一種基于北斗二代和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的通航運(yùn)行監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：研究了現(xiàn)階段中國民航對(duì)于通用航空飛機(jī)的監(jiān)視手段（ADS-B，ACARS和VISUAL），分析了現(xiàn)階段監(jiān)視的優(yōu)缺點(diǎn)以及北斗二代和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路，搭建并模擬了通航飛機(jī)的硬件（STM32，UM220-III N，SIM900A）機(jī)載設(shè)備，編程可視化軟件系統(tǒng)獲取通航飛機(jī)的高度，速度和經(jīng)緯度等信息。結(jié)合北斗二代和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)各自特點(diǎn)，優(yōu)化數(shù)據(jù)鏈路融合過程，實(shí)現(xiàn)雙重定位的功能，并能進(jìn)行飛行員和地面站的雙向通信。現(xiàn)場運(yùn)行證明，該系統(tǒng)監(jiān)視精度高，運(yùn)行成本低，數(shù)據(jù)處理流暢。

關(guān)鍵詞：通用航空；移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)；北斗二代；監(jiān)視；雙向通信

引言

隨著國內(nèi)低空空域開放程度的不斷增大，通用航空迎來了發(fā)展的機(jī)遇期。而目前對(duì)于通航飛機(jī)的監(jiān)視手段比較單一、監(jiān)視程度較低，監(jiān)視和通信手段制約了通航發(fā)展。另外，應(yīng)用于民用客機(jī)的監(jiān)視系統(tǒng)（如ACARS、ADS-B、多點(diǎn)定位系統(tǒng)）、通信系統(tǒng)（HF、VHF）和導(dǎo)航系統(tǒng)（VOR、NDB、DME）價(jià)格昂貴、成本太高，并不適用于通用航空的建設(shè)與發(fā)展。因此，對(duì)于通用航空的監(jiān)視和通信系統(tǒng)的研究能夠有力地解決當(dāng)前通航所面臨的監(jiān)視問題。本系統(tǒng)采用北斗二代定位技術(shù)，通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)利用GSM/GPRS模塊向基站傳送飛機(jī)的飛行信息包括飛機(jī)的經(jīng)緯度、高度和速度，利用C#進(jìn)行編程，從而使地面控制中心捕獲并繪制通航飛機(jī)的飛行軌跡，在地面控制中心的電腦界面上顯示飛行信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)通航飛機(jī)的低成本、高精度監(jiān)視功能，制作出一套便捷、實(shí)用的通用航空通信與監(jiān)視相結(jié)合的系統(tǒng)。同時(shí)，利用增設(shè)的人機(jī)交互界面，使得地面管制員和飛行員進(jìn)行實(shí)時(shí)的交流，大大提高了對(duì)通航飛機(jī)的監(jiān)視程度。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

鑒于現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，為加強(qiáng)監(jiān)視精度，降低運(yùn)行成本，本系統(tǒng)利用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)+北斗二代與GPS聯(lián)合定位技術(shù)，利用SIM900A GSM模塊通過SIM卡附著GPRS并與基站建立穩(wěn)定的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸通道，同時(shí)與地面站航空數(shù)據(jù)接收終端建立穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通信通道，采用STM32F103ZET6主控芯片接收并解碼UN220-III N北斗二代芯片接收到的北斗、GPS雙重衛(wèi)星定位信息，并通過串行接口發(fā)送至GSM模塊，經(jīng)過編碼后再利用建立的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸通道發(fā)送至地面站。地面站管制人員可根據(jù)本系統(tǒng)傳回來的飛行信息通過互聯(lián)網(wǎng)與通航飛行人員取得通信，從而同時(shí)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)視與空中交通管制的目的。

基于北斗二代和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的通航運(yùn)行監(jiān)視系統(tǒng)，包括主控系統(tǒng)機(jī)載設(shè)備、備用系統(tǒng)機(jī)載設(shè)備、地面站接收處理顯示系統(tǒng)、衛(wèi)星北斗二代接收設(shè)備，具體系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

2 主控模塊設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片STM32采集模塊設(shè)計(jì)

采用STM32F103ZET6主控芯片接收并解碼UN220-III N北斗二代芯片接收到的北斗、GPS雙重衛(wèi)星定位信息，并通過串行接口發(fā)送至GSM模塊，經(jīng)過編碼后再利用建立的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸通道發(fā)送至地面站。北斗終端+GSM模塊設(shè)計(jì)內(nèi)容包括數(shù)據(jù)采集主控模塊設(shè)計(jì)、北斗終端設(shè)計(jì)、GSM模塊設(shè)計(jì)。北斗終端+GSM模塊組成框圖如圖2所示。

2.2 北斗二代芯片UM220-III N性能設(shè)計(jì)

UM220模塊，外形尺寸緊湊，支持標(biāo)準(zhǔn)取放及回流焊接全自動(dòng)化集成，尤其適用于低成本、低功耗領(lǐng)域。NMEA-0183協(xié)議解析部分，利用了一個(gè)簡單的分割逗號(hào)方法來解析。由于NMEA-0183協(xié)議都是以類似$BDGSV的開頭，然后固定輸出格式，不論是否有數(shù)據(jù)輸出，逗號(hào)是肯定會(huì)有的，而且都會(huì)以‘*’作為有效數(shù)據(jù)的結(jié)尾，故本設(shè)計(jì)通過分隔逗號(hào)解析數(shù)據(jù)。本代碼實(shí)現(xiàn)了對(duì)NMEA-0183協(xié)議的$BDGGA、$BDGSA、$BDGSV、$BDRMC和$BDVTG等5類幀的解析。

3 地面站數(shù)據(jù)處理顯示設(shè)計(jì)

（1）地面站通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)接收到北斗終端發(fā)送的數(shù)據(jù)，首先將數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)存儲(chǔ)；（2）如果是有效報(bào)文，則將數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫；如果報(bào)文無效則將該部分?jǐn)?shù)據(jù)自動(dòng)刪除；（3）將存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)通過程序軟件進(jìn)行分析和解碼（解碼是將北斗終端發(fā)送下來的數(shù)據(jù)進(jìn)行再次整合成能在軟件界面顯示的數(shù)據(jù)），實(shí)時(shí)提取解碼后的數(shù)據(jù)；（4）根據(jù)編寫的程序，將提取后的信息以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示在顯示界面（經(jīng)度、緯度、航向、高度、速度等）；（5）地面站人員也可以實(shí)時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)到北斗終端，飛行人員可以通過顯示屏接收到相應(yīng)的數(shù)據(jù)。（圖3）

4 技術(shù)指標(biāo)

北斗二代模塊接收到的信息通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)回傳的頻率影響地圖定位的刷新頻率與定位精度，信息回傳頻率一般定為1次/s或者2次/s。

北斗模塊衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收天線的接收能力影響定位精度，故選擇北斗/GPS雙模式數(shù)據(jù)接收天線。

本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)北斗/GPS雙模式定位，在10顆以上衛(wèi)星同時(shí)定位時(shí)能達(dá)到理想精度，在10顆以下衛(wèi)星定位時(shí)本系統(tǒng)依然可以正常工作。

GSM附著GPRS時(shí)需要進(jìn)行心跳測試，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸中斷時(shí)本系統(tǒng)會(huì)重新建立連接，心跳測試間隔時(shí)間為5s。

搭載FPGA數(shù)字監(jiān)控芯片，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行，以備隨時(shí)切換主控系統(tǒng)和備用系統(tǒng)，大大增加本套系統(tǒng)的安全性。

5 結(jié)束語

（1）本套系統(tǒng)搭載了兩塊STM32F103ZET6芯片，結(jié)合UM220-IIIN北斗/GPS雙模式模塊和SIM900A GSM模塊，通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)把北斗衛(wèi)星天線接收到的定位信息發(fā)送到地面站中，地面站軟件通過解碼北斗數(shù)據(jù)得出通航飛機(jī)的高度，速度和經(jīng)緯度信息。同時(shí)，地面站管制人員可通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)建立起來的信息交互通道與通航飛行員進(jìn)行聯(lián)系，從而達(dá)到既監(jiān)控又管制的功能。

（2）通用飛行器機(jī)載設(shè)備簡單，飛行高度低，現(xiàn)行航空管制保障手段無法對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)視，雷達(dá)“看不到”，無線電“聯(lián)不上”的問題突出。因此，一套有效的切合我國實(shí)際的飛行器定位與監(jiān)視系統(tǒng)對(duì)低空空域飛行態(tài)勢進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視是極為有利的，為通航的加速發(fā)展進(jìn)程增添了有利砝碼。

（3）目前國內(nèi)的通用航空產(chǎn)業(yè)正在迅速發(fā)展，國內(nèi)低空空域試點(diǎn)開放意味著應(yīng)用于醫(yī)療救助、農(nóng)業(yè)、警察搜尋、貨物運(yùn)輸、旅游、教育等方面的范圍越來越廣，所以通用航空有著廣闊的發(fā)展前景。

最后，真誠感謝中國民航大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)中心，為我們提供了良好的科研平臺(tái)；感謝中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基地，為我們科研思路進(jìn)行引導(dǎo)與更進(jìn)；感謝指導(dǎo)教師趙嶷飛、張召悅老師，在我們的整個(gè)研究過程中給予的悉心指導(dǎo)和關(guān)懷。感謝中國民航大學(xué)，您是我們的堅(jiān)強(qiáng)后盾，有了母校的鼓勵(lì)與支持，我們才能在今后的道路上走的更遠(yuǎn)。

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