表面，且正对地面，DME天线外表面偏置安装，避开对称面。其余天线可根据位置需要相互对称及避让安装。校验测试天线阵列安装方式示意图如图2所示。

多路信号处理系统包括针对上述天线阵列的信号采集模块，用于处理校验天线阵列接收的信号，并发送给信号采集系统，信号采集系统记录存储参数数据。多路信号处理系统可以根据校验科目的需要实现对所需采集信号模块的切换，通过地面发送调谐指令完成。多路信号处理系统与信号采集系统通过航空422总线相连。

飞行校验载荷定位子系统22主要包括GPS天线和GPS定位模块，根据卫星信号确定无人机校验过程中的位置信息。飞行校验载荷定位子系统22与飞行校验载荷系统21连接，使得飞行校验载荷定位子系统22与飞行校验载荷系统21时间同步。

数传电台与校验载荷系统GPS定位模块相连接，用于接收地面校验载荷定位系统4差分定位信息，为校验载荷系统提供精准定位信息。

ADS-B发射模块24的主要作用是为了保障无人机飞行校验过程中无人机飞行安全，实现地面交通管制部门对无人机飞行过程的空域监视，ADS-B发射模块24与校验载荷系统GPS定位模块相连接，获取自身定位信息，最终以ADS-B报文形式广播出去，让空域中其他飞机及地面交通管制部门通过ADS-B场面监视实时查看无人机位置信息，从而保证空域安全。

机载校验系统2通过信号采集模块与无人机动力系统1相连，连接方式为航空422总线，将校验数据发送至机载飞行控制系统12，机载飞行控制系统12通过数据链路系统将校验数据与飞行数据打包传至地面控制系统3，同时数据通过飞行数据记录系统13进行保存。每一帧信息包含10位：一位起始位，8位数据位，一位结束位。校验载荷系统安装于无人机平台内，并且飞行校验载荷系统21供电由无人机动力系统1提供，不再为校验载荷系统单独提供电源。机载校验系统2原理框图如图3所示。

地面控制系统3包括地面飞行控制系统31、地面数据记录系统32、地面校验飞行系统33和地面数据链路系统34。地面飞行控制系统31分别与地面数据记录系统32、地面校验飞行系统33和地面数据链路系统34连接；地面数据链路系统34与无人机数据链路系统14无线连接。地面控制系统3通常为可移动地面遥控站，是无人机系统的指挥控制和数据采集中心，它通过遥控遥测数据链对无人机实施飞行监控、任务监控、数据采集处理与传输、指挥通信，通过数据链对无人机的飞行轨迹进行控制并接收无人机下传飞行数据与校验数据。地面校验飞行系统33安装于地面控制系统3遥控站内，并设有专门的地面校验飞行软件系统校验员操作席位，实时接收无人机校验载荷系统下传数据对校验过程进行监控。传统飞行校验过程中，校验员通过直观操作面板的改变进行校验科目切换，在无人机校验系统中校验员不能通过直观观测，需要通过地面校验飞行软件系统实时监控同时根据任务需求通过上传任务指令，完成校验科目之间的切换。

校验载荷定位系统4包括GPS地面基准站42和第二数传电台41，校验载荷定位系统4用于向机载校验系统2提供差分定位信息；机载校验系统2用于根据差分定位信息进行定位校准，由于飞行校验任务的需要，要求定位精度非常高。校验载荷定位系统4除了自身携带GPS定位装置外，还包括数传电台，通过在地面架设RTK校验基准系统，为飞行校验尤其是仪表着陆校验提供精确的定位信息。校验载荷定位系统4可以通过RTK校验基准系统来实现。

本发明还提供一种无人机飞行校验方法，应用于无人机飞行校验系统，该方法包括：

机载校验系统通过测试天线接收地面导航设备信号并通过信号处理模块处理所述地面导航设备信号，得到机载校验数据。

机载校验系统将机载校验数据发送至无人机动力系统。

无人机动力系统将机载校验数据无线发送至地面控制系统。

地面控制系统接收并对机载校验数据进行监控。

地面控制系统将校验科目切换指令无线发送至无人机动力系统。

无人机动力系统将校验科目切换指令传输至机载校验系统。

机载校验系统根据校验科目切换指令切换测试天线和信号处理模块。

校验载荷定位系统向机载校验系统提供差分定位信息。

机载校验系统根据差分定位信息进行定位校准。

ADS-B发射模块将所述校验过程中无人机的位置信息以报文形式广播。

飞行校验开始前，通过地面飞行控制系统对整个飞行科目及任务进行编程并输入地面控制系统终端，使得无人机按照任务需求进行航迹规划；当无人机起飞后，地面控制系统可以接受到无人机发送的实时飞行航迹信息，同时按照任务需求及形势变化，地面控制系统可以随时更改无人机飞行计划。整个飞行过程需要依赖导航定位系统的支持，将无人机定位信息同时送至无人机机载导航系统、无人机校验载荷设备和无人机下行数据链中。实现地面控制站对无人机航迹的捕捉，方便后续校验飞行试验数据的使用。无人机校验飞行载荷与被测地面设备发生数据交互的过程中，所有数据均被记录在自带的存储设备中。地面控制系统实时接收无人机校验载荷系统下传数据进行记录并发送给地面校验飞行软件系统，地面校验飞行软件系统校验员通过地面校验飞行软件系统实现对校验过程的实时监测，在校验飞行过程中，当某一科目完成飞行需要切换到下一科目时，地面校验人员通过发送调谐指令上传至无人机校验载荷系统，校验载荷系统接收调谐指令完成校验设备不同信号采集模块之间的动作从而达到完成校验科目之间的切换的目的。比如进近科目飞行切换到下滑科目，在无人机飞经程序设计的航路点后结束进近科目，发送调谐指令，校验载荷系统接收指令后完成信号采集模块的动作，执行下滑科目，采集相关数据。飞行校验科目结束，地面控制系统操作人员将无人机调整至合适的高度与速度，地面控制系统发送降落指令，地面控制系统操作人员操纵无人机降落，完成校验飞行过程。地面校验飞行软件系统接收地面控制系统发送的校验数据通过校验软件进行处理并显示校验过程，由于校验数据通过数据链下传过程中会存在一定的误码，因此无人机回收后将机载数据记录仪数据进行参考，通过多组数据的综合对比，最终得到飞行校验结果报告。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种无人机飞行校验系统，其特征在于，包括：

无人机动力系统、机载校验系统、地面控制系统和校验载荷定位系统；

所述无人机动力系统和所述机载校验系统设置在无人机上；所述无人机动力系统和机载校验系统有线连接；所述无人机动力系统与所述地面控制系统无线连接；

所述机载校验系统用于通过测试天线接收地面导航设备信号并通过信号处理模块处理所述地面导航设备信号，得到机载校验数据，并将所述机载校验数据有线传输至所述无人机动力系统；所述无人机动力系统用于将所述机载校验数据无线发送至所述地面控制系统；

所述地面控制系统用于遥控所述无人机动力系统，并对所述机载校验数据进行监控，并将校验科目切换指令无线发送至所述无人机动力系统；所述无人机动力系统还用于将所述校验科目切换指令传输至所述机载校验系统；所述机载校验系统根据所述校验科目切换指令切换测试天线和信号处理模块；

所述校验载荷定位系统与所述机载校验系统无线连接；所述校验载荷定位系统用于向所述机载校验系统提供差分定位信息；所述机载校验系统用于根据所述差分定位信息进行定位校准；

所述无人机动力系统，具体包括：

机载定位系统、机载飞行控制系统、飞行数据记录系统和无人机数据链路系统；

所述机载飞行控制系统分别与所述机载定位系统、所述飞行数据记录系统和所述无人机数据链路系统连接；所述机载飞行控制系统用于获取无人机飞行参数并根据所述飞行参数进行飞行控制；

所述机载定位系统用于无人机飞行位置定位；

所述飞行数据记录系统用于记录无人机飞行数据；所述无人机飞行数据包括卫星定位数据、机载校验数据、视频数据以及飞行动态数据；

所述无人机数据链路系统用于将所述无人机飞行数据发送至所述地面控制系统，并接收地面控制系统发送的遥控信号；

所述机载校验系统，具体包括：飞行校验载荷系统；

所述飞行校验载荷系统，具体包括：

校验测试天线阵列、多路信号处理系统和信号采集系统；

所述校验测试天线阵列与所述多路信号处理系统连接，所述多路信号处理系统与所述信号采集系统连接，所述信号采集系统与所述机载飞行控制系统连接；

所述校验测试天线阵列包括多种测试天线，所述测试天线用于接收地面导航设备信号；所述多路信号处理系统包括多个信号处理模块，所述信号处理模块用于处理所述测试天线接收的信号，得到机载校验数据；所述信号采集系统用于存储机载校验数据；

所述机载校验系统，还包括：飞行校验载荷定位子系统、第一数传电台；

所述飞行校验载荷定位子系统与所述信号采集系统连接；所述第一数传电台与所述飞行校验载荷定位子系统连接；

所述飞行校验载荷定位子系统用于确定校验过程中无人机的位置信息；

所述第一数传电台用于接收所述校验载荷定位系统发送的差分定位信息，所述飞行校验载荷定位子系统根据所述差分定位信息进行定位校准；

所述地面控制系统，具体包括：

地面飞行控制系统、地面数据记录系统、地面校验飞行系统和地面数据链路系统；

所述地面飞行控制系统分别与所述地面数据记录系统、所述地面校验飞行系统和所述地面数据链路系统连接；所述地面数据链路系统与所述无人机数据链路系统无线连接；

所述地面校验飞行系统用于对所述机载校验数据进行监控；所述地面数据记录系统用于记录所述无人机飞行数据和所述机载校验数据；所述地面数据链路系统用于对无人机的飞行轨迹进行控制并接收所述无人机动力系统发送的所述无人机飞行数据和所述机载校验数据。

2.根据权利要求1所述的无人机飞行校验系统，其特征在于，所述机载校验系统，还包括：

ADS-B发射模块；

所述ADS-B发射模块与所述飞行校验载荷定位子系统连接；

所述飞行校验载荷定位子系统用于将所述校验过程中无人机的位置信息传输给所述ADS-B发射模块；

所述ADS-B发射模块用于将所述校验过程中无人机的位置信息以报文形式广播。

3.一种无人机飞行校验方法，其特征在于，应用于权利要求1-2任一项所述的无人机飞行校验系统，所述方法包括：

机载校验系统通过测试天线接收地面导航设备信号并通过信号处理模块处理所述地面导航设备信号，得到机载校验数据；

所述机载校验系统将所述机载校验数据发送至无人机动力系统；

所述无人机动力系统将所述机载校验数据无线发送至地面控制系统；

所述地面控制系统接收并对所述机载校验数据进行监控；

所述地面控制系统将校验科目切换指令无线发送至所述无人机动力系统；

所述无人机动力系统将所述校验科目切换指令传输至所述机载校验系统；

所述机载校验系统根据所述校验科目切换指令切换测试天线和信号处理模块。

4.根据权利要求3所述的无人机飞行校验方法，其特征在于，所述方法，还包括：

校验载荷定位系统向所述机载校验系统提供差分定位信息；

所述机载校验系统根据所述差分定位信息进行定位校准。

5.根据权利要求4所述的无人机飞行校验方法，其特征在于，所述方法，还包括：

ADS-B发射模块将所述校验过程中无人机的位置信息以报文形式广播。

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