CN220323541U - 一种多旋翼无人机挂载的dvor空间信号测试装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种多旋翼无人机挂载的DVOR空间信号测试装置，包括机载计算机、地面终端、软件无线电系统、数传电台和GNSS定位系统；所述GNSS定位系统和所述软件无线电系统依次一一对应获取位置信号和导航信号，并将获取信号传输给所述机载计算机；所述机载计算机接收信号通过所述数传电台传输给所述地面终端，以实时显示相关测试图表并关联位置信息。本申请突破传统技术只能依靠仪表进行地面测量的限制，实现不同高度、全方位、远距离的DVOR空间信号测量。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种DVOR空间信号测试装置，尤其涉及一种多旋翼无人机挂载的DVOR空间信号测试装置。
背景技术
全向信标（DVOR）是国际民航组织推荐的近程导航设施。航路和终端区的飞机从接收到的DVOR信号中可以解算出得到相对于导航台的方位，配合测距仪（DME）可为飞机提供距离-方向定位。
DVOR空间信号的质量直接影响着飞机测向的精度，但由于测量技术限制，目前在初装调试和日常维护中，DVOR空间信号的测量手段存在不足：
新建的DVOR设备初装调试后需要进行飞行校验来验证安装成果，若校验数据不理想还需要反复进行设备调试，而目前仅能进行地面测量，不能客观全面地反映空间信号质量。
目前，DVOR设备信号的地面测量主要使用进口的外场信号测试仪，分别有EVSG1000、NM7710等型号，该仪表主要使用外置天线接收射频信号，通过模拟原器件实现射频信号的傅里叶变换、滤波等处理，最终计算得到参数测量结果。现有测量方法具有以下不足：
1）目前仅能进行地面测量，而地面测量的结果不能客观全面地反映空间信号质量。利用现有测试仪表只能在地面上架起接收天线进行信号测量，由于近地信号受地面障碍物多径干扰影响较大，测量结果不能客观全面地反映空间信号质量。
2）现有进口仪表多不提供对外输出数据的接口。出于对技术的保护，现有仪表多不提供对外输出的接口，或对数据进行加密，无法解析数据格式，这阻碍了设备维护人员对设备数据进一步的深入分析。
3）仪表重量较大。目前已有的外场信号测试仪重量分别在5KG、7KG不等，重量较大，使用时需要另外配置外部的测试杆和接收天线，使用不方便。
4）不能提供测试地点的实时位置信息。DVOR空间信号的各种参数往往跟测试地点有直接关系，而现有仪表均不能同时提供信号测量参数和实时位置信息，对测试人员造成不便。
5）不能进行图形化的数据分析。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种多旋翼无人机挂载的DVOR空间信号测试装置，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。
本实用新型的目的采用如下技术方案实现：
一种多旋翼无人机挂载的DVOR空间信号测试装置，包括机载计算机、地面终端、软件无线电系统、数传电台和GNSS定位系统；
所述GNSS定位系统和所述软件无线电系统依次一一对应获取位置信号和导航信号，并将获取信号传输给所述机载计算机；
所述机载计算机接收信号通过所述数传电台传输给所述地面终端，以实时显示相关测试图表并关联位置信息。
进一步地，所述GNSS定位系统包括机载型GNSS接收机模块；
所述机载型GNSS接收机模块接收空中卫星GNSS信号，同时接收RTK差分信号，实现精确定位。
进一步地，所述机载型GNSS接收机模块通过4G移动信号网络或差分天线进行RTK差分信号的传输。
进一步地，所述机载型GNSS接收机模块通过GNSS天线进行GNSS信号的传输。
进一步地，所述软件无线电系统包括软件无线电SDR模块；
空间中的无线电信号由导航天线接收，经所述软件无线电SDR模块进行信号采集并实现模拟信号的模数转换，当模拟信号转换为数字信号后，传输至所述机载计算机进行信号处理。
进一步地，所述地面终端为地面计算机。
进一步地，所述多旋翼无人机采用六轴碳纤维结构的可折叠机架。
相比现有技术，本实用新型的有益效果在于：
本申请突破传统技术只能依靠仪表进行地面测量的限制，实现不同高度、全方位、远距离的DVOR空间信号测量。
附图说明
图1为本实用新型的适用于多旋翼无人机挂载的DVOR空间信号测试装置的总体构架图；
图2为本实用新型的适用于多旋翼无人机挂载的DVOR空间信号测试装置中软件无线电原理结构图；
图3为本实用新型的适用于多旋翼无人机挂载的DVOR空间信号测试装置中机载端软件运行界面；
图4为本实用新型的适用于多旋翼无人机挂载的DVOR空间信号测试装置中地面终端软件运行界面；
图5为本实用新型的适用于多旋翼无人机挂载的DVOR空间信号测试装置中数据处理软件运行界面。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本实用新型做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
如图1-图5所示的一种多旋翼无人机挂载的DVOR空间信号测试装置，包括：
硬件构成：多旋翼无人机系统，机载计算机（大疆妙算 MANIFOLD 2），地面计算机（笔记本电脑），软件无线电系统（SDR模块），数传电台1（基于串口速率），数传电台2（以太网接口，高速），GNSS定位系统。
运行环境：WINDOWS 10+UHD。
开发平台：基本界面和业务代码使用Visual Studio 2015 (C#)编写，信号处理和导航设备信号解算模块代码使用MATLAB编写。
三套软件程序：机载端软件，地面终端软件和信号处理软件，后两个均运行在地面笔记本电脑上。
1)多轴飞行器
飞行器选择方面，使用体积较小的大疆经纬M600 Pro六旋翼飞行器，直径81厘米，最大载重10kg，最大续航时间30分钟。其具有起降条件要求低、便于携带、具备一定的抗风能力与较高的安全性的特点，且搭载能力较强，有能力携带大容量电池、SDR板、机载计算机及信号接收/发射天线等模块进行飞行，可以满足系统要求。
作为测试装置携带的关键实现工具，优选采用无人机，无人机采用6块电池提供动力，无人机对称电机轴距1133 mm，最大起飞重量15.5 kg，最大上升速度5 m/s，最大下降速度3 m/s，最大可承受风速8 m/s，在无风环境中最大水平飞行速度可达65 km/h，无人机采用六轴碳纤维结构的可折叠机架。无人机遥控器在无干扰、无阻挡的情况下，最大通信距离5 km（FCC 模式，大功率）或3.5 km（CE 模式，小功率），飞行控制器具有较大的灵活性，可调参数较多。
2)飞行器定位
飞行器搭载的机载型GNSS接收机模块。该模块通过GNSS天线接收空中卫星GNSS信号，同时接收RTK差分信号，可实现精确定位。
有两种差分模式。
在4G网络覆盖较好的地方，可以通过4G移动信号网络接收地面网络虚拟基站的广域差分GNSS信号（CORS信号），通过网络差分技术对GNSS信号进行差分修正，以实现飞行器水平与垂直位置上厘米级精度。
在4G信号质量较差的区域，如大多数的新建机场，或山区，则通过架设地面差分基准站进行差分信号的传送。本系统使用的是840-845MHz跳频电台进行传输。
两种差分模式的精度等级是一致的。
3)信号采集与处理
空间中的无线电信号由导航天线接收，经高性能的软件无线电SDR模块进行信号采集，实现模拟信号的模数转换。模拟信号转换为数字信号后，传输至机载计算机系统进行信号处理。数字无线电信号经过软件程序处理，即滤波、解调、合成计算等技术处理后，得到全向信标空间信号的射频电平、方位角、30HzAM、9960HzAM、调频指数等参数，测量结果经多方测试，具有精度高、一致性好等特点。软件无线电SDR模块硬件非常适合需要高射频性能和大带宽的应用。
使用基于WINDOWS的UHD驱动在机载设备上实现空管设备信号采集与测量的技术，属国内首创，相比基于GNU Radio的系统具有更好的实时多线程功能，可扩展性和可移值性强，易于快速部署。在不改变硬件的前提下，通过修改软件程序即可实现更多功能，如仪表着陆系统空间信号、 甚高频无线电干扰测试、指点标信号强度测试等，经进一步研发可应用于其他空管设备信号的空间测试。
4)结果的传输与显示
无线电信号在多轴飞行器搭载的工控机中进行处理分析后，通过无线网络传输至地面终端。地面便携式电脑通过数传电台接收来自飞行器上的数据，将GNSS数据和差分数据处理得到飞行器精准位置信息，并结合测量数据直观地显示给用户。同时，终端软件具备参数存储及实时绘制参数角位移曲线等功能，便于用户进行信号分析。
为应对复杂的现场环境，本装置设计有两种版本。一种是把工业计算机内置在机载接收系统里面，称为“有机版”，另一种是把计算机运算放到了地面终端，通过高带宽数传电台将基带信号传输到地面进行解算，称为“无机版”。两种版本对SDR基带I/Q信号的处理是完全一样的，机载的工业计算机也是运行基于WINDOWS的应用程序。
DVOR外场信号测试装置挂载无人机部分，采用无人机本身的辅助供电系统22V供电，然后通过DC/DC提供给机载GNSS接收机模块、软件无线电模块和数传电台模块。采用低功耗数传电台时，直接由机载计算机妙算上的USB口供电。软件无线电模块通过网络的方式把采样的基带信号送到机载计算机妙算中，通过妙算的处理软件处理信息，测试装置的定位则是通过读取GNSS接收机给出精确地理位置信息，并运用基于大地主题解算精密算法得到相对距离和方位信息。DVOR设备导航参数和位置信息可以在机载计算机妙算中处理并记录保存起来，也可以把信息通过USB送到数传电台，机载数传电台把信息传送到地面计算机进行处理，并在软件中把测试信息和位置信息以图形的方式显示出来。
应用效果：
适用于多旋翼无人机挂载的DVOR空间信号测试装置充分利用软件无线电集成度高、轻量化、稳定性好、数据兼容性好的优点和无人机高机动、全范围、远距离的特点，搭建了一套可空中灵活移动的“PIR”系统。多旋翼无人机具有一定的抗风能力和较高的自稳性能，能满足维护人员日常维护的气候条件要求，可定点或慢速飞行测量，留空时间能满足完成测量参数所需要时间的两倍以上，输出参数稳定可靠。测试装置突破了以往只能在地面进行信号测试的限制，结合高精度定位与实时时间信息，参数界面能够直观显示测量参数数值、对台方位、对台高度、距离等变量，并根据变量数值绘制实时曲线，为地面维护人员进一步对信息进行分析，准确判断设备工作状态提供了便利，提高了维护效率。适用于多旋翼无人机挂载的DVOR空间信号测试装置可以应用在以下几个方面：
1、在DVOR设备连续两次飞行校验的间隔期间，可以快捷地对空间信号进行有效检测，获取关键参数信息，如30HzAM、9960HzAM、射频电平等，辅助诊断设备“健康”状况，及时排查安全隐患。
2、在设备安装调试后、投产校验前，可以利用此装置对设备的空间信号进行测试和验证，提前将设备调试至最佳状态，确保投产校验前空间信号的准确性，避免反复校验，节省成本，提高效率。
3、在设备统调和日常运行维护中，可以突破周边地形条件的限制，根据设备状态和实际需求，指定测量DVOR台站某特定方位的空间信号质量。
4、在DVOR设备进行飞行校验前，可以借助此装置先进行一次“预校验”。在多旋翼无人机的飞行覆盖范围内，模拟真实飞行校验的径向、校直圆周、弯曲等科目，进行一次“缩小版”的飞行校验，预判设备状态及空间信号质量，及时调整设备，提高飞行校验的成功率。
5、在进行DVOR设备巡检时，此系统可辅助巡检技术人员测试DVOR设备的空间信号，结合对设备的全面检测，更能全面掌握设备性能状况，分析设备参数的变化趋势。
产生效益及发展前景：
（1）提高维护质量和维护效率。适用于多旋翼无人机挂载的DVOR空间信号测试装置能够帮助设备维护人员获取大量从地面无法获取的空间信号参数数据，从而可以对设备进行更全面深入的健康状况估计和趋势分析，大大提高地面设备维护人员的工作效率和维护质量。
（2）节省维护成本。进口PIR测试仪价格昂贵，故障维修困难，本装置由模块化设计，无人机零件更换容易，软件无线电模块成本低廉。
（3）各地机场需求量大。随着各地新建中小机场及各种机场改扩建工程的不断增多，新装的DVOR设备台站数量多，本装置可规模化生产，具有巨大的潜在市场价值。
（4）本装置可增加电磁干扰信号测试功能。借助无人机空中移动的高机动，全范围的优势，可以协助地面人员排查干扰信号，突破地面地形和障碍物的束缚，快速找到干扰源。
（5）随着无人机技术的快速发展，本装置的空中测试范围将越来越大。本装置可安装在固定翼与多旋翼一体的复合型无人机上，此类无人机综合了固定翼和多旋翼的优点，既不需要特定的起降场地，又可快速、大范围飞行，增加本装置的空中测试范围，提高测试性能。
上述实施方式仅为本实用新型的优选实施方式，不能以此来限定本实用新型保护的范围，本领域的技术人员在本实用新型的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本实用新型所要求保护的范围。
Claims (7)
1.一种多旋翼无人机挂载的DVOR空间信号测试装置，其特征在于：包括机载计算机、地面终端、软件无线电系统、数传电台和GNSS定位系统；
所述GNSS定位系统和所述软件无线电系统依次一一对应获取位置信号和导航信号，并将获取信号传输给所述机载计算机；
所述机载计算机接收信号通过所述数传电台传输给所述地面终端，以实时显示相关测试图表并关联位置信息。
2.如权利要求1所述的多旋翼无人机挂载的DVOR空间信号测试装置，其特征在于：所述GNSS定位系统包括机载型GNSS接收机模块；
所述机载型GNSS接收机模块接收空中卫星GNSS信号，同时接收RTK差分信号，实现精确定位。
3.如权利要求2所述的多旋翼无人机挂载的DVOR空间信号测试装置，其特征在于：所述机载型GNSS接收机模块通过4G移动信号网络或差分天线进行RTK差分信号的传输。
4.如权利要求2所述的多旋翼无人机挂载的DVOR空间信号测试装置，其特征在于：所述机载型GNSS接收机模块通过GNSS天线进行GNSS信号的传输。
5.如权利要求1所述的多旋翼无人机挂载的DVOR空间信号测试装置，其特征在于：所述软件无线电系统包括软件无线电SDR模块；
空间中的无线电信号由导航天线接收，经所述软件无线电SDR模块进行信号采集并实现模拟信号的模数转换，当模拟信号转换为数字信号后，传输至所述机载计算机进行信号处理。
6.如权利要求1所述的多旋翼无人机挂载的DVOR空间信号测试装置，其特征在于：所述地面终端为地面计算机。
7.如权利要求1所述的多旋翼无人机挂载的DVOR空间信号测试装置，其特征在于：所述多旋翼无人机采用六轴碳纤维结构的可折叠机架。
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