本發(fā)明涉及北斗二代與移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合，特別涉及一種基于北斗二代和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的多平臺(tái)低空域監(jiān)視系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

低空空域監(jiān)視系統(tǒng)是保障通航運(yùn)輸安全高效有序運(yùn)行的核心系統(tǒng)。近年多次出現(xiàn)的無(wú)人機(jī)黑飛問(wèn)題，也充分體現(xiàn)了低空空域監(jiān)視的重要性。隨著通航事業(yè)的快速發(fā)展及低空空域的逐漸開放，針對(duì)低空空域監(jiān)視技術(shù)研究也日益增加。在低空空域監(jiān)視領(lǐng)域，現(xiàn)有的主要手段有低空雷達(dá)、地面一、二次航管雷達(dá)、自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視技術(shù)等。由于雷達(dá)價(jià)格昂貴、在低高度下存在監(jiān)視盲區(qū)、小飛機(jī)尤其無(wú)人機(jī)監(jiān)視存在困難，大規(guī)模民用可行性較低。目前國(guó)際民航組織(ICAO)、美國(guó)聯(lián)邦航空局(FAA)以及歐洲空管組織(EUROCONTROL)建議使用相關(guān)監(jiān)視(ADS)和多點(diǎn)定位技術(shù)(MLAT)來(lái)提供低空監(jiān)視。由于多點(diǎn)定位技術(shù)需要建設(shè)地面基站，相關(guān)監(jiān)視需要對(duì)未安裝ADS設(shè)備的飛機(jī)進(jìn)行改裝，建設(shè)成本較高，對(duì)于通航監(jiān)視的實(shí)用性較低。

隨著國(guó)內(nèi)低空空域開放程度的不斷增大，通用航空迎來(lái)了發(fā)展的機(jī)遇期。而目前對(duì)于通航飛機(jī)的監(jiān)視手段比較單一、監(jiān)視程度較低，目前監(jiān)視和通信手段制約了通航發(fā)展，影響到通航飛機(jī)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。另外，應(yīng)用于民用客機(jī)的監(jiān)視系統(tǒng)(如SSR、ADS-B、多點(diǎn)定位系統(tǒng))價(jià)格昂貴、成本太高，并不適用于通用航空的建設(shè)與發(fā)展。因此，對(duì)于低空空域監(jiān)視系統(tǒng)的研究能夠有力地解決當(dāng)前通航所面臨的監(jiān)視問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于當(dāng)前低空空域監(jiān)視精度低，存在監(jiān)視盲區(qū)的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種基于北斗二代和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的多平臺(tái)低空域監(jiān)視系統(tǒng)及方法。本系統(tǒng)基于北斗二代與移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，采用北斗二代與GPS聯(lián)合定位技術(shù)，利用SIM7100C 4G模塊通過(guò)SIM卡附著GPRS并與基站建立穩(wěn)定的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸通道，同時(shí)與地面站航空數(shù)據(jù)接收終端建立穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通信通道，采用附著STM32F103ZET6芯片的數(shù)據(jù)采集主控板接收并解碼北斗二代/GPS模塊接收到的北斗、GPS雙重衛(wèi)星定位信息，本系統(tǒng)采用的北斗二代/GPS模塊為UM220-III N。此時(shí)，數(shù)據(jù)采集主控板既可通過(guò)串行接口將數(shù)據(jù)發(fā)送至4G模塊，也可通過(guò)藍(lán)牙、Wifi將數(shù)據(jù)發(fā)射至機(jī)載香蕉派開發(fā)板。數(shù)據(jù)在4G模塊中經(jīng)過(guò)編碼后，可利用建立的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸通道發(fā)送至地面站。地面站與機(jī)載香蕉派開發(fā)板均可使用內(nèi)置的數(shù)據(jù)解析程序解析處理數(shù)據(jù)，并顯示在地面站與機(jī)載監(jiān)視軟件的界面上。同時(shí)，地面站可通過(guò)數(shù)據(jù)采集主控板與機(jī)載香蕉派開發(fā)板建立互聯(lián)網(wǎng)連接，從而同時(shí)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)視與空中交通管制的目的。另外，為保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，本套系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了一套FPGA監(jiān)視系統(tǒng)，該系統(tǒng)接收主用系統(tǒng)發(fā)送的監(jiān)視信息。當(dāng)主用系統(tǒng)發(fā)生異常時(shí)，F(xiàn)PGA監(jiān)視系統(tǒng)將向主用系統(tǒng)發(fā)送告警信息，并啟動(dòng)備用系統(tǒng)，從而保證整套系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：一種基于北斗二代和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的多平臺(tái)低空域監(jiān)視系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括分別與衛(wèi)星連接的主用系統(tǒng)和備用系統(tǒng)、還包括分別與主用系統(tǒng)和備用系統(tǒng)連接的FPGA監(jiān)視系統(tǒng)，還包括帶有母板的的第一香蕉派開發(fā)板；所述的主用系統(tǒng)和備用系統(tǒng)分別包括北斗二代/GPS模塊、數(shù)據(jù)采集主控板和含有SIM卡的4G模塊；其中兩個(gè)數(shù)據(jù)采集主控板分別與帶有母板的的第一香蕉派開發(fā)板連接，兩個(gè)含有SIM卡的4G模塊分別與FPGA監(jiān)視系統(tǒng)連接，同時(shí)還分別與由安卓平板、電腦主機(jī)或帶有母板的第二香蕉派開發(fā)板組成的地面站連接。

本發(fā)明所述的采用基于北斗二代和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的多平臺(tái)低空域監(jiān)視系統(tǒng)的方法，其特征在于，北斗二代/GPS模塊將接收到的北斗、GPS雙重衛(wèi)星定位信息通過(guò)數(shù)據(jù)采集主控板經(jīng)過(guò)解碼后再利用建立的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸通道發(fā)送至地面站；FPGA監(jiān)視系統(tǒng)接收主用系統(tǒng)發(fā)送的監(jiān)視信息，當(dāng)主用系統(tǒng)發(fā)生異常時(shí)，F(xiàn)PGA監(jiān)視系統(tǒng)檢測(cè)不到主用系統(tǒng)發(fā)送的脈沖信號(hào)，啟動(dòng)備用系統(tǒng)；地面站接收數(shù)據(jù)采集主控板板載的4G模塊傳輸?shù)娘w行數(shù)據(jù)信息源碼，并在軟件后臺(tái)解析飛行數(shù)據(jù)信息，即進(jìn)行報(bào)頭分析；存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)分析和解碼；并將提取的飛機(jī)信息數(shù)據(jù)通過(guò)應(yīng)用功能模塊和顯示模塊顯示在界面上；所述的應(yīng)用功能模塊包括應(yīng)急通信模塊、航線編制模塊和飛行動(dòng)態(tài)模塊，三個(gè)應(yīng)用功能模塊分別含有運(yùn)行程序；顯示模塊顯示每架航空器的呼號(hào)以及當(dāng)前的飛行經(jīng)緯度，飛行速度、飛行航向、飛行高度的飛行狀態(tài)信息。

本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是：本系統(tǒng)采用北斗二代定位技術(shù)，利用數(shù)據(jù)采集主控板板載的SIM7100C 4G模塊通過(guò)4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)向基站傳送飛機(jī)的飛行信息包括飛機(jī)的經(jīng)緯度、高度和速度，利用Python編程語(yǔ)言搭建地面服務(wù)器，從而使地面控制中心捕獲并繪制通航飛機(jī)的飛行軌跡，在各地面控制平臺(tái)的界面上顯示飛行信息，實(shí)現(xiàn)了對(duì)通航飛機(jī)的低成本、高精度監(jiān)視功能。本系統(tǒng)便捷、實(shí)用，利用增設(shè)的人機(jī)交互界面，使得地面管制員和飛行員進(jìn)行實(shí)時(shí)的交流，大大提高了對(duì)通航飛機(jī)的監(jiān)視程度。另外，在Linux平臺(tái)，本系統(tǒng)在香蕉派開發(fā)板上實(shí)行模塊化運(yùn)行，用戶可根據(jù)自己的需要自行購(gòu)買與裝卸北斗二代/GPS模塊、4G模塊等關(guān)鍵模塊，極大地滿足了飛行員與各地低空空域監(jiān)管部門的個(gè)性化需求。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)架構(gòu)框圖；

圖2是北斗二代和GPS聯(lián)合定位示意圖；

圖3是數(shù)據(jù)采集主控板電源電路原理圖；

圖4是STM32F103ZET6芯片電源電路原理圖；

圖5是數(shù)據(jù)采集主控板外部第一儲(chǔ)存電路原理圖；

圖6是SIM7100C 4G芯片電源電路原理圖；

圖7是STM32F103ZET6芯片與SIM7100C 4G芯片連接電路原理圖；

圖8是數(shù)據(jù)采集主控板外部第二儲(chǔ)存電路原理圖；

圖9是SIM7100C 4G芯片與SIM卡連接電路原理圖；

圖10是UM220-IIIN芯片與STM32F103ZET6芯片連接電路原理圖；

圖11是香蕉派開發(fā)板模塊化運(yùn)行雙端口架構(gòu)模式圖；

圖12是系統(tǒng)軟件運(yùn)行流程圖；

圖13是圖12中飛行動(dòng)態(tài)模塊的程序流程圖；

圖14是圖12中應(yīng)急通信模塊的程序流程圖；

圖15是圖12中航線編制模塊的程序流程圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明：

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括北斗二代與GPS聯(lián)合定位算法設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)采集主控板設(shè)計(jì)(板載北斗模塊+板載4G模塊、板載電路設(shè)計(jì))，F(xiàn)PGA監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計(jì)、香蕉派開發(fā)板模塊化運(yùn)行設(shè)計(jì)、地面站設(shè)計(jì)。具體系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。

1.北斗二代與GPS聯(lián)合定位算法設(shè)計(jì)

北斗二代與GPS聯(lián)合定位采用WGS-84坐標(biāo)系與UTC世界協(xié)調(diào)時(shí)，求解接收機(jī)的位置(x_n,y_n,z_n)、北斗二代時(shí)間系統(tǒng)(BDT)和接收機(jī)的時(shí)鐘差、GPS時(shí)間系統(tǒng)(GPST)和接收機(jī)的時(shí)鐘差。圖2為三顆GPS衛(wèi)星與兩顆北斗二代衛(wèi)星聯(lián)合定位的示意圖。

北斗二代與GPS聯(lián)合定位的偽距方程可表示為：

接收機(jī)位置為(x_r,y_r,z_r)，北斗二代的偽距為P_Bi，GPS的偽距為P_Gi，第i顆北斗二代衛(wèi)星的坐標(biāo)為(x_Bxi,y_Byi,z_Bzi)，第j顆GPS衛(wèi)星的坐標(biāo)為(x_Gxj,y_Gyj,z_Gzj)，Δt_Br為北斗系統(tǒng)與接收機(jī)的時(shí)鐘差，Δt_Gr為GPS與接收機(jī)的時(shí)鐘差。

將(1)式線性化，可得到：

另外，假如規(guī)定：

此時(shí)，可將(1)式轉(zhuǎn)化為：

Δx＝(H^TH)^-1H^TΔp(8)

對(duì)于(8)式，可利用最小二乘法經(jīng)過(guò)多次迭代，實(shí)現(xiàn)接收機(jī)測(cè)量位置的不斷修正，最終利用北斗二代與GPS聯(lián)合定位得到比較精確的接收機(jī)位置坐標(biāo)。

通過(guò)分析北斗二代與GPS聯(lián)合定位的基本模型，不難發(fā)現(xiàn)，聯(lián)合定位與單系統(tǒng)定位的基本原理并無(wú)差異，僅僅是由于北斗二代與GPS存在系統(tǒng)性時(shí)鐘誤差，導(dǎo)致模型中增加了新的未知量_Δt，即比單系統(tǒng)求解接收機(jī)位置坐標(biāo)的方程組增加了一個(gè)方程。至此，已將本模型抽象為基本的多元線性規(guī)劃問(wèn)題，可利用最小二乘法的不斷迭代得出較為滿意的結(jié)果。

2.數(shù)據(jù)采集主控板板載北斗二代+4G模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集主控板板載北斗二代/GPS模塊采用UM220-III N芯片，數(shù)據(jù)采集主控板采用STM32F103ZET6主控芯片，4G模塊采用SIM7100C 4G芯片，UM220-III N芯片與STM32F103ZET6主控芯片連接，SIM7100C 4G芯片與STM32F103ZET6主控芯片連接，數(shù)據(jù)采集主控板上設(shè)有數(shù)據(jù)采集主控板電源電路、數(shù)據(jù)采集主控板外部第一、第二儲(chǔ)存電路、STM32F103ZET6主控芯片電源電路、SIM7100C 4G芯片電源電路、SIM7100C 4G芯片與SIM卡連接電路以及UART電平轉(zhuǎn)換電路。

參照?qǐng)D3，本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集主控板電源電路采用一個(gè)穩(wěn)壓芯片U1，穩(wěn)壓芯片U1的1腳通過(guò)電容C3與穩(wěn)壓芯片U1的4腳連接，連接后通過(guò)二極管D2接地；同時(shí)穩(wěn)壓芯片U1的4腳連接電感L1的一端，電感L1的另一端連接電容C4的一端后接電解電容C5的正端，電解電容C5的負(fù)端與電容C4的另一端連接后接地；然后一起接VOUT端；穩(wěn)壓芯片U1的2腳與電阻R1的一端連接后接適配器電源DC的輸入端；穩(wěn)壓芯片U1的3腳連接電阻R1的另一端后通過(guò)電阻R3接VOUT端；穩(wěn)壓芯片U1的6腳通過(guò)電阻R2與穩(wěn)壓芯片U1的5腳連接，然后通過(guò)二極管D1連接其它類電源POWER的輸入端；同時(shí)又分別連接電容C1、電容C2后一起接地。

參照?qǐng)D4，本系統(tǒng)的STM32F103ZET6芯片電源電路采用一個(gè)穩(wěn)壓芯片U2和濾波整流電路，穩(wěn)壓芯片U2的Vin腳連接單刀開關(guān)SW1的2腳，然后一起接電源VOUT端，單刀開關(guān)SW1的1腳接VCC_5端；同時(shí)穩(wěn)壓芯片U2的Vin腳與單刀開關(guān)SW1的2腳連接后通過(guò)電容C8連接穩(wěn)壓芯片U2的GND腳，然后一起接地；穩(wěn)壓芯片U2的Vout腳與電容C6的一端連接后接電解電容C7的正端，然后一起接VCC_3.3；電容C6的另一端與電解電容C7的負(fù)端連接后接地；濾波整流電路中的電容C9、電容C10、電容C11、電容C12、電容C13、電容C14、電容C15、電容C16、電容C17、電容C18、電容C19、電容C20、電容C21的一端連接后一起接VCC_3.3；電容C9、電容C10、電容C11、電容C12、電容C13、電容C14、電容C15、電容C16、電容C17、電容C18、電容C19、電容C20、電容C21的另一端連接后一起接地；STM32F103ZET6芯片的VDD腳接VCC_3.3；STM32F103ZET6芯片的VSS腳接地。

參照?qǐng)D5，本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集主控板外部第一儲(chǔ)存電路包括電阻R11、電阻R12、電阻R13、電阻R14和電阻R15，電阻R11的一端分別連接STM32F103ZET6芯片的104腳及SD卡槽U4的2腳；電阻R12的一端分別連接STM32F103ZET6芯片的112腳及SD卡槽U4的3腳；電阻R13的一端分別連接STM32F103ZET6芯片的111腳及SD卡槽U4的4腳；電阻R14的一端分別連接STM32F103ZET6芯片的99腳及SD卡槽U4的5腳；電阻R15的一端分別連接STM32F103ZET6芯片的98腳及SD卡槽U4的6腳；電阻R11、電阻R12、電阻R13、電阻R14、電阻R15的另一端連接后一起接至STM32F103ZET6芯片的17腳和SD卡槽U4的1腳；STM32F103ZET6芯片的113腳與SD卡槽的7腳連接。

參照?qǐng)D6，本系統(tǒng)的所述的SIM7100C 4G芯片電源電路采用一個(gè)穩(wěn)壓芯片U3和濾波整流電路，穩(wěn)壓芯片U3的1腳和2腳同時(shí)連接電容C23的一端后接電解電容C22的正端，然后通過(guò)保險(xiǎn)管FUSE接電源5V；電解電容C22的負(fù)端與電容C23的另一端連接后又與電阻R16的一端一起接至穩(wěn)壓芯片U3的3腳；電阻R16的另一端接至穩(wěn)壓芯片U3的5腳，同時(shí)又通過(guò)電阻R4接至穩(wěn)壓芯片U3的4腳，穩(wěn)壓芯片U3的4腳又與電阻R5的一端連接后接電解電容C24的正端和電容C25的一端，然后一起接VBAT端；電阻R5的另一端、電解電容C24的負(fù)端、電容C25的另一端連接后一起接地；所述濾波整流電路的電容C26、電容C27、電容C28、電容C29、電容C30、電容C31、電容C32、電容C33、電容C34、電容C35、電容C36、電容C37的一端連接后一起接VBAT端；電容C26、電容C27、電容C28、電容C29、電容C30、電容C31、電容C32、電容C33、電容C34、電容C35、電容C36、電容C37的另一端連接后一起接地；SIM7100C 4G芯片的62腳和63腳連接后接電容C42的一端、電解電容C38的正端、電解電容C39的正端和鐵心電感FB101的一端，SIM7100C 4G芯片的61腳和64腳連接后接電容C42的另一端、電解電容C38的負(fù)端和電解電容C39的負(fù)端；SIM7100C 4G芯片的38腳和39腳連接后接電容C43的一端、電解電容C40的正端、電解電容C41的正端和鐵心電感FB101的另一端，然后再連接肖特基二極管D3的負(fù)極，連接后接VBAT端，肖特基二極管D3的正極接地；SIM7100C 4G芯片的37腳和40腳連接后接電容C43的另一端、電解電容C40的負(fù)端和電解電容C41的負(fù)端。

參照?qǐng)D7，本系統(tǒng)的STM32F103ZET6芯片與SIM7100C 4G芯片連接電路采用一個(gè)電源轉(zhuǎn)換芯片U6，電源轉(zhuǎn)換芯片U6的1腳和2腳連接后接至SIM7100C 4G芯片的15腳，然后通過(guò)電容C44接地；電源轉(zhuǎn)換芯片U6的3腳、4腳、5腳、6腳、7腳、8腳和9腳分別連至SIM7100C 4G芯片的71腳、68腳、66腳、67腳、72腳、70腳和69腳；電源轉(zhuǎn)換芯片U6的10腳通過(guò)電阻R6接地；電源轉(zhuǎn)換芯片U6的20腳通過(guò)電容C45與電源轉(zhuǎn)換芯片U6的19腳相連，同時(shí)又與STM32F103ZET6芯片的16腳連接后一起接地；電源轉(zhuǎn)換芯片U6的11腳、12腳、17腳分別與STM32F103ZET6芯片的102腳、101腳、76腳相連接；電源轉(zhuǎn)換芯片U6的18腳通過(guò)電阻R7接地。

參照?qǐng)D8，本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集主控板外部第二儲(chǔ)存電路采用瞬態(tài)電壓抑制二極管1、瞬態(tài)電壓抑制二極管2、瞬態(tài)電壓抑制二極管3、瞬態(tài)電壓抑制二極管4、瞬態(tài)電壓抑制二極管5和瞬態(tài)電壓抑制二極管6，瞬態(tài)電壓抑制二極管1的一端和電容C51的一端連接后接至SIM7100C 4G芯片的26腳和SD卡槽U5的7腳；瞬態(tài)電壓抑制二極管2的一端和電容C52的一端連接后接至SIM7100C 4G芯片的22腳和SD卡槽U5的6腳；瞬態(tài)電壓抑制二極管3的一端和電容C53的一端連接后接至SIM7100C 4G芯片的23腳和SD卡槽U5的5腳；瞬態(tài)電壓抑制二極管4的一端和電容C54的一端連接后接至SIM7100C 4G芯片的24腳和SD卡槽U5的4腳；瞬態(tài)電壓抑制二極管5的一端和電容C55的一端連接后接至SIM7100C 4G芯片的25腳和SD卡槽U5的3腳；瞬態(tài)電壓抑制二極管6的一端和電容C56的一端連接后接至SIM7100C 4G芯片的21腳和SD卡槽U5的2腳；電容C57的一端和電容C58的一端連接后接至SIM7100C 4G芯片的44腳和SD卡槽U5的1腳；瞬態(tài)電壓抑制二極管1、瞬態(tài)電壓抑制二極管2、瞬態(tài)電壓抑制二極管3、瞬態(tài)電壓抑制二極管4、瞬態(tài)電壓抑制二極管5、瞬態(tài)電壓抑制二極管6、電容C51、電容C52、電容C53、電容C54、電容C55、電容C56、電容C57、電容C5、電容C59的另一端連接后一起接地。

如圖8所示的VDD_EXT引腳開機(jī)后輸出2.8V的電平，如果SIM7100C 4G模塊沒(méi)有STATUS引腳預(yù)留，建議通過(guò)該引腳判斷模塊開關(guān)機(jī)狀態(tài)，設(shè)計(jì)時(shí)將客戶端的IO配置為輸入(如果客戶可以配置成ADC最好)，避免串電問(wèn)題導(dǎo)致模塊開關(guān)機(jī)異常；同時(shí)引腳VDD_EXT作為上拉使用(比如模塊串口部分的上拉)，最大輸出電流10mA；該引腳建議只做模塊內(nèi)部上拉。

參照?qǐng)D9，本系統(tǒng)的SIM7100C 4G模塊與SIM卡連接電路采用一個(gè)集成二極管U8，集成二極管U8的4腳連接SIM卡槽U7的4腳，然后連接電容C47的一端和電阻R9的一端，電阻R9的另一端連至SIM7100C 4G芯片的19腳；電容C47的另一端與電容C46的一端連接后一起接地，集成二極管U8的5腳連接SIM卡槽U7的5腳，然后連接電容C46的另一端及電阻R8的一端，電阻R8的另一端連至SIM7100C 4G芯片的18腳；集成二極管U8的6腳連接SIM卡槽U7的6腳，然后連接電容C49的一端和電容C48的一端，接著連至SIM7100C 4G芯片的20腳；電容C49的另一端和電容C48的另一端連接后一起接地；集成二極管U8的3腳連接SIM卡槽U7的1腳，集成二極管U8的3腳又通過(guò)電容C50與集成二極管U8的2腳，連接后一起接地；SIM卡槽U7的1腳又通過(guò)電阻R10連至SIM7100C 4G芯片的17腳；SIM卡槽U7的3腳接地。

參照?qǐng)D10，本系統(tǒng)的UM220-IIIN芯片與STM32F103ZET6芯片連接電路為：UM220-IIIN芯片的23腳連接STM32F103ZET6芯片的52腳；UM220-IIIN芯片的24腳連接STM32F103ZET6芯片的38腳；UM220-IIIN芯片的20腳連接STM32F103ZET6芯片的37腳；UM220-IIIN芯片的21腳連接STM32F103ZET6芯片的36腳；UM220-IIIN芯片的6腳連接STM32F103ZET6芯片的70腳；UM220-IIIN芯片的7腳連接STM32F103ZET6芯片的69腳；UM220-IIIN芯片的11腳連接天線及電感L2的一端，電感L2的另一端連接電阻R18的一端，電阻R18的另一端連接電容C59的一端，電容C59的另一端接地。

(1)電源部分設(shè)計(jì)(VBAT引腳)

SIM7100C 4G芯片采用單電源供電，VBAT供電范圍3.2～4.8V之間，推薦電壓為4.0V，SIM7100C 4G芯片射頻發(fā)射時(shí)會(huì)導(dǎo)致電壓跌落，這時(shí)電流的峰值最高會(huì)達(dá)到2A以上，因此電源供電能力盡可能達(dá)到2A，并建議VBAT引腳并接大電容(電容根據(jù)供電IC輸出能力確定)。

電源芯片選擇上需要注意，如果外部輸入電壓與VBAT壓差很大，建議選擇開關(guān)電源,當(dāng)選用DC-DC時(shí)需注意EMI干擾，建議串接磁珠以備調(diào)整；如果外部輸入電壓與VBAT壓差不大，最好選用LDO?？蛻舻漠a(chǎn)品需要過(guò)TA、CE、FCC等認(rèn)證，推薦選擇LDO供電。為了增強(qiáng)模塊電源抗干擾能力(主要抗浪涌，脈沖群，靜電等)，不至于在外界環(huán)境比較惡劣的情況下導(dǎo)致模塊供電異常，建議根據(jù)實(shí)際應(yīng)用在外部電源輸入端加一些共模電感、TVS管等器件，在VBAT供電芯片輸出端加一些nf、pf級(jí)電容，濾除干擾。

(2)串口部分設(shè)計(jì)

一般ARM系統(tǒng)的串口都不需要上拉的，即便上拉也要上拉到系統(tǒng)內(nèi)部(比如VDD_EXT引腳)，模塊串口部分電平2.8V左右，因此客戶可以根據(jù)MCU串口電平進(jìn)行電平匹配，以保證電壓匹配；當(dāng)MCU端和模塊端的電平不匹配時(shí)，建議在MCU和模塊使用level shifter芯片或者三極管進(jìn)行電平匹配。當(dāng)MCU端和模塊端的電平差別不是很大時(shí)，比如MCU的電平為3V，簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)可以直接串接電阻進(jìn)行電平匹配，但這可能會(huì)使MCU端的電流串至模塊，導(dǎo)致模塊開機(jī)不正常。因此在設(shè)計(jì)中串接的電阻值應(yīng)根據(jù)實(shí)際電路調(diào)試得出，一般推薦值為300歐姆。

(3)SIM卡部分設(shè)計(jì)

4G模塊支持1.8/3.0V的SIM卡。SIM卡供電根據(jù)SIM卡的類型自動(dòng)選擇輸出電壓，可以為3.0V±10％或者1.8V±10％，該引腳最大輸出電流能力約為10mA。

3.數(shù)據(jù)采集主控板設(shè)計(jì)

應(yīng)用STM32F103ZET6作為處理器芯片，通過(guò)搭載的UM220-III N芯片，實(shí)時(shí)接收北斗衛(wèi)星的定位信息以及高度，速度等信息。通過(guò)搭載的SIM7100C 4G芯片實(shí)現(xiàn)北斗芯片采集的數(shù)據(jù)與通過(guò)TCP協(xié)議與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。以STM32F103ZET6作為核心處理器芯片，分別控制SIM7100C 4G芯片和UM220-III N芯片。微處理器通過(guò)串口給SIM7100C 4G芯片發(fā)送相應(yīng)控制指令，將要用到的指令：

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。分別確定SIM7100C 4G芯片數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊苿?dòng)臺(tái)類別、PDP上下文、CSD或GPRS鏈接模式、本地端口號(hào)、建立TCP連接、發(fā)送數(shù)據(jù)、查詢當(dāng)前連接狀態(tài)、關(guān)閉TCP/UDP連接、關(guān)閉移動(dòng)場(chǎng)景等。同時(shí)，微處理器芯片通過(guò)另一個(gè)串口與UN220-III N芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，并且最終把數(shù)據(jù)通過(guò)SIM7100C 4G芯片發(fā)送至地面站，然后地面站通過(guò)解析接收到的數(shù)據(jù)來(lái)判定通航飛機(jī)的飛行高度，飛行速度，地理位置等信息。

板載SIM7100C 4G模塊語(yǔ)音編碼：支持半速率、全速率、增強(qiáng)型速率支持回聲抑制算法，可以基于不同客戶設(shè)備通過(guò)AT命令調(diào)節(jié)回音抑制消除。

4.北斗二代芯片UM220-III N基本功能設(shè)計(jì)

UM220雙系統(tǒng)高性能GNSS模塊，基于公司具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的多系統(tǒng)多頻率高性能SOC芯片，能夠同時(shí)支持BD2B1、GPS L1兩個(gè)頻點(diǎn)。UM220-III N芯片外形尺寸緊湊，采用SMT焊盤，支持標(biāo)準(zhǔn)取放及回流焊接全自動(dòng)化集成，尤其適用于低成本、低功耗領(lǐng)域。

NMEA-0183協(xié)議解析部分(UM220-III N的數(shù)據(jù)解碼協(xié)議)這里利用了一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)逗號(hào)方法來(lái)解析。我們知道NMEA-0183協(xié)議都是以類似$BDGSV的開頭，然后固定輸出格式，不論是否有數(shù)據(jù)輸出，而且都會(huì)以‘*’作為有效數(shù)據(jù)的結(jié)尾，所以，我們了解了NMEA-0183協(xié)議的數(shù)據(jù)格式(在ATK-NEO-6M的用戶手冊(cè)有詳細(xì)介紹)之后，就可以通過(guò)數(shù)逗號(hào)的方法，來(lái)解析數(shù)據(jù)。本代碼實(shí)現(xiàn)了對(duì)NMEA-0183協(xié)議的$BDGGA、$BDGSA、$BDGSV、$BDRMC和$BDVTG等五類幀的解析。UM220-III N芯片實(shí)現(xiàn)了對(duì)北斗衛(wèi)星中有關(guān)航空器飛行高度、速度、經(jīng)緯度、航向、呼號(hào)等數(shù)據(jù)的接收，并可將接收的飛行數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)采集主控板進(jìn)行分析處理。

5.FPGA監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計(jì)

FPGA監(jiān)視系統(tǒng)通過(guò)向數(shù)據(jù)采集主控板中的STM32F103ZET6主控芯片輸入高電頻檢測(cè)北斗終端+4G模塊部分的工作狀態(tài)。當(dāng)北斗終端+4G模塊部分出現(xiàn)非正常工作狀態(tài)時(shí)，STM32F103ZET6主控芯片將發(fā)生反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。此時(shí)，F(xiàn)PGA監(jiān)視系統(tǒng)可檢測(cè)到這一現(xiàn)象，并發(fā)出告警，同時(shí)還將開啟備用系統(tǒng)，從而保證整套系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

6.香蕉派開發(fā)板模塊化運(yùn)行設(shè)計(jì)

參照?qǐng)D11，本系統(tǒng)的第一香蕉派開發(fā)板和第二香蕉派開發(fā)板分別包括五個(gè)功能模塊：GSM模塊、BDS/GPS模塊、無(wú)線傳輸模塊、充電模塊和影音模塊；母板上設(shè)有雙端口且安裝有CPU和存儲(chǔ)器，五個(gè)功能模塊分別通過(guò)母板上設(shè)有的雙端口與CPU和存儲(chǔ)器連接。

本系統(tǒng)在香蕉派開發(fā)板的Linux開源平臺(tái)上首次采用模塊化運(yùn)行設(shè)計(jì)，參考PC主機(jī)中開放式總線型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在模塊組合方面，本系統(tǒng)采用雙端口互聯(lián)技術(shù)，通過(guò)一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸能力較強(qiáng)的接口連接功能模塊與香蕉派的母板，在不改變母板配置的情況下合理調(diào)用母板與功能模塊中的資源，從而大大降低基帶芯片的負(fù)擔(dān)。另外，母板向功能模塊的數(shù)據(jù)傳輸借鑒了intel core芯片的雙核技術(shù)，母板僅負(fù)責(zé)最底層的數(shù)據(jù)收發(fā)，其他功能交由功能模塊自行處理，再經(jīng)由控制線進(jìn)入射頻部分，由此完成與外部數(shù)據(jù)的信息交互。用戶可根據(jù)系統(tǒng)使用的實(shí)際需要在母板上加裝4G模塊、北斗\GPS模塊、無(wú)線傳輸模塊(藍(lán)牙、wifi等)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)，加裝影音模塊在地面站軟件界面上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的視頻通信與監(jiān)控飛行動(dòng)態(tài)。同時(shí)，功能模塊也配備了最基礎(chǔ)的充電模塊，保證用戶在戶外作業(yè)時(shí)充足的待機(jī)時(shí)間。

本系統(tǒng)在飛行員端口推廣上述的Linux開源平臺(tái)，飛行員可根據(jù)個(gè)人需要輕松的插拔模塊，兼顧個(gè)人娛樂(lè)與低空監(jiān)視的需求，同時(shí)降低了系統(tǒng)的開發(fā)與維護(hù)成本。另外，由于此平臺(tái)完全基于香蕉派母板，不存在任何機(jī)載設(shè)備，因此無(wú)需通過(guò)適航審定，一定程度上縮短了開發(fā)周期。

7.地面站設(shè)計(jì)

(1)4G網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)計(jì)

①地面站UDP傳輸端口設(shè)計(jì)：首先在網(wǎng)絡(luò)中映射出一個(gè)公網(wǎng)IP，將機(jī)載北斗數(shù)據(jù)通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，再使用Visual Studio 2013編寫UDP傳輸程序，實(shí)現(xiàn)IP地址與套接字之間的綁定，從而利用UDP傳輸協(xié)議將計(jì)算機(jī)中的北斗數(shù)據(jù)引接到地面站軟件中，實(shí)現(xiàn)機(jī)載模塊與地面站軟件的4G網(wǎng)絡(luò)傳輸。UDP傳輸端口界面上設(shè)有：請(qǐng)輸入IP地址、端口、保存路徑、開始監(jiān)聽、結(jié)束監(jiān)聽、退出。

②機(jī)載Linux系統(tǒng)Python服務(wù)器搭建

首先在香蕉派開發(fā)板中打開LXTerminal程序查看香蕉派的IP地址，再使用Python編程語(yǔ)言編寫客戶端和服務(wù)器。服務(wù)器運(yùn)行之后處于等待狀態(tài)，等待連接進(jìn)來(lái)，客戶端用來(lái)建立連接。當(dāng)連接成功時(shí)，系統(tǒng)將創(chuàng)建一個(gè)套接字，將套接字和客戶端連接在一起，Python程序通過(guò)這一連接使用send()和recv()收發(fā)數(shù)據(jù)，從而將機(jī)載北斗數(shù)據(jù)傳輸?shù)斤w行員的Linux開源平板中，實(shí)現(xiàn)機(jī)載模塊與機(jī)載Linux監(jiān)視系統(tǒng)的4G網(wǎng)絡(luò)傳輸。具體連接情況如下：

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機(jī)載Linux系統(tǒng)與地面站網(wǎng)絡(luò)傳輸

由于機(jī)載模塊與地面PC端軟件以及Linux平臺(tái)監(jiān)視軟件之間的連接均已完成搭建，因此對(duì)數(shù)據(jù)采集主控板的STM32F103ZET6芯片利用C語(yǔ)言進(jìn)行編程，可實(shí)現(xiàn)將機(jī)載Linux監(jiān)視系統(tǒng)發(fā)送給數(shù)據(jù)采集主控板的信息繼續(xù)通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)傳輸至地面站，同時(shí)也可將地面站通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至數(shù)據(jù)采集主控板的信息繼續(xù)同過(guò)Wifi發(fā)送至機(jī)載Linux監(jiān)視系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)載Linux平臺(tái)與地面站之間的網(wǎng)絡(luò)傳輸。

(2)地面端軟件設(shè)計(jì)

北斗二代/GPS模塊將接收到的北斗、GPS雙重衛(wèi)星定位信息通過(guò)數(shù)據(jù)采集主控板經(jīng)過(guò)解碼后再利用建立的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸通道發(fā)送至地面站；FPGA監(jiān)視系統(tǒng)接收主用系統(tǒng)發(fā)送的監(jiān)視信息，當(dāng)主用系統(tǒng)發(fā)生異常時(shí)，F(xiàn)PGA監(jiān)視系統(tǒng)檢測(cè)不到主用系統(tǒng)發(fā)送的脈沖信號(hào)，啟動(dòng)備用系統(tǒng)；地面站接收數(shù)據(jù)采集主控板板載的SIM7100C 4G模塊傳輸?shù)娘w行數(shù)據(jù)信息源碼，并在軟件后臺(tái)解析飛行數(shù)據(jù)信息，即進(jìn)行報(bào)頭分析；存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)分析和解碼；并將提取的飛機(jī)信息數(shù)據(jù)通過(guò)應(yīng)用功能模塊和顯示模塊顯示在界面上；所述的應(yīng)用功能模塊包括應(yīng)急通信模塊、航線編制模塊和飛行動(dòng)態(tài)模塊，三個(gè)應(yīng)用功能模塊分別含有運(yùn)行程序；顯示模塊顯示每架航空器的呼號(hào)以及當(dāng)前的飛行經(jīng)緯度，飛行速度、飛行航向、飛行高度的飛行狀態(tài)信息。如圖12所示。

參照?qǐng)D13，飛行動(dòng)態(tài)模塊首先通過(guò)引用GMAP.NET類庫(kù)構(gòu)建軟件與在線地圖的統(tǒng)一調(diào)用接口將地圖顯示在Winform窗體中的GMAPCONTROL控件上，接著使用GMAP.NET類庫(kù)中的Marker控件通過(guò)接收的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)、航向、高度數(shù)據(jù)定出通航飛機(jī)的實(shí)時(shí)位置，同時(shí)執(zhí)行飛行動(dòng)態(tài)運(yùn)行程序：判斷鼠標(biāo)是否在飛機(jī)上，若是則TIPTOOL顯示飛行信息，否則無(wú)響應(yīng)。

參照?qǐng)D14，應(yīng)急通信模塊分為語(yǔ)音通信與視頻通信兩大類，視頻通信利用Winform窗體中的Windows Media Player控件在互聯(lián)網(wǎng)中搭建地面站與通航飛機(jī)聯(lián)系的URL地址，雙方即可通過(guò)軟件界面上的Windows Media Player控件進(jìn)行視頻通信，同時(shí)執(zhí)行應(yīng)急通信運(yùn)行程序：若網(wǎng)速小于2M/S，則僅開通語(yǔ)音通信；若網(wǎng)速不小于2M/S，則進(jìn)行視頻通信。

參照?qǐng)D15，航線編制模塊首先利用GMAP.NET類庫(kù)中的Marker控件在地圖上將各定位點(diǎn)與導(dǎo)航臺(tái)用高亮方法標(biāo)注，再利用GMAP.NET類庫(kù)中的Route方法，導(dǎo)入Winform文本框中輸入相應(yīng)的導(dǎo)航臺(tái)及定位點(diǎn)名稱，調(diào)用預(yù)先在系統(tǒng)中輸入的航路航線并在顯示模塊上實(shí)現(xiàn)可視化的實(shí)時(shí)監(jiān)視，同時(shí)執(zhí)行航線編制運(yùn)行程序：判斷導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫(kù)是否存在輸入的該定位點(diǎn)名稱，若是則將該點(diǎn)加入航線，否則提示不存在該點(diǎn)；然后返回重復(fù)輸入相應(yīng)的導(dǎo)航臺(tái)及定位點(diǎn)名稱的操作；進(jìn)一步再判斷加入航線的定位點(diǎn)或?qū)Ш脚_(tái)是否為一個(gè)，若是則返回重復(fù)執(zhí)行輸入相應(yīng)的導(dǎo)航臺(tái)及定位點(diǎn)名稱的操作；否則與上一個(gè)輸入的定位點(diǎn)或?qū)Ш脚_(tái)連接；接著判斷是否繼續(xù)編制航路航線，若是則返回重復(fù)執(zhí)行輸入相應(yīng)的導(dǎo)航臺(tái)及定位點(diǎn)名稱的操作，否則程序結(jié)束。

①軟件功能

地面端軟件接收移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娘w行數(shù)據(jù)信息源碼，并在軟件后臺(tái)解析飛行數(shù)據(jù)信息，最終在軟件界面上實(shí)現(xiàn)顯示模塊與應(yīng)用功能模塊的相應(yīng)功能。應(yīng)用功能模塊又可細(xì)分為應(yīng)急通信模塊、航線編制模塊、飛行動(dòng)態(tài)模塊。應(yīng)急通信模塊可為處置特情提供高效穩(wěn)定通信連接，監(jiān)管人員可針對(duì)突發(fā)情況向飛行員提出參考價(jià)值較高的應(yīng)急策略。航線編制模塊可調(diào)用預(yù)先在系統(tǒng)中輸入的航路航線并在顯示模塊上實(shí)現(xiàn)可視化的實(shí)時(shí)監(jiān)視。飛行信息模塊可在軟件后臺(tái)調(diào)用解析好的飛行數(shù)據(jù)信息，并在顯示模塊上實(shí)時(shí)輸出每架航空器的呼號(hào)、速度、航向、當(dāng)前的飛行狀態(tài)等信息，用戶可在顯示模塊預(yù)判航路沖突，提早做出調(diào)整。

②設(shè)計(jì)思路

I.飛行動(dòng)態(tài)模塊

地面端監(jiān)視軟件采用C#編程語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)，首先通過(guò)引用GMAP.NET類庫(kù)構(gòu)建軟件與谷歌、雅虎、必應(yīng)等在線地圖的統(tǒng)一調(diào)用接口，將地圖顯示在Winform窗體中的GMAPCONTROL控件上，接著使用GMAP.NET類庫(kù)中的Marker通過(guò)接收的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)、航向、高度數(shù)據(jù)定出通航飛機(jī)的實(shí)時(shí)位置，另外，軟件還使用Tooltip控件顯示通航飛機(jī)基本的飛行信息，用戶只需將鼠標(biāo)移至相應(yīng)飛機(jī)上即可在延伸出的文本框中觀察到飛機(jī)主要的飛行信息。程序流程如圖13所示。

Ⅱ.應(yīng)急通信模塊

地面監(jiān)視軟件的應(yīng)急通信模塊可分為語(yǔ)音通信與視頻通信兩大類。視頻通信利用Winform中的Windows Media Player控件在互聯(lián)網(wǎng)中搭建地面站與通航飛機(jī)聯(lián)系的URL地址，雙方即可通過(guò)軟件界面上的Windows Media Player控件進(jìn)行視頻通信。另外，若受網(wǎng)速限制、流量限制等，當(dāng)前系統(tǒng)僅支持語(yǔ)音通信時(shí)，用戶可點(diǎn)擊界面上的“僅開通語(yǔ)音通信”按鈕，將Windows Media Player控件的圖像顯示界面設(shè)置為不可見。程序流程如圖14所示。

Ⅲ.航線編制模塊

航線編制模塊首先利用GMAP.NET類庫(kù)中的Marker控件在地圖上將各定位點(diǎn)與導(dǎo)航臺(tái)用高亮方法標(biāo)注，再利用GMAP.NET類庫(kù)中的Route方法，導(dǎo)入Winform文本框中輸入相應(yīng)的導(dǎo)航臺(tái)及定位點(diǎn)名稱，并構(gòu)造相應(yīng)的航路航線，從而在GMAPCONTROL控件調(diào)用的在線地圖上完成航線編制。程序流程如圖15所示。