基于Android平臺飛機羅盤校準系統軟件的實現

山 壽，常永亮，霍朝暉，黃曉波，聶瑤佳

(中國飛行試驗研究院，西安 710089)

0 引言

航空羅盤是指安裝在各型飛機上顯示飛行航向或方位基準的指示儀表，主要包括有磁羅盤、陀螺半羅盤、陀螺羅盤、陀螺磁羅盤、無線電羅盤、捷聯航姿系統、激光慣性導航系統等，對于飛行人員是否能正確操縱飛機飛行，順利完成各類訓練及作戰任務，避免迷航，保證飛行安全，有著重要的意義，特別飛復雜氣象或夜航時，尤為重要。因此對航空羅盤的精準度要求非常高。航空羅盤及相關系統間隔一定時間將會進行精準度校準，目前，國內基本采用傳統校準方法，傳統的羅盤校準方法是將羅盤儀固定在機身相對平坦無磁的地方，羅盤儀校準工作人員將羅盤儀調整為0位，選定遠處某點為基準點，羅盤儀校準工作人員、飛機駕駛艙校準工作人員、磁航向傳感器校準工作人員、牽引飛機人員完全靠對講機進行溝通進行逐點校準，此種校準方法技術落后，需要羅盤儀校準工作人員逐點通過對講機指揮其他人員對比校準，此種校準方法關鍵在于羅盤儀校準工作人員與牽引車人員的精準配合，才能有較高的校準精度，羅盤儀校準工作人員與牽引車人員經常因一點停車經常反復溝通，羅盤校準耗時主要在反復溝通上。因此羅盤校準時間長，對參與校準的相關人員熟練程度要求高，磁羅盤校準精度、效率低下。

為了解決上述磁羅盤校準存在的技術問題，我們自行研發一套磁羅盤校準系統，由座艙顯控單元、牽引車顯控單元及支架、基準羅盤單元及支架等組成，配有便攜式充電設備。基準羅盤單元設在飛機底部的飛機縱軸線上或平行于飛機縱軸線的位置，且其航向與飛機的航向一致；座艙顯控單元設置在方便校準工作人員查看的飛機座艙內；牽引車顯控單元設置在牽引車上，用于指導駕駛員校羅盤時準確牽引飛機在指定點停車。牽引車顯控單元功能由“牽引車方位顯控軟件”實現，座艙顯控單元功能由“座艙方位顯控軟件”實現，基準羅盤單元基于單片機硬件模塊實現，相關數據以R3232的格式輸出到外部無線WIFI收發器，實時將磁航向發送給WIFI模塊。兩部分軟件都是基于Android平臺開發，并在基于Android平臺的平板上運行。兩個軟件基于WIFI無線網絡進行通訊，確保座艙與牽引車協調工作。可以同時指揮牽引車司機與駕駛艙羅盤校準操作人進行的磁羅盤校準。此系統主要對磁羅盤校準、光纖捷聯航姿校準、無線電羅盤校準進行校準。

1 系統硬件架構

羅盤校準設備為外場便攜式校準設備，由座艙顯控單元、牽引車顯控單元及支架、基準羅盤單元及支架等組成，配有便攜式充電設備。

基準羅盤單元設在飛機底部的飛機縱軸線上或平行于飛機縱軸線的位置，且其航向與飛機的航向一致。座艙顯控單元設置在方便機務人員查看的飛機座艙內，牽引車顯控單元設置在牽引車上，用于指導駕駛員校羅盤時準確牽引飛機及定點停車。

顯控單元屏幕尺寸不小于7寸，具有高亮及自動亮度調節功能。3個設備之間網絡通信采用WIFI來完成，其中基準羅盤單元主要發送數據至座艙顯控單元，座艙顯控單元主要發送數據至牽引車顯控單元。硬件架構如圖1所示。

圖1 硬件框圖

2 系統設計與實現

2.1 系統運行邏輯

系統軟件通過Embarcadero RAD Studio 10.1 Berlin開發工具開發，因其能夠快速地開發跨平臺應用程序，得到廣大移動平臺開發人員的信賴。移動平臺基于Android SDK24.3.3.32Bit環境，通過USB與平板真機調試。

基準羅盤單元也就是羅盤校準系統控制調節板，主要實現2種功能：

1)該系統在實驗室進行計量校準時，與計量校準軟件一起實現校線的生成，并將生成的校線存儲在板上的EEPROM內。

2)在正常工作時，利用校線對TCM5姿態檢測傳感器輸出的航向角進行校準，并以R3232的格式輸出到外部無線WIFI收發器。

牽引車方位顯控軟件是牽引車上工作人員手持平板運行軟件，座艙方位顯控軟件是飛機座艙工作人員手持平板運行軟件，兩個軟件實現全部功能，都是基于Android平臺，為了確保指令、數據100%正確接收，3個點通過TCP協議進行網絡通信，基準羅盤單元實時將測定大地磁航向傳給座艙顯控單元，座艙顯控單元再將航向角進行校準后通過網絡轉發給牽引車顯控單元。座艙顯控單元會給定一個人為設定的磁航向要求牽引車將飛機牽引到指定磁方位角度，牽引車工作人員通過軟件給座艙顯控軟件發送到位指令，座艙操作人員接到指令后，校準相關磁羅盤。如圖2所示。

圖2 網絡數據傳輸框圖

2.2 軟件設計與實現

座艙顯控單元和牽引車顯控單元開機后默認顯示狀態是基本羅盤畫面，即顯示由磁航向傳感器測量的標準磁航向信息，如磁航向0°、30°等，顯示的磁航向范圍為0-360°，顯示方式為數字磁航向信息和羅盤刻度、羅盤指針圖形顯示。在基本羅盤畫面，設置有磁羅盤校準、光纖捷聯航姿校準、無線電羅盤校準快捷按鈕，用于進入相應功能畫面。

牽引車方位顯控軟件被動接收座艙方位顯控軟件發來的方位指令數據，按方位度數要求牽引飛機調整到位，并發送“發送到位指令”。牽引車方位顯控軟件主要功能模塊如圖3所示。

圖3 牽引車方位顯控軟件主要功能模塊

主要模塊功能如下。

連接網絡：通過TCP協議連接座艙方位顯控軟件，進行網絡通信；

目標方位：是指座艙方位顯控軟件下發要測量的目標磁方位值；

實際方位：是指飛機現在實際磁方位值，此值根據牽引車牽引飛機磁方位的改變而改變；

指南針顯示：牽引車工作人員要牽引飛機到指定的磁方位值處，指南針也會根據實際磁方位值改變。

發送到位指令：如果牽引車工作人員要牽引飛機到指定的目標方位值處后，向座艙方位顯控軟件發送到位指令，使座艙工作人員知道已經到位，測量確認后，可測下一個目標了。軟件工作流程如圖4所示。

圖4 牽引車方位顯控軟件軟件流程圖

軟件間網絡通信通過TIdTCPClient控件實現，該控件包裝了一個完整的TCP客戶端。該客戶端包括sock支持。程序運行初始化正確后，將啟動網絡通信線程實時監聽相關端口，如果接收到網絡包信息，通過對網絡包相關定義確認，正確的接收處理，不符合協議規定的拋棄。接收發送線程代碼如下：

procedure TMyThread;

var

RxBuf:TIdBytes;

ReadLen:integer;

ByteBuf:array[0..3] of Byte;

begin

while MyThreadRun do {假如線程不掛起, 這個循環將一直循環下去}

begin

if MyThreadRun=False then

begin

Exit;

end;

if Form1.IdTCPClient1.Connected then

begin

try

ReadLen := Form1.IdTCPClient1.IOHandler.InputBuffer.Size;

if ReadLen > 0 then

begin

SetLength(RxBuf, 0);

Form1.IdTCPClient1.IOHandler.ReadBytes(RxBuf, SizeOf(Form1.RealTCPDatareceive), False);

BytesToRaw(&RxBuf, Form1.RealTCPDatareceive,SizeOf(Form1.RealTCPDatareceive));

if(Form1.RealTCPDatareceive.Syn1=AA) and (Form1.RealTCPDatareceive.Syn2=55) and (Form1.RealTCPDatareceive.Syn3=10) then

begin

ByteBuf[0]:=Form1.RealTCPDatareceive.Syn7;

ByteBuf[1]:=Form1.RealTCPDatareceive.Syn6;

ByteBuf[2]:=Form1.RealTCPDatareceive.Syn5;

ByteBuf[3]:=Form1.RealTCPDatareceive.Syn4;

Form1.RealTCPData:=PSingle(@ByteBuf[0])^;

end;

//機艙要求測量度數

if(Form1.RealTCPDatareceive.Syn1=BB)and (Form1.RealTCPDatareceive.Syn2=66) and (Form1.RealTCPDatareceive.Syn3=20) then

begin

ByteBuf[0]:=Form1.RealTCPDatareceive.Syn4;

ByteBuf[1]:=Form1.RealTCPDatareceive.Syn5;

ByteBuf[2]:=Form1.RealTCPDatareceive.Syn6;

ByteBuf[3]:=Form1.RealTCPDatareceive.Syn7;

Form1.RealTCPData2:=PSingle(@ByteBuf[0])^;

//ShowMessage(Format('2---%f',[Form1.RealTCPData2]));

TcpSendCmd:=0;

CommStatusCmd:=456;

if(Form1.Timer5.Enabled=False) then

Form1.Timer5.Enabled:=True;

end;

//確認指令發出命令格式

if(Form1.RealTCPDatareceive.Syn1=AB) and

(Form1.RealTCPDatareceive.Syn2=77) and

(Form1.RealTCPDatareceive.Syn3=30)then

begin

//到位指令

if(Form1.RealTCPDatareceive.Syn8=00) and (CommStatusCmd1=0) then

begin

CommStatusCmd1:=4657;

end;

//牽引車正常接收指令

if (Form1.RealTCPDatareceive.Syn8=01) then

begin

TcpSendCmd1:=0;

CommStatusCmd:=4658;

Form1.Timer5.Enabled:=True;

end;

//座艙正常接收指令

if (Form1.RealTCPDatareceive.Syn8=02) then

begin

CommStatusCmd:=4659;

end;

end;

通過對以上功能的實現，使牽引車工作人員能清晰的看到當前執行任務，確保了牽引車與座艙工作人員按工作流程順利對各羅盤校準，軟件主界面如圖4所示。

圖5 牽引車方位顯控軟件主界面

座艙方位顯控軟件不但肩負著航向顯示功能，還是中心控制單元并指導牽引車進行相應磁方位校準。主要實現對磁羅盤、光纖捷聯航姿、無線電羅盤三種飛機羅盤校準模式。軟件主要功能模塊如圖6。

圖6 座艙方位顯控軟件功能框圖

主要模塊功能如下。

連接網絡：通過TCP協議連接牽引車方位顯控軟件與基準羅盤單元，進行網絡通信；

磁羅盤校準：對磁羅盤進行磁航向逐點校準，分為半羅差調整、羅差復查兩種，羅差復查有8點校準、12點校準兩種；

光纖捷聯航姿校準：對磁光纖捷聯航姿磁航向逐點校準，有羅差調整、羅差復查兩種模式，每個模式又分為8點校準、12點校準兩種；

無線電羅盤校準：對無線電羅盤磁航向逐點校準，有安裝差調整、象限差調整、羅差復查三種模式，其中安裝差調整、羅差復查又分為8點校準、12點校準兩種；

指南針顯示：座艙方位顯控軟件界面指南針指向實際方位角，指南針也會根據實際方位值改變。

軟件主界面如圖7所示。

圖7 座艙方位顯控軟件主界面

進入畫面的方式是在基本羅盤校準畫面按壓“磁羅盤校準按鈕”即可進入磁羅盤校準畫面，該畫面有2個功能即“半羅差調整”和“羅差復查”按鈕，在羅差復查功能畫面下還有“8點校準”和“12點校準”功能。在校準期間，牽引車顯控單元始終同步顯示座艙顯控單元的顯示信息。在此期間，牽引車顯控單元始終同步顯示座艙顯控單元的顯示信息。軟件流程如圖8所示。

圖8 磁羅盤校準流程圖

光纖捷聯航姿校準功能設計如圖9所示，按下座艙顯控單元上的“光纖航姿校準”按鈕，系統立即進入初始校準畫面，同時牽引車顯控單元同步顯示座艙顯控單元信息。選擇“羅差調整”，畫面會顯示8點校準或12點校準選擇信息，如選擇8點校準，系統分別按照45°間隔進行指導校準；如選擇12點，系統會按照30°的間隔進行指導校準工作，選擇后，系統首先指導將飛機牽引至磁方位0°進行校準工作，校準結束，按“確認鍵”，系統會給出信息引導牽引車司機將飛機牽引至第二個方位進行校準工作，如此反復，直至第一個循環的校準工作完成，系統返回初始畫面。選擇“羅差復查”，進入到第二個校準循環，畫面會顯示8點校準或12點校準信息，如選擇8點校準，系統分別按照0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°的順序進行校準；如選擇12點校準，系統會按照30°的間隔進行指導校準工作，每次校準完成一個角度后都需要按壓一次“確認”鍵，系統才能顯示進行第二個校準點磁航向信息，以及需要轉動的角度，校準完成，系統會返回初始校準畫面。在此期間，牽引車顯控單元始終同步顯示座艙顯控單元的顯示信息。

圖9 光纖捷聯航姿校準流程圖

圖10 無線電羅盤校準準流程圖

無線電羅盤校準功能設計如圖10所示，按下座艙顯控單元上的“無線電羅盤校準”按鈕，系統立即進入無線電羅盤校準畫面，同時牽引車顯控單元同步顯示座艙顯控單元信息。在該頁面，按壓“無線電0°方位基準”按鈕，系統會提示輸入該羅盤場的無線電0°方位時的磁方位角，輸入后，系統會以此角度為0°無線電方位計算出無線電方位角，系統進入初始校準畫面，顯示畫面會以大字號顯示無線電方位，同時在旁邊以小字號顯示磁方位。選擇“安裝差調整”，畫面會顯示8點校準或12點校準選擇信息，如選擇8點校準，系統分別按照45°間隔進行指導校準；如選擇12點校準，系統會按照30°的間隔進行指導校準工作。選擇后，系統會發出將飛機牽引至無線電0°方位的指令，該方位校準完成后，按壓“確認”鍵，系統會按照8點或12點校準的角度間隔發出余下的方位的校準指令，直至全部完成，第一個循環校準結束，系統返回初始校準畫面；選擇“象限差調整”，系統會給出將飛機牽引至45°方位，等待機務人員進行校準工作，校準結束，按壓“確認”鍵，系統返回初始校準畫面，第二個循環校準結束；選擇“羅差復查”，進入到第三個校準循環，畫面會顯示8點校準或12點校準信息，如選擇8點校準，系統會按照45°的間隔進行指導校準；如選擇12點校準，系統會按照30°的間隔進行指導校準工作，系統會以當前位置依次進入下一點校準工作，如8點校準方式，系統會首先給出牽引飛機至90°方位校準信息，若為12點校準模式，系統會首先給出牽引飛機至60°方位校準信息，每次校準完成一個角度后都需要按壓一次“確認鍵”，系統才會給出下一點校準信息，以及需要轉動的角度，直至完成所有校準工作，系統返回初始校準畫面。在此期間，牽引車顯控單元始終同步顯示座艙顯控單元的顯示信息。

3 校準結果與分析

3.1 校準試驗

在所有的準備工作都做好之后，本文選擇了在AG600水上飛機的一次羅盤校準數據，對磁羅盤、光纖捷聯航姿、無線電羅盤進行校準。表1～2是8點校準與12點校準數據。

表1 8點校準數據

表2 12點校準數據

3.1 結果分析

通過對機身基準羅盤單元度數、牽引車顯控單元度數、座艙顯控單元度數的對比記錄，確定本系統軟件達到校準設備精度為不低于0.5°的要求，設備供電采用鋰電池供電持續穩定。，在整個羅盤校準過程中，整個試驗過程WIFI通信鏈路信號穩定。

通過此次磁羅盤校準試驗，確定系統軟件達到設計要求，在Android平臺運行穩定，達到達到設計要求。

4 結語

自主設計羅盤校準系統通過一段時間的應用，對多型飛機羅盤校準都達到預期結果，特別是在AG600水上飛機的大量應用結果表明，校準設備精度不低于0.5°，設備供電采用具有充電功能鋰電池供電，工作時間不小于8小時。WIFI無線通信穩定，具有自動降低復雜環境對通信干擾功能。各項技術指標達到要求。對飛機飛行安全、飛行時效、飛機羅盤精度要求越來越高的當下，我們自主研發的羅盤校準系統能夠短時間對飛機上磁羅盤、光纖捷聯航姿、無線電羅盤進行精確校準。此系統易于應用，對飛機羅盤校準場地要求低、操作簡便、結構清晰、科技含量高。相信將來在軍用、民用、無人機等領域會有廣闊的應用前景。