基于无线紫外光和多维编码的直升机引导系统及引导方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于无线紫外光和多维编码的直升机引导系统，包括基于无线紫外光和多维编码的四个发射端及对应的四个接收端，所有发射端及接收端均通过大气信道实现对应的通信。本发明还公开了一种基于无线紫外光和多维编码的直升机引导方法。本发明的装置及方法，将紫外光用于直升机降落过程中的定位和引导，通过便携式发射端将地面坡度、风速、风向、地面构质、障碍物等环境信息发送给直升机驾驶员，帮助其顺利降落，解决了单靠飞行员在天空中通过肉眼判断降落条件的局限性，给直升机的安全降落添加了一层保障，帮助飞行员在复杂的环境条件下安全、准确地降落。
【专利说明】基于无线紫外光和多维编码的直升机引导系统及引导方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光电信息【技术领域】，涉及一种基于无线紫外光和多维编码的直升机引导系统，本发明还涉及一种基于无线紫外光和多维编码的直升机引导方法。
【背景技术】
[0002]随着直升机的应用越来越广泛，直升机的安全问题也越发突出。当发生了紧急事件或者自然灾害时，地形地貌发生改变，交通中断，天气条件恶劣，导航定位困难，此时如何准确快速引导救援直升机抵达救灾地点的降落场并安全降落成为一大问题。
[0003]现有的直升机引导系统一般采用可见光标或旗语，更多时候是地面引导人员通过无线电与飞行员沟通，依靠飞行员的个人技术和经验来降落。可见光和旗语易受自然光和天气因素影响较大，大雨及重度雾霾时其效果较差。无线电通信方式更是要求在直升机降落这段时间内，地面引导人员始终要保持在无线电通信覆盖范围内且不能走开，不能仅依靠飞行员肉眼来判断起降条件是否安全，缺少灵活性，降低救灾人员效率。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种基于无线紫外光和多维编码的直升机引导系统，在现有技术条件下，救援直升机在前往临时降落场过程中，由信标引导直升机准确到达临时降落场，同时告知直升机驾驶员关于临时降落场的基本情况，解决了直升机搜寻信标和由信标准确引导直升机抵达降落场等问题，最终引导直升机安全降落。
[0005]本发明的另一目的是，提供一种基于无线紫外光和多维编码的直升机引导方法。
[0006]本发明采用的技术方案是，一种基于无线紫外光和多维编码的直升机引导系统，包括基于无线紫外光和多维编码的四个发射端及对应的四个接收端，所有发射端及接收端均通过大气信道实现对应的通信。
[0007]本发明采用的另一技术方案是，一种基于无线紫外光和多维编码的直升机引导方法，依赖于上述的的装置，按照以下步骤实施:
[0008]步骤1:布置发射端
[0009]首先将四个发射端按照发射端上标识的正方向，将该正方向指向正南，将四个发射端固定于降落标识“H”的四角；然后，启动I号、2号、3号三个发射端，检查各个传感器工作是否正常，对所需数据的测量是否正常；最后，启动4号信标，设置信号传输模式及数据传输信息，信息经过脉冲宽度调制后，再由喷泉码广播通过多种扫描方式将信息发出；
[0010]步骤2:直升机利用两点定位法盘旋搜索信号
[0011]当机载接收端探测并接收到信号后，记为第一时刻，并记录信号强度和当前位置，然后改变航向并继续飞行，一段时间后，再次记录信号强度和当前位置，根据两次接收到的信号强度大小，与信标信号覆盖范围做下图相交的三个圆，假设第一次记录的信号强度小于第二次记录的信号强度，说明直升机在慢慢靠近信标，再根据航行路线，得出信标在直升机航向的坐边，直升机应再向左转，以收到信标发出的带有地址信息的信号；若第二次记录的信号强度小于第一次记录的信号强度，说明直升机在慢慢远离信标，根据下图航线，得出信标在直升机右边，直升机应右转，以再次获得较强的接收信号并确定信标的方位，
[0012]多次运用两点定位法确定信标方位，在逐渐靠近信标后，信号强度增强，此时就能够从信号中解析出信标环境信息，帮助飞行员了解临时起降场的周边环境信息；
[0013]步骤3:直升机下降阶段
[0014]在逐渐靠近信标后，飞行员根据从接收到的信号中解析出的坡度、风速、地质地貌、障碍物信息，调整直升机的姿态，飞到四个信标上空，由机载的其余三个接收对准端和地面“H”三个角的发射对准端对准并下降，直至安全接地。
[0015]本发明的有益效果是:
[0016]I)利用紫外光通信技术，具有抗干扰能力强、便携式、宽视场接收等优点，能够全
天候工作。
[0017]2)通过空分编码、波分复用、脉冲宽度调制等，组合形成多维编码技术，并通过多种阵列扫描方式结合喷泉码将信息发出，解决极端条件下通信质量差的问题，提升引导直升机的可靠性。
[0018]3)将紫外光用于直升机降落过程中的定位和引导，通过便携式发射端将地面坡度、风速、风向、地面构质、障碍物等环境信息发送给直升机驾驶员，帮助其顺利降落，解决了单靠飞行员在天空中通过肉眼判断降落条件的局限性，给直升机的安全降落添加了一层保障，帮助飞行员在复杂的环境条件下安全、准确地降落。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是本发明直升机助降引导系统主体结构框图；
[0020]图2是本发明系统采用分集接收技术原理框图；
[0021]图3是本发明系统采用MMO通信技术原理框图；
[0022]图4是本发明系统中四个发射端的地面安装位置示意图；
[0023]图5是本发明系统中固定机构与发射端位置示意图；
[0024]图6是本发明系统中地面坡度感知与角度补偿机构安装示意图；
[0025]图7是本发明方法中多维编码的扇区扫描模式示意图；
[0026]图8是本发明方法中多维编码的轴线扫描模式示意图；
[0027]图9是本发明方法中多维编码的全向扫描模式示意图；
[0028]图10是本发明方法中多维编码的圆周扫描模式示意图；
[0029]图11是本发明方法中多维编码的自设扫描模式示意图；
[0030]图12是本发明方法使用的脉冲宽度调制示意图；
[0031]图13是本发明方法中全向扫描、扇区扫描和轴线扫描相结合示意图；
[0032]图14是本发明方法中自设扫描和全向扫描相结合示意图；
[0033]图15是本发明方法中两点定位法原理示意图。
[0034]图中，1.数据采集输入，2.编码器，3.驱动电路，4.紫外LED阵列，5.光电探测器，
6.光电转换器，7.解码器，8.数据采集输出，9.发射端，10.接收端，11.坡度传感器，12.角度补偿机构，13.固定机构。【具体实施方式】
[0035]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0036]紫外光通信系统具有抗干扰能力强、全天候非视距等特点，并使用无线紫外光分集接收、无线紫外光MMO通信、角度感知与补偿、PPM调制和脉冲宽度调制、喷泉码、扇区扫描、轴线扫描、全向扫描、圆周扫描、自设扫描等多种扫描方式，空分编码、波分复用等多维编码技术，使得其能够应用于直升机在紧急情况下的助降，准确、方便地实现临时起降场的信标与直升机之间的通信弓I导。
[0037]本发明基于无线紫外光和多维编码的直升机助降引导系统，具有以下几个主要技术特征:1)无线紫外光分集接收技术；2)无线紫外光MIMO(Multiple-1nputMultiple-Output)通信；3)PPM调制和脉冲宽度调制技术；4)多维编码技术5)喷泉编译码技术；6)轴线、全向、圆周、扇区、自设等多种扫描方式。
[0038]参照图1，本发明基于无线紫外光和多维编码的直升机引导系统，包括四个发射端及对应的四个接收端，所有发射端及接收端均通过大气信道实现对应的通信。
[0039]各个发射端9的底部设置有固定机构13，用于将发射端9可靠地固定于地面，其中三个发射端9为与直升机对准的发射对准端，剩下一个发射端9作为信标；各个发射端内部集成有数字键盘、多种传感器(包括地面坡度、风向、风速等传感器)，一起构成数据采集输入1，数据采集输入I与编码器2连接，编码器2通过驱动电路3与紫外LED阵列4控制连接。即发射端利用数字信号处理设备实现数据信号的数字化编码处理，通过驱动电路的调制，采用紫外LED阵列的光源实现信号的发射，将飞行员所需的各种地面数据通过喷泉码发送给直升机接收端，小型化设计使其方便携带。
[0040]接收端10安装于直升机上，在直升机机身上安装四个能接收对应波长紫外光的接收端10，各个接收端10采用对应紫外光的光电探测器5，用于接收发射端9发送的紫外光信号，光电探测器5与光电转换器6连接,光电转换器6通过解码器7与数据米集输出8连接，将接收的各个数据经处理输出到显示屏上供飞行员参考。
[0041 ] 参照图2，本发明系统结构中采用了分集技术。分集技术是克服信号衰落最为有效的技术，且不会在接收端增加额外的复杂度和占用带宽，因此本发明采用分集技术提高了通信链路的质量。
[0042]参照图3，本发明系统采用了 MMO通信技术。采用了基于角度感知的MMO通信技术，提高了链路通信的可靠度，降低误码率，增大信道容量和通信距离并能够实时测量着陆点的震动、颠簸等情况。同时，使用MMO通信技术能够在较低的发射功率下保证紫外光通信系统的可靠性，满足了复杂气象条件下使用的需要。
[0043]参照图4，其中显示了一个按比例设置的直升机起降标志，在“H”符号四角分别固定设置有一个发射端，(即图4中的1、2、3、4号便携式紫外光信号发射端，1、2、3号为发射对准端，4号为信标)；1、2、3、4号发射端所发射紫外光波长各不相同，利用波分复用技术，I号发射对准端发射波长为280nm的紫外光信号，2号发射对准端发射波长为270nm的紫外光信号，3号发射对准端发射波长为260nm的紫外光信号，4号信标发射波长为250nm的紫外光信号，这样能够避免互相干扰，而每个发射端所发射的紫外光束成圆锥形向上发散，因此从空中俯瞰下去其截面为一圆形。将四个不同波长的发射端，设置在临时选择的降落地点中心的降落标识四角上，对应的，在直升机机身上安装四个能接收对应波长紫外光的接收端，用于对信标信号的搜索和接收，搜索成功后即可接收到信标广播发出的临时起降场的实时环境信息。
[0044]参照图5、图6，在布置发射端的过程中，地面引导人员将发射端按照技术要求将四个发射端可靠固定在“H”的四个角，由于紧急情况下地形地貌的发生变化，地面可能不平坦，对飞行员进行安全起降造成安全隐患，因此需借助坡度感知与补偿技术来告诉飞行员起降场坡度的大小，并补偿坡度对信号发射产生的不利影响，帮助飞行员安全降落。如图
5、图6所示，固定机构13的短板与坡度传感器11面接触，坡度传感器11与角度补偿机构12信号连接，角度补偿机构12与发射端9传动连接，并且该装置可以插入松软的泥土中使短板与坡面吻合或者可与硬地面较好吻合接触，此时坡度传感器便可以测出坡度大小，并通过角度补偿机构12，使发射端9的上端头向与坡度相反的方向旋转与测得坡度相同的角度，从而使发射端始终保持竖直向上的姿态，同时将测得的四个发射端的坡度数据汇总并处理，同环境信息一起通过信标(相当于扫描发射端)广播出去，飞行员通过机载接收端得到传送来的坡度、风向、风速等实时环境信息，帮助其判断降落条件。
[0045]本发明的基于无线紫外光和多维编码的直升机引导方法，利用上述的直升机助引导系统，按照以下步骤实施:(详细实施步骤)
[0046]步骤1:布置发射端
[0047]地面引导人员选择好合适的降落场，如图4，首先将四个便携式发射端按照发射端上标识的正方向，将 该正方向按照地面引导人员随身携带的指南针等设备指向南，然后将四个发射端固定于降落标识“H”的四角；然后，启动I号、2号、3号三个便携式发射端，检查各个传感器工作是否正常，对所需数据的测量是否正常；最后，启动4号信标，使用发射端的操作键盘选择相应的地面信息的选项(包括地面质地类型如硬地面岩石、水泥地、沙质、泥土等，障碍物类型如树木、楼宇、电线等)，选项后的数字为编码，并将坡度等信息通过喷泉码一起按照表1帧格式广播发送，采用2个字节共16位发送数据，等待直升机的到来和搜索。
[0048]表1本发明采用的数据帧格式
【权利要求】
1.一种基于无线紫外光和多维编码的直升机引导系统，其特点在于:包括基于无线紫外光和多维编码的四个发射端及对应的四个接收端，所有发射端及接收端均通过大气信道实现对应的通信。
2.根据权利要求1所述的基于无线紫外光和多维编码的直升机引导系统，其特点在于:所述的各个发射端(9)的底部设置有固定机构(13)，其中三个发射端(9)为与直升机对准的发射对准端，剩下一个发射端(9)作为信标；各个发射端内部集成有数字键盘、多种传感器，一起构成数据采集输入(I)，数据采集输入(I)与编码器(2 )连接，编码器(2 )通过驱动电路(3)与紫外LED阵列(4)控制连接。
3.根据权利要求2所述的基于无线紫外光和多维编码的直升机引导系统，其特点在于:所述的三个发射对准端称为1、2、3号，信标称为4号，则有:利用波分复用技术，I号发射对准端发射波长为280nm的紫外光信号，2号发射对准端发射波长为270nm的紫外光信号，3号发射对准端发射波长为260nm的紫外光信号，4号信标发射波长为250nm的紫外光信号，各个发射端所发射的紫外光束成圆锥形向上发散。
4.根据权利要求2所述的基于无线紫外光和多维编码的直升机引导系统，其特点在于:所述的固定机构(13 )的短板与坡度传感器(11)面接触，坡度传感器(11)与角度补偿机构(12)信号连接，角度补偿机构(12)与发射端(9)传动连接。
5.根据权利要求1所述的基于无线紫外光和多维编码的直升机引导系统，其特点在于:所述的接收端(10)安装于直升机上，在直升机机身上总共安装四个能接收对应波长紫外光的接收端(10)，各 个接收端(10)采用对应紫外光的光电探测器(5)，用于接收各个发射端(9 )发送的紫外光信号，光电探测器(5 )与光电转换器(6 )连接，光电转换器(6 )通过解码器(7)与数据采集输出(8)连接。
6.一种基于无线紫外光和多维编码的直升机引导方法，其特点在于:依赖于权利要求2-5的任一装置，按照以下步骤实施: 步骤1:布置发射端 首先将四个发射端按照发射端上标识的正方向，将该正方向指向正南，将四个发射端固定于降落标识“H”的四角；然后，启动I号、2号、3号三个发射端，检查各个传感器工作是否正常，对所需数据的测量是否正常；最后，启动4号信标，设置信号传输模式及数据传输信息，信息经过脉冲宽度调制后，再由喷泉码广播通过多种扫描方式将信息发出； 步骤2:直升机利用两点定位法盘旋搜索信号 当机载接收端探测并接收到信号后，记为第一时刻，并记录信号强度和当前位置，然后改变航向并继续飞行，一段时间后，再次记录信号强度和当前位置，根据两次接收到的信号强度大小，与信标信号覆盖范围做下图相交的三个圆，假设第一次记录的信号强度小于第二次记录的信号强度，说明直升机在慢慢靠近信标，再根据航行路线，得出信标在直升机航向的坐边，直升机应再向左转，以收到信标发出的带有地址信息的信号；若第二次记录的信号强度小于第一次记录的信号强度，说明直升机在慢慢远离信标，根据下图航线，得出信标在直升机右边，直升机应右转，以再次获得较强的接收信号并确定信标的方位， 多次运用两点定位法确定信标方位，在逐渐靠近信标后，信号强度增强，此时就能够从信号中解析出信标环境信息，帮助飞行员了解临时起降场的周边环境信息； 步骤3:直升机下降阶段在逐渐靠近信标后，飞行员根据从接收到的信号中解析出的坡度、风速、地质地貌、障碍物信息，调整直升机的姿态，飞到四个信标上空，由机载的其余三个接收对准端和地面“H”三个角的发射对准端对准并下降，直至安全接地。
7.根据权利要求6所述的基于无线紫外光和多维编码的直升机引导方法，其特征在于，设置模式及数据传输的具体步骤，包括以下方式: 使用发射端的操作键盘选择相应的地面信息的选项，选项后的数字为编码，并将坡度等信息通过喷泉码一起按照表1帧格式广播发送，采用2个字节共16位发送数据，等待直升机的到来和搜索，
【文档编号】B64D45/08GK103895871SQ201410108725
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年3月21日 优先权日:2014年3月21日
【发明者】赵太飞, 侯鹏, 刘一杰, 刘雪 申请人:西安理工大学