一种通用航空飞机导航监视装置

1.一种通用航空飞机导航监视装置，其特征在于：包括接口电路、MCU微控制器、移动公共网络通信模块以及GPS/北斗定位通信模块，其中接口电路包括电平转换接口电路、通信接口电路、显示接口电路，这些接口电路将移动公共网络通信模块和北斗模块连接到MCU微控制器；
MCU微控制器采用MSP430F149，有两个异步通信模块USART0和USART1，分别与GPRS模块和北斗模块相连；MCU微控制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；GPS/北斗定位通信模块采用自定制的协议进行控制，其输出定位信息采用的NAEA 
0183版协议，以ASCII格式输出，显示模块采用TFT液晶彩屏，分辨率为：128*160，通过8位的标准Intel8080总线进行指令和数据的传输；首先MCU微控制器获取GPS/北斗定位通信模块的定位信息，进行解析，对定位信息包中的时间、经度、纬度、速度、航向数据信息编码、压缩和打包后再将位置、时间和姿态信息通过移动公共网络通信模块或者GPS/北斗定位通信模块发送给监控中心，从而实现对通用航空飞机的导航监视；GPS/北斗导航定位模块输出的位置、时间、速度和航向信息都为ASCII数据格式，占有的字节长度较大，在数据编码压缩中，对其中的时间信息采用BCD码编码方式，对经度和纬度参数数据将其编码成以秒为单位的数据，并将其放大为整数，最后将放大后的数据转换成十六进制数值来表示；将速度参数编码为以米/秒为单位数据，用一个2字节的数据来表示；航向参数采用十六进制数一个字节进行编码以表示导航定位数据输出的航向信息。

一种通用航空飞机导航监视装置\n[0001] 技术领域：本发明涉及一种适用于低空空域通用航空飞机导航监视的方法和装置，是一种对卫星导航定位数据的经度、纬度、速度、航向等信息的编码和压缩方法，是一种能实时监视通用航空飞机飞行动态、飞行姿态、飞行轨迹，并具有飞行记录回放功能的全空域、无监视盲区的装置，是通用航空飞机安全飞行以及低空空域的高效管理的重要技术手段和方法。\n[0002] 背景技术:随着2014年11月21日-23日由国务院、中央军委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真高一千米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。这一系列举措的实施，为通航飞机最终实现在更广泛应用领域的自主飞行发挥更加重要的作用。\n[0003] 然而，随着我国低空空域飞行活动的日益增加以及低空空域逐步开放，针对低空空域飞行器的监视与服务手段已经成为一项重要的研究课题。但是由于历史原因，我国的低空空域长期处于严格管制状态，航空管制部门缺乏有效的通讯、导航、监视等服务保障系统，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，这严重制约着低空空域的开放和相关产业发展，更严重影响了国土防空和飞行安全，因此，迫切需要建立一套有效且符合我国国情的低空空域飞行器全时域、全空域无缝的监视与服务系统。\n[0004] 低空空域是指在3000米以下的空域，在低空空域执行飞行任务的通用 飞机，其飞行高度低、飞行速度慢、机载设备简单、作业环境差、受天气、地理条件影响较大。我国低空空域划分为管制空域、监视空域和报告空域，其中管制空域和监视空域明确要求需要实现飞行监视。空域监视是一种利用各种不同的监视设备，对飞行器在空域内的飞行活动进行全面监视的技术，它是保障飞行安全，提高空中交通管制运行效率的关键。目前我国低空空域飞行器常用的空域监视手段包括独立监视、协同监视和相关监视三类。独立监视常用手段为一次雷达监视，但一次雷达无法识别目标的身份，难以满足空中交通管理的要求。协调监视典型手段为二次雷达，采用问答方式，能够具有目标识别和数据链功能，能比一次雷达获得更多的信息。但是二次雷达的价格比较昂贵，安装一部二次雷达需要花费几千万元人民币，并且飞机上也必须配备二次应答机，不适用于大面积的低空空域飞行器。而且，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，出现雷达盲区，无法及时提供安全监视。相关监视指机载导航系统获得的导航信息通过卫星数据链或甚高频空地数据链，自动实时地发送到地面接收和处理系统。ADS-B技术需要在地面建立多个地面服务站作为基础设施，投资巨大，需要国家多个部门联合建设，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，从而造成建设成本的显著增加。并且边远山区往往不具备ADS-B监控中心选址的条件。此外，目前通用飞行器机载ADS-B设备安装率低，加改装困难。\n[0005] 因此，目前的这些方法存在的问题主要表现在：(1)雷达对“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；(2)雷达价格昂贵、部署周期长；(3)ADS-B技术需要在地面建立多个地面服务站作为基础设施，投资巨大，且ADS-B设备安装率低，加改装困难。\n[0006] 自从1994年我国启动北斗卫星导航系统建设开始，到目前，我国的北斗系统不但具备RNSS导航、定位功能，而且还具备RDSS双向短报文信息服务功能。移动公共网络通信移动无线公共网络通信已覆盖大部分区域，甚至是偏远地区的铁路、公路、水路、重要设施、旅游景点也已基本覆盖，具有通信速率快、延时小、成本低等特点，将二者有机结合可为低空空域飞行器的导航、通信和监视提供了一体化的解决方案。\n[0007] 发明内容：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种基于移动公共网络通信、GPS/北斗双系统导航定位和北斗卫星通信的通用航空飞机导航监视方法和装置，本发明的技术解决的问题是：克服北斗卫星通信对数据包长度的限制，提出了导航定位数据包的编码和压缩方法，降低了数据传输的长度，提高了传输效率；克服现有雷达监视和ADS-B监视存在低空盲区的不足，提供一种低成本、体积小、便携式、可自动切换数据传输通信方式、覆盖全空域的通用航空飞机导航监视方法和装置。\n[0008] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种通用航空飞机导航监视装置，包括接口电路、MCU微控制器、移动公共网络通信模块以及GPS/北斗定位通信模块，其中接口电路包括电平转换接口电路、通信接口电路、显示接口电路，这些接口电路将移动公共网络通信模块和北斗模块连接到MCU微控制器。\n[0009] 一种通用航空飞机导航监视方法，首先MCU微控制器获取GPS/北斗 定位通信模块的定位信息，进行解析，对定位信息包中的时间、经度、纬度、速度、航向等数据信息编码、压缩和打包后再将位置、时间和姿态等信息通过移动公共网络通信模块或者GPS/北斗定位通信模块发送给监控中心，从而实现对通用航空飞机的导航监视。\n[0010] 本发明与现有技术相比的优点在于：本发明利用了低成本的移动公共网络通信移动公共网络通信和GPS/北斗导航技术来构建通用航空飞机导航监视方法装置，发明了一种导航定位位置数据的压缩方法，与现有采用雷达和ADS-B技术相比具有以下特点：\n[0011] (1)较雷达和ADS-B技术而言，本发明具有移动公共网络通信移动公共网络通信和北斗通信方式优势互补的优点，有效弥补ADB-B和雷达低空监视盲区，可实现自动切换。电路结构简单、体积小、重量轻、与机载设备无电气交联、便携方便。\n[0012] (2)采用一片TI MSP430低功耗芯片作为处理器完成对外围模块控制，并实现了通信方式自动切换、友好的人机显示，降低了控制器功耗。特别适用于通用航空等对功耗有严格要求的领域。\n[0013] (3)装置采用的MSP430F149具有双串口，可以快速实现系统集成，系统具有机载定位数据实时存储功能，实现事后飞行轨迹回放和分析功能。\n[0014] (4)对导航定位数据信息中的时间、经度、纬度、速度和航向等信息进行编码和压缩，只需十几个字节即可传输导航信息，数据长度降低近八倍，大大降低了数据传输的长度，提高了传输效率。\n附图说明\n[0015] 图1是本发明的系统组成框图。\n[0016] 图2是MSP430F149接口电路图。\n[0017] 图3是RS232电平转换电路图。\n[0018] 图4是移动公共网络通信模块结构框图。\n[0019] 图5是SIM卡电路图。\n[0020] 图6是电源电路图。\n[0021] 图7是移动公共网络通信模块网络连接程序流程图。\n[0022] 图8是移动公共网络通信数据通信程序流程图。\n[0023] 图9是导航定位数据信息编码和压缩方法流程图。\n具体实施方式：\n[0024] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清晰、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。\n[0025] 如图1所示，MCU微控制器采用MSP430F149，该类型处理器有两个异步通信模块USART0和USART1，可以分别与GPRS模块和北斗模块相连。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。GPS/北斗定位通信模块采用自定制的协议进行控制，其输出定位信息采用的NAEA 0183版协议，以ASCII格式输出。显示模块采用TFT液晶彩屏，分辨率为：128*160。通过8位的标准Intel8080总线进行指令和数据的传输。\n[0026] 如图2所示，MCU微控制器选择的为MSP430F149，其内部有丰富的片 内外设。它主要包括以下一些外围模块：看门狗(WDT)、定时器A(Timer A)、定时器B(Timer B)、比较器、串口0(UART0)、串口1(UART1)、硬件乘法器、12位ADC端口和基本定时器。比较器进行模拟电压比较，配合定时器可以设计为A/D转换器；定时器具有捕获/比较功能，可用于事件计数、时序发生、PWM等；12位硬件A/D转换器有较高的转换速率，最高可达200kbps，能满足大多数数据采集应用。\n[0027] 如图3所示，MSP430F149输出的电平与移动公共网络通信模块和北斗模块电平不匹配，设计中采用电平逻辑关系的转换器件完成串口电平的双向转换。\n[0028] 如图4、图7、图8所示，移动公共网络通信模块设计采用的FIBOCOM G610移动公共网络通信模块。其中基带信号处理器是G610通讯模块的核心部分，它的作用相当于一个协议处理器，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。SRAM用来存储一些用户配置信息、电话本和其它信息。\n[0029] 如图5所示，SIM卡模块电路内部对SIM卡部分已设计了防静电保护措施。SIM_DATA内部已上拉，不需要再外部上拉到SIM_VCC。如果只用到8个引脚的SIM卡插座，SIM_CD脚接电容到地。\n[0030] 如图6所示，整个装置采用9-12V供电。其中，移动公共网络通信/GSM模块内部集成了稳压电路，故直接采用9-12V供电。北斗模块采用5V供电， MCU微控制器采用3.3V电压供电，考虑到硬件系统对电源要有具有稳压功能和纹波小等特点，另外也考虑到硬件系统的低功耗等特点，因此硬件系统的3.3V电源部分采用LM1117-3.3V芯片构成的稳压电路，微控制采用LM7805芯片构成的稳压电路。\n[0031] 如图9所示，GPS/北斗导航定位模块输出的位置、时间、速度和航向等信息都为ASCII数据格式，占有的字节长度较大。在数据编码压缩中，对其中的时间信息采用BCD码编码方式，对经度和纬度参数数据将其编码成以秒为单位的数据，并将其放大为整数，最后将放大后的数据转换成十六进制数值来表示；将速度参数编码为以米/秒为单位数据，用一个字节的数据来表示；航向参数采用十六进制数一个字节进行编码以表示导航定位数据输出的航向信息。