第55卷第5期 2015年5月 电讯技术 Telecommunication Engineering Vo1.55.No.5 May,2015 doi:10.3969/j.issn.1001-893x.2015.05.010 引用格式:王尔申,佟刚,庞涛.低空空域通用航空飞机机载导航监视终端设计[J] 电讯技术,2015,55(5):522—526[WANG Ershen,TONG .Gang,PANG Tao.Design of anAirborne Navigation SurveillanceTerminalforGeneralAviation Aircraftin LowAltitude Airspace[J].Telecom— munication Engineering,2015,55(5):522-526.] 低空空域通用航空飞机机载导航监视终端设计 王尔申 2’3,料,佟 刚 ,庞 涛 (1.沈阳航空航天大学电子信息工程学院,沈阳110136;2.北京航空航天大学电子信息工程学院,北京100191; 3.沈阳航空航天大学辽宁省通用航空重点实验室,沈阳110136) 摘 要:针对通用航空飞机低空雷达监视存在盲区及广播自动相关监视(ADS—B)设备成本高的问 题,提出以“北斗”卫星导航系统和移动公共网络通信相结合的低空空域通用航空飞机导航监视系 统。系统利用“北斗”/GPS双模导航接收机获取载体位置等信息.通过移动公共网络通信系统和 “北斗”卫星导航系统相互补充的通信机制可靠地将机载信息发送至地面指挥中心.并能够接收地 面指挥中心的指令。考虑到“北斗”卫星导航系统通信资源的问题.系统设计了在移动公共网络通 信处于盲区时导航位置等信息存储功能。系统具有成本低、与其他机载设备无电气交联等特点 相 关成果对我国在低空空域通用航空飞机导航监视终端的研究具有一定的参考价值。 关键词:通用航空飞机;低空空域;荆充监视终端;“北斗”卫星导航系统;全球定位系统:移动公共网络 中图分类号:V249.3 文献标志码:A 文章编号:1001—893X(2015)05—0522—05 Design of an Airborne Navigation Surveillance Terminal for General Aviation Aircraft in Low Altitude Airspace WANG Ershen '。 TONG Gang ,PANG Tao ,(1.School of Electronic and Information Engineering,Shenyang Aerospace University,Shenyang 1 10136,China; 2.School of Electronic and Ifornmation Engineering,Beihang University,Beijing 100191,China; 3.Liaoning General Aviation Key Laboratory,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China) Abstract:There exists blind area for low altitude surveillance radar and the cost of Automatic Dependent Surveillance—Broadcast(ADS—B)equipment is high.To solve above problems,a navigation surveillance sys— tern system for low altitude airspace general aviation aircraft is proposed which is based on the combination of Beidou satellite navigation system(BDS)and mobile public network communications.AirbOITle system uses BDS/GPS dual navigation receiver to obtain information.and the airbO1Tle information is reliably sent to the ground control center by the mutually complementary communication mechanism of mobile public network communication system and BDS,and also the receiver can receive the command from the ground control cen— ter.At the same time,in consideration of BDS communication resource。the system designs the function of position storage when mobile public network communication is in blind are.The system features low cost and no electrical crosslink with other airbome equipment.The study has certain reference value for research on navigation and surveillance systems in low altitude airspace general aviation aircraft in China. Key words:general aviation aircraft;low altitude airspace;navigation surveillance terminal;Beidou naviga— tion satellite system;global positioning system:mobile public network communication ¥ 收稿日期:2014—12—25;修回日期:2015—04—13 Received date:2014—12—25:Revised date:2015—04—13 基金项目:国家自然科学基金资助项目(61101161);航空科学基金项目(2011ZC54010);辽宁省自然科学基金联合基金项目 (2013024003) Foundation Item:The National Natural Science Foundation of China(N0.61 101 161):The Aeronautical Science Foundation of China (2011ZC54010);The Natural Science Joint Foundation ofLiaoning Province(No.2013024003) ¥ ・通讯作者:wanges_2016@126.con Corresponding author:wanges_2016@126.con 522・ 第55卷 王尔申,佟刚,庞涛:低空空域通用航空飞机机载导航监视终端设计 第5期 1 引 言 随着2014年1 1月21日一23日由、中 域飞行器的导航监视终端。 本文针对移动公共网络通信和“北斗”卫星导 航系统各自的特点以及其在通用航空飞机导航监视 中的应用进行了深入讨论。并对“北斗”和移动公共 网络通信构成的通用航空飞机导航监视终端软硬件 进行了设计,对“北斗”卫星导航以及移动公网通信 央空中交通管制委员会(以下简称“国家空管 委”)组织召开的全国低空空域管理改革工作会议 确定了真高1 km以下空域实行分类管理有序放 开。促进通航产业发展和满足社会公众需求为目 标,最大限度盘活低空空域资源,促进通用航空产 业快速健康发展等一系列举措的实施,为通用航 空飞机最终实现在更广泛应用领域的自主飞行起 联合进行数据传输等进行了测试和分析。 2通用航空飞机导航监视系统整体设计 通用航空飞机导航监视系统主要是采集飞机的 到了重要的作用。然而,针对低空空域飞行器的 监视与服务手段缺乏有效的通信、导航、监视等服 飞行位置、速度以及其他状态参数,将获得的参数通 过移动公共网络通信或“北斗”一代卫星导航系统 等通信手段传送给地面指挥中心,并在地面监控中 心对信息处理后,发送飞行服务相关信息给机载设 备用于辅助飞行员操控飞机等,其组成主要包括空 中机载部分和地面指挥中心部分。其中,机载系统 部分包括电源系统、移动公共网络通信系统、GPS/ “北斗”Radio Navigation Satellite System(RNSS)和 务保障系统。对“低小慢”的低空空域飞行器合作 与非合作目标存在“看不见、联不上、管不住”的问 题.这些都严重影响着低空空域通用航空飞行安 全,更严重影响国土防空安全。现有的低空雷达 信号容易受到障碍物屏蔽等因素的影响,对低空 空域覆盖不佳,存在雷达盲区,无法及时提供安全 监视[1-31。另外,广播自动相关监视(ADS—B)技 术需要在地面建立多个地面服务站作为基础设 Radio Determination Satellite Service(RDSS)功能集 施,投资巨大;ADS—B机载设备安装率低,加改装 困难,短期内无法解决我国低空空域监视的问题。 而且.ADS—B信号易受到地形、障碍物的遮蔽影 响。只能通过增加监控中心数量来改善低空覆盖, 造成建设成本的增加。此外,边远山区往往也不 具备ADS—B监控中心选址的条件[4-7]。因此,需 成于一体的卫星导航定位接收机;地面中心包括 “北斗”指挥型用户机和地面控制站。系统各个组 成部分通过有线或无线通信协议进行数据通信。机 载系统与地面系统通过无线链路或静止轨道(Geo stationary Orbit,GEO)卫星进行通信,其系统组成框 图如图1所示。本文主要研究通用航空飞机导航监 视系统中的机载导航监视终端。 要建立一套成本低、有效且符合我国国情的低空空 “北斗”卫星 / / ===\、// f 一囊闽\ \、 .黎馘 网习络 模块 监控中心服务器 一北 斗 指挥 啜 \…_ ……‘ / 空中部分 / 空 中部分L一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一J 图1 通用航空飞机导航监控系统原理框图 Fig.1 Principle diagram of navigation surveillance system for general aviation aircraft 电讯技术 2.1机载导航监视终端硬件设计 通用航空飞机机载导航监控终端主要由主控模 块、GPS/“北斗”RNSS和RDSS功能集成一体的卫 星导航定位模块、公共网络通信模块和电源模块等 四部分组成,系统组成框图如图2所示。 :r…… ; 矗 ……1 :! “北斗”/GPs天线 5V 机/G MSP430 量 处理器广一 I天线 l 堕 图2通用航空飞机机载导航监视系统原理框图 Fig.2 Principle diagram of airborne navigation surveillance system 电源为通用航空飞机机载设备提供工作电压。 为了使机载系统安装方便.系统设计的电源系统为 电源,采用锂电池供电.经过电源转换器进行电 压转换.以满足系统中各模块的供电需求l8]。主控 模块是通用航空飞机机载导航监视终端的核心,负 责完成定位数据采集,与“北斗”一代卫星导航模块 和移动公共网络通信模块进行数据通信等功能。设 计中选择功耗较低以及有良好可扩展性的TI公司 的工业级MSP430F149作为微控制器,该处理器有 两个异步通信模块USART0和USART1,可以分别 与移动公共网络通信模块和GPS/“北斗”模块相 连。处理器通过向移动公共网络通信模块发送AT 指令来完成对该模块的控制,与地面指挥中心服务 器建立网络数据通信,通过检测信号强度和相关标 识位来选择空地通信方式。GPS/“北斗”模块采用 自定制的协议进行控制实现短报文的收发,模块输 出的定位信息采用NMEA 0183协议,以ASCII格式 输出 。 GPS/“北斗”定位模块为通用航空飞机提供全 天候、实时、精准的三维位置、速度、高度和时间等信 息。由于我国的“北斗”卫星导航系统自从2012年 底已具备覆盖亚太大部分地区的区域导航能力,同 时考虑到GPS系统相对成熟,为了提高定位精度、 可用性、连续性以及可靠性等性能,设计中选择 GPS/“北斗”双模组合导航定位方式为通用航空飞 机提供位置等信息。为了方便控制,设计中选用 RNSS和RDSS功能集成在一起的一体化模块, .524. RNSS功能采用“北斗”Bl频点和GPS L1频点的组 合定位,定位精度优于10 113;利用“北斗”一代卫星 导航系统的双向短报文传输功能进行通用航空飞机 的位置报告,其中,“北斗”短报文通信服务每条120 个汉字,通信的最高频率为1 Hz,通常情况下,普通 民用系统为1 min 1次,通信传输延时约为0.5 s[101。 模块通信方式采用串行通信口与主控模块进行数据 双向通信。 移动公共网络通信模块用来处理外部系统通过 串口发送过来的AT指令。射频部分主要实现信号 的调制与解调,实现外部射频信号与内部基带处理 器之间的信号转换。匹配电源为处理器以及射频部 分提供所需的电源,插座是提供给用户的应用接口。 电源部分使用线性电压调节器把外部输入的电源电 压进行稳压处理后供基带处理器和射频部分使用。 2.2机载终端软件设计 机载终端软件包括GPS/“北斗”导航定位数据 的获取.控制移动无线网络通信模块以及“北斗”一 代卫星导航模块进行数据的收发等功能。其中,移 动无线网络通信功能的实现需要对模块设置无线接 人点,获得服务器的IP地址,通过AT指令与服务器 建立TCP SOCKET连接,进行双向的数据传输。 2.3地面站中心系统的设计 地面站指挥中心系统主要由“北斗”指挥型用 户接收机、计算机以及配套应用程序软件组成。 “北斗”指挥型用户接收机实现对“北斗”卫星波束 信号的实时跟踪处理,可实现对下属100个用户的 指挥调度和多级分组组网功能。计算机上开发指挥 中心程序,使用TCP/IP协议,在客户 服务器模 型下采用Socket技术实现网络通信。系统监视软 件包括飞机状态监控、航迹规划、电子地图以及与通 用航空飞机机载导航监视设备的信息通信等功能。 3 系统测试与结果分析 系统测试主要对设计的机载导航监视系统和地 面指挥中心系统进行联合测试,包括移动公共网络 通信数据传输功能和“北斗”一代短报文功能的测 试。其中,移动公共网络通信数据传输功能测试工 作流程为: (1)打开服务器端程序监控计算机接收数据。 在服务端运行“通用航空飞机导航监视服务器端程 序”,点击“启动监听服务”按钮,打开服务端监听端 口,等待来自机载数据终端模块的连接请求,端口设 ygwy(.teleonline.Cfl 电讯技术 2015在 WU Zhenya,WANG Minghui,ZHANG Ruiping,et a1. 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CHENG Fanglin,ZHANG Yifei,LIU Jiajia.Long Mes— sage Communication Protocol Based on the“Beidou”Sat— ellite Navigation System[J].Ocean Technology,2008,27 (1):26—28.(in Chinese) 作者简介: interests include satellite navigation and GPS receiver signal pro— cessing. Email:wanges_2016@126.con 佟刚(1964一),男,教授,主要从事无人机、通用航空 飞机设计与理论的研究: TONG Gang was born in 1964.He is now a professor.His research concerns UAV,desing and theory of general aviation aircraft. 庞涛(1976一),女,博士,讲师,主要从事机器人学、 人工智能方面的研究。 PANG Tao was born in 1976.She is now a lecturer with the Ph.D.degree.Her research concerns robotics and artiifcial in— telligence.