一種基于北斗二代和移動網絡的通航運行監視系統設計

摘 要：研究了現階段中國民航對于通用航空飛機的監視手段（ADS-B，ACARS和VISUAL），分析了現階段監視的優缺點以及北斗二代和移動網絡數據鏈路，搭建并模擬了通航飛機的硬件（STM32，UM220-III N，SIM900A）機載設備，編程可視化軟件系統獲取通航飛機的高度，速度和經緯度等信息。結合北斗二代和移動網絡各自特點，優化數據鏈路融合過程，實現雙重定位的功能，并能進行飛行員和地面站的雙向通信。現場運行證明，該系統監視精度高，運行成本低，數據處理流暢。

關鍵詞：通用航空；移動網絡；北斗二代；監視；雙向通信

引言

隨著國內低空空域開放程度的不斷增大，通用航空迎來了發展的機遇期。而目前對于通航飛機的監視手段比較單一、監視程度較低，監視和通信手段制約了通航發展。另外，應用于民用客機的監視系統（如ACARS、ADS-B、多點定位系統）、通信系統（HF、VHF）和導航系統（VOR、NDB、DME）價格昂貴、成本太高，并不適用于通用航空的建設與發展。因此，對于通用航空的監視和通信系統的研究能夠有力地解決當前通航所面臨的監視問題。本系統采用北斗二代定位技術，通過移動網絡利用GSM/GPRS模塊向基站傳送飛機的飛行信息包括飛機的經緯度、高度和速度，利用C#進行編程，從而使地面控制中心捕獲并繪制通航飛機的飛行軌跡，在地面控制中心的電腦界面上顯示飛行信息，實現對通航飛機的低成本、高精度監視功能，制作出一套便捷、實用的通用航空通信與監視相結合的系統。同時，利用增設的人機交互界面，使得地面管制員和飛行員進行實時的交流，大大提高了對通航飛機的監視程度。

1 系統總體設計

鑒于現有技術存在的問題，為加強監視精度，降低運行成本，本系統利用移動網絡+北斗二代與GPS聯合定位技術，利用SIM900A GSM模塊通過SIM卡附著GPRS并與基站建立穩定的移動網絡數據傳輸通道，同時與地面站航空數據接收終端建立穩定的數據通信通道，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雙重衛星定位信息，并通過串行接口發送至GSM模塊，經過編碼后再利用建立的移動網絡數據傳輸通道發送至地面站。地面站管制人員可根據本系統傳回來的飛行信息通過互聯網與通航飛行人員取得通信，從而同時實現實時監視與空中交通管制的目的。

基于北斗二代和移動網絡的通航運行監視系統，包括主控系統機載設備、備用系統機載設備、地面站接收處理顯示系統、衛星北斗二代接收設備，具體系統架構圖如圖1所示。

2 主控模塊設計

2.1 主控芯片STM32采集模塊設計

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雙重衛星定位信息，并通過串行接口發送至GSM模塊，經過編碼后再利用建立的移動網絡數據傳輸通道發送至地面站。北斗終端+GSM模塊設計內容包括數據采集主控模塊設計、北斗終端設計、GSM模塊設計。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性能設計

UM220模塊，外形尺寸緊湊，支持標準取放及回流焊接全自動化集成，尤其適用于低成本、低功耗領域。NMEA-0183協議解析部分，利用了一個簡單的分割逗號方法來解析。由于NMEA-0183協議都是以類似$BDGSV的開頭，然后固定輸出格式，不論是否有數據輸出，逗號是肯定會有的，而且都會以‘*’作為有效數據的結尾，故本設計通過分隔逗號解析數據。本代碼實現了對NMEA-0183協議的$BDGGA、$BDGSA、$BDGSV、$BDRMC和$BDVTG等5類幀的解析。

3 地面站數據處理顯示設計

（1）地面站通過移動網絡接收到北斗終端發送的數據，首先將數據保存到數據緩沖區存儲；（2）如果是有效報文，則將數據保存到數據庫；如果報文無效則將該部分數據自動刪除；（3）將存儲在數據庫中的數據通過程序軟件進行分析和解碼（解碼是將北斗終端發送下來的數據進行再次整合成能在軟件界面顯示的數據），實時提取解碼后的數據；（4）根據編寫的程序，將提取后的信息以實時動態顯示在顯示界面（經度、緯度、航向、高度、速度等）；（5）地面站人員也可以實時發送數據到北斗終端，飛行人員可以通過顯示屏接收到相應的數據。（圖3）

4 技術指標

北斗二代模塊接收到的信息通過移動網絡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。

北斗模塊衛星數據接收天線的接收能力影響定位精度，故選擇北斗/GPS雙模式數據接收天線。

本系統能夠實現北斗/GPS雙模式定位，在10顆以上衛星同時定位時能達到理想精度，在10顆以下衛星定位時本系統依然可以正常工作。

GSM附著GPRS時需要進行心跳測試，當數據傳輸中斷時本系統會重新建立連接，心跳測試間隔時間為5s。

搭載FPGA數字監控芯片，實時監控系統的運行，以備隨時切換主控系統和備用系統，大大增加本套系統的安全性。

5 結束語

（1）本套系統搭載了兩塊STM32F103ZET6芯片，結合UM220-IIIN北斗/GPS雙模式模塊和SIM900A GSM模塊，通過移動網絡把北斗衛星天線接收到的定位信息發送到地面站中，地面站軟件通過解碼北斗數據得出通航飛機的高度，速度和經緯度信息。同時，地面站管制人員可通過移動網絡建立起來的信息交互通道與通航飛行員進行聯系，從而達到既監控又管制的功能。

（2）通用飛行器機載設備簡單，飛行高度低，現行航空管制保障手段無法對其進行實時跟蹤監視，雷達“看不到”，無線電“聯不上”的問題突出。因此，一套有效的切合我國實際的飛行器定位與監視系統對低空空域飛行態勢進行實時監視是極為有利的，為通航的加速發展進程增添了有利砝碼。

（3）目前國內的通用航空產業正在迅速發展，國內低空空域試點開放意味著應用于醫療救助、農業、警察搜尋、貨物運輸、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展前景。

最后，真誠感謝中國民航大學大學生創新創業中心，為我們提供了良好的科研平臺；感謝中國民航大學空中交通管理學院大學生創新創業基地，為我們科研思路進行引導與更進；感謝指導教師趙嶷飛、張召悅老師，在我們的整個研究過程中給予的悉心指導和關懷。感謝中國民航大學，您是我們的堅強后盾，有了母校的鼓勵與支持，我們才能在今后的道路上走的更遠。

參考文獻

[1]呂小平.發展我國的GNSS完好性監測系統（一、二、三）[J].空中交通管理，2004（3）：6-10.

[2]王菲.基于1090MHz ES數據鏈ADS-B關鍵技術研究[D].成都電子科技大學，2009.

[3]張贏碩.北斗和GPS雙星模式下提高定位精度方法的研究[D].沈陽航空航天大學，2012.

[4]陳貴軍.基于北斗和GPS授時系統的研制[D].沈陽工業大學，2012.

[5]龍昌生.北斗/GPS雙模導航終端關鍵模塊的設計與實現[D].重慶大學，2011.