一种基于北斗二代和移动网络的通航运行监视系统设计.doc

1、一种基于北斗二代和移动网络的通航运行监视系统设计摘 要：研究了现阶段中国民航对于通用航空飞机的监视手段（ADS-B，ACARS 和 VISUAL） ，分析了现阶段监视的优缺点以及北斗二代和移动网络数据链路，搭建并模拟了通航飞机的硬件（STM32，UM220-III N，SIM900A）机载设备，编程可视化软件系统获取通航飞机的高度，速度和经纬度等信息。结合北斗二代和移动网络各自特点，优化数据链路融合过程，实现双重定位的功能，并能进行飞行员和地面站的双向通信。现场运行证明，该系统监视精度高，运行成本低，数据处理流畅。 关键词：通用航空；移动网络；北斗二代；监视；双向通信 引言 随着国内低空空域开

2、放程度的不断增大，通用航空迎来了发展的机遇期。而目前对于通航飞机的监视手段比较单一、监视程度较低，监视和通信手段制约了通航发展。另外，应用于民用客机的监视系统（如ACARS、ADS-B、多点定位系统） 、通信系统（HF、VHF）和导航系统（VOR、NDB、DME）价格昂贵、成本太高，并不适用于通用航空的建设与发展。因此，对于通用航空的监视和通信系统的研究能够有力地解决当前通航所面临的监视问题。本系统采用北斗二代定位技术，通过移动网络利用 GSM/GPRS模块向基站传送飞机的飞行信息包括飞机的经纬度、高度和速度，利用 C#进行编程，从而使地面控制中心捕获并绘制通航飞机的飞行轨迹，在地面控制中心的

3、电脑界面上显示飞行信息，实现对通航飞机的低成本、高精度监视功能，制作出一套便捷、实用的通用航空通信与监视相结合的系统。同时，利用增设的人机交互界面，使得地面管制员和飞行员进行实时的交流，大大提高了对通航飞机的监视程度。 1 系统总体设计 鉴于现有技术存在的问题，为加强监视精度，降低运行成本，本系统利用移动网络+北斗二代与 GPS联合定位技术，利用 SIM900A GSM模块通过 SIM卡附着 GPRS并与基站建立稳定的移动网络数据传输通道，同时与地面站航空数据接收终端建立稳定的数据通信通道，采用STM32F103ZET6主控芯片接收并解码 UN220-III N北斗二代芯片接收到的北斗、GPS

4、 双重卫星定位信息，并通过串行接口发送至 GSM模块，经过编码后再利用建立的移动网络数据传输通道发送至地面站。地面站管制人员可根据本系统传回来的飞行信息通过互联网与通航飞行人员取得通信，从而同时实现实时监视与空中交通管制的目的。 基于北斗二代和移动网络的通航运行监视系统，包括主控系统机载设备、备用系统机载设备、地面站接收处理显示系统、卫星北斗二代接收设备，具体系统架构图如图 1所示。 2 主控模块设计 2.1 主控芯片 STM32采集模块设计 采用 STM32F103ZET6主控芯片接收并解码 UN220-III N北斗二代芯片接收到的北斗、GPS 双重卫星定位信息，并通过串行接口发送至 GS

5、M模块，经过编码后再利用建立的移动网络数据传输通道发送至地面站。北斗终端+GSM 模块设计内容包括数据采集主控模块设计、北斗终端设计、GSM模块设计。北斗终端+GSM 模块组成框图如图 2所示。 2.2 北斗二代芯片 UM220-III N性能设计 UM220 模块，外形尺寸紧凑，支持标准取放及回流焊接全自动化集成，尤其适用于低成本、低功耗领域。NMEA-0183 协议解析部分，利用了一个简单的分割逗号方法来解析。由于 NMEA-0183协议都是以类似$BDGSV 的开头，然后固定输出格式，不论是否有数据输出，逗号是肯定会有的，而且都会以*作为有效数据的结尾，故本设计通过分隔逗号解析数据。本代

6、码实现了对 NMEA-0183协议的$BDGGA、$BDGSA、$BDGSV、$BDRMC 和$BDVTG等 5类帧的解析。 3 地面站数据处理显示设计 （1）地面站通过移动网络接收到北斗终端发送的数据，首先将数据保存到数据缓冲区存储；（2）如果是有效报文，则将数据保存到数据库；如果报文无效则将该部分数据自动删除；（3）将存储在数据库中的数据通过程序软件进行分析和解码（解码是将北斗终端发送下来的数据进行再次整合成能在软件界面显示的数据） ，实时提取解码后的数据；（4）根据编写的程序，将提取后的信息以实时动态显示在显示界面（经度、纬度、航向、高度、速度等） ；（5）地面站人员也可以实时发送数据到

7、北斗终端，飞行人员可以通过显示屏接收到相应的数据。 （图 3） 4 技术指标 北斗二代模块接收到的信息通过移动网络回传的频率影响地图定位的刷新频率与定位精度，信息回传频率一般定为 1次/s 或者 2次/s。 北斗模块卫星数据接收天线的接收能力影响定位精度，故选择北斗/GPS双模式数据接收天线。 本系统能够实现北斗/GPS 双模式定位，在 10颗以上卫星同时定位时能达到理想精度，在 10颗以下卫星定位时本系统依然可以正常工作。 GSM 附着 GPRS时需要进行心跳测试，当数据传输中断时本系统会重新建立连接，心跳测试间隔时间为 5s。 搭载 FPGA数字监控芯片，实时监控系统的运行，以备随时切换主

8、控系统和备用系统，大大增加本套系统的安全性。 5 结束语 （1）本套系统搭载了两块 STM32F103ZET6芯片，结合 UM220-IIIN北斗/GPS 双模式模块和 SIM900A GSM模块，通过移动网络把北斗卫星天线接收到的定位信息发送到地面站中，地面站软件通过解码北斗数据得出通航飞机的高度，速度和经纬度信息。同时，地面站管制人员可通过移动网络建立起来的信息交互通道与通航飞行员进行联系，从而达到既监控又管制的功能。 （2）通用飞行器机载设备简单，飞行高度低，现行航空管制保障手段无法对其进行实时跟踪监视，雷达“看不到” ，无线电“联不上”的问题突出。因此，一套有效的切合我国实际的飞行器定

9、位与监视系统对低空空域飞行态势进行实时监视是极为有利的，为通航的加速发展进程增添了有利砝码。 （3）目前国内的通用航空产业正在迅速发展，国内低空空域试点开放意味着应用于医疗救助、农业、警察搜寻、货物运输、旅游、教育等方面的范围越来越广，所以通用航空有着广阔的发展前景。 最后，真诚感谢中国民航大学大学生创新创业中心，为我们提供了良好的科研平台；感谢中国民航大学空中交通管理学院大学生创新创业基地，为我们科研思路进行引导与更进；感谢指导教师赵嶷飞、张召悦老师，在我们的整个研究过程中给予的悉心指导和关怀。感谢中国民航大学，您是我们的坚强后盾，有了母校的鼓励与支持，我们才能在今后的道路上走的更远。 参考文献 1吕小平.发展我国的 GNSS完好性监测系统（一、二、三）J.空中交通管理，2004（3）：6-10. 2王菲.基于 1090MHz ES数据链 ADS-B关键技术研究D.成都电子科技大学，2009. 3张赢硕.北斗和 GPS双星模式下提高定位精度方法的研究D.沈阳航空航天大学，2012. 4陈贵军.基于北斗和 GPS授时系统的研制D.沈阳工业大学，2012. 5龙昌生.北斗/GPS 双模导航终端关键模块的设计与实现D.重庆大学，2011.