北斗导航系统导航显示器设计

张 鹏 杜航航

(中国民航大学，天津 300300)

北斗导航系统导航显示器设计

张 鹏 杜航航

(中国民航大学，天津 300300)

目前民航飞机导航方式主要依靠惯性导航系统，辅助无线电导航，而无线电导航主要以美国的GPS为主。现在我国有了自己的卫星导航系统——北斗导航系统(BDS)，将其应用于民航领域成为一种趋势。鉴于GPS在民航的垄断，设计了基于大地主题贝塞尔算法的BDS导航显示器，它能够实时解析出飞机的实时位置以及UTC时间。与ADS-B配合进行实验测试，结果验证了所设计的导航显示器能够实现精确的飞机导航定位以及飞机之间的防撞监视功能，表明北斗应用于民航的可行性。

北斗导航系统(BDS) 导航显示器 贝塞尔算法 ADS-B UTC

0 引言

目前，民航客机无线导航系统以美国的GPS为主，导航设备主要依靠进口，成本较高。随着北斗卫星导航系统的不断完善与发展，北斗卫星导航系统产业化即将全面到来[1]。将北斗系统运用于民航导航设备的研制是对我国北斗导航系统的一个探索，利用自己的平台研制机载设备也是建设民航强国的一个趋势。

随着低空空域逐步开放，未来我国通用航空飞机的发展潜力巨大。至2020年预计通用飞机将超过10 000架[2]，届时空域内的飞机将成倍增加，通用航空飞行安全的问题也随之而来。本文所研究的是北斗卫星导航系统在通用航空飞机导航领域内的应用，通过北斗卫星接收机实时获得飞机的经纬度信息，模拟机载导航计算机计算出与各导航台的相对位置，在导航显示器(ND)上实时将飞机当前位置及导航台位置显示出来。机载的广播式自动相关监视(ADS-B)系统会将飞机的数据广播给地面基站，地面的空管人员可以很清晰地看到空域冲突状况，及时提醒飞行员,提高飞行的安全性。

1 系统概述

电子飞行仪表系统(EFIS)由飞行显示器(PFD)、导航显示器(ND)、显示管理计算机(DMC)及方式控制面板组成。其中方式控制面板可以分为主飞行控制和导航控制两个部分。现在使用的导航显示部分与控制部分是分离的两个面板。导航显示器是EFIS的重要组成部分，在飞行过程中它为飞行员提供导航信息与气象信息，保障飞行安全。其中B737-800机型导航显示器有7种导航显示模式：计划方式、扩展地图方式、中心地图方式、扩展VOR方式、中心VOR方式以及扩展APP和中心APP方式。扩展地图与中心地图方式主要用来显示飞行计划和导航数据，在巡航过程飞机大部分时间主要以这两种模式飞行。基于BDS设计的导航显示器主要是以扩展地图和中心地图方式进行显示的。迪文串口触摸屏显示方式将控制部分与显示部分集成在一块，省去了方式控制面板。

2 系统硬件设计

系统硬件由3部分组成：卫星信号接收模块、主控模块、监控机。主控模块将卫星接收模块解调出的位置信息编码，在一个指定端口上输出波形，并在显示器上同步显示编码和发送的状态信息。系统框图如图1所示。

图1 系统框图

2.1 北斗接收模块

北斗接收模块采用的是ATGM331C芯片，它是高灵敏度BD2/GPS双模接收机模块，支持GPS和BD2的单系统定位和双系统联合定位。该芯片是通过串口输出NMEA- 0183协议标准格式的定位数据。UART接口的波特率默认被设置为9 600 bit/s,起始位为1位，数据位为8位，停止位为1位，无奇偶检验。

NMEA-0183是美国国家海洋电子协会为海用电子设备制定的格式，它是一个串行通信的数据协议[3]。在该协议中，所有输入与输出语句统称为一条消息。每条消息的字符串均由ASCII字符组成。

NMEA消息的基本格式如下。

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

北斗接收模块采集数据如下。

$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

由以上数据可知，NMEA 的每一条信息始终以ASCII字符“$”(0x24)开头,以“ ”结束，中间包含若干个数据域，且每个数据域之间以“，”(0x2c)隔开。一条NMEA-0183信息主要包括以下几个部分。

① 开始符“$”：在每条消息的开头，作为每条消息的开始信号。

② 消息名：用来表示该条消息所代表的特定涵义，长度可变。常用的消息名有GGA、RMC、VTQGSV等。

③ 数据区：包含有各种类型的数据，其格式与数据类型由消息名决定，每个数据区之间以逗号隔开，可以为空。

④ 校验和：紧跟在最后一个数据区的后面，用星号(0x2A)将校验和与数据区隔开,长度为两个字节。

⑤ 结束符：用表示，表示一条消息的结束。

本文中主要采用的BDRMC输出语句介绍如下。

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

<1>标准定位时间(UTC time)，格式为hhmmss.sss，其中hh表示小时，mm表示分钟，ss.sss表示秒。

<2> 位置有效标志，A=位置数据可用，V=位置数据不可用。

<3> 纬度，格式为ddmm.mmmm，其中dd表示度，mm.mmmm表示分。

<4> 北纬或南纬指示，北半球(N)或南半球(S)。

<5> 经度，格式为ddmm.mmmm，其中dd表示度，mm.mmmm表示分。

<6> 东经或西经指示，东半球(E)或西半球(W)。

<7> 地面速度，单位为节。

<8> 地面航向，单位为度，从北向起逆时针计算。

<9> UTC日期，格式为ddmmyy。

<10> 磁极变量，000.0到180.0。

<11> 度数。

例如一条完整的BDRMC消息如下：

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

从中可以读出的信息有：UTC时间为2013年4月18日12点34分00.000秒；位置信息为北纬40度02.217 8分，东经116度18.105 7分。

2.2 主控模块

为了适应导航算法位置实时显示要求，尽可能缩短处理时间，设计采用NXP公司的中高端型精简指令集处理器(advanced RISC machines,ARM)LPC1758。该ARM处理器基于新型的Cortex-M3内核，工作频率高达100 MHz，内置高速存储器、丰富的增强I/O端口和联接到两条外围总线(advanced peripheral bus，APB)的外设，高性能总线(advanced high-performance bus，AHB)多层矩阵具有8通道的直接存储器存取(direct memory access,DMA)控制器，具有三级流水线和哈佛结构，其完成一次编码的时间可以在毫秒级以下。LPC1758可以工作于-40 ～+105 ℃的温度范围，且支持8个区的内存保护，确保系统稳定运行。

3 系统软件设计

3.1 北斗授时系统

北斗系统不仅能进行导航，还能够进行授时。本系统在设计时利用授时信号比导航信号获取快的优势，系统上电后先进入北斗授时模式，1 min之后进入导航模式，实现了北斗两种模式的应用。在开机上电时，首先用查询的方式查询用户设置的显示时间模式(默认为UTC 时间)，然后将UTC时间转换成相应设置的时间。微处理芯片通过串口发出显示相应时间的控制指令给迪文DGUS液晶屏，DGUS液晶屏进行显示。在程序运行当中，微处理芯片也通过串口中断的方式更新UTC时间，进行准确授时。授时满1 min以后，系统将自动进入导航模式。

由于NMEA的消息是以“$”开始，以“ ”结束的，为了解析方便，暂且认为是以“*”结束的。此外，微处理芯片LPC1752的主频能达到100 MHz，可以很快地完成解析处理工作，所以本文设计的是在串口中断中将接收的ASCII字符存储在缓存中，遇到结束符后再进行处理，这样可以提高处理的效率。

3.2 大地主题算法-贝塞尔解算方法

导航显示器能够给飞行员提供很多有用的数据，以帮助其安全地操纵飞机，这其中就包括飞机相对于空域中导航设备的位置及方向信息。这就涉及到大地椭圆上的距离和位置的计算问题，即大地主题的正算和反算问题。大地主题计算指的是在参考的椭球面上计算大地长度、大地方位以及大地坐标的解算问题，主要分为正算和反算[4]。大地主题解算示意图如图2所示。

图2 大地主题解算示意图

如图2所示，若已知大地椭圆上一点坐标(P1，L1,B1)与另一点之间的大地线长S、大地方位角A12,求解另一点P2的大地坐标的问题，通常称为大地主题正算问题；若已知大地椭圆上两点坐标P1(L1,B1)和P2(L2,B2)，求解P1和P2之间的大地线长以及正反大地方位角A12、A21的大地坐标问题，通常称为大地主题反算问题。

在导航显示器设计应用中，已知每个导航台的准确经纬度坐标，而飞机的经纬度坐标可以由北斗导航接收机得到，所要求的就是大地线长和大地方位，属于大地反算问题的范畴。

贝塞尔大地主题解算公式是由德国天文学家贝塞尔提出的一种计算长距离的大 地主题解算公式。它的基本思路是将地理椭球面上的大地元素按照一定条件投影到一个辅助球面上，然后在这个辅助球面上进行计算，最后按照球面上得到的数值计算椭球面上的相应数值，即实现了从球面向椭球面的过渡，从而得到待求的大地元素。其解算精度与距离无关[5]。因此，它适用于中长距离解算[6]。贝塞尔解算方法关键点是找出椭球面上的大地元素与球面上相应元素之间的关系式，同时找出在球面上进行大地主题解算的方法。

贝塞尔大地主题反算步骤如下。

已知大地线起点和终点的大地坐标为(L1，B1)和(L2,B2)，求大地线长S及起点、终点处的大地方位角A1和A2。

① 辅助计算公式

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

a1=sinu1cosu2

(7)

a2=cosu1cosu2

(8)

b1=cosu1sinu2

(9)

b2=sinu1cosu2

(10)

I=L1-L2

(11)

② 用逐次逼近法同时计算起点大地方位角、球面长度

(12)

p=sinλcosμ2

(13)

q=b1-b2cosλ

(14)

(15)

(16)

sinσ=psinA1+qcosA1

(17)

cosσ=a1+a2cosλ

(18)

由以上可得：

(19)

计算下面算式，并重复以上(1)～(19)计算过程。

tanσ1=tanμ1secA1

(20)

σ2=σ1+σ

(21)

sinA0=cosμ1sinA1

(22)

λ-L=δ=sinA0[aσ+β(sin2σ2-sin2σ1)]

(23)

λ=L+δ

(24)

③ 计算大地线长度

S=Aσ+sin2σ1(B+Ccos2σ1)-

sin2σ2(B+Ccos2σ2)

(25)

④ 计算相应反方位角

(26)

根据以上对贝塞尔解算方法的研究，求解任意两点之间的距离和相对方位的计算过程流程如图3所示。

图3 贝塞尔算法程序流程图

4 系统测试

参照B737-800AMM手册，最后完成了基于北斗导航系统的机载导航显示器仿真设计工作。借助ADS-B设备，选取了一条从天津飞往北京的航线，每隔一个固定的距离，记录下航路点的经纬度坐标，这样就得到一条航线的飞机运动数据，将这些数据封装成NMEA-0183协议，代替北斗接收的数据。将其通过串口送给处理器LPC1758进行测试，测试基本达到预期效果。

5 结束语

设计的导航显示器的显示界面基本与B737-800飞机上的导航显示器一致。随着卫星导航技术的日趋成熟，GNSS与ADS-B 组合导航方式将成为未来主要的导航方式，中国利用自主的北斗平台进行民航导航设备方面的研究是一个趋势。虽然本系统中导航显示器只有扩展地图和中心地图两种导航方式，但是对于VOR、ADF等无线电导航方式预留了接口，便于以后进行深入的设计工作。

[1] 刘春霞,杨海峰,胡彩波.浅析北斗卫星导航系统的标准化与产业化[C]//第二届中国卫星导航学术年会论文集,上海,2011:1-4.

[2] 徐政伟，蒋维安.低空开放对通用航空业发展的影响及对策研究[J].现代经济信息，2013(3)：240-241.

[3] 方书山,章传银,秘金钟. NMEA-0183格式数据流解析的一种实用方法[J].测绘通报,2013(11):114-116.

[4] 周振宇,郭广礼,贾新果.大地主题解算方法综述[J].测绘科学,2007,32(4):190-192.

[5] 史国友,赵庆涛,王玉梅,等.贝塞尔大地主题反解的改进算法[J].交通运输工程学报，2009, 9(1):77-82.

[6] 徐晓晗,谢云开,李亚军.大地主题解算实用算法[J].科学技术与工程,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

张鹏(1963-)，男，1993年毕业于天津大学自动化仪表与装置专业，获硕士学位，教授；主要从事民用航空器机载系统故障诊断、航班调度优、自动化装置检测等方面的教学与科研工作。

TP391

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201509024

修改稿收到日期：2014-12-27。