CN113030588A - 基于无人机的机场通信导航设备电磁环境检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无人机的机场通信导航设备电磁环境检测系统，包含地面子系统，用于接收无人机发送的无人机的三维定位信息、采集到的电磁信号和采集到的三维地形数据，在时间同步之后，分别存储；对电磁信号进行解算，并根据解算结果对电磁信号的质量进行判断，若是异常状态则先进行干扰分量的提取，并计算干扰分量的场强，再从三维地形数据检测其中的地形高点和主要障碍物；最后对电磁信号异常的原因进行评估诊断。本发明可以提高对机场周边区域电磁环境的监管能力。

Description

基于无人机的机场通信导航设备电磁环境检测系统

技术领域

本发明涉及电磁环境检测和异常诊断领域，具体涉及一种利用无人机对机场的通信导航设备进行电磁环境检测和健康评估的系统。

背景技术

通信导航设备的工作内容贯穿机场的所有飞行活动，导航台站的规范化运行对于航空器的安全进、离港作业具有决定性作用。而导航台站规范化运行的考核方法即为该台站能否向标准工作覆盖区辐射符合导航信号规范的磁场信号，从而安全、稳定的对航空器进行规范的导航工作。

多旋翼无人机具有飞行灵活、操作简单、起降环境要求低、训练保障要求低和便于携带等优点，近年来，其在航拍、探测、侦查、监视和物流等领域得到越来越广泛的应用。

随着无线通信设备的迅猛发展，国内大片空间范围内的电磁环境日益复杂，这对于类似于机场这种对周边电磁环境要求较高的区域，在电磁信号检测方面提出了越来越高的要求，目前还没有专门针对机场周边的电磁环境检测和健康评估的系统。

发明内容

本发明的发明目的在于提供一种基于无人机的机场通信导航设备电磁环境检测系统，提高对机场周边区域电磁环境的监管能力。

本发明的发明目的通过以下技术方案实现：

一种基于无人机的机场通信导航设备电磁环境检测系统，包含地面子系统，地面子系统包含第一无线数传模块和便携式地面站，其中：

第一无线数传模块用于接收无人机发送的无人机的三维定位信息、采集到的电磁信号和采集到的三维地形数据，在时间同步之后，分别存储；

地面子系统包含电磁信号解算程序、干扰信号场强计算程序、三维简易建模程序和评估诊断程序；

电磁信号解算程序对电磁信号进行解算，并根据解算结果对电磁信号的质量进行判断，若是异常状态则启动干扰信号场强计算程序、三维简易建模程序和评估诊断程序；

干扰信号场强计算程序用于对处于异常状态的电磁信号进行干扰分量的提取，并计算干扰分量的场强；

三维简易建模程序用于对与异常状态的电磁信号同步的三维定位信息和三维地形数据进行三维简易建模，并检测其中的地形高点和主要障碍物；

评估诊断程序程序根据干扰信号场强计算程序和三维简易建模程序的结果对电磁信号异常的原因进行评估诊断。

优选地，电磁信号解算程序执行以下程序步骤：

步骤101、计算电磁信号的场强、调制度和相位角；

步骤102、将计算得到的电磁信号的场强、调制度、相位角分别与预先设置好的门限值比较，有任意一个超出门限值范围的，则判断电磁信号为异常状态，则启动干扰信号场强计算程序、三维简易建模程序和评估诊断程序；否则，则判断电磁信号为良好状态，继续开始下个周期的电磁信号处理。

优选地，三维简易建模程序在进行检测地形高点时执行以下步骤：

S201、读取与异常状态的电磁信号同步的三维定位信息和三维地形数据；

S202、从纬度方向上提取三维地形数据中的地形高度，对采集到的离散数据进行曲线拟合，得到纬度方向上的地形高度曲线；

S203、从经度方向上扫描三维地形数据中的地形高度，对采集到的离散数据进行曲线拟合，得到经度方向上的地形高度曲线；

S204、整合经度、纬度方向上的地形高度曲线，最终得到含有高度信息的地图模型。

优选地，三维简易建模程序在进行检测障碍物高点时执行以下步骤；

S301、从三维地形数据中提取地图模型中高点的图像信息；

S302、利用图像识别算法，对图像信息进行识别，从而判定障碍物类型；

S303、将障碍物最高点的坐标在地图模型中，根据障碍物的类型通过不同的标记显示。

优选地，基于无人机的机场通信导航设备电磁环境检测系统，其特征在于还包含空中子系统，空中子系统包含无人机和搭载在无人机上的飞控模块、电磁信号检测模块、机载光电吊舱和第二无线数传模块，便携式地面站还包含无人机航线规划程序；

无人机航线规划程序用于规划无人机在目标工作覆盖区内的飞行航线；

第一无线数传模块还用于将飞行航线发送给无人机；

飞控模块用于根据飞行航线实现多旋翼无人机的飞行遥控功能，并给出无人机的三维定位信息；

电磁信号检测模块用于完成目标频段内的电磁信号采集任务；

机载光电吊舱用于完成目标工作覆盖区内的三维地形数据采集任务；

所述第二无线数传模块用于接收地面子系统发送的飞行航线，以及将三维定位信息、采集到的电磁信号和采集到的三维地形数据发送给地面子系统。

本发明的有益效果在于：

利用无人机在机场周围采集电磁环境数据，从而对通信导航设备的工作覆盖区内的电磁信号进行分析，对异常的电磁信号进行分析，得出评估结果。

附图说明

图1为基于无人机的机场通信导航设备电磁环境检测系统的整体架构示意图。

图2为基于无人机的机场通信导航设备电磁环境检测系统的工作流程框图。

图3为电磁信号区域的地形三维建模过程示意图。

图4为障碍物扫描效果示意图。

图5干扰信号场强标记后的地形三维模型。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

参见图1所示，本实施例所示的的一种基于无人机的机场通信导航设备电磁环境检测系统，包括空中子系统和地面子系统两个部分。

其中空中子系统由多旋翼无人机，以及搭载在多旋翼无人机上的无人机飞控模块、电磁信号检测模块、机载光电吊舱和第二无线数传模块等硬件模块构成。

飞控模块用于根据空中子系统给出的飞行航线实现多旋翼无人机的飞行遥控功能，并给出无人机的三维定位信息。

电磁信号检测模块用于完成目标频段内的电磁信号采集任务。

机载光电吊舱用于完成目标工作覆盖区内的三维地形数据采集任务。

所述第二无线数传模块用于接收地面子系统发送的飞行航线，以及将三维定位信息、采集到的电磁信号和采集到的三维地形数据发送给地面子系统。

地面子系统包含第一无线数传模块和便携式地面站，其中：

第一无线数传模块用于将地面便携式工作站中的数据，通过无线数据传输链路与空中子系统进行数据交换，包含将飞行航线发送给无人机，接收无人机发送的无人机的三维定位信息、采集到的电磁信号和采集到的三维地形数据，在时间同步之后，分别存储。

地面子系统包含无人机航线规划程序、电磁信号解算程序、干扰信号场强计算程序、三维简易建模程序、评估诊断程序和人机界面等软件程序。

无人机航线规划程序用于规划无人机在目标工作覆盖区内的飞行航线；

电磁信号解算程序对电磁信号进行模数转换、解调、混频、滤波和解算，并根据解算结果对电磁信号的质量进行判断，若是异常状态则启动干扰信号场强计算程序、三维简易建模程序和评估诊断程序。具体过程如下：

步骤101、计算电磁信号的场强、调制度和相位角；

步骤102、将计算得到的电磁信号的场强、调制度、相位角分别与预先设置好的门限值比较，有任意一个超出门限值范围的，则判断电磁信号为异常状态，则启动干扰信号场强计算程序、三维简易建模程序和评估诊断程序；否则，则判断电磁信号为良好状态，继续开始下个周期的电磁信号处理。场强、调制度、相位角的门限值分别为场强最小值、调制度上下限、相位角上下限。

三维简易建模程序用于对与异常状态的电磁信号同步的三维定位信息和三维地形数据进行三维简易建模，并检测其中的地形高点和主要障碍物。考虑到地形对电磁信号的影响主要在于大型障碍物对信号遮挡，因此该三维简易建模程序只在检测到电磁信号存在异常时，摒弃地图影像这种超大数据的复杂处理流程，只针对地形高度进行处理，从而大大提高系统的建模处理效率，节省作业时间。其意义在于能够集中硬件资源针对电磁信号异常的区域做集中处理，能够做到无人机飞行期间实时的显示三维建模结果，从而在无人机飞行期间直接完成电磁环境检测作业。防止先采集数据后处理带来的数据采集任务的反复。对应的建模过程示意图如图3所示。具体地，三维简易建模程序在进行检测地形高点时执行以下步骤：

S201、读取与异常状态的电磁信号同步的三维定位信息和三维地形数据；

S202、从纬度方向上提取三维地形数据中的地形高度，对采集到的离散数据进行曲线拟合，得到纬度方向上的地形高度曲线；

S203、从经度方向上扫描三维地形数据中的地形高度，对采集到的离散数据进行曲线拟合，得到经度方向上的地形高度曲线；

S204、整合经度、纬度方向上的地形高度曲线，最终得到含有高度信息的地图模型。

三维简易建模程序在进行检测障碍物高点时执行以下步骤；

S301、从三维地形数据中提取地图模型中高点的图像信息；

S302、利用图像识别算法，对图像信息进行识别，从而判定障碍物类型；

S303、将障碍物最高点的坐标在地图模型中，根据障碍物的类型通过不同的标记显示，效果如图4所示。

干扰信号场强计算程序用于对处于异常状态的电磁信号进行干扰分量的提取，并计算干扰分量的场强。将电磁干扰信号的场强值，分为不同的区间，各个区间在三维简易建模程序得到的地图模型中用不同的颜色标记，干扰信号场强越强，色调越亮；干扰信号场强越弱，色调越冷，得到的三维模型结果如图5所示。

评估诊断程序程序根据干扰信号场强计算程序和三维简易建模程序的结果对电磁信号异常的原因进行评估诊断。评估诊断程序程序能够在以下方面进行评估：

1)出具无人机状态的实时监视结果，提供a)无人机飞行状态；b)机载天线极化状态；c)电磁信号采集模块工作状态；d)数传链路通信状态四部分的无人机平台状态信息，分析无人机平台状态与电磁信号异常之间的关联。

2)在通信导航设备的电磁信号存在异常的区域，对强干扰电磁信号进行探测和寻源，评估电磁干扰对导航信号的影响。

3)在通信导航设备的电磁信号存在异常的区域，对周边的地形条件和障碍物分布进行简易三维建模分析，分析地形环境和遮挡物对导航信号传播的影响。

4)在通信导航设备的电磁信号存在异常时，出具通信导航设备运行状态的集中监控报告，评估通信导航设备的各种类型故障对导航信号的影响。

基于无人机的机场通信导航设备电磁环境检测系统的工作基本流程如图2所示：

1)无人机在目标工作覆盖区内的预定航线配载飞行；

2)利用无人机上电磁信号检测模块进行电磁信号采集任务；

3)利用机载光电吊舱进行目标工作覆盖区内的地形数据采集任务；

4)将a)无人机的三维定位信息；b)采集到的电磁信号；c)采集到的三维地形数据；通过第二无线数传模块发送到地面子系统；

5)第一无线数传模块将无人机的a)三维位置信息；b)三维地形测绘数据；在时间同步之后，分别存储；

6)便携式地面站中的电磁信号解算程序对电磁信号进行解算，并根据解算结果对电磁信号的质量进行判断，是异常状态或是良好状态；

7)当电磁信号正常时，返回1)继续开始下个周期的电磁信号处理、无人机定位信息存储、地形测绘数据存储的任务；

8)当电磁信号异常时，三维简易建模程序对与异常状态的电磁信号同步的三维定位信息和三维地形数据进行三维简易建模，并检测其中的地形高点和主要障碍物；

9)干扰信号场强计算程序对处于异常状态的电磁信号进行干扰分量的提取，并计算干扰分量的场强；将电磁干扰信号的场强值，分为不同的区间，各个区间在三维简易建模程序得到的地图模型中用不同的颜色标记，干扰信号场强越强，色调越亮；干扰信号场强越弱，色调越冷，得到的三维模型结果；

10)通过评估诊断程序，提取各个电磁信号异常的a)区域坐标点；b)干扰信号场强；c)地形和障碍物高度；根据干扰信号的场强值、地形和障碍物的高度值，通过模糊控制算法来评估：这两种电磁信号异常的主要成因，它们各自对电磁信号影响所占的比重，并生成评估报告。

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 (5)

1.一种基于无人机的机场通信导航设备电磁环境检测系统，包含地面子系统，地面子系统包含第一无线数传模块和便携式地面站，其特征在于：

第一无线数传模块用于接收无人机发送的无人机的三维定位信息、采集到的电磁信号和采集到的三维地形数据，在时间同步之后，分别存储；

地面子系统包含电磁信号解算程序、干扰信号场强计算程序、三维简易建模程序和评估诊断程序；

电磁信号解算程序对电磁信号进行解算，并根据解算结果对电磁信号的质量进行判断，若是异常状态则启动干扰信号场强计算程序、三维简易建模程序和评估诊断程序；

干扰信号场强计算程序用于对处于异常状态的电磁信号进行干扰分量的提取，并计算干扰分量的场强；

三维简易建模程序用于对与异常状态的电磁信号同步的三维定位信息和三维地形数据进行三维简易建模，并检测其中的地形高点和主要障碍物；

评估诊断程序程序根据干扰信号场强计算程序和三维简易建模程序的结果对电磁信号异常的原因进行评估诊断。

2.根据权利要求1所述的一种基于无人机的机场通信导航设备电磁环境检测系统，其特征在于电磁信号解算程序执行以下程序步骤：

步骤101、计算电磁信号的场强、调制度和相位角；

步骤102、将计算得到的电磁信号的场强、调制度、相位角分别与预先设置好的门限值比较，有任意一个超出门限值范围的，则判断电磁信号为异常状态，启动干扰信号场强计算程序、三维简易建模程序和评估诊断程序；否则，则判断电磁信号为良好状态，继续开始下个周期的电磁信号处理。

3.根据权利要求1所述的一种基于无人机的机场通信导航设备电磁环境检测系统，其特征在于三维简易建模程序在进行检测地形高点时执行以下步骤：

S201、读取与异常状态的电磁信号同步的三维定位信息和三维地形数据；

S202、从纬度方向上提取三维地形数据中的地形高度，对采集到的离散数据进行曲线拟合，得到纬度方向上的地形高度曲线；

S203、从经度方向上扫描三维地形数据中的地形高度，对采集到的离散数据进行曲线拟合，得到经度方向上的地形高度曲线；

S204、整合经度、纬度方向上的地形高度曲线，最终得到含有高度信息的地图模型。

4.根据权利要求3所述的一种基于无人机的机场通信导航设备电磁环境检测系统，其特征在于三维简易建模程序在进行检测障碍物高点时执行以下步骤；

S301、从三维地形数据中提取地图模型中高点的图像信息；

S302、利用图像识别算法，对图像信息进行识别，从而判定障碍物类型；

S303、将障碍物最高点的坐标在地图模型中，根据障碍物的类型通过不同的标记显示。

5.根据权利要求1所述的一种基于无人机的机场通信导航设备电磁环境检测系统，其特征在于还包含空中子系统，空中子系统包含无人机和搭载在无人机上的飞控模块、电磁信号检测模块、机载光电吊舱和第二无线数传模块，便携式地面站还包含无人机航线规划程序；

无人机航线规划程序用于规划无人机在目标工作覆盖区内的飞行航线；

第一无线数传模块还用于将飞行航线发送给无人机；

飞控模块用于根据飞行航线实现无人机的飞行遥控功能，并给出无人机的三维定位信息；

电磁信号检测模块用于完成目标频段内的电磁信号采集任务；

机载光电吊舱用于完成目标工作覆盖区内的三维地形数据采集任务；

所述第二无线数传模块用于接收地面子系统发送的飞行航线，以及将三维定位信息、采集到的电磁信号和采集到的三维地形数据发送给地面子系统。

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