CN106504588B - 基于北斗二代和移动网络的多平台低空域监视系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于北斗二代和移动网络的多平台低空域监视系统及方法。本系统采用北斗二代定位技术，利用4G模块通过4G移动网络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，从而使地面控制中心捕获并绘制通航飞机的飞行轨迹，在各地面控制平台的界面上显示飞行信息，实现了对通航飞机的低成本、高精度监视功能。本系统便捷、实用，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。本系统在香蕉派开发板上实行模块化运行，用户可根据自己的需要自行购买与装卸北斗二代/GPS模块、4G模块等关键模块，极大地满足了飞行员与各地低空空域监管部门的个性化需求。

Description

基于北斗二代和移动网络的多平台低空域监视系统及方法
技术领域
本发明涉及北斗二代与移动网络技术的结合，特别涉及一种基于北斗二代和移动网络的多平台低空域监视系统及方法。
背景技术
低空空域监视系统是保障通航运输安全高效有序运行的核心系统。近年多次出现的无人机黑飞问题，也充分体现了低空空域监视的重要性。随着通航事业的快速发展及低空空域的逐渐开放，针对低空空域监视技术研究也日益增加。在低空空域监视领域，现有的主要手段有低空雷达、地面一、二次航管雷达、自动相关监视技术等。由于雷达价格昂贵、在低高度下存在监视盲区、小飞机尤其无人机监视存在困难，大规模民用可行性较低。目前国际民航组织(ICAO)、美国联邦航空局(FAA)以及欧洲空管组织(EUROCONTROL)建议使用相关监视(ADS)和多点定位技术(MLAT)来提供低空监视。由于多点定位技术需要建设地面基站，相关监视需要对未安装ADS设备的飞机进行改装，建设成本较高，对于通航监视的实用性较低。
随着国内低空空域开放程度的不断增大，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，目前监视和通信手段制约了通航发展，影响到通航飞机运行的安全性和稳定性。另外，应用于民用客机的监视系统(如SSR、ADS-B、多点定位系统)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，对于低空空域监视系统的研究能够有力地解决当前通航所面临的监视问题。
发明内容
鉴于当前低空空域监视精度低，存在监视盲区的问题，本发明提供一种基于北斗二代和移动网络的多平台低空域监视系统及方法。本系统基于北斗二代与移动网络，采用北斗二代与GPS联合定位技术，利用SIM7100C 4G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，采用附着STM32F103ZET6芯片的数据采集主控板接收并解码北斗二代/GPS模块接收到的北斗、GPS双重卫星定位信息，本系统采用的北斗二代/GPS模块为UM220-III N。此时，数据采集主控板既可通过串行接口将数据发送至4G模块，也可通过蓝牙、Wifi将数据发射至机载香蕉派开发板。数据在4G模块中经过编码后，可利用建立的移动网络数据传输通道发送至地面站。地面站与机载香蕉派开发板均可使用内置的数据解析程序解析处理数据，并显示在地面站与机载监视软件的界面上。同时，地面站可通过数据采集主控板与机载香蕉派开发板建立互联网连接，从而同时实现实时监视与空中交通管制的目的。另外，为保证系统的正常运行，本套系统还设计了一套FPGA监视系统，该系统接收主用系统发送的监视信息。当主用系统发生异常时，FPGA监视系统将向主用系统发送告警信息，并启动备用系统，从而保证整套系统的正常运行。
本发明采取的技术方案是：一种基于北斗二代和移动网络的多平台低空域监视系统，其特征在于，该系统包括分别与卫星连接的主用系统和备用系统、还包括分别与主用系统和备用系统连接的FPGA监视系统，还包括带有母板的的第一香蕉派开发板；所述的主用系统和备用系统分别包括北斗二代/GPS模块、数据采集主控板和含有SIM卡的4G模块；其中两个数据采集主控板分别与带有母板的的第一香蕉派开发板连接，两个含有SIM卡的4G模块分别与FPGA监视系统连接，同时还分别与由安卓平板、电脑主机或带有母板的第二香蕉派开发板组成的地面站连接。
本发明所述的采用基于北斗二代和移动网络的多平台低空域监视系统的方法，其特征在于，北斗二代/GPS模块将接收到的北斗、GPS双重卫星定位信息通过数据采集主控板经过解码后再利用建立的移动网络数据传输通道发送至地面站；FPGA监视系统接收主用系统发送的监视信息，当主用系统发生异常时，FPGA监视系统检测不到主用系统发送的脉冲信号，启动备用系统；地面站接收数据采集主控板板载的4G模块传输的飞行数据信息源码，并在软件后台解析飞行数据信息，即进行报头分析；存储数据；数据分析和解码；并将提取的飞机信息数据通过应用功能模块和显示模块显示在界面上；所述的应用功能模块包括应急通信模块、航线编制模块和飞行动态模块，三个应用功能模块分别含有运行程序；显示模块显示每架航空器的呼号以及当前的飞行经纬度，飞行速度、飞行航向、飞行高度的飞行状态信息。
本发明产生的有益效果是：本系统采用北斗二代定位技术，利用数据采集主控板板载的SIM7100C 4G模块通过4G移动网络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Python编程语言搭建地面服务器，从而使地面控制中心捕获并绘制通航飞机的飞行轨迹，在各地面控制平台的界面上显示飞行信息，实现了对通航飞机的低成本、高精度监视功能。本系统便捷、实用，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。另外，在Linux平台，本系统在香蕉派开发板上实行模块化运行，用户可根据自己的需要自行购买与装卸北斗二代/GPS模块、4G模块等关键模块，极大地满足了飞行员与各地低空空域监管部门的个性化需求。
附图说明
图1是本发明的系统架构框图；
图2是北斗二代和GPS联合定位示意图；
图3是数据采集主控板电源电路原理图；
图4是STM32F103ZET6芯片电源电路原理图；
图5是数据采集主控板外部第一储存电路原理图；
图6是SIM7100C 4G芯片电源电路原理图；
图7是STM32F103ZET6芯片与SIM7100C 4G芯片连接电路原理图；
图8是数据采集主控板外部第二储存电路原理图；
图9是SIM7100C 4G芯片与SIM卡连接电路原理图；
图10是UM220-IIIN芯片与STM32F103ZET6芯片连接电路原理图；
图11是香蕉派开发板模块化运行双端口架构模式图；
图12是系统软件运行流程图；
图13是图12中飞行动态模块的程序流程图；
图14是图12中应急通信模块的程序流程图；
图15是图12中航线编制模块的程序流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明：
本系统设计包括北斗二代与GPS联合定位算法设计，数据采集主控板设计(板载北斗模块+板载4G模块、板载电路设计)，FPGA监视系统设计、香蕉派开发板模块化运行设计、地面站设计。具体系统构架如图1所示。
1.北斗二代与GPS联合定位算法设计
北斗二代与GPS联合定位采用WGS-84坐标系与UTC世界协调时，求解接收机的位置(xn,yn,zn)、北斗二代时间系统(BDT)和接收机的时钟差、GPS时间系统(GPST)和接收机的时钟差。图2为三颗GPS卫星与两颗北斗二代卫星联合定位的示意图。
北斗二代与GPS联合定位的伪距方程可表示为：
接收机位置为(xr,yr,zr)，北斗二代的伪距为PBi，GPS的伪距为PGi，第i颗北斗二代卫星的坐标为(xBxi,yByi,zBzi)，第j颗GPS卫星的坐标为(xGxj,yGyj,zGzj)，ΔtBr为北斗系统与接收机的时钟差，ΔtGr为GPS与接收机的时钟差。
将(1)式线性化，可得到：
另外，假如规定：
此时，可将(1)式转化为：
Δx＝(HTH)-1HTΔp (8)
对于(8)式，可利用最小二乘法经过多次迭代，实现接收机测量位置的不断修正，最终利用北斗二代与GPS联合定位得到比较精确的接收机位置坐标。
通过分析北斗二代与GPS联合定位的基本模型，不难发现，联合定位与单系统定位的基本原理并无差异，仅仅是由于北斗二代与GPS存在系统性时钟误差，导致模型中增加了新的未知量Δt，即比单系统求解接收机位置坐标的方程组增加了一个方程。至此，已将本模型抽象为基本的多元线性规划问题，可利用最小二乘法的不断迭代得出较为满意的结果。
2.数据采集主控板板载北斗二代+4G模块设计
数据采集主控板板载北斗二代/GPS模块采用UM220-III N芯片，数据采集主控板采用STM32F103ZET6主控芯片，4G模块采用SIM7100C 4G芯片，UM220-III N芯片与STM32F103ZET6主控芯片连接，SIM7100C 4G芯片与STM32F103ZET6主控芯片连接，数据采集主控板上设有数据采集主控板电源电路、数据采集主控板外部第一、第二储存电路、STM32F103ZET6主控芯片电源电路、SIM7100C 4G芯片电源电路、SIM7100C 4G芯片与SIM卡连接电路以及UART电平转换电路。
参照图3，本系统的数据采集主控板电源电路采用一个稳压芯片U1，稳压芯片U1的1脚通过电容C3与稳压芯片U1的4脚连接，连接后通过二极管D2接地；同时稳压芯片U1的4脚连接电感L1的一端，电感L1的另一端连接电容C4的一端后接电解电容C5的正端，电解电容C5的负端与电容C4的另一端连接后接地；然后一起接VOUT端；稳压芯片U1的2脚与电阻R1的一端连接后接适配器电源DC的输入端；稳压芯片U1的3脚连接电阻R1的另一端后通过电阻R3接VOUT端；稳压芯片U1的6脚通过电阻R2与稳压芯片U1的5脚连接，然后通过二极管D1连接其它类电源POWER的输入端；同时又分别连接电容C1、电容C2后一起接地。
参照图4，本系统的STM32F103ZET6芯片电源电路采用一个稳压芯片U2和滤波整流电路，稳压芯片U2的Vin脚连接单刀开关SW1的2脚，然后一起接电源VOUT端，单刀开关SW1的1脚接VCC_5端；同时稳压芯片U2的Vin脚与单刀开关SW1的2脚连接后通过电容C8连接稳压芯片U2的GND脚，然后一起接地；稳压芯片U2的Vout脚与电容C6的一端连接后接电解电容C7的正端，然后一起接VCC_3.3；电容C6的另一端与电解电容C7的负端连接后接地；滤波整流电路中的电容C9、电容C10、电容C11、电容C12、电容C13、电容C14、电容C15、电容C16、电容C17、电容C18、电容C19、电容C20、电容C21的一端连接后一起接VCC_3.3；电容C9、电容C10、电容C11、电容C12、电容C13、电容C14、电容C15、电容C16、电容C17、电容C18、电容C19、电容C20、电容C21的另一端连接后一起接地；STM32F103ZET6芯片的VDD脚接VCC_3.3；STM32F103ZET6芯片的VSS脚接地。
参照图5，本系统的数据采集主控板外部第一储存电路包括电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14和电阻R15，电阻R11的一端分别连接STM32F103ZET6芯片的104脚及SD卡槽U4的2脚；电阻R12的一端分别连接STM32F103ZET6芯片的112脚及SD卡槽U4的3脚；电阻R13的一端分别连接STM32F103ZET6芯片的111脚及SD卡槽U4的4脚；电阻R14的一端分别连接STM32F103ZET6芯片的99脚及SD卡槽U4的5脚；电阻R15的一端分别连接STM32F103ZET6芯片的98脚及SD卡槽U4的6脚；电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15的另一端连接后一起接至STM32F103ZET6芯片的17脚和SD卡槽U4的1脚；STM32F103ZET6芯片的113脚与SD卡槽的7脚连接。
参照图6，本系统的所述的SIM7100C 4G芯片电源电路采用一个稳压芯片U3和滤波整流电路，稳压芯片U3的1脚和2脚同时连接电容C23的一端后接电解电容C22的正端，然后通过保险管FUSE接电源5V；电解电容C22的负端与电容C23的另一端连接后又与电阻R16的一端一起接至稳压芯片U3的3脚；电阻R16的另一端接至稳压芯片U3的5脚，同时又通过电阻R4接至稳压芯片U3的4脚，稳压芯片U3的4脚又与电阻R5的一端连接后接电解电容C24的正端和电容C25的一端，然后一起接VBAT端；电阻R5的另一端、电解电容C24的负端、电容C25的另一端连接后一起接地；所述滤波整流电路的电容C26、电容C27、电容C28、电容C29、电容C30、电容C31、电容C32、电容C33、电容C34、电容C35、电容C36、电容C37的一端连接后一起接VBAT端；电容C26、电容C27、电容C28、电容C29、电容C30、电容C31、电容C32、电容C33、电容C34、电容C35、电容C36、电容C37的另一端连接后一起接地；SIM7100C 4G芯片的62脚和63脚连接后接电容C42的一端、电解电容C38的正端、电解电容C39的正端和铁心电感FB101的一端，SIM7100C 4G芯片的61脚和64脚连接后接电容C42的另一端、电解电容C38的负端和电解电容C39的负端；SIM7100C 4G芯片的38脚和39脚连接后接电容C43的一端、电解电容C40的正端、电解电容C41的正端和铁心电感FB101的另一端，然后再连接肖特基二极管D3的负极，连接后接VBAT端，肖特基二极管D3的正极接地；SIM7100C 4G芯片的37脚和40脚连接后接电容C43的另一端、电解电容C40的负端和电解电容C41的负端。
参照图7，本系统的STM32F103ZET6芯片与SIM7100C 4G芯片连接电路采用一个电源转换芯片U6，电源转换芯片U6的1脚和2脚连接后接至SIM7100C 4G芯片的15脚，然后通过电容C44接地；电源转换芯片U6的3脚、4脚、5脚、6脚、7脚、8脚和9脚分别连至SIM7100C 4G芯片的71脚、68脚、66脚、67脚、72脚、70脚和69脚；电源转换芯片U6的10脚通过电阻R6接地；电源转换芯片U6的20脚通过电容C45与电源转换芯片U6的19脚相连，同时又与STM32F103ZET6芯片的16脚连接后一起接地；电源转换芯片U6的11脚、12脚、17脚分别与STM32F103ZET6芯片的102脚、101脚、76脚相连接；电源转换芯片U6的18脚通过电阻R7接地。
参照图8，本系统的数据采集主控板外部第二储存电路采用瞬态电压抑制二极管TVS1、瞬态电压抑制二极管TVS2、瞬态电压抑制二极管TVS3、瞬态电压抑制二极管TVS4、瞬态电压抑制二极管TVS5和瞬态电压抑制二极管TVS6，瞬态电压抑制二极管TVS1的一端和电容C51的一端连接后接至SIM7100C 4G芯片的26脚和SD卡槽U5的7脚；瞬态电压抑制二极管TVS2的一端和电容C52的一端连接后接至SIM7100C 4G芯片的22脚和SD卡槽U5的6脚；瞬态电压抑制二极管TVS3的一端和电容C53的一端连接后接至SIM7100C 4G芯片的23脚和SD卡槽U5的5脚；瞬态电压抑制二极管TVS4的一端和电容C54的一端连接后接至SIM7100C 4G芯片的24脚和SD卡槽U5的4脚；瞬态电压抑制二极管TVS5的一端和电容C55的一端连接后接至SIM7100C 4G芯片的25脚和SD卡槽U5的3脚；瞬态电压抑制二极管TVS6的一端和电容C56的一端连接后接至SIM7100C 4G芯片的21脚和SD卡槽U5的2脚；电容C57的一端和电容C58的一端连接后接至SIM7100C 4G芯片的44脚和SD卡槽U5的1脚；瞬态电压抑制二极管TVS1、瞬态电压抑制二极管TVS2、瞬态电压抑制二极管TVS3、瞬态电压抑制二极管TVS4、瞬态电压抑制二极管TVS5、瞬态电压抑制二极管TVS6、电容C51、电容C52、电容C53、电容C54、电容C55、电容C56、电容C57、电容C5、电容C59的另一端连接后一起接地。
如图8所示的VDD_EXT引脚开机后输出2.8V的电平，如果SIM7100C 4G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IO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；同时引脚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10mA；该引脚建议只做模块内部上拉。
参照图9，本系统的SIM7100C 4G模块与SIM卡连接电路采用一个集成二极管U8，集成二极管U8的4脚连接SIM卡槽U7的4脚，然后连接电容C47的一端和电阻R9的一端，电阻R9的另一端连至SIM7100C 4G芯片的19脚；电容C47的另一端与电容C46的一端连接后一起接地，集成二极管U8的5脚连接SIM卡槽U7的5脚，然后连接电容C46的另一端及电阻R8的一端，电阻R8的另一端连至SIM7100C 4G芯片的18脚；集成二极管U8的6脚连接SIM卡槽U7的6脚，然后连接电容C49的一端和电容C48的一端，接着连至SIM7100C 4G芯片的20脚；电容C49的另一端和电容C48的另一端连接后一起接地；集成二极管U8的3脚连接SIM卡槽U7的1脚，集成二极管U8的3脚又通过电容C50与集成二极管U8的2脚，连接后一起接地；SIM卡槽U7的1脚又通过电阻R10连至SIM7100C 4G芯片的17脚；SIM卡槽U7的3脚接地。
参照图10，本系统的UM220-IIIN芯片与STM32F103ZET6芯片连接电路为：UM220-IIIN芯片的23脚连接STM32F103ZET6芯片的52脚；UM220-IIIN芯片的24脚连接STM32F103ZET6芯片的38脚；UM220-IIIN芯片的20脚连接STM32F103ZET6芯片的37脚；UM220-IIIN芯片的21脚连接STM32F103ZET6芯片的36脚；UM220-IIIN芯片的6脚连接STM32F103ZET6芯片的70脚；UM220-IIIN芯片的7脚连接STM32F103ZET6芯片的69脚；UM220-IIIN芯片的11脚连接天线及电感L2的一端，电感L2的另一端连接电阻R18的一端，电阻R18的另一端连接电容C59的一端，电容C59的另一端接地。
(1)电源部分设计(VBAT引脚)
SIM7100C 4G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，SIM7100C 4G芯片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引脚并接大电容(电容根据供电IC输出能力确定)。
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。
(2)串口部分设计
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MCU和模块使用level shifter芯片或者三极管进行电平匹配。当MCU端和模块端的电平差别不是很大时，比如MCU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。
(3)SIM卡部分设计
4G模块支持1.8/3.0V的SIM卡。SIM卡供电根据SIM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。
3.数据采集主控板设计
应用STM32F103ZET6作为处理器芯片，通过搭载的UM220-III N芯片，实时接收北斗卫星的定位信息以及高度，速度等信息。通过搭载的SIM7100C 4G芯片实现北斗芯片采集的数据与通过TCP协议与上位机实现数据的实时传输。以STM32F103ZET6作为核心处理器芯片，分别控制SIM7100C 4G芯片和UM220-III N芯片。微处理器通过串口给SIM7100C 4G芯片发送相应控制指令，将要用到的指令：
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SIM7100C 4G芯片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，微处理器芯片通过另一个串口与UN220-III N芯片进行数据通信，并且最终把数据通过SIM7100C 4G芯片发送至地面站，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。
板载SIM7100C 4G模块语音编码：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。
4.北斗二代芯片UM220-III N基本功能设计
UM220双系统高性能GNSS模块，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BD2B1、GPS L1两个频点。UM220-III N芯片外形尺寸紧凑，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。
NMEA-0183协议解析部分(UM220-III N的数据解码协议)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$BDGSV的开头，然后固定输出格式，不论是否有数据输出，而且都会以‘*’作为有效数据的结尾，所以，我们了解了NMEA-0183协议的数据格式(在ATK-NEO-6M的用户手册有详细介绍)之后，就可以通过数逗号的方法，来解析数据。本代码实现了对NMEA-0183协议的$BDGGA、$BDGSA、$BDGSV、$BDRMC和$BDVTG等五类帧的解析。UM220-III N芯片实现了对北斗卫星中有关航空器飞行高度、速度、经纬度、航向、呼号等数据的接收，并可将接收的飞行数据发送至数据采集主控板进行分析处理。
5.FPGA监视系统设计
FPGA监视系统通过向数据采集主控板中的STM32F103ZET6主控芯片输入高电频检测北斗终端+4G模块部分的工作状态。当北斗终端+4G模块部分出现非正常工作状态时，STM32F103ZET6主控芯片将发生反转现象。此时，FPGA监视系统可检测到这一现象，并发出告警，同时还将开启备用系统，从而保证整套系统的正常运行。
6.香蕉派开发板模块化运行设计
参照图11，本系统的第一香蕉派开发板和第二香蕉派开发板分别包括五个功能模块：GSM模块、BDS/GPS模块、无线传输模块、充电模块和影音模块；母板上设有双端口且安装有CPU和存储器，五个功能模块分别通过母板上设有的双端口与CPU和存储器连接。
本系统在香蕉派开发板的Linux开源平台上首次采用模块化运行设计，参考PC主机中开放式总线型结构设计。在模块组合方面，本系统采用双端口互联技术，通过一个数据传输能力较强的接口连接功能模块与香蕉派的母板，在不改变母板配置的情况下合理调用母板与功能模块中的资源，从而大大降低基带芯片的负担。另外，母板向功能模块的数据传输借鉴了intel core芯片的双核技术，母板仅负责最底层的数据收发，其他功能交由功能模块自行处理，再经由控制线进入射频部分，由此完成与外部数据的信息交互。用户可根据系统使用的实际需要在母板上加装4G模块、北斗\GPS模块、无线传输模块(蓝牙、wifi等)实现数据收发，加装影音模块在地面站软件界面上实现实时的视频通信与监控飞行动态。同时，功能模块也配备了最基础的充电模块，保证用户在户外作业时充足的待机时间。
本系统在飞行员端口推广上述的Linux开源平台，飞行员可根据个人需要轻松的插拔模块，兼顾个人娱乐与低空监视的需求，同时降低了系统的开发与维护成本。另外，由于此平台完全基于香蕉派母板，不存在任何机载设备，因此无需通过适航审定，一定程度上缩短了开发周期。
7.地面站设计
(1)4G网络传输设计
①地面站UDP传输端口设计：首先在网络中映射出一个公网IP，将机载北斗数据通过4G网络传输到计算机中，再使用Visual Studio 2013编写UDP传输程序，实现IP地址与套接字之间的绑定，从而利用UDP传输协议将计算机中的北斗数据引接到地面站软件中，实现机载模块与地面站软件的4G网络传输。UDP传输端口界面上设有：请输入IP地址、端口、保存路径、开始监听、结束监听、退出。
②机载Linux系统Python服务器搭建
首先在香蕉派开发板中打开LXTerminal程序查看香蕉派的IP地址，再使用Python编程语言编写客户端和服务器。服务器运行之后处于等待状态，等待连接进来，客户端用来建立连接。当连接成功时，系统将创建一个套接字，将套接字和客户端连接在一起，Python程序通过这一连接使用send()和recv()收发数据，从而将机载北斗数据传输到飞行员的Linux开源平板中，实现机载模块与机载Linux监视系统的4G网络传输。具体连接情况如下：
Form_init_:Server initial ready
Form_server_run:Server loop 0
Form_server_run:New connection form:<’10.5.40.199’,10594>
Form_init_:Request handled
Form_server_run:Server loop 1
Form request_terminate:Connection terminated
Form_read_wait:Warn:Invalid file descriptor:-1
Form_server_run:New connection form:<’10.5.40.199’,10595>
Form_init_:Request handled
Form_server_run:Server loop 2
Form request_terminate:Connection terminated
Form_read_wait:Warn:Invalid file descriptor:-1
Form_server_run:New connection form:<’10.5.40.199’,10603>
Form_init_:Request handled
Form_server_run:Server loop 3
Form request_terminate:Connection terminated
Form_read_wait:Warn:Invalid file descriptor:-1
Form_server_run:New connection form:<’10.5.40.199’,10604>
Form_init_:Request handled
Form_server_run:Server loop 4
Form request_terminate:Connection terminated
Form_read_wait:Warn:Invalid file descriptor:-1
③机载Linux系统与地面站网络传输
由于机载模块与地面PC端软件以及Linux平台监视软件之间的连接均已完成搭建，因此对数据采集主控板的STM32F103ZET6芯片利用C语言进行编程，可实现将机载Linux监视系统发送给数据采集主控板的信息继续通过4G网络传输至地面站，同时也可将地面站通过4G网络发送至数据采集主控板的信息继续同过Wifi发送至机载Linux监视系统，从而实现机载Linux平台与地面站之间的网络传输。
(2)地面端软件设计
北斗二代/GPS模块将接收到的北斗、GPS双重卫星定位信息通过数据采集主控板经过解码后再利用建立的移动网络数据传输通道发送至地面站；FPGA监视系统接收主用系统发送的监视信息，当主用系统发生异常时，FPGA监视系统检测不到主用系统发送的脉冲信号，启动备用系统；地面站接收数据采集主控板板载的SIM7100C 4G模块传输的飞行数据信息源码，并在软件后台解析飞行数据信息，即进行报头分析；存储数据；数据分析和解码；并将提取的飞机信息数据通过应用功能模块和显示模块显示在界面上；所述的应用功能模块包括应急通信模块、航线编制模块和飞行动态模块，三个应用功能模块分别含有运行程序；显示模块显示每架航空器的呼号以及当前的飞行经纬度，飞行速度、飞行航向、飞行高度的飞行状态信息。如图12所示。
参照图13，飞行动态模块首先通过引用GMAP.NET类库构建软件与在线地图的统一调用接口将地图显示在Winform窗体中的GMAPCONTROL控件上，接着使用GMAP.NET类库中的Marker控件通过接收的经纬度数据、航向、高度数据定出通航飞机的实时位置，同时执行飞行动态运行程序：判断鼠标是否在飞机上，若是则TIPTOOL显示飞行信息，否则无响应。
参照图14，应急通信模块分为语音通信与视频通信两大类，视频通信利用Winform窗体中的Windows Media Player控件在互联网中搭建地面站与通航飞机联系的URL地址，双方即可通过软件界面上的Windows Media Player控件进行视频通信，同时执行应急通信运行程序：若网速小于2M/S，则仅开通语音通信；若网速不小于2M/S，则进行视频通信。
参照图15，航线编制模块首先利用GMAP.NET类库中的Marker控件在地图上将各定位点与导航台用高亮方法标注，再利用GMAP.NET类库中的Route方法，导入Winform文本框中输入相应的导航台及定位点名称，调用预先在系统中输入的航路航线并在显示模块上实现可视化的实时监视，同时执行航线编制运行程序：判断导航数据库是否存在输入的该定位点名称，若是则将该点加入航线，否则提示不存在该点；然后返回重复输入相应的导航台及定位点名称的操作；进一步再判断加入航线的定位点或导航台是否为一个，若是则返回重复执行输入相应的导航台及定位点名称的操作；否则与上一个输入的定位点或导航台连接；接着判断是否继续编制航路航线，若是则返回重复执行输入相应的导航台及定位点名称的操作，否则程序结束。
①软件功能
地面端软件接收移动网络传输的飞行数据信息源码，并在软件后台解析飞行数据信息，最终在软件界面上实现显示模块与应用功能模块的相应功能。应用功能模块又可细分为应急通信模块、航线编制模块、飞行动态模块。应急通信模块可为处置特情提供高效稳定通信连接，监管人员可针对突发情况向飞行员提出参考价值较高的应急策略。航线编制模块可调用预先在系统中输入的航路航线并在显示模块上实现可视化的实时监视。飞行信息模块可在软件后台调用解析好的飞行数据信息，并在显示模块上实时输出每架航空器的呼号、速度、航向、当前的飞行状态等信息，用户可在显示模块预判航路冲突，提早做出调整。
②设计思路
Ⅰ.飞行动态模块
地面端监视软件采用C#编程语言进行开发，首先通过引用GMAP.NET类库构建软件与谷歌、雅虎、必应等在线地图的统一调用接口，将地图显示在Winform窗体中的GMAPCONTROL控件上，接着使用GMAP.NET类库中的Marker通过接收的经纬度数据、航向、高度数据定出通航飞机的实时位置，另外，软件还使用Tooltip控件显示通航飞机基本的飞行信息，用户只需将鼠标移至相应飞机上即可在延伸出的文本框中观察到飞机主要的飞行信息。程序流程如图13所示。
Ⅱ.应急通信模块
地面监视软件的应急通信模块可分为语音通信与视频通信两大类。视频通信利用Winform中的Windows Media Player控件在互联网中搭建地面站与通航飞机联系的URL地址，双方即可通过软件界面上的Windows Media Player控件进行视频通信。另外，若受网速限制、流量限制等，当前系统仅支持语音通信时，用户可点击界面上的“仅开通语音通信”按钮，将Windows Media Player控件的图像显示界面设置为不可见。程序流程如图14所示。
Ⅲ.航线编制模块
航线编制模块首先利用GMAP.NET类库中的Marker控件在地图上将各定位点与导航台用高亮方法标注，再利用GMAP.NET类库中的Route方法，导入Winform文本框中输入相应的导航台及定位点名称，并构造相应的航路航线，从而在GMAPCONTROL控件调用的在线地图上完成航线编制。程序流程如图15所示。

Claims (7)

1.一种基于北斗二代和移动网络的多平台低空域监视系统，其特征在于，该系统包括分别与卫星连接的主用系统和备用系统、还包括分别与主用系统和备用系统连接的FPGA监视系统，还包括带有母板的第一香蕉派开发板；FPGA监视系统接收主用系统发送的监视信息，当主用系统发生异常时，FPGA监视系统检测不到主用系统发送的脉冲信号，启动备用系统；所述的主用系统和备用系统分别包括北斗二代/GPS模块、数据采集主控板和含有SIM卡的4G模块；其中两个数据采集主控板分别与带有母板的第一香蕉派开发板连接，两个含有SIM卡的4G模块分别与FPGA监视系统连接，同时还分别与由安卓平板、电脑主机或带有母板的第二香蕉派开发板组成的地面站连接；
所述的北斗二代/GPS模块采用UM220-III N芯片，数据采集主控板采用STM32F103ZET6主控芯片，4G模块采用SIM7100C 4G芯片，UM220-IIIN芯片与STM32F103ZET6主控芯片连接，SIM7100C 4G芯片与STM32F103ZET6主控芯片连接，数据采集主控板上设有数据采集主控板电源电路、数据采集主控板外部第一储存电路、第二储存电路、STM32F103ZET6主控芯片电源电路、SIM7100C 4G芯片电源电路、SIM7100C 4G模块与SIM卡连接电路以及UART电平转换电路；
所述的数据采集主控板外部第一储存电路包括电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14和电阻R15，电阻R11的一端分别连接STM32F103ZET6芯片的104脚及SD卡槽U4的2脚；电阻R12的一端分别连接STM32F103ZET6芯片的112脚及SD卡槽U4的3脚；电阻R13的一端分别连 接STM32F103ZET6芯片的111脚及SD卡槽U4的4脚；电阻R14的一端分别连接STM32F103ZET6 芯片的99脚及SD卡槽U4的5脚；电阻R15的一端分别连接STM32F103ZET6芯片的98脚及SD卡槽U4的6脚；电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15的另一端连接后一起接至STM32F103ZET6芯片的17脚和SD卡槽U4的1脚；STM32F103ZET6芯片的113脚与SD卡槽的7脚连接；
所述的数据采集主控板外部第二储存电路采用瞬态电压抑制二极管TVS1、瞬态电压抑制二极管TVS2、瞬态电压抑制二极管TVS3、瞬态电压抑制二极管TVS4、瞬态电压抑制二极管TVS5和瞬态电压抑制二极管TVS6，瞬态电压抑制二极管TVS1的一端和电容C51的一端连接后接至SIM7100C 4G芯片的26脚和SD卡槽U5的7脚；瞬态电压抑制二极管TVS2的一端和电容C52的一端连接后接至SIM7100C 4G芯片的22脚和SD卡槽U5的6脚；瞬态电压抑制二极管TVS3的一端和电容C53的一端连接后接至SIM7100C 4G芯片的23脚和SD卡槽U5的5脚；瞬态电压抑制二极管TVS4的一端和电容C54的一端连接后接至SIM7100C 4G芯片的24脚和SD卡槽U5的4脚；瞬态电压抑制二极管TVS5的一端和电容C55的一端连接后接至SIM7100C 4G芯片的25脚和SD卡槽U5的3脚；瞬态电压抑制二极管TVS6的一端和电容C56的一端连接后接至SIM7100C 4G芯片的21脚和SD卡槽U5的2脚；电容C57的一端和电容C58的一端连接后接至SIM7100C 4G芯片的44脚和SD卡槽U5的1脚；瞬态电压抑制二极管TVS1、瞬态电压抑制二极管TVS2、瞬态电压抑制二极管TVS3、瞬态电压抑制二极管TVS4、瞬态电压抑制二极管TVS5、瞬态电压抑制二极管TVS6、电容C51、电容C52、电容C53、电容 C54、电容C55、电容C56、电容C57、电容C5、电容C59的另一端连接后一起接地。
2.根据权利要求1所述的基于北斗二代和移动网络的多平台低空域监视系统，其特征在于，所述的STM32F103ZET6芯片与SIM7100C4G芯片连接电路采用一个电源转换芯片U6，电源转换芯片U6的1脚和2脚连接后接至SIM7100C4G芯片的15脚，然后通过电容C44接地；电源转换芯片U6的3脚、4脚、5脚、6脚、7脚、8脚和9脚分别连至SIM7100C4G芯片的71脚、68脚、66脚、67脚、72脚、70脚和69脚；电源转换芯片U6的10脚通过电阻R6接地；电源转换芯片U6的20脚通过电容C45与电源转换芯片U6的19脚相连，同时又与STM32F103ZET6芯片的16脚连接后一起接地；电源转换芯片U6的11脚、12脚、17脚分别与STM32F103ZET6芯片的102脚、101脚、76脚相连接；电源转换芯片U6的18脚通过电阻R7接地；
所述的SIM7100C4G芯片与SIM卡连接电路采用一个集成二极管U8，集成二极管U8的4脚连接SIM卡槽U7的4脚，然后连接电容C47的一端和电阻R9的一端，电阻R9的另一端连至SIM7100C4G芯片的19脚；电容C47的另一端与电容C46的一端连接后一起接地，集成二极管U8的5脚连接SIM卡槽U7的5脚，然后连接电容C46的另一端及电阻R8的一端，电阻R8的另一端连至SIM7100C4G芯片的18脚；集成二极管U8的6脚连接SIM卡槽U7的6脚，然后连接电容C49的一端和电容C48的一端，接着连至SIM7100C4G芯片的20脚；电容C49的另一端和电容C48的另一端连接后一起接地；集成二极管U8的3脚连接SIM卡槽U7的1脚，集成二极管U8的3脚又通过电容C50与集成二极管U8的2脚，连接后一起接地；SIM卡槽U7的1脚又通过电阻R10连至SIM7100C4G芯片的17脚；SIM卡槽U7的3脚接地；
所述的UM220-IIIN芯片与STM32F103ZET6芯片连接电路为：UM220-IIIN芯片的23脚连接STM32F103ZET6芯片的52脚；UM220-IIIN芯片的24脚连接STM32F103ZET6芯片的38脚；UM220-IIIN芯片的20脚连接STM32F103ZET6芯片的37脚；UM220-IIIN芯片的21脚连接STM32F103ZET6芯片的36脚；UM220-IIIN芯片的6脚连接STM32F103ZET6芯片的70脚；UM220-IIIN芯片的7脚连接STM32F103ZET6芯片的69脚；UM220-IIIN芯片的11脚连接天线及电感L2的一端，电感L2的另一端连接电阻R18的一端，电阻R18的另一端连接电容C59的一端，电容C59的另一端接地。
3.根据权利要求1所述的基于北斗二代和移动网络的多平台低空域监视系统，其特征在于，所述的第一香蕉派开发板和第二香蕉派开发板分别包括五个功能模块：GSM模块、BDS/GPS模块、无线传输模块、充电模块和影音模块；所述的母板上设有双端口，且安装有CPU和存储器，五个功能模块分别通过母板上设有的双端口与CPU和存储器连接。
4.一种采用如权利要求1所述的基于北斗二代和移动网络的多平台低空域监视系统的方法，其特征在于，北斗二代/GPS模块将接收到的北斗、GPS双重卫星定位信息通过数据采集主控板经过解码后再利用建立的移动网络数据传输通道发送至地面站；地面站接收数据采集主控板板载的4G模块传输的飞行数据信息源码，并在软件后台解析飞行数据信息，即进行报头分析、存储数据、数据分析和解码，并将提取的飞机信息数据通过应用功能模块和显示模块显示在界面上；所述的应用功能模块包括应急通信模块、航线编制模块和飞行动态模块，三个应用功能模块分别含有运行程序；显示模块显示每架航空器的呼号以及当前的飞行经纬度、飞行速度、飞行航向、飞行高度。
5.根据权利要求4所述的基于北斗二代和移动网络的多平台低空域监视系统的方法，其特征在于，所述的应急通信模块分为语音通信与视频通信两大类，视频通信利用Winform窗体中的WindowsMediaPlayer控件在互联网中搭建地面站与通航飞机联系的URL地址，双方即可通过软件界面上的WindowsMediaPlayer控件进行视频通信，同时执行应急通信运行程序：若网速小于2M/S，则仅开通语音通信；若网速不小于2M/S，则进行视频通信。
6.根据权利要求4所述的基于北斗二代和移动网络的多平台低空域监视系统的方法，其特征在于，所述的航线编制模块首先利用GMAP.NET类库中的Marker控件在地图上将各定位点与导航台用高亮方法标注，再利用GMAP.NET类库中的Route方法导入Winform文本框中输入相应的导航台及定位点名称，调用预先在系统中输入的航路航线并在显示模块上实现可视化的实时监视，同时执行航线编制运行程序：判断导航数据库是否存在输入的该定位点名称，若是则将该点加入航线，否则提示不存在该点；然后返回重复输入相应的导航台及定位点名称的操作；进一步再判断加入航线的定位点或导航台是否为一个，若是则返回重复执行输入相应的导航台及定位点名称的操作；否则与上一个输入的定位点或导航台连接；接着判断是否继续编制航路航线，若是则返回重复执行输入相应的导航台及定位点名称的操作，否则程序结束。
7.根据权利要求4所述的基于北斗二代和移动网络的多平台低空域监视系统的方法，其特征在于，所述的飞行动态模块首先通过引用GMAP.NET类库构建软件与在线地图的统一调用接口将地图显示在Winform窗体中的GMAPCONTROL控件上，接着使用GMAP.NET类库中的Marker控件通过接收的经纬度数据、航向、高度数据定出通航飞机的实时位置，同时执行飞行动态运行程序：判断鼠标是否在飞机上，若是则TIPTOOL显示飞行信息，否则无响应。
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