基于SBAS衛(wèi)星廣播信號的廣域差分教學(xué)示范終端研制

葉逸珣　陳萬通　曾薺　藍(lán)欽彬　李書琦　陳莎薇

摘 要：文章設(shè)計并實現(xiàn)基于SBAS衛(wèi)星廣播信號教學(xué)示范終端的研制，將衛(wèi)星信號接收技術(shù)、SBAS算法與樹莓派技術(shù)相互融合，實現(xiàn)SBAS算法教學(xué)、定位精度比較等功能。文章介紹了該教學(xué)示范終端的系統(tǒng)功能、軟硬件設(shè)計、精度對比等。

關(guān)鍵詞：星基增強(qiáng)系統(tǒng)算法;樹莓派技術(shù);定位精度

1 ? ?星基增強(qiáng)系統(tǒng)

當(dāng)今國內(nèi)民航業(yè)應(yīng)用最廣泛的飛機(jī)精密進(jìn)近和著陸引導(dǎo)系統(tǒng)是儀表著陸系統(tǒng)（Instrument Landing System，ILS）。因為其工作頻率與廣播頻率很接近，所以當(dāng)飛機(jī)飛行高度小于200 ft時，下滑信號很容易受到地面干擾。工作頻率低則要求天線尺寸大，由于其性能會受到地形、建筑、車輛的影響，所以要求安裝地形平坦且開闊。這些缺點(diǎn)對于儀表著陸系統(tǒng)的定位精度、飛機(jī)飛行安全性和民航業(yè)的經(jīng)濟(jì)性有著很大的影響。相比ILS，星基增強(qiáng)系統(tǒng)（Satellite-Based Augmentation System，SBAS）具有對環(huán)境條件要求低和設(shè)備成本更低的優(yōu)點(diǎn)，能夠為民用航空（包括通用航空）提供費(fèi)用更低的導(dǎo)航服務(wù)。文章給出基于SBAS衛(wèi)星廣播信號的廣域差分教學(xué)示范終端研制，為民航SBAS的教學(xué)平臺設(shè)計提供參考。

2 ? ?系統(tǒng)功能及設(shè)計

2.1 ?系統(tǒng)功能

教學(xué)示范終端由接收端、處理器和人機(jī)交互端3部分組成。接收端接收來自日本的多功能衛(wèi)星增強(qiáng)（Multi-Functional Satellite Augmentation System，MSAS）的廣播修正信息和完好性信息，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)教幚砥鬟M(jìn)行篩選處理。處理器提取衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星鐘差、電離層延遲等多種修正信息，在人機(jī)交互端進(jìn)行實時綜合演示。用戶對是否采用SBAS的定位精度進(jìn)行對比，這為民航SBAS的教學(xué)提供了一個可視化示范平臺。

2.2 ?硬件設(shè)計

教學(xué)示范終端采用模塊化設(shè)計的方法，將接收端、處理器和人機(jī)交互端3部分依次連接，如圖1所示，其中，接收模塊和顯示屏都是基于處理器實現(xiàn)一系列功能的。

2.2.1 ?接收端設(shè)計

本裝置的GPS模塊采用U-BLOX公司生產(chǎn)的LEA-6T模塊，通過其接口上的5個串口引腳可以實現(xiàn)與處理器的互聯(lián)通信，且模塊內(nèi)部的實時時鐘（Real-Time Clock，RTC）晶體可以實現(xiàn)快速低溫啟動與熱啟動，可以使關(guān)機(jī)到下一次開機(jī)的時間縮短，提高了工作效率?？紤]到衛(wèi)星電磁波信號很弱，所以采用GPS+北斗多系統(tǒng)接收天線來增強(qiáng)衛(wèi)星接收信號。天線的接收頻率范圍為（1 575±2）～（1 561±2）MHz，具有高穩(wěn)定性、高線性度、高一致性和高選擇性特點(diǎn)。LEA-6T模塊和天線相互連接組成了接收端，能夠自動搜尋衛(wèi)星，接收來自日本MSAS衛(wèi)星系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息。

2.2.2 ?處理器

為了滿足教學(xué)示范平臺的功能性和方便性，采用樹莓派3b+作為本裝置的處理器。樹莓派具備所有個人計算機(jī)的功能，搭載1.4 GHz的64位四核處理器，最大驅(qū)動電流為2.5 A，只有信用卡大小。依據(jù)SBAS算法對樹莓派進(jìn)行編程，實現(xiàn)對接收數(shù)據(jù)的篩選處理功能，提取衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星鐘差、電離層延遲等多種修正信息。

2.2.3 ?人機(jī)交互端

為方便教學(xué)過程的觀看和操作，顯示屏選擇1 024×600尺寸的觸摸電容屏，用戶在觸摸屏上點(diǎn)擊是否采用SBAS的選項，由此顯示不同的衛(wèi)星定位精度。

2.3 ?軟件設(shè)計

2.3.1 ?接收模塊配置

首先，利用UCENTER軟件配置LEA-6T模塊的參數(shù)，LEA-6T模塊處理任務(wù)主要分為以下3個步驟：打開操作系統(tǒng)、接收數(shù)據(jù)、串口向處理器傳輸數(shù)據(jù)。

2.3.2 ?樹莓派程序設(shè)計

樹莓派從串口接收的數(shù)據(jù)包括十六進(jìn)制和ASCII碼，依據(jù)U-BLOX協(xié)議解析來接收模塊的數(shù)據(jù)，可知十六進(jìn)制含有鐘差信息，而ASCII碼中的GPRMC含有經(jīng)緯度信息，可以用來讀取定位信息。

用C語言對樹莓派編寫篩選數(shù)據(jù)的程序，先檢測接收數(shù)據(jù)的第一位為“$”還是“B5”，判斷接收的是ASCII碼的數(shù)據(jù)還是十六進(jìn)制的數(shù)據(jù)。如果為ASCII碼，只需要從串口傳輸進(jìn)來的數(shù)據(jù)中截取到頭為$GPRMC的數(shù)據(jù)串，就能對經(jīng)緯度進(jìn)行讀取。而且MC信息內(nèi)的經(jīng)緯度可以參考SBAS衛(wèi)星的定位，所以可以用作定位精度的比對。如果為十六進(jìn)制，先將接收數(shù)據(jù)放入名為original的數(shù)組，然后命名一個為Clock_bias的全零數(shù)組，將需要調(diào)換的數(shù)據(jù)位位置右移相應(yīng)的位數(shù)，與高位相或并儲存在Clock_bias中，循環(huán)右移，儲存下第二高位，再左移回去，最終將需要的數(shù)組儲存在Clock_bias中，就得到了需要的鐘差數(shù)據(jù)。最后根據(jù)用戶是否采用SBAS，輸出顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

3 ? ?精度對比

從圖2可以看出，采用SBAS后定位范圍明顯縮小，定位精度提高。

4 ? ?結(jié)語

基于LEA-6T樹莓派3b+設(shè)計穩(wěn)定實時顯示SBAS修正誤差的顯示終端，能夠為民航SBAS教學(xué)提供便利，使學(xué)習(xí)者深入了解SBAS修正和衛(wèi)星導(dǎo)航在民航中的重要性，為今后民航技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

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基金項目：大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（201910059124）

作者簡介：葉逸珣（1999— ），女，本科生。