基于SBAS卫星广播信号的广域差分教学示范终端研制

叶逸珣　陈万通　曾荠　蓝钦彬　李书琦　陈莎薇

摘 要：文章设计并实现基于SBAS卫星广播信号教学示范终端的研制，将卫星信号接收技术、SBAS算法与树莓派技术相互融合，实现SBAS算法教学、定位精度比较等功能。文章介绍了该教学示范终端的系统功能、软硬件设计、精度对比等。

关键词：星基增强系统算法;树莓派技术;定位精度

1    星基增强系统

当今国内民航业应用最广泛的飞机精密进近和着陆引导系统是仪表着陆系统（Instrument Landing System，ILS）。因为其工作频率与广播频率很接近，所以当飞机飞行高度小于200 ft时，下滑信号很容易受到地面干扰。工作频率低则要求天线尺寸大，由于其性能会受到地形、建筑、车辆的影响，所以要求安装地形平坦且开阔。这些缺点对于仪表着陆系统的定位精度、飞机飞行安全性和民航业的经济性有着很大的影响。相比ILS，星基增强系统（Satellite-Based Augmentation System，SBAS）具有对环境条件要求低和设备成本更低的优点，能够为民用航空（包括通用航空）提供费用更低的导航服务。文章给出基于SBAS卫星广播信号的广域差分教学示范终端研制，为民航SBAS的教学平台设计提供参考。

2    系统功能及设计

2.1  系统功能

教学示范终端由接收端、处理器和人机交互端3部分组成。接收端接收来自日本的多功能卫星增强（Multi-Functional Satellite Augmentation System，MSAS）的广播修正信息和完好性信息，并将数据传输到处理器进行筛选处理。处理器提取卫星星历误差、卫星钟差、电离层延迟等多种修正信息，在人机交互端进行实时综合演示。用户对是否采用SBAS的定位精度进行对比，这为民航SBAS的教学提供了一个可视化示范平台。

2.2  硬件设计

教学示范终端采用模块化设计的方法，将接收端、处理器和人机交互端3部分依次连接，如图1所示，其中，接收模块和显示屏都是基于处理器实现一系列功能的。

2.2.1  接收端设计

本装置的GPS模块采用U-BLOX公司生产的LEA-6T模块，通过其接口上的5个串口引脚可以实现与处理器的互联通信，且模块内部的实时时钟（Real-Time Clock，RTC）晶体可以实现快速低温启动与热启动，可以使关机到下一次开机的时间缩短，提高了工作效率。考虑到卫星电磁波信号很弱，所以采用GPS+北斗多系统接收天线来增强卫星接收信号。天线的接收频率范围为（1 575±2）～（1 561±2）MHz，具有高稳定性、高线性度、高一致性和高选择性特点。LEA-6T模块和天线相互连接组成了接收端，能够自动搜寻卫星，接收来自日本MSAS卫星系统的数据信息。

2.2.2  处理器

为了满足教学示范平台的功能性和方便性，采用树莓派3b+作为本装置的处理器。树莓派具备所有个人计算机的功能，搭载1.4 GHz的64位四核处理器，最大驱动电流为2.5 A，只有信用卡大小。依据SBAS算法对树莓派进行编程，实现对接收数据的筛选处理功能，提取卫星星历误差、卫星钟差、电离层延迟等多种修正信息。

2.2.3  人机交互端

为方便教学过程的观看和操作，显示屏选择1 024×600尺寸的触摸电容屏，用户在触摸屏上点击是否采用SBAS的选项，由此显示不同的卫星定位精度。

2.3  软件设计

2.3.1  接收模块配置

首先，利用UCENTER软件配置LEA-6T模块的参数，LEA-6T模块处理任务主要分为以下3个步骤：打开操作系统、接收数据、串口向处理器传输数据。

2.3.2  樹莓派程序设计

树莓派从串口接收的数据包括十六进制和ASCII码，依据U-BLOX协议解析来接收模块的数据，可知十六进制含有钟差信息，而ASCII码中的GPRMC含有经纬度信息，可以用来读取定位信息。

用C语言对树莓派编写筛选数据的程序，先检测接收数据的第一位为“$”还是“B5”，判断接收的是ASCII码的数据还是十六进制的数据。如果为ASCII码，只需要从串口传输进来的数据中截取到头为$GPRMC的数据串，就能对经纬度进行读取。而且MC信息内的经纬度可以参考SBAS卫星的定位，所以可以用作定位精度的比对。如果为十六进制，先将接收数据放入名为original的数组，然后命名一个为Clock_bias的全零数组，将需要调换的数据位位置右移相应的位数，与高位相或并储存在Clock_bias中，循环右移，储存下第二高位，再左移回去，最终将需要的数组储存在Clock_bias中，就得到了需要的钟差数据。最后根据用户是否采用SBAS，输出显示相应的数据。

3    精度对比

从图2可以看出，采用SBAS后定位范围明显缩小，定位精度提高。

4    结语

基于LEA-6T树莓派3b+设计稳定实时显示SBAS修正误差的显示终端，能够为民航SBAS教学提供便利，使学习者深入了解SBAS修正和卫星导航在民航中的重要性，为今后民航技术的进一步发展奠定了基础。

[参考文献]

[1]杜鹃.星基增强系统互操作及其关键技术研究[D].北京：中国科学院研究生院，2015.

[2]孟庆鼐.卫星通信接收天线的质量分析[C].北京：中国电子学会第七届学术年会论文集，2001.

基金项目：大学生创新创业训练计划项目（201910059124）

作者简介：叶逸珣（1999— ），女，本科生。