杨波+陈金水+陈洋+柳楠
摘 要：采用STM32单片机、飞控、数传电台、4G等模块，以及C#软件设计一套无人机空中交通监控系统。无人机飞行中，通过数传电台把无人机的姿态，高度，精度，维度等信息无线传送到设计好的地面站上并显示信息数据。在无遥控器操作时可以通过地面站界修改PID，飞行路线等数据发送给飞控控制无人机飞行。无人机上的4G模块可以超远距离向空管发送飞机的地理位置，编号，操作手信息等信息。空管接收数据对无人机进行监控也可以对无人机发送指令或者与地面站进行联系。实现无人机，地面站，空管三者的全双工通信以及空管监控系统与无人机监控系统的相结合。
关键词：无人机；空中交通监视；飞控系统；4G通信
引言
目前无人机飞行越来越普遍，在无人机飞行过程中不乏有“黑飞”现象，这种无监视随意飞行会导致各类事故发生，对民航飞行安全和个人安全都有很大的威胁。为防止安全事故发生，必须采用一套完整的监视系统对无人机飞行进行有效的管理。目前民航飞机的飞行是由空管，签派和飞行员共同协作完成。空管和签派负责监管和指挥，飞行员负责按规章操作飞机飞行，在三者的共同努力下保证了飞行的安全与飞行的规范。借鉴民航对飞机的管理体制，建立一套无人机，地面站，空管三者全双工通信的无人机监视系统，保证无人机飞行的安全合理。同时把无人机监视系统与空管监视系统相合，达到民航监视与无人机监视的一体化。
1 总体设计
无人机飞行中通过数传电台向地面站发送飞控中的飞行数据（高度，位置，姿态）。地面站接收数据并对飞机的飞行数据进行分析，再次通过数传电台向飞行发送新的数据达到对无人机的飞行路线，飞行姿态等的修改和操作从而达到无人机与地面站的全双工通信。考虑到无人机飞行地点与空管距离十分遥远，普通无线数传的距离已经远远达不到要求，故采用SIM7100C GSM（4G模块）与空管建立稳定的移动网络数据传输通道，可以远距离的把无人机飞行数据（地理位置，操作手信息）时时向空管传送。同时空管可以利用4G向无人机发送AT指令从而对无人机进行操作，同时空管可通过电话等方式与操作手或这地面站进行语音或短信等方式进行信息交互。通过这种数据链的相互传输达到无人机，空管，地面站三者之间的全双工通信。总体设计框图如图1所示：
2 模块设计
2.1 飞控与地面站连接模块
采用STM32，MUPU6050，MS5611等模块建立飞控，通过数传电台向地面站传输信息，同时地面站的PID界面可以对飞机进行姿态微调以及修改无人机的飞行路线达到对无人机的监视与操作，建立无人机与地面站之间的全双工通信。主控制32系统原理图如图2所示。
2.2 无人机与空管连接模块
空管与无人机通信与无人机和地面站通信不同，无人机与空管距离远，普通无线通信无法实现，故采用4G通信，方便且传输距离远。利用sim7100C芯片建立的4G模块向空管发送无人机飞行数据，对需要接收信号的电脑配置IP则可以接收到飞机地理位置信息。同时电脑也可以通过4G向无人机发送AT指令，对无人机进行操作。达到无人机与空管的全双工通信。4G模块原理图如图3所示。
3 数据传输设计
无人机飞行数据通过数传电台传输到，利用串口程序把数据从串口中取出，并编写数据传输协议与地面站界面进行链接，让地面站显示所采集的数据。无人机的数据以及操作手的信息通过4G网络传输到固定IP的电脑上，建立数据库对数据进行整理后编写协议与空管系统相链接，通过数据的链接可以在空管管制界面观测到飞机的位置。
4 结束语
本设计基于飞控、数传电台、4G等模块的设计，建立一套空管与无人机以及地面站三者之间的全双工通信的无人机空中交通监视系统。通过空管与地面站以及无人机三者信息的相互交流，相互配合，达到对无人机飞行的有效监控。该系统的工作模式为无人机飞行时，时时向地面站和空管发送自己的地理位置，高度，姿态，航线等信息。当飞机飞行路线，位置，高度不当时，空管会联系地面站对飞机的航线等进行调整，同时空管会辅助地面站对无人机进行操控。通过这种三方面信息的相互交流，从而让无人机的飞行安全化，规范化。同时该系统与空管监控系统相互结合可以实现空管监控与无人机监控一体化。此外该作品有很大的实际应用价值和现实意义：
（1）目前国内没有较为完善的无人机管理系统，此作品可以对无人机进行有效的管理与监控，从而杜绝黑飞乱飞现象，保障民航飞行安全以及个人安全。
（2）目前国内对无人机监控领域的研究尚少，此项目可以促进国内无人机监视系统领域的研究与发展。对研究无人机的监控管理系统有一定的推动作用。
（3）此系统可以与空管监视系统相结合，提高空管的监视能力，在一定程度可以避免无人机飞行干扰到民航飞机的正常运行。
（4）在未来无人机可运用的领域越来越多，运输，探查等都离不开无人机。在无人机作业时对无人机时时监控是必要的。该系统通过三方面很好的对无人机进行时时监控，确保无人机正常作业。
（5）该系统具有很强的稳定性，可以适应各类环境。在飞机上装载其他模块可以增强飞机的作业能力，如装入环境测量等模块，可以让飞机飞入指定的无人区域进行环境勘察，提高无人机的实际利用价值。
参考文献
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