CN113593307A - 一种基于无人机的航空导航设备数据采集系统及方法 - Google Patents

一种基于无人机的航空导航设备数据采集系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及航空导航以及飞行校验技术领域，公开了一种基于无人机的航空导航设备数据采集系统及方法。该系统包括无人机飞行控制系统、导航设备测试天线阵列、多路信号处理模块、信号采集模块、ADS‑B发射模块、GNSS接收机、UHF数据链接收机、电源模块、地面站。通过无人机搭载相应的模块，接收地面导航设备的信号，并进行相应的处理、存储，并将数据传输至地面，同时接收地面发送的控制指令，完成相应的监测分析及校验。基于无人机飞行技术，采用本发明的基于无人机的航空导航设备数据采集系统及方法，能降低飞行校验成本，提高飞行校验效率，是现有有人机飞行校验的有效补充，也是未来飞行校验的发展趋势。

Description

一种基于无人机的航空导航设备数据采集系统及方法
技术领域
本发明属于航空导航以及飞行校验技术领域，特别是涉及一种基于无人机的航空导航设备数据采集系统及方法。
背景技术
目前航空导航、石油钻井领域由于设备数量多、参数类型复杂，需要采集各种类型数据，同时现场环境条件对于数据采集过程中的集中快速响应及实时准确性等性能方面的一致性要求，均采用总线采集技术。常见的RS232、485、422等现场总线结构简单、性能稳定、传输可靠、靠干扰能力强，广泛被航空及石油等现场环境要求较高的领域采用。
飞行校验是指为保证飞行安全，使用装有专门校验设备的飞行校验飞机，按照飞行校验的有关规范，检查和评估各种导航、雷达、通信等设备的空间信号的质量及其容限，以及机场的进、离港飞行程序，并依据检查和评估的结果出具飞行校验报告的过程。应用于航空导航的设备有多种，飞行校验系统需要对各种导航设备数据进行采集并进行处理，得到校验数据，目前，校飞飞机搭载的飞行校验系统携带载荷种类繁多，价格昂贵，流程复杂，对校验飞行飞机本身的可靠性与安全性要求都很高。
随着目前国内中小机场日益增多，飞行校验需求也日益增多，现有有人机飞行校验由于校验人员及可用校验飞机数量的限制，往往不能对有飞行校验需求的机场及时进行飞行校验，从而影响机场正常运行和使用。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于无人机的航空导航设备数据采集系统及方法，具有能够降低飞行校验的成本，简便灵活，提高飞行校验的效率的优点。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于无人机的航空导航设备数据采集系统，包括：无人机飞行控制系统、导航设备测试天线阵列、多路信号处理模块、信号采集模块、ADS-B发射模块、GNSS接收机、UHF数据链接收机、电源模块、地面站。
导航设备测试天线阵列与多路信号处理模块通过射频电缆连接；多路信号处理模块与信号采集模块通过ARINC429总线连接；信号采集模块与无人机飞行控制系统连接，与ADS-B发射模块、GNSS接收机通过RS232总线连接；ADS-B发射模块与GNSS接收机通过RS232总线连接，GNSS接收机与UHF数据链接收机通过RS232总线连接；电源模块分别与导航设备测试天线阵列、多路信号处理模块、信号采集模块、ADS-B发射模块、GNSS接收机连接，并通过电压转换模块与UHF数据链接收机连接。
导航设备测试天线阵列用于接收地面导航设备数据；多路信号处理模块用于处理导航设备测试天线阵列接收的导航设备数据；信号采集模块用于接收并存储多路信号处理模块所处理导航设备数据，同时将数据发送至无人机飞行控制系统，并接收无人机飞行控制系统发送的多路信号处理模块切换指令；ADS-B发射模块接收GNSS接收机发送的定位数据并通过ADS-B报文形式进行广播，并将ADS-B报文数据发送至数据采集模块；UHF数据链接收机用于接收地面差分站发送的差分定位信息，并将差分定位信息发送给GNSS接收机；GNSS接收机用于接收卫星定位信息；电源模块由无人机提供，用于所连接设备供电。
信号采集模块通过ARINC429总线采集多路信号处理模块处理的导航设备数据，通过RS232总线采集ADS-B报文数据和差分定位数据组成飞行校验数据，信号采集模块一方面对飞行校验数据进行备份，另一方面通过以太网发送至无人机飞行控制系统，无人机飞行控制系统通过无人机数据链发送至地面站；地面站发送多路信号处理模块切换指令至无人机飞行控制系统，无人机飞行控制系统将多路信号处理模块切换指令通过RS422总线发送至信号采集模块，信号采集模块通过ARINC429总线将多路信号处理模块切换指令发送至多路信号处理模块，实现对多路信号处理模块的切换，从而实现对地面不同导航设备的飞行校验。GNSS接收机模块输出PPS（秒脉冲）信号连接多路信号处理模块与信号采集模块，保证数据的同步性，减少数据延时。
系统设置有无人机轮重或起落架着陆检测，ADS-B发射模块设置着陆检测（ONGND）输入接口，无人机轮重或起落架着陆检测输出与ADS-B发射模块着陆检测输入接口连接，用于判断无人机是否着陆。
导航设备测试天线阵列包括VOR/LOC（航向）天线、GS（下滑）天线、MKR（指点信标）天线、DME（测距仪天线）、NDB（无方向信标）天线、ADF（自动定向机）天线。
电源模块选用锂电池，所提供的基准电压值为28V直流电压，电压转换模块为28V转5V。
本发明还提出了一种应用于所述基于无人机的航空导航设备数据采集系统的方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1：多路数据处理模块通过导航设备测试天线阵列接收地面导航设备导航信号并处理，得到导航设备数据；
步骤2：信号采集模块采集导航设备数据、ADS-B数据和差分定位数据组成飞行校验数据，并将飞行校验数据进行备份，
步骤3：信号采集模块同时将飞行校验数据发送至无人机飞行控制系统，无人机飞行控制系统通过无人机数据链将飞行校验数据发送至地面站；
步骤4：地面站发送多路信号处理模块切换指令至无人机飞行控制系统；
步骤5：无人机飞行控制系统将多路信号处理模块切换指令发送至信号采集模块，通过信号采集模块实现对多路信号处理模块的切换，完成不同导航设备的飞行校验；
步骤6：当无人机着陆时，ADS-B发射模块检测到飞机着陆信号并通过ADS-B报文广播，地面站人员接收飞机着陆信号，完成飞行校验过程。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提出了一种基于无人机的航空导航设备数据采集系统及方法，避免了校飞飞机搭载的飞行校验系统携带载荷种类繁多、价格昂贵、流程复杂、对校验飞行飞机本身的可靠性与安全性的高要求等诸多困难，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。随着目前国内中小机场日益增多，飞行校验需求也日益增多，现有有人机飞行校验由于校验人员及可用校验飞机数量的限制，往往不能对有飞行校验需求的机场及时进行飞行校验，从而影响机场正常运行和使用。本发明是现有有人机飞行校验的有效补充，也是未来飞行校验的发展趋势。
附图说明
图1为本发明实施例中基于无人机的航空导航设备数据采集系统的结构框图；
图2为本发明实施例中基于无人机的航空导航设备数据采集系统的原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只是作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
图1为本发明实施例中一种基于无人机的航空导航设备数据采集系统的结构框图，如图1所示，本发明提供的一种基于无人机的航空导航设备数据采集系统，包括：无人机飞行控制系统、导航设备测试天线阵列、多路信号处理模块、信号采集模块、ADS-B发射模块、GNSS接收机、UHF数据链接收机、电源模块、地面站。
导航设备测试天线阵列与多路信号处理模块通过射频电缆连接；多路信号处理模块与信号采集模块通过ARINC429总线连接；信号采集模块与无人机飞行控制系统连接，与ADS-B发射模块、GNSS接收机通过RS232总线连接；ADS-B发射模块与GNSS接收机通过RS232总线连接，GNSS接收机与UHF数据链接收机通过RS232总线连接；电源模块分别与导航设备测试天线阵列、多路信号处理模块、信号采集模块、ADS-B发射模块、GNSS接收机连接，并通过电压转换模块与UHF数据链接收机连接。
导航设备测试天线阵列用于接收地面导航设备数据；多路信号处理模块用于处理所述导航设备测试天线阵列接收的导航设备数据；信号采集模块用于接收并存储所述多路信号处理模块所处理导航设备数据，同时将数据发送至无人机飞行控制系统，并接收无人机飞行控制系统发送的多路信号处理模块切换指令；ADS-B发射模块接收GNSS接收机发送的定位数据并通过ADS-B报文形式进行广播，并将ADS-B报文数据发送至数据采集模块；UHF数据链接收机用于接收地面差分站发送的差分定位信息，并将差分定位信息发送给GNSS接收机；GNSS接收机用于接收卫星定位信息；电源模块由无人机提供，用于所连接设备供电。
信号采集模块通过ARINC429总线采集多路信号处理模块处理的导航设备数据，通过RS232总线采集ADS-B报文数据和差分定位数据组成飞行校验数据，信号采集模块一方面对飞行校验数据进行备份，另一方面通过以太网发送至无人机飞行控制系统，无人机飞行控制系统通过无人机数据链发送至地面站；地面站发送多路信号处理模块切换指令至无人机飞行控制系统，无人机飞行控制系统将多路信号处理模块切换指令通过RS422总线发送至信号采集模块，信号采集模块通过ARINC429总线将多路信号处理模块切换指令发送至多路信号处理模块，实现对多路信号处理模块的切换，从而分别实现对地面不同导航设备的校验。GNSS接收机模块输出PPS（秒脉冲）信号连接多路信号处理模块与信号采集模块，保证数据的同步性，减少数据延时。
系统设置有无人机轮重或起落架着陆检测，ADS-B发射模块设置着陆检测（ONGND）输入接口，无人机轮重或起落架着陆检测输出与ADS-B发射模块着陆检测输入接口连接，用于判断无人机是否着陆。
基于无人机的航空导航设备数据采集系统的原理图如图2所示，导航设备测试天线阵列包括VOR/LOC（航向）天线、GS（下滑）天线、MKR（指点信标）天线、DME（测距仪天线）、NDB（无方向信标）天线、ADF（自动定向机）天线，用于接收地面不同导航设备数据，天线安装位置根据接收频率及信号强度选取适当的安装位置。
信号采集模块通过ARINC429总线采集多路信号处理模块处理的导航设备数据，通过RS232总线采集ADS-B数据和差分定位数据组成飞行校验数据。由于各种数据长短不一，速率各异，为了保证各种数据的时钟同步，GNSS接收机模块输出PPS（秒脉冲）信号连接多路信号处理模块与信号采集模块，保证数据的同步性，减少数据延时。
现行的有人机飞行校验过程中，飞行校验数据直接以有线方式传输至校验席位接收机，校验员实时查看校验数据。无人机飞行校验最大的区别就是校验数据需要通过数据链方式发送至地面站，校验员在地面站接收校验数据并查看，当遥测距离过长时，通过数据链发送就存在相应的丢包与误码的问题，因此为了确保数据的准确性与实时性，信号采集模块一方面对飞行校验数据进行备份，另一方面通过以太网将飞行校验数据发送至无人机飞行控制系统，通过无人机数据链发送至地面站；地面站发送多路信号处理模块切换指令至无人机飞行控制系统，无人机飞行控制系统将多路信号处理模块切换指令通过RS422总线发送至信号采集模块，信号采集模块通过ARINC429总线将多路信号处理模块切换指令发送至多路信号处理模块实现对多路信号处理模块的切换，从而实现对地面不同导航设备的飞行校验。
系统设置有无人机轮重或起落架着陆检测，检测数据为开关量，判断无人机飞行或着陆状态，ADS-B发射模块设置着陆（ON GND）检测输入接口，无人机轮重或起落架着陆检测输出与ADS-B发射模块着陆检测输入接口连接，当无人机着陆时ADS-B发射模块接收着陆信号并通过ADS-B报文广播，地面站人员接收着陆信号，完成飞行校验过程，完善了飞行校验程序的标准化与安全性。
电源模块选用锂电池，所提供的基准电压值为28V直流电压，由于UHF数据链接收机所需电压较低，因此通过电压转换模块降压后与UHF数据链接收机连接，电压转换模块为28V转5V。
本发明还提出了一种应用于所述基于无人机的航空导航设备数据采集系统的方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1：多路数据处理模块通过导航设备测试天线阵列接收地面导航设备导航信号并处理，得到导航设备数据；
步骤2：信号采集模块采集导航设备数据、ADS-B数据和差分定位数据组成飞行校验数据，并将飞行校验数据进行备份，
步骤3：信号采集模块同时将飞行校验数据发送至无人机飞行控制系统，无人机飞行控制系统通过无人机数据链将飞行校验数据发送至地面站；
步骤4：地面站发送多路信号处理模块切换指令至无人机飞行控制系统；
步骤5：无人机飞行控制系统将多路信号处理模块切换指令发送至信号采集模块，通过信号采集模块实现对多路信号处理模块的切换，完成不同导航设备的飞行校验；
步骤6：当无人机着陆时，ADS-B发射模块检测到飞机着陆信号并通过ADS-B报文广播，地面站人员接收飞机着陆信号，完成飞行校验过程。
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)

1.一种基于无人机的航空导航设备数据采集系统，包括：无人机飞行控制系统、导航设备测试天线阵列、多路信号处理模块、信号采集模块、ADS-B发射模块、GNSS接收机、UHF数据链接收机、电源模块、地面站；其特征在于，
所述导航设备测试天线阵列与所述多路信号处理模块通过射频电缆连接；所述多路信号处理模块与所述信号采集模块通过ARINC429总线连接；所述信号采集模块与所述无人机飞行控制系统连接，与所述ADS-B发射模块、GNSS接收机通过RS232总线连接；所述ADS-B发射模块与所述GNSS接收机通过RS232总线连接，所述GNSS接收机与所述UHF数据链接收机通过RS232总线连接；所述电源模块分别与所述导航设备测试天线阵列、多路信号处理模块、信号采集模块、ADS-B发射模块、GNSS接收机连接，并通过电压转换模块与所述UHF数据链接收机连接；
所述导航设备测试天线阵列用于接收地面导航设备数据；所述多路信号处理模块用于处理所述导航设备测试天线阵列接收的导航设备数据；所述信号采集模块用于接收并存储所述多路信号处理模块所处理导航设备数据，同时将数据发送至无人机飞行控制系统，并接收无人机飞行控制系统发送的多路信号处理模块切换指令；所述ADS-B发射模块接收GNSS接收机发送的定位数据并通过ADS-B报文形式进行广播，并将ADS-B报文数据发送至数据采集模块；所述UHF数据链接收机用于接收地面差分站发送的差分定位信息，并将差分定位信息发送给GNSS接收机；所述GNSS接收机用于接收卫星定位信息；所述电源模块由无人机提供，用于所连接设备供电；
所述信号采集模块通过ARINC429总线采集多路信号处理模块处理的导航设备数据，通过RS232总线接收ADS-B报文数据和差分定位数据组成飞行校验数据，信号采集模块一方面对飞行校验数据进行备份，另一方面通过以太网发送至无人机飞行控制系统，无人机飞行控制系统通过无人机数据链发送至地面站；地面站发送多路信号处理模块切换指令至无人机飞行控制系统，无人机飞行控制系统将多路信号处理模块切换指令通过RS422总线发送至信号采集模块，信号采集模块通过ARINC429总线将多路信号处理模块切换指令发送至多路信号处理模块，实现对多路信号处理模块的切换，从而实现对地面不同导航设备的飞行校验；所述GNSS接收机模块输出PPS（秒脉冲）信号连接多路信号处理模块与信号采集模块，保证数据的同步性，减少数据延时。
2.根据权利要求1所述的一种基于无人机的航空导航设备数据采集系统，其特征在于，所述系统设置有飞机轮重或起落架着陆检测，所述ADS-B发射模块设置着陆检测（ON GND）输入接口，飞机轮重或起落架着陆检测输出与ADS-B发射模块着陆检测输入接口连接，用于判断飞机是否着陆。
3.根据权利要求1所述的一种基于无人机的航空导航设备数据采集系统，其特征在于，所述导航设备测试天线阵列包括VOR/LOC（航向）天线、GS（下滑）天线、MKR（指点信标）天线、DME（测距仪天线）、NDB（无方向信标）天线、ADF（自动定向机）天线。
4.根据权利要求1所述的一种基于无人机的航空导航设备数据采集系统，其特征在于，所述电源模块选用锂电池，所提供的基准电压值为28V直流电压，电压转换模块为28V转5V。
5.一种基于无人机的航空导航设备数据采集方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1：多路数据处理模块通过导航设备测试天线阵列接收地面导航设备导航信号并处理，得到导航设备数据；
步骤2：信号采集模块采集导航设备数据、ADS-B数据和差分定位数据组成飞行校验数据，并将飞行校验数据进行备份，
步骤3：信号采集模块同时将飞行校验数据发送至无人机飞行控制系统，无人机飞行控制系统通过无人机数据链将飞行校验数据发送至地面站；
步骤4：地面站发送多路信号处理模块切换指令至无人机飞行控制系统；
步骤5：无人机飞行控制系统将多路信号处理模块切换指令发送至信号采集模块，通过信号采集模块实现对多路信号处理模块的切换，完成不同导航设备的飞行校验；
步骤6：当无人机着陆时，ADS-B发射模块检测到飞机着陆信号并通过ADS-B报文广播，地面站人员接收飞机着陆信号，完成飞行校验过程。
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