基于SBAS衛星廣播信號的廣域差分教學示范終端研制

葉逸珣　陳萬通　曾薺　藍欽彬　李書琦　陳莎薇

摘 要：文章設計并實現基于SBAS衛星廣播信號教學示范終端的研制，將衛星信號接收技術、SBAS算法與樹莓派技術相互融合，實現SBAS算法教學、定位精度比較等功能。文章介紹了該教學示范終端的系統功能、軟硬件設計、精度對比等。

關鍵詞：星基增強系統算法;樹莓派技術;定位精度

1 ? ?星基增強系統

當今國內民航業應用最廣泛的飛機精密進近和著陸引導系統是儀表著陸系統（Instrument Landing System，ILS）。因為其工作頻率與廣播頻率很接近，所以當飛機飛行高度小于200 ft時，下滑信號很容易受到地面干擾。工作頻率低則要求天線尺寸大，由于其性能會受到地形、建筑、車輛的影響，所以要求安裝地形平坦且開闊。這些缺點對于儀表著陸系統的定位精度、飛機飛行安全性和民航業的經濟性有著很大的影響。相比ILS，星基增強系統（Satellite-Based Augmentation System，SBAS）具有對環境條件要求低和設備成本更低的優點，能夠為民用航空（包括通用航空）提供費用更低的導航服務。文章給出基于SBAS衛星廣播信號的廣域差分教學示范終端研制，為民航SBAS的教學平臺設計提供參考。

2 ? ?系統功能及設計

2.1 ?系統功能

教學示范終端由接收端、處理器和人機交互端3部分組成。接收端接收來自日本的多功能衛星增強（Multi-Functional Satellite Augmentation System，MSAS）的廣播修正信息和完好性信息，并將數據傳輸到處理器進行篩選處理。處理器提取衛星星歷誤差、衛星鐘差、電離層延遲等多種修正信息，在人機交互端進行實時綜合演示。用戶對是否采用SBAS的定位精度進行對比，這為民航SBAS的教學提供了一個可視化示范平臺。

2.2 ?硬件設計

教學示范終端采用模塊化設計的方法，將接收端、處理器和人機交互端3部分依次連接，如圖1所示，其中，接收模塊和顯示屏都是基于處理器實現一系列功能的。

2.2.1 ?接收端設計

本裝置的GPS模塊采用U-BLOX公司生產的LEA-6T模塊，通過其接口上的5個串口引腳可以實現與處理器的互聯通信，且模塊內部的實時時鐘（Real-Time Clock，RTC）晶體可以實現快速低溫啟動與熱啟動，可以使關機到下一次開機的時間縮短，提高了工作效率?？紤]到衛星電磁波信號很弱，所以采用GPS+北斗多系統接收天線來增強衛星接收信號。天線的接收頻率范圍為（1 575±2）～（1 561±2）MHz，具有高穩定性、高線性度、高一致性和高選擇性特點。LEA-6T模塊和天線相互連接組成了接收端，能夠自動搜尋衛星，接收來自日本MSAS衛星系統的數據信息。

2.2.2 ?處理器

為了滿足教學示范平臺的功能性和方便性，采用樹莓派3b+作為本裝置的處理器。樹莓派具備所有個人計算機的功能，搭載1.4 GHz的64位四核處理器，最大驅動電流為2.5 A，只有信用卡大小。依據SBAS算法對樹莓派進行編程，實現對接收數據的篩選處理功能，提取衛星星歷誤差、衛星鐘差、電離層延遲等多種修正信息。

2.2.3 ?人機交互端

為方便教學過程的觀看和操作，顯示屏選擇1 024×600尺寸的觸摸電容屏，用戶在觸摸屏上點擊是否采用SBAS的選項，由此顯示不同的衛星定位精度。

2.3 ?軟件設計

2.3.1 ?接收模塊配置

首先，利用UCENTER軟件配置LEA-6T模塊的參數，LEA-6T模塊處理任務主要分為以下3個步驟：打開操作系統、接收數據、串口向處理器傳輸數據。

2.3.2 ?樹莓派程序設計

樹莓派從串口接收的數據包括十六進制和ASCII碼，依據U-BLOX協議解析來接收模塊的數據，可知十六進制含有鐘差信息，而ASCII碼中的GPRMC含有經緯度信息，可以用來讀取定位信息。

用C語言對樹莓派編寫篩選數據的程序，先檢測接收數據的第一位為“$”還是“B5”，判斷接收的是ASCII碼的數據還是十六進制的數據。如果為ASCII碼，只需要從串口傳輸進來的數據中截取到頭為$GPRMC的數據串，就能對經緯度進行讀取。而且MC信息內的經緯度可以參考SBAS衛星的定位，所以可以用作定位精度的比對。如果為十六進制，先將接收數據放入名為original的數組，然后命名一個為Clock_bias的全零數組，將需要調換的數據位位置右移相應的位數，與高位相或并儲存在Clock_bias中，循環右移，儲存下第二高位，再左移回去，最終將需要的數組儲存在Clock_bias中，就得到了需要的鐘差數據。最后根據用戶是否采用SBAS，輸出顯示相應的數據。

3 ? ?精度對比

從圖2可以看出，采用SBAS后定位范圍明顯縮小，定位精度提高。

4 ? ?結語

基于LEA-6T樹莓派3b+設計穩定實時顯示SBAS修正誤差的顯示終端，能夠為民航SBAS教學提供便利，使學習者深入了解SBAS修正和衛星導航在民航中的重要性，為今后民航技術的進一步發展奠定了基礎。

[參考文獻]

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基金項目：大學生創新創業訓練計劃項目（201910059124）

作者簡介：葉逸珣（1999— ），女，本科生。