本發(fā)明涉及無人機安全監(jiān)管，具體涉及一種基于卡爾曼濾波的ads-b、5g、自組網(wǎng)與remote?id的協(xié)同數(shù)據(jù)融合方法。

背景技術：

1、隨著航空技術的飛速發(fā)展，無人機得到了廣泛的推廣。由于無人機具有可靠、靈活、適應性強、高效等特點，被廣泛應用于農(nóng)業(yè)、航拍、物流、監(jiān)測、救援、林業(yè)、環(huán)保等多個領域。然而，隨著無人機數(shù)量的增加，飛行安全成為一個不容忽視的問題。因此，有必要加強飛行流量管制和低空安全監(jiān)管，以此確保無人機的飛行不影響公共安全和個人隱私。為無人機分別部署ads-b設備、5g設備、remote?id設備、以及自組網(wǎng)設備可以有效解決上述問題。

2、ads-b是一種航空電子設備，用于飛機之間和飛機與地面控制中心之間的自動無線通信。該技術通過衛(wèi)星導航系統(tǒng)提供實時飛行位置數(shù)據(jù)，并廣播這些數(shù)據(jù)以供其他飛機和地面控制中心進行監(jiān)視。ads-b可以提高飛行安全性，減少空中碰撞風險，提高飛行效率，并為飛行員提供更全面的飛行信息。這項技術已經(jīng)成為現(xiàn)代民航領域中重要的監(jiān)控和通信工具。但ads-b工作在特定頻段，單一使用ads-b存在頻譜阻塞的問題。

3、remote?id是指無人機系統(tǒng)中的一項技術，旨在通過使用通信鏈接將無人機的身份和飛行信息傳輸?shù)降孛嬲军c或其他設備上，以實現(xiàn)對無人機的識別和監(jiān)測。remote?id的目的是確保無人機在空中的活動可以被地面運營者、當局以及其他飛行器識別和跟蹤。這項技術可以提供關鍵的飛行信息，如無人機的位置、速度、高度以及相關的身份信息。遠程識別系統(tǒng)可以通過無線通信網(wǎng)絡將這些數(shù)據(jù)發(fā)送給地面控制站、航空管理機構和其他相關方。但remote?id存在數(shù)據(jù)安全與成本問題。單一使用remote?id可能會造成信息泄露和成本過大的問題。

4、自組網(wǎng)是指由一組移動設備通過無線通信建立的臨時網(wǎng)絡，無需任何基礎設施或中心節(jié)點的支持。自組網(wǎng)通常采用分布式的方式進行管理和控制，節(jié)點之間通過協(xié)作來完成網(wǎng)絡的組建、維護和路由。節(jié)點可以在任何時間、任何地點加入或離開網(wǎng)絡，網(wǎng)絡拓撲結構會隨之動態(tài)變化。這種自適應性使得自組網(wǎng)在應對臨時性、動態(tài)性和靈活性要求較高的場景下具有廣泛的應用。無人機搭載自組網(wǎng)模塊后，可以臨時搭建一個實時局域網(wǎng)，所有終端可在居于網(wǎng)內(nèi)進行高校通信。

5、通過5g網(wǎng)絡，無人機可以實時地傳輸飛行數(shù)據(jù)，包括速度、經(jīng)度、緯度、高度、方向和身份碼等關鍵信息。這些數(shù)據(jù)可以被地面控制中心和其他飛行器接收和處理，從而實現(xiàn)對無人機飛行狀態(tài)的精準監(jiān)控和管理。其高帶寬和低延遲特性的特點對于飛行安全、空中交通管理、飛行器之間的協(xié)同以及監(jiān)控和救援等應用至關重要。因此，5g在無人機通信領域的應用為無人機的智能化飛行、集群管理和復雜任務執(zhí)行提供了強大支持，推動了無人機技術在各個領域的廣泛應用和發(fā)展。通過5g網(wǎng)絡傳輸無人機的飛行態(tài)勢可以有效克服頻譜阻塞，數(shù)據(jù)安全和成本過大的問題。但單一使用5g網(wǎng)絡作為無人機監(jiān)視網(wǎng)絡難以與現(xiàn)有的民航監(jiān)視體系集成一體，為空管人員帶來了一定的技術阻礙。

6、數(shù)據(jù)融合是指從多個相互關聯(lián)的信息源中，通過適當?shù)奶幚矸椒ǎ瑢?shù)據(jù)集成成為一個更為全面、準確、可靠、及時的信息源。例如，公開號為cn115440095b的發(fā)明中公開了一種航空多模融合通信系統(tǒng)地面終端，公開號為cn115440096a的發(fā)明中公開了一種航空多模式融合通信系統(tǒng)等等。但是現(xiàn)有的數(shù)據(jù)要么直接呈現(xiàn)或者指定某種通信方式的數(shù)據(jù)作為標準進行呈現(xiàn)，或者以極其復雜的算法(例如神經(jīng)網(wǎng)絡等)計算可靠性后進行呈現(xiàn)，前者準確性較差，后者難以實現(xiàn)實時性需求，對運算能力要求較高。目前的分布式的多類設備產(chǎn)生的來源廣泛、格式各異的數(shù)據(jù)將極大限制信息的共享和有效利用。

技術實現(xiàn)思路

1、針對分布式的多類設備產(chǎn)生的來源廣泛、格式各異的數(shù)據(jù)將極大限制信息的共享和有效利用的技術問題，本發(fā)明的目的是為了提供一種基于卡爾曼濾波的ads-b、5g、自組網(wǎng)與remote?id的協(xié)同數(shù)據(jù)融合方法，能夠高效地建立無人機與地面端地地實時通信，并且進行有效數(shù)據(jù)融合，協(xié)助地面端獲取無人機地飛行態(tài)勢信息，進而實現(xiàn)對無人機地監(jiān)控管理。以此來加保障空空域地飛行安全，并加強空域流量管理。

2、為實現(xiàn)上述技術目的，本發(fā)明采取的技術方案為：

3、一種基于卡爾曼濾波的ads-b、5g、自組網(wǎng)與remote?id的協(xié)同數(shù)據(jù)融合方法，所述協(xié)同數(shù)據(jù)融合方法包括以下步驟：

4、將定位接收天線與定位模塊連接，定位模塊將定位接收天線發(fā)送的無人機定位數(shù)據(jù)作為第一數(shù)據(jù)傳輸?shù)絘ds-b?out，ads-b?out對第一數(shù)據(jù)進行封裝譯碼后，由ads-b天線廣播至接收天線；接收天線與rtl-sdr連接，將第一數(shù)據(jù)對應的ads-b報文傳輸?shù)絧c端后進行譯碼，并且保存到本地；

5、采用第一樹莓派讀取無人機飛行控制信息，將其作為第二數(shù)據(jù)傳輸?shù)?g模塊，由5g模塊進行封裝譯碼后，通過5g網(wǎng)絡傳輸至接收天線；接收天線與5g接收模塊連接，將第二數(shù)據(jù)對應的5g報文傳輸?shù)絧c端后進行譯碼，并且保存到本地；

6、采用第二樹莓派讀取無人機飛行控制信息，將其作為第三數(shù)據(jù)，處理后通過網(wǎng)口輸送給自組網(wǎng)模塊，通過自組網(wǎng)發(fā)射至地面站自組網(wǎng)接收端，地面站自組網(wǎng)接收端將第三數(shù)據(jù)對應的自組網(wǎng)報文傳輸?shù)絧c端進行數(shù)據(jù)處理；

7、搭建無人機remote?id發(fā)射端：將dronebeacon搭載到無人機上，其具有內(nèi)置的定位數(shù)據(jù)源，將其獲取的無人機的定位信息作為第四數(shù)據(jù)通過藍牙或者wifi方式傳輸至地面站remote?id接收端的dronescout模塊，dronescout模塊接收第四數(shù)據(jù)對應的remote?id報文，通過交換機傳輸?shù)絧c端進行本地保存；

8、采用卡爾曼濾波的方式將收到的ads-b報文、5g報文、自組網(wǎng)報文和remote?id報文進行融合成一個新的報文結構，定義為s類報文；

9、將所有s類報文進行修正后，再通過mqtt協(xié)議實時推送到局域網(wǎng)內(nèi)的航跡顯示端上，進行無人機的態(tài)勢監(jiān)視。

10、進一步地，所述第一數(shù)據(jù)包括任務號、模式、應答、航班號、高度、速度、航向、緯度、經(jīng)度、信號強度、消息數(shù)和時間。

11、進一步地，所述第二數(shù)據(jù)包括傳感器id、信號強度、時間戳、信道、通信類型、狀態(tài)、水平速度、垂直速度、緯度、經(jīng)度、海拔高度、高度、水平精度、垂直精度、氣壓精度、速度精度和時間戳精度。

12、進一步地，所述第三數(shù)據(jù)包括飛行器類型、飛行模式、電壓、電流、剩余電量、搜星數(shù)量、滾轉角、俯仰角、偏航角、滾轉角速度、俯仰角速度、偏航角速度、緯度、經(jīng)度、高度、相對高度、x方向速度、y方向速度、z方向速度、gps可靠性、下一航點距離、空速、地速和爬升率。

13、進一步地，所述第四數(shù)據(jù)包括連接狀態(tài)、飛行模式、gps狀態(tài)、下一航點距離、電壓、剩余電量、飛行速度、滾轉角、俯仰角、偏航角、緯度、經(jīng)度和高度。

14、進一步地，采用卡爾曼濾波的方式將收到的ads-b報文、5g報文、自組網(wǎng)報文和remote?id報文進行融合成一個新的報文結構的過程包括以下步驟：

15、設置ads-b更新報文的頻率為f1，5g更新報文的頻率為f2，remote?id更新報文的頻率為f3，自組網(wǎng)更新報文的頻率為f4；對于s類報文，設定其更新頻率為fs；采用ω來衡量各類通信方式的通信質量，定義為實際接收報文數(shù)量比上理論接收報文數(shù)量；

16、在一個周期ts＝1/fs的時間內(nèi)：

17、將接收到的i個ads-b報文放在本地緩沖區(qū)，記為a＝[a1,a2,...,ai]，將接收到的j個5g報文放在本地緩沖區(qū)，記為b＝[b1,b2,...,bj]，將接收到的m個remote?id報文放在本地緩沖區(qū)，記為c＝[c1,c2,...,cm]，將接收到的n個自組網(wǎng)報文放在本地緩沖區(qū)，記為d＝[d1，d2，...，dn]，

18、將一個周期ts內(nèi)收到的報文a、報文b、報文c、報文d進行算數(shù)平均，得到唯一報文以及其相關的各類數(shù)據(jù)的標準差；

19、采用卡爾曼濾波的方式對來自不同報文的同類參數(shù)進行融合，求出所有類型參數(shù)的融合數(shù)據(jù)并依次放入s報文中；

20、其中，對于任意一類參數(shù)ω，篩選出其對應的報文a、報文b、報文c和報文d中的字段數(shù)據(jù)，對篩選出的字段數(shù)據(jù)進行融合，得到融合數(shù)據(jù)ω′s；ω′s＝(1-k1-k2-k3)ω+k1ωb+k2ωc+k3ωd，其中k1，k2，k3為卡爾曼增益；

21、根據(jù)不同的通信模式的通信質量對融合數(shù)據(jù)ω′s進行修正，修正后融合數(shù)據(jù)記為ωs，具體修正方式為：

22、

23、化簡后：

24、ωs＝(1-k1-k2-k3)ω*r1+k1ωb*r2+k2ωc*r3+k3ωd*r4，

25、其中，r1、r2、r3和r4為修正參數(shù)，在同一個周期ts內(nèi)，為常數(shù)；μ為修正參數(shù)的個數(shù)；

26、對融合數(shù)據(jù)ωs求方差，求出使得var(ωs)最小時候的卡爾曼增益。

27、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果如下：

28、本發(fā)明的目的是為了提供一種基于卡爾曼濾波的ads-b、5g、自組網(wǎng)與remote?id的協(xié)同數(shù)據(jù)融合方法，能夠高效地建立無人機與地面端地地實時通信，并且進行有效數(shù)據(jù)融合，協(xié)助地面端獲取無人機地飛行態(tài)勢信息，進而實現(xiàn)基于多維數(shù)據(jù)融合的無人機飛行態(tài)勢實時監(jiān)視，以此來加保障空空域地飛行安全，并加強空域流量管理。