一种基于北斗二代和移动网络的通航运行监视系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种基于北斗二代和移动网络的通航运行监视系统。GSM模块Ⅰ通过北斗二代芯片Ⅰ依次与STM32数据采集模块Ⅰ、FPGA监视系统Ⅰ连接，GSM模块Ⅱ通过北斗二代芯片Ⅱ依次与STM32数据采集模块Ⅱ、FPGA监视系统Ⅱ连接，北斗、GPS卫星分别与北斗二代芯片Ⅰ、北斗二代芯片Ⅱ连接，地面站分别与GSM模块Ⅰ、GSM模块Ⅱ连接，显示器分别与STM32数据采集模块Ⅰ、STM32数据采集模块Ⅱ连接。效果是：安全性好、性价比高、监视精度高、监控实时性、高效性、运行成本低、使用便捷。
【专利说明】
一种基于北斗二代和移动网络的通航运行监视系统
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种通航飞机的监视和运行，特别涉及一种基于北斗二代和移动网络的通航运行监视系统。
【背景技术】
[0002]通用航空包括从事工业、农业、林业、渔业和建筑业的作业飞行以及医疗卫生、抢险救灾、气象探测、海洋监测、科学实验、教育训练、文化体育等方面的飞行活动。由于中国飞机通信、导航和监视手段比较低，通航还未完全开放的现状，从技术手段和空域规划上无法保障中国民航规划的通航飞机的大范围普及的规划。2011年美国拥有通航飞机190000架次是中国通航飞机数量的500倍。我国通用航空使用的监视手段主要是利用目视飞行和机载的ADS-B和ACARS等设备，目视监视手段落后，安全系数低，且不利于大规模发展；由于其机载设备价格昂贵，无法大规模普及，监视和导航技术提高可以优化空域，克服交通拥挤和不安全事故的发生;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。这种现状不仅严重影响了国土防空和飞行安全，还严重制约着低空空域的开放和通用航空的发展。因此，一套定位精准、实时通信、安全性高、价格合理的切合我国实际的飞行器定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。
【发明内容】
[0003]鉴于现有技术的状况及存在的问题，为加强监视精度，缩小航空器运行间隔，降低运行成本，本实用新型提供了一种基于北斗二代和移动网络的通航运行监视系统。
[0004]本实用新型采用的技术方案是:一种基于北斗二代和移动网络的通航运行监视系统，其特征在于: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，所述主控系统机载设备包括GSM模块1、北斗二代芯片1、STM32数据采集模块1、FPGA监视系统I，所述备用系统机载设备包括GSM模块Π、北斗二代芯片Π、STM32数据采集模块Π、FPGA监视系统Π，所述地面站接收处理显示系统包括地面站、显示器，所述卫星北斗二代接收设备包括北斗、GPS卫星，具体电路连接为:所述GSM模块I通过北斗二代芯片I依次与STM32数据采集模块1、FPGA监视系统I连接，所述GSM模块Π通过北斗二代芯片Π依次与STM32数据采集模块IKFPGA监视系统Π连接，所述北斗、GPS卫星分别与北斗二代芯片1、北斗二代芯片Π连接，所述地面站分别与GSM模块1、GSM模块Π连接，所述显示器分别与STM32数据采集模块1、STM32数据采集模块Π连接。
[0005]本实用新型的有益效果是:
[0006]1、安全性好:通航飞机的高度相对较低，移动网络的覆盖面积大，网络强度和质量不断提升，同时北斗二代系统可同时利用10多颗卫星对通航飞机进行定位，提高了飞机的监视精度，有效的保证了本套系统的稳定运行，大大增强了通航飞机的安全性。
[0007]另外，出于安全与稳定角度考虑，本套系统设计了一套主运行系统与一套相同功能的备用运行监视与通信系统，并搭载基于FPGA数字芯片的运行保障监视系统，主系统运行时备用系统处于热准备状态。当主系统出现故障时，FPGA保障监视系统能迅速唤醒备用系统，提高了通航飞机运行的安全性与稳定性，同时优化了空中交通的航路航线。
[0008]2、性价比高:目前对民航客机和通航飞机上的监视系统(ACARS、ADS-B)、通信系统(HF、VHF)和导航系统(V0R、NDB、DME)造价高昂，重量大，增加了飞机的负载和运营成本，且一套系统不能同时实现通讯和导航的功能。相比高频、甚高频通讯系统、机载雷达系统、大气数据系统、本套系统重量小，能有效降低飞机的负载。此外，本套系统能同时实现全球监视与通讯功能，只要在地球上任何有网络的地方都能实现对通航飞机的监视与通信功能，同时能够全智能化处理通航飞机的飞行数据(经玮度、高度、航向、速度)，大幅度降低了通航运营成本。
[0009]3、监视精度高:GPS的定位精度在10米左右，而北斗二代的定位精度可控制在3米以内。利用北斗二代系统对通航飞机进行监视，能够最大限度的降低飞机的定位误差，从而更加精准地显示通航飞机的具体位置，确保良好的监视状态，保证飞行的高精度监视。
[0010]4、监控实时性:将北斗模块及其它部件组成的硬件系统安装于通航飞机上，利用的北斗二代系统的定位系统，通过移动网络将通航飞机的飞行数据(经玮度、高度、速度、机尾号、时间)传输到地面的基站，在地面站建立虚拟端口，利用VB程序显示出飞机的航迹，以及飞行的状态，从而实现了对于飞机的监控和实时动态观察。
[0011]5、高效性:本项目利用北斗二代定位系统以及移动网络系统，通过数据链传送能够较好的实现对通航飞机的监视和控制。有力地保证通用航空飞机的安全，而且可同时监视多架通航飞机，并将这些飞机的飞行信息(经玮度、高度、航向、速度)精准地显示在能在基站的电脑上，提尚通航运彳丁的效率。
[0012]6、使用的便捷性:在监视的基础上，还在飞机和地面基站分别增设人机交会界面，从而可以实现地面管制人员和通航飞机飞行员的及时通信和交流，更加保障了对于通航飞机的监视强度和精读，大幅度的提高了通航飞机与地面基站的联系，增强了飞行过程中的安全性和准确性。
【附图说明】
[0013]图1为本实用新型的系统连接框图；
[0014]图2为本实用新型主控系统机载设备的框图；
[0015]图3为本实用新型STM32数据采集模块I的主电路图；
[0016]图4为本实用新型的GSM模块I的主电路图；
[0017]图5为本实用新型的SIM卡部分设计图；
[0018]图6为本实用新型的北斗二代芯片I的电路原理图；
[0019]图7为本实用新型的地面站数据处理显示流程图。
【具体实施方式】
[0020]如图1所示，一种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，主控系统机载设备包括GSM模块1、北斗二代芯片1、STM32数据采集模块1、FPGA监视系统I。
[0021]备用系统机载设备包括GSM模块Π、北斗二代芯片Π、STM32数据采集模块Π、FPGA监视系统Π。
[0022]地面站接收处理显示系统包括地面站、显示器，卫星北斗二代接收设备包括北斗、GPS卫星。
[0023]具体电路连接为:GSM模块I通过北斗二代芯片I依次与STM32数据采集模块1、FPGA监视系统I连接，GSM模块Π通过北斗二代芯片Π依次与STM32数据采集模块Π、FPGA监视系统Π连接，北斗、GPS卫星分别与北斗二代芯片1、北斗二代芯片Π连接，地面站分别与GSM模块1、GSM模块Π连接，显示器分别与STM32数据采集模块1、STM32数据采集模块Π连接。
[0024]本实用新型利用移动网络和北斗二代，采用北斗二代与GPS联合定位技术，利用GSM模块I通过S頂卡附着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，STM32数据采集模块I采用STM32F103ZET6芯片接收并解码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。
[0025]备用系统机载设备的电路设计及工作原理与上述主控系统机载设备电路设计及工作原理相同，一旦主控系统机载设备出现故障时，备用系统机载设备开始使用。
[0026]—、主控系统机载设备设计:如图2所示，
[0027]STM32数据采集模块I采用STM32F103ZET6芯片接收并解码北斗二代芯片I接收到的北斗、GPS卫星即北斗、GPS双重卫星定位信息，并通过串行接口发送至GSM模块I，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。
[0028]1、STM32数据采集模块I设计:如图3所示，具体电路为:STM32F103ZET6芯片的6脚接二极管DT2的负极，二极管DT2的正极接VCC3V电源，STM32F103ZET6芯片的23脚、24脚之间并联电阻RT3和石英晶体振荡器VT2，电容CT11一端接STM32F103ZET6芯片的23脚，电容CT12一端接STM32F103ZET6芯片的24脚，电容CT11、电容CT12的另一端及STM32F103ZET6芯片的30脚和31脚分别接地，电容CT13、电容CT14的一端分别接STM32F103ZET6芯片的30脚及电阻RT11的一端，电阻RT11的另一端接VCC3V电源，电容CT13、电容CT14的另一端接地。
[0029]STM32数据采集模块I采用STM32F103ZET6芯片作为处理器芯片，通过搭载的北斗二代芯片I，实时接收北斗、GPS卫星的定位信息以及高度、速度等信息，通过搭载的GSM模块I芯片实现北斗二代芯片I采集的数据与通过TCP协议与上位机实现数据的实时传输。以STM32F103ZET6芯片作为核心处理器芯片，分别控制GSM模块I和北斗二代芯片I。
[0030]STM32数据采集模块I通过串口给GSM模块I发送相应控制指令:S卩AT+CGCLASS/AT+CGDCONT/AT+CGATT/AT+CIPCSGP/AT+CLPORT/AT+CIPSTART/AT+CIPSEN/AT+CIPSTATUS/AT+CIPCLOSE/A T+CIPSHUT等AT指令，分别确定GSM模块I数据传输的移动台类别、PDP上下文、CSD或GPRS链接模式、本地端口号、建立TCP连接、发送数据、查询当前连接状态、关闭TCP/UDP连接、关闭移动场景等。同时，STM32数据采集模块I通过另一个串口与北斗二代芯片I进行数据通信，并且最终把数据通过GSM模块I发送至地面站，然后地面站通过解析接收到的数据来判定通航飞机的飞行高度，飞行速度，地理位置等信息。
[0031]2、631模块1设计:如图4所示，具体电路为:631模块1采用采用31190(^芯片，S頂900A芯片I脚通过开关KEYl接地，16脚和17脚之间串接电容C8，17脚接地，18脚和26脚之间串接电容C9，18脚接地，29脚、39脚、45脚、46脚、53脚、54脚、58脚、59脚、61脚、62脚、63脚、64脚、65脚接地，32脚依次通过电阻Rl、发光二极管D2接地，55脚、56脚、57脚通过电容C6接地。
[0032]通过实验研究，GSM模块I最终选择S頂900A芯片，SIM900A芯片主要特点:
[0033]SMT封装:易于客户生产加工，
[0034]尺寸小:24*24*3mm，
[0035]功耗低:待机模式电流低于18mA、sleep模式低于2mA，
[0036]供电范围宽:3.2?4.8V，
[0037]支持频段:GSM/GPRS900/1800MHz,
[0038]语音编码:支持半速率、全速率、增强型速率支持回声抑制算法，可以基于不同客户设备通过AT命令调节回音抑制消除。
[0039]S頂900A芯片采用单电源供电，VBAT供电范围3.2?4.8V之间，推荐电压为4.0V，模块射频发射时会导致电压跌落，这时电流的峰值最高会达到2A以上，因此电源供电能力尽可能达到2A，并建议VBAT弓I脚并接大电容(电容根据供电IC输出能力确定)。
[0040](I)电源部分设计(VBAT引脚):
[0041]电源芯片选择上需要注意，如果外部输入电压与VBAT压差很大，建议选择开关电源，当选用DC-DC时需注意EMI干扰，建议串接磁珠以备调整;如果外部输入电压与VBAT压差不大，最好选用LDO。客户的产品需要过TA、CE、FCC等认证，推荐选择LDO供电。为了增强模块电源抗干扰能力(主要抗浪涌，脉冲群，静电等)，不至于在外界环境比较恶劣的情况下导致模块供电异常，建议根据实际应用在外部电源输入端加一些共模电感、TVS管等器件，在VBAT供电芯片输出端加一些nf、pf级电容，滤除干扰。
[0042](2)串口部分设计:
[0043]串口部分:一般ARM系统的串口都不需要上拉的，即便上拉也要上拉到系统内部(比如VDD_EXT引脚)，模块串口部分电平2.8V左右，因此客户可以根据MCU串口电平进行电平匹配，以保证电压匹配；当MCU端和模块端的电平不匹配时，建议在M⑶和模块使用levelshifter芯片或者三极管进行电平匹配。当M⑶端和模块端的电平差别不是很大时，比如M⑶的电平为3V，简单的设计可以直接串接电阻进行电平匹配，但这可能会使MCU端的电流串至模块，导致模块开机不正常。因此在设计中串接的电阻值应根据实际电路调试得出，一般推荐值为300欧姆。
[0044](3) SIM卡部分设计:如图5所示，
[0045]SIM900A芯片支持1.8/3.0V的SM卡。SIM卡供电，根据SM卡的类型自动选择输出电压，可以为3.0V± 10%或者1.8V± 10%，该引脚最大输出电流能力约为10mA。
[0046]SIM卡部分参考设计如图5所示:
[0047]SIM部分设计注意如下:
[0048]SBLVDD:需要并100或220nF电容，以稳定电源输出，减小纹波；
[0049]SIM_DATA:建议并pF级电容，防止高频干扰；
[0050]SBLRST:建议并nF级电容，防止高频干扰；[0051 ] SIM卡的其它引脚设计:
[0052]STATUS:主要是用于判断模块开关机状态，开机后为2.8V高电平、关机后为低电平；
[0053]VDD_EXT:开机后输出2.8V的电平，如果模块没有STATUS引脚预留，建议通过该引脚判断模块开关机状态，设计时将客户端的1配置为输入(如果客户可以配置成ADC最好)，避免串电问题导致模块开关机异常；同时VDD_EXT作为上拉使用(比如模块串口部分的上拉)，最大输出电流I OmA;该引脚建议只做模块内部上拉。
[0054]VRTC:电压范围2.0—3.15V，正常供电3V。如果需要VBAT去电后保持实时时钟，请外接备份电池或电容;如果不需要保存实时时钟，请外接Uf级电容，推荐4.7uf。
[0055]NRESET:硬件上复位，低电平有效。推荐外接10nF电容，这个信号仅用于紧急复位，建议客户作为预留使用，当模块无法关机时，最好还是通过VBAT使能给模块重新上电。
[0056]3、北斗二代芯片I基本性能设计:如图6所示，具体电路为:北斗二代芯片I采用UM220-1II N芯片，北斗二代芯片I的I脚与接口JU2的7脚连接，3脚与接口JU2的8脚连接，6脚与接口 JU2的6脚连接，7脚与接口 JU2的5脚连接，20脚与接口 JU2的3脚连接，21脚与接口JU2的2脚连接，11脚分别与接口 JUl的2脚、电感LUI—端连接，电感LUI另一端通过电阻RUl接电容⑶1、开关SSl的一端，开关SSl的另一端接VCC3V电源，23脚接电容⑶1、电容⑶I的一端及接口 JU2的I脚，24脚接电容⑶1、电容CUl的另一端及地，接口 JU2的I脚接VCC电源，接口JU2的4脚及接口 JUl的I脚、3脚分别接GND地。
[0057]北斗二代芯片I双系统高性能GNSS模块，采用UM220-1II N芯片，基于公司具有完全自主知识产权的多系统多频率高性能SOC芯片，能够同时支持BD2 BUGPS LI两个频点。UM220外形尺寸紧凑，采用SMT焊盘，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。
[0058]匪EA-0183协议解析部分，这里利用了一个简单的数逗号方法来解析。我们知道NMEA-0183协议都是以类似祁065￥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，所以，我们了解了 NMEA-0183协议的数据格式(在ATK-NE0-6M的用户手册有详细介绍)之后，就可以通过数逗号的方法，来解析数据了。本代码实现了对匪EA-0183协议的$BDGGA、$BDGSA、$BDGSV、$BDRMC和$BDVTG等5类帧的解析。
[0059]二、地面站数据处理显示设计:
[0060]如图7所示，一种基于北斗二代和移动网络的通航运行监视系统实现方法，步骤如下:
[0061](1)、地面站通过移动网络接收到主控系统机载设备发送的数据，首先将数据保存到数据缓冲区存储；
[0062]( 2)、如果接收到的数据是有效报文，则将数据保存到地面站数据库；如果报文无效则将该部分数据自动删除；
[0063](3)、将存储在数据库中的数据通过C#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；
[0064](4)、根据编写的程序，将提取后的经度、玮度、航向、高度、速度信息以实时动态显示在显示界面；
[0065](5)、地面站人员也可以通过移动网络实时发送数据到主控机载设备，飞行人员可以通过显示屏接收读取相应的数据，从而同时实现实时监视与空中交通管制的目的。
[0066]三、技术指标
[0067]1、飞机上北斗二代芯片I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I次/s或者2次/S。
[0068]2、北斗模块卫星数据接收天线的接收能力影响定位精度，我们选择的是北斗、GPS卫星即北斗/GPS双模式数据接收天线。
[0069]3、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颗一下卫星定位时本系统依然可以正常工作。
[0070]4、GSM模块附着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。
[0071 ] 5、搭载FPGA数字监控芯片，实时监控系统的运行，以备随时切换主控系统和备用系统，大大增加本套系统的安全性。
【主权项】
1.一种基于北斗二代和移动网络的通航运行监视系统，其特征在于: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，所述主控系统机载设备包括GSM模块1、北斗二代芯片1、STM32数据采集模块1、FPGA监视系统I，所述备用系统机载设备包括GSM模块Π、北斗二代芯片Π、STM32数据采集模块n、FPGA监视系统Π，所述地面站接收处理显示系统包括地面站、显示器，所述卫星北斗二代接收设备包括北斗、GPS卫星，具体电路连接为:所述GSM模块I通过北斗二代芯片I依次与STM32数据采集模块1、FPGA监视系统I连接，所述GSM模块Π通过北斗二代芯片Π依次与STM32数据采集模块n、FPGA监视系统Π连接，所述北斗、GPS卫星分别与北斗二代芯片1、北斗二代芯片Π连接，所述地面站分别与GSM模块1、GSM模块Π连接，所述显示器分别与STM32数据采集模块1、STM32数据采集模块Π连接。2.根据权利要求1所述的一种基于北斗二代和移动网络的通航运行监视系统，其特征在于:所述STM32数据采集模块I采用STM32F103ZET6芯片，STM32F103ZET6芯片的6脚接二极管DT2的负极，二极管DT2的正极接VCC3V电源，STM32F103ZET6芯片的23脚、24脚之间并联电阻RT3和石英晶体振荡器VT2，电容CT11一端接STM32F103ZET6芯片的23脚，电容CT12—端接STM32F103ZET6芯片的24脚，电容CT11、电容CT12的另一端及STM32F103ZET6芯片的30脚和31脚分别接地，电容CT13、电容CT14的一端分别接STM32F103ZET6芯片的30脚及电阻RTll的一端，电阻RT11的另一端接VCC3V电源，电容CT13、电容CT14的另一端接地。3.根据权利要求1所述的一种基于北斗二代和移动网络的通航运行监视系统，其特征在于:所述GSM模块I采用采用SM900A芯片，SIM900A芯片I脚通过开关KEYl接地，16脚和17脚之间串接电容C8，17脚接地，18脚和26脚之间串接电容C9，18脚接地，29脚、39脚、45脚、46脚、53脚、54脚、58脚、59脚、61脚、62脚、63脚、64脚、65脚接地，32脚依次通过电阻Rl、发光二极管D2接地，55脚、56脚、57脚通过电容C6接地。4.根据权利要求1所述的一种基于北斗二代和移动网络的通航运行监视系统，其特征在于:所述北斗二代芯片I采用UM220-111 N芯片，北斗二代芯片I的I脚与接口 JU2的7脚连接，3脚与接口 JU2的8脚连接，6脚与接口 JU2的6脚连接，7脚与接口 JU2的5脚连接，20脚与接口 JU2的3脚连接，21脚与接口 JU2的2脚连接，11脚分别与接口 JUl的2脚、电感LUI —端连接，电感LUI另一端通过电阻RUl接电容⑶1、开关SSl的一端，开关SSl的另一端接VCC3V电源，23脚接电容CUl、电容CU I的一端及接口 JU2的I脚，24脚接电容CU 1、电容CUl的另一端及地，接口 JU2的I脚接VCC电源，接口 JU2的4脚及接口 JUl的I脚、3脚分别接GND地。
【文档编号】H04L12/26GK205647549SQ201620203513
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年3月16日
【发明人】张召悦, 周建涛, 李弼达, 王印乐, 杜小熊, 崔子洋, 陈洋, 王淼, 杨闯
【申请人】中国民航大学