張 鵬 杜航航

(中國民航大學(xué)，天津 300300)

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)航顯示器設(shè)計

張 鵬 杜航航

(中國民航大學(xué)，天津 300300)

目前民航飛機導(dǎo)航方式主要依靠慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，輔助無線電導(dǎo)航，而無線電導(dǎo)航主要以美國的GPS為主?，F(xiàn)在我國有了自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)——北斗導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)，將其應(yīng)用于民航領(lǐng)域成為一種趨勢。鑒于GPS在民航的壟斷，設(shè)計了基于大地主題貝塞爾算法的BDS導(dǎo)航顯示器，它能夠?qū)崟r解析出飛機的實時位置以及UTC時間。與ADS-B配合進行實驗測試，結(jié)果驗證了所設(shè)計的導(dǎo)航顯示器能夠?qū)崿F(xiàn)精確的飛機導(dǎo)航定位以及飛機之間的防撞監(jiān)視功能，表明北斗應(yīng)用于民航的可行性。

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS) 導(dǎo)航顯示器 貝塞爾算法 ADS-B UTC

0 引言

目前，民航客機無線導(dǎo)航系統(tǒng)以美國的GPS為主，導(dǎo)航設(shè)備主要依靠進口，成本較高。隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的不斷完善與發(fā)展，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化即將全面到來[1]。將北斗系統(tǒng)運用于民航導(dǎo)航設(shè)備的研制是對我國北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的一個探索，利用自己的平臺研制機載設(shè)備也是建設(shè)民航強國的一個趨勢。

隨著低空空域逐步開放，未來我國通用航空飛機的發(fā)展?jié)摿薮?。?020年預(yù)計通用飛機將超過10 000架[2]，屆時空域內(nèi)的飛機將成倍增加，通用航空飛行安全的問題也隨之而來。本文所研究的是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在通用航空飛機導(dǎo)航領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用，通過北斗衛(wèi)星接收機實時獲得飛機的經(jīng)緯度信息，模擬機載導(dǎo)航計算機計算出與各導(dǎo)航臺的相對位置，在導(dǎo)航顯示器(ND)上實時將飛機當(dāng)前位置及導(dǎo)航臺位置顯示出來。機載的廣播式自動相關(guān)監(jiān)視(ADS-B)系統(tǒng)會將飛機的數(shù)據(jù)廣播給地面基站，地面的空管人員可以很清晰地看到空域沖突狀況，及時提醒飛行員,提高飛行的安全性。

1 系統(tǒng)概述

電子飛行儀表系統(tǒng)(EFIS)由飛行顯示器(PFD)、導(dǎo)航顯示器(ND)、顯示管理計算機(DMC)及方式控制面板組成。其中方式控制面板可以分為主飛行控制和導(dǎo)航控制兩個部分?，F(xiàn)在使用的導(dǎo)航顯示部分與控制部分是分離的兩個面板。導(dǎo)航顯示器是EFIS的重要組成部分，在飛行過程中它為飛行員提供導(dǎo)航信息與氣象信息，保障飛行安全。其中B737-800機型導(dǎo)航顯示器有7種導(dǎo)航顯示模式：計劃方式、擴展地圖方式、中心地圖方式、擴展VOR方式、中心VOR方式以及擴展APP和中心APP方式。擴展地圖與中心地圖方式主要用來顯示飛行計劃和導(dǎo)航數(shù)據(jù)，在巡航過程飛機大部分時間主要以這兩種模式飛行?；贐DS設(shè)計的導(dǎo)航顯示器主要是以擴展地圖和中心地圖方式進行顯示的。迪文串口觸摸屏顯示方式將控制部分與顯示部分集成在一塊，省去了方式控制面板。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件由3部分組成：衛(wèi)星信號接收模塊、主控模塊、監(jiān)控機。主控模塊將衛(wèi)星接收模塊解調(diào)出的位置信息編碼，在一個指定端口上輸出波形，并在顯示器上同步顯示編碼和發(fā)送的狀態(tài)信息。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2.1 北斗接收模塊

北斗接收模塊采用的是ATGM331C芯片，它是高靈敏度BD2/GPS雙模接收機模塊，支持GPS和BD2的單系統(tǒng)定位和雙系統(tǒng)聯(lián)合定位。該芯片是通過串口輸出NMEA- 0183協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)格式的定位數(shù)據(jù)。UART接口的波特率默認(rèn)被設(shè)置為9 600 bit/s,起始位為1位，數(shù)據(jù)位為8位，停止位為1位，無奇偶檢驗。

NMEA-0183是美國國家海洋電子協(xié)會為海用電子設(shè)備制定的格式，它是一個串行通信的數(shù)據(jù)協(xié)議[3]。在該協(xié)議中，所有輸入與輸出語句統(tǒng)稱為一條消息。每條消息的字符串均由ASCII字符組成。

NMEA消息的基本格式如下。

$MSGNAME,data1,data2,data3,...*hh

北斗接收模塊采集數(shù)據(jù)如下。

$BDRMC,012650.000,A,3906.477719,N,11720.916969,E,0.954,224.101,031113,,E,A*3D

$BDGGA,012651.000,3906.477341,N,11720.916778,E,1,04,41.003,24.410,M,0,M,,*6E

$BDGLL,3906.477341,N,11720.916778,E,012651.000,A,A*44

$BDGSA,A,3,163,170,166,167,,,,,,,,,5.052,41.003,4.645*17

$BDGSV,3,1,11,161,39,146,33,162,30,230,5,163,45,191,35,164,10,106,*58

$BDGSV,3,2,11,165,42,201,,166,21,169,34,167,12,191,32,168,54,62,*54

$BDGSV,3,3,11,170,25,213,35,171,64,318,,172,65,27,*52

由以上數(shù)據(jù)可知，NMEA 的每一條信息始終以ASCII字符“$”(0x24)開頭,以“ ”結(jié)束，中間包含若干個數(shù)據(jù)域，且每個數(shù)據(jù)域之間以“，”(0x2c)隔開。一條NMEA-0183信息主要包括以下幾個部分。

① 開始符“$”：在每條消息的開頭，作為每條消息的開始信號。

② 消息名：用來表示該條消息所代表的特定涵義，長度可變。常用的消息名有GGA、RMC、VTQGSV等。

③ 數(shù)據(jù)區(qū)：包含有各種類型的數(shù)據(jù)，其格式與數(shù)據(jù)類型由消息名決定，每個數(shù)據(jù)區(qū)之間以逗號隔開，可以為空。

④ 校驗和：緊跟在最后一個數(shù)據(jù)區(qū)的后面，用星號(0x2A)將校驗和與數(shù)據(jù)區(qū)隔開,長度為兩個字節(jié)。

⑤ 結(jié)束符：用表示，表示一條消息的結(jié)束。

本文中主要采用的BDRMC輸出語句介紹如下。

$BDRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,< 10>,<11>*

<1>標(biāo)準(zhǔn)定位時間(UTC time)，格式為hhmmss.sss，其中hh表示小時，mm表示分鐘，ss.sss表示秒。

<2> 位置有效標(biāo)志，A=位置數(shù)據(jù)可用，V=位置數(shù)據(jù)不可用。

<3> 緯度，格式為ddmm.mmmm，其中dd表示度，mm.mmmm表示分。

<4> 北緯或南緯指示，北半球(N)或南半球(S)。

<5> 經(jīng)度，格式為ddmm.mmmm，其中dd表示度，mm.mmmm表示分。

<6> 東經(jīng)或西經(jīng)指示，東半球(E)或西半球(W)。

<7> 地面速度，單位為節(jié)。

<8> 地面航向，單位為度，從北向起逆時針計算。

<9> UTC日期，格式為ddmmyy。

<10> 磁極變量，000.0到180.0。

<11> 度數(shù)。

例如一條完整的BDRMC消息如下：

$BDRMC,123400.000,A,4002.2178,N,11618.1057,E,0.026,181.631,180413,E,,A*2C

從中可以讀出的信息有：UTC時間為2013年4月18日12點34分00.000秒；位置信息為北緯40度02.217 8分，東經(jīng)116度18.105 7分。

2.2 主控模塊

為了適應(yīng)導(dǎo)航算法位置實時顯示要求，盡可能縮短處理時間，設(shè)計采用NXP公司的中高端型精簡指令集處理器(advanced RISC machines,ARM)LPC1758。該ARM處理器基于新型的Cortex-M3內(nèi)核，工作頻率高達100 MHz，內(nèi)置高速存儲器、豐富的增強I/O端口和聯(lián)接到兩條外圍總線(advanced peripheral bus，APB)的外設(shè)，高性能總線(advanced high-performance bus，AHB)多層矩陣具有8通道的直接存儲器存取(direct memory access,DMA)控制器，具有三級流水線和哈佛結(jié)構(gòu)，其完成一次編碼的時間可以在毫秒級以下。LPC1758可以工作于-40 ～+105 ℃的溫度范圍，且支持8個區(qū)的內(nèi)存保護，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 北斗授時系統(tǒng)

北斗系統(tǒng)不僅能進行導(dǎo)航，還能夠進行授時。本系統(tǒng)在設(shè)計時利用授時信號比導(dǎo)航信號獲取快的優(yōu)勢，系統(tǒng)上電后先進入北斗授時模式，1 min之后進入導(dǎo)航模式，實現(xiàn)了北斗兩種模式的應(yīng)用。在開機上電時，首先用查詢的方式查詢用戶設(shè)置的顯示時間模式(默認(rèn)為UTC 時間)，然后將UTC時間轉(zhuǎn)換成相應(yīng)設(shè)置的時間。微處理芯片通過串口發(fā)出顯示相應(yīng)時間的控制指令給迪文DGUS液晶屏，DGUS液晶屏進行顯示。在程序運行當(dāng)中，微處理芯片也通過串口中斷的方式更新UTC時間，進行準(zhǔn)確授時。授時滿1 min以后，系統(tǒng)將自動進入導(dǎo)航模式。

由于NMEA的消息是以“$”開始，以“ ”結(jié)束的，為了解析方便，暫且認(rèn)為是以“*”結(jié)束的。此外，微處理芯片LPC1752的主頻能達到100 MHz，可以很快地完成解析處理工作，所以本文設(shè)計的是在串口中斷中將接收的ASCII字符存儲在緩存中，遇到結(jié)束符后再進行處理，這樣可以提高處理的效率。

3.2 大地主題算法-貝塞爾解算方法

導(dǎo)航顯示器能夠給飛行員提供很多有用的數(shù)據(jù)，以幫助其安全地操縱飛機，這其中就包括飛機相對于空域中導(dǎo)航設(shè)備的位置及方向信息。這就涉及到大地橢圓上的距離和位置的計算問題，即大地主題的正算和反算問題。大地主題計算指的是在參考的橢球面上計算大地長度、大地方位以及大地坐標(biāo)的解算問題，主要分為正算和反算[4]。大地主題解算示意圖如圖2所示。

圖2 大地主題解算示意圖

如圖2所示，若已知大地橢圓上一點坐標(biāo)(P1，L1,B1)與另一點之間的大地線長S、大地方位角A12,求解另一點P2的大地坐標(biāo)的問題，通常稱為大地主題正算問題；若已知大地橢圓上兩點坐標(biāo)P1(L1,B1)和P2(L2,B2)，求解P1和P2之間的大地線長以及正反大地方位角A12、A21的大地坐標(biāo)問題，通常稱為大地主題反算問題。

在導(dǎo)航顯示器設(shè)計應(yīng)用中，已知每個導(dǎo)航臺的準(zhǔn)確經(jīng)緯度坐標(biāo)，而飛機的經(jīng)緯度坐標(biāo)可以由北斗導(dǎo)航接收機得到，所要求的就是大地線長和大地方位，屬于大地反算問題的范疇。

貝塞爾大地主題解算公式是由德國天文學(xué)家貝塞爾提出的一種計算長距離的大 地主題解算公式。它的基本思路是將地理橢球面上的大地元素按照一定條件投影到一個輔助球面上，然后在這個輔助球面上進行計算，最后按照球面上得到的數(shù)值計算橢球面上的相應(yīng)數(shù)值，即實現(xiàn)了從球面向橢球面的過渡，從而得到待求的大地元素。其解算精度與距離無關(guān)[5]。因此，它適用于中長距離解算[6]。貝塞爾解算方法關(guān)鍵點是找出橢球面上的大地元素與球面上相應(yīng)元素之間的關(guān)系式，同時找出在球面上進行大地主題解算的方法。

貝塞爾大地主題反算步驟如下。

已知大地線起點和終點的大地坐標(biāo)為(L1，B1)和(L2,B2)，求大地線長S及起點、終點處的大地方位角A1和A2。

① 輔助計算公式

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

a1=sinu1cosu2

(7)

a2=cosu1cosu2

(8)

b1=cosu1sinu2

(9)

b2=sinu1cosu2

(10)

I=L1-L2

(11)

② 用逐次逼近法同時計算起點大地方位角、球面長度

(12)

p=sinλcosμ2

(13)

q=b1-b2cosλ

(14)

(15)

(16)

sinσ=psinA1+qcosA1

(17)

cosσ=a1+a2cosλ

(18)

由以上可得：

(19)

計算下面算式，并重復(fù)以上(1)～(19)計算過程。

tanσ1=tanμ1secA1

(20)

σ2=σ1+σ

(21)

sinA0=cosμ1sinA1

(22)

λ-L=δ=sinA0[aσ+β(sin2σ2-sin2σ1)]

(23)

λ=L+δ

(24)

③ 計算大地線長度

S=Aσ+sin2σ1(B+Ccos2σ1)-

sin2σ2(B+Ccos2σ2)

(25)

④ 計算相應(yīng)反方位角

(26)

根據(jù)以上對貝塞爾解算方法的研究，求解任意兩點之間的距離和相對方位的計算過程流程如圖3所示。

圖3 貝塞爾算法程序流程圖

4 系統(tǒng)測試

參照B737-800AMM手冊，最后完成了基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的機載導(dǎo)航顯示器仿真設(shè)計工作。借助ADS-B設(shè)備，選取了一條從天津飛往北京的航線，每隔一個固定的距離，記錄下航路點的經(jīng)緯度坐標(biāo)，這樣就得到一條航線的飛機運動數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)封裝成NMEA-0183協(xié)議，代替北斗接收的數(shù)據(jù)。將其通過串口送給處理器LPC1758進行測試，測試基本達到預(yù)期效果。

5 結(jié)束語

設(shè)計的導(dǎo)航顯示器的顯示界面基本與B737-800飛機上的導(dǎo)航顯示器一致。隨著衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的日趨成熟，GNSS與ADS-B 組合導(dǎo)航方式將成為未來主要的導(dǎo)航方式，中國利用自主的北斗平臺進行民航導(dǎo)航設(shè)備方面的研究是一個趨勢。雖然本系統(tǒng)中導(dǎo)航顯示器只有擴展地圖和中心地圖兩種導(dǎo)航方式，但是對于VOR、ADF等無線電導(dǎo)航方式預(yù)留了接口，便于以后進行深入的設(shè)計工作。

[1] 劉春霞,楊海峰,胡彩波.淺析北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化與產(chǎn)業(yè)化[C]//第二屆中國衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會論文集,上海,2011:1-4.

[2] 徐政偉，蔣維安.低空開放對通用航空業(yè)發(fā)展的影響及對策研究[J].現(xiàn)代經(jīng)濟信息，2013(3)：240-241.

[3] 方書山,章傳銀,秘金鐘. NMEA-0183格式數(shù)據(jù)流解析的一種實用方法[J].測繪通報,2013(11):114-116.

[4] 周振宇,郭廣禮,賈新果.大地主題解算方法綜述[J].測繪科學(xué),2007,32(4):190-192.

[5] 史國友,趙慶濤,王玉梅,等.貝塞爾大地主題反解的改進算法[J].交通運輸工程學(xué)報，2009, 9(1):77-82.

[6] 徐曉晗,謝云開,李亞軍.大地主題解算實用算法[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2012,12(9):2062-2068.

Design of the BDS Navigation Monitor

Currently, the civil aircraft navigation mainly relies on inertial navigation system and with auxiliary radio navigation, while radio navigation is mainly based on GPS from the States. Now, there is our own satellite navigation system BDS in our country, applying it for civil aviation field becomes a trend. In view of the monopoly of GPS in civil aviation， the BDS navigation monitor based on Bessel geodetic algorithm has been designed. It can analyze the real time position of aircraft and UTC time, and conduct experimental test coordinating with ADS-B, the result verifies the monitor designed is able to implement precise aircraft navigation locating and the collision avoidance monitoring functions, this indicates the feasibility of applying BDS in civil aircraft.

Beidou navigation satellite system(BDS) Navigation monitor Bessel algorithm ADS-B UTC

張鵬(1963-)，男，1993年畢業(yè)于天津大學(xué)自動化儀表與裝置專業(yè)，獲碩士學(xué)位，教授；主要從事民用航空器機載系統(tǒng)故障診斷、航班調(diào)度優(yōu)、自動化裝置檢測等方面的教學(xué)與科研工作。

TP391

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201509024

修改稿收到日期：2014-12-27。