专利名称：多源航空导航信号综合数据采集及处理系统的制作方法
技术领域：
本发明属于组合导航以及飞行校验技术领域，具体涉及一种多源航空导航信号的综合数据采集及处理系统，该系统可以采集ILS、VOR、DME、GPS、VDB、惯导以及大气数据等多种航空导航信号，并以统一的数据格式及灵活的接口提供给应用层做进一步的处理。
背景技术：
目前应用于航空导航的无线电系统多种多样，包括用于提供方位角信息的甚高频全向信标系统(VOR)、用于提供距离信息的测距器(DME)、塔康系统(TACAN)、提供下滑航向道与下滑道信息的仪表着陆系统(ILS)、惯性导航系统以及最近20年间发展起来的以GPS 为主导的卫星导航系统等。由于具体某种特定导航系统都具有其固有的缺陷，比如惯导系统的时飘问题、卫星导航系统的完好性等，因而就提出了多种导航系统搭配使用，各补其短，构建组合导航系统的需求。因此在构建组合导航系统的过程中需要采集多种导航系统的导航信号。另外，飞行校验系统需要对各种导航设备进行校验，因而飞行校验系统也需要采集多种导航设备的导航信号，并对其进行评估处理。但是由于各种导航系统的数据长短不齐、速率各异，因而需要设计合理的方式来组织各种数据，并采用特定的方法实现各种导航信号的时钟对齐。
发明内容
本发明解决的技术问题设计合理的方式来组织各种导航信号的数据，并利用特定的方式解决各种导航数据的时钟对齐问题。本发明的技术解决方案一种多源航空导航信号的综合数据采集及处理系统，该系统主要包括信号采集及预处理子系统、信号评估与多元图形显示模块及导航信号模拟子系统。其中(1)信号采集及预处理子系统主要包括天线阵列、接收机阵列和PXI零槽控制器， 其中天线阵列用于接收各种无线电导航信号，接收机阵列对于天线接收的无线电导航信号进行处理并转换成数字或者离散以及模拟信号输出，PXI零槽控制器上装有各种数字通用总线以及高速数字IO等采集设备，并且该PXI零槽控制器上装有实时系统，实时系统中运行有数据采集以及处理的软件，完成数据的采集、解析、封装以及网络发送等功能。(2)网络通信模块为网络交换机，主要为信号采集及预处理子系统与信号评估与多元图形显示模块的数据通信提供物理链路。(3)信号评估与多元图形显示模块主要同信号采集及预处理子系统进行网络通信，并解析和处理信号采集及预处理子系统传送过来的各种导航数据块，得到导航信号的误差和容限结果。(4)导航信号模拟子系统主要是在实验室等不易获取真实导航信号的环境下通过控制仿真控制计算机上的仿真软件控制航空信号发生器产生特定的导航信号作为信号源，并将信号发送给信号采集及预处理子系统，以此来验证信号采集及预处理子系统的工作性能。本发明提供的多源航空导航信号的综合数据采集及处理系统采用软硬件相结合的方式，利用模块化设计，构建灵活，扩展性强，可以方便的对多源航空导航信号的综合数据采集及处理系统的功能进行扩充，以提供对新类型导航信号的采集支持。
图1为本发明的多源航空导航信号的综合数据采集及处理系统的硬件连接示意图；图2为RTK移动站的硬件连接示意图；图3为传统的数据采集流程图；图4为本发明采用的数据采集流程图；图5为MMR930数据采集流程图；图6为ILS数据块处理流程图；图7MMR930数据块处理流程图；图8Satellite数据块处理流程图；图9FAS数据块处理流程图；图10RTK基准数据采集处理流程图；图11网络监听线程处理流程图；图12网络数据发送线程处理流程图；图13网络数据接收线程处理流程图；图14数据处理评估子系统网络数据接收线程处理流程图；图15数据处理评估子系统底层软件结构图。图16导航信号模拟子系统软件结构图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。如图1所示，本发明提供的多源航空导航信号综合数据采集及处理系统的硬件连接示意图，该多源航空导航信号的综合数据采集及处理系统主要由信号采集及预处理子系统、、网络通信模块、信号评估与多元图形显示模块以及导航信号模拟子系统三个子系统组成，所述的导航信号模拟子系统用于将模拟信号发送给信号采集及预处理子系统，信号采集及预处理子系统通过网络通信模块4与信号评估与多元图形显示模块进行通信，并解析和处理信号采集及预处理子系统传送过来的各种导航数据块，得到导航信号的误差和容限结果。其中信号采集及预处理子系统由天线阵列1、接收机阵列2以及PXI零槽控制器3 三部分组成。天线阵列1包括各种导航信号接收天线，如GPS天线、航向信号接收天线、下滑信号接收天线、全向信标信号接收天线、甚高频广播接收天线等。接收机阵列2包含各种导航接收机，比如DME接收机、MARKER接收机、ILS接收机、VOR接收机、GNSS接收机、GBAS 接收机以及RTK移动站，另外还包括惯导设备以及大气数据设备等。考虑到成本，在本发明的具体实现中采用Collins公司生产的MMR930多模式接收机代替ILS接收机、VOR接收机、 GNSS接收机和GBAS接收机来接收各种导航信号等。RTK系统由于精度较高可以作为各种低精度导航设备的基准信号，如VOR信号、 ILS信号等都可以采用RTK系统进行校准。如图2RTK系统硬件连接图所示，RTK系统主要由基准站以及移动站两部分组成，工作原理是RTK移动站接收RTK基准站发送的校准信息， 从而提高自身的导航精度。PXI零槽控制器3采用NI公司生产的PXI零槽控制器以及PXI机箱，上面安装有 PXI 接口的 RS232、ARINC429、Discrete (高速数字)I/O、DAQ 等板卡。其中 RS232、高速数字I/O以及DAQ板卡采用NI公司生产的PXI板卡，而ARINC^9板卡采用神州飞航的PXI 板卡。在PXI零槽控制器3上安装有LABVIEW RT实时操作系统，LABVIEW RT实时操作系统中有安装各种板卡的驱动，同时在该LABVIEW RT实时操作系统上运行数据采集及预处理程序，对各种导航接收机及其他导航设备的数据进行采集及预处理。其中ARINC^9板卡主要针对各种航空接收机，RS232针对GPS接收机以及惯导设备等，高速数字I/O则实现各种离散状态量的采集，DAQ板卡可以采集各种设备输出的模拟信号。网络通信模块4主要包括网络交换机，该部分主要是为信号采集及预处理子系统与信号评估与多元图形显示模块之间的网络通信提供物理通道。信号评估与多元图形显示模块由一台数据处理计算机5及其上运行的数据处理程序组成，所述的数据处理计算机5包括网络通信模块、数据解析模块和上层应用，该信号评估与多元图形显示模块主要实现同信号采集及预处理子系统之间进行网络通信、数据解析以及数据的后期处理等功能。导航信号模拟子系统主要由航空信号发生器6以及仿真控制计算机7组成，其中航空信号发生器6采用AER0FLEX公司的IFR2030信号发生器，仿真控制计算机7上安装有 GPIB板卡，可以通过GPIB总线控制航空信号发生器6，仿真控制计算机7上运行有航空信号仿真控制程序，以此来控制航空信号发生器6动态的调节各种导航信号，将导航信号发送给信号采集及预处理子系统中的天线阵列1。所述的PXI零槽控制器3上安装数据采集软件，数据采集软件采用LABVIEW 2010 以及Visual C++6. 0开发实现，在LABVIEW中实现数据的采集与通信，而使用Visual C++6. 0实现数据格式的解析、预处理、时钟同步处理以及数据帧的封装，并将这些处理过程封装成动态链接库供LABVIEW下的程序调用。如图3所示，传统的数据采集处理流程通常是将数据的采集、数据处理、数据存储或其它操作等一个顺序流程处理完成之后才进入下一次的数据采集过程，这样当数据处理或数据存储消耗的系统时间比较大时会严重影响系统的采集性能，容易造成数据的丢失或波形的失真，更难以保证数据采集的实时性要求。鉴于以上考虑，本发明的数据采集系统采用如图4所示的模式将数据采集、数据处理以及数据存储分开，数据采集和数据处理后分别有一个数据的缓存，使各个部分可以独立的运行，提高数据采集系统的性能。然而这样改进之后又会引入新的问题，当数据采集的速率大于数据处理的速率时，亦即入口速率大于出口速率，最终会导致数据临时缓冲区的溢出。而当数据采集速率小于数据处理速率时同一数据有可能会被处理多次。因此如何合理的设计各模块之间的关系，匹配各三个模块的处理速率成为数据采集系统设计的关键。
在本发明的数据采集软件的程序设计中，将数据采集系统划分为数据采集模块、 数据解析及处理模块、数据网络发送模块等三个经典模块。数据采集模块主要负责采集 MMR930以及RTK的移动站数据，数据解析及处理模块主要负责ARINC^9字的解析、数据预处理以及帧格式的封装。数据网络发送模块主要是将数据以固定的帧格式发送给信号评估与多元图形显示模块。其中数据采集模块与数据解析及处理模块之间的交互采用经典的主从模式来实现，而数据解析及处理模块同数据网络发送模块之间的交互采用经典生产者消费者模式来实现。数据采集系统对MMR930输出的数据进行采集的过程如图5所示，采集程序首先获取板卡资源，配置板卡通道的工作方式，使能板卡ARINC4^字格式转换，初始化队列及通知器，然后进入到数据采集循环，在数据采集循环中包括四条执行路径，其中一条是向 MMR930发送Label 033命令字，来控制MMR930的工作模式，该命令字要求至少每300毫秒发送一次。另外三条执行路径是分别采集ILS、VDB、GNSS通道的数据，首先读取对应通道的接收缓冲中的数据量，然后启动循环读取数据，每次循环读取一个数据并将读取的数据写入到对应的队列中，由于MMR数据块的内容涉及三个采集通道的数据因此需要将三个采集通道的数据均写入MMR队列中，数据通道读取完成后发送通知，通知相应的数据处理程序开始执行。在实际处理过程中对于发送通知的条件做了一定的处理，只有满足条件时才发送通知，否则将当前数据累计算入下次数据采集过程，这样处理的好处是可以减少不必要的数据处理的执行过程。所述的MMR930输出的数据包括ILS、VOR, MMR, Satellite和FAS数据，如图6中 ILS数据处理流程图所示，首先初始化ILS通知器、ILS队列、hfo队列和hfo信号量， 然后进入ILS通道数据处理循环，在程序开始运行时，该ILS通道数据处理循环处于等待 ILS通知状态，当接收到数据采集程序发送过来的通知后，则循环读取ILS队列中的数据， 形成ILS通道的4 数据数组，判断当前系统工作模式，工作模式可由当前向MMR930发送的控制字得出，如果工作在ILS模式则调用前面在数据采集系统中封装的动态链接库中的GetILSFrameO函数解析获得ILS数据块的数据帧，如果处于VOR工作模式，则调用 GetVorFrameO函数解析获得VOR数据块的数据帧。将解析得到的数据块的数据帧组合，申请获取^fo信号量保护，将组合后的数据帧写入^fo队列中，释放^fo信号量。然后转入下一次的循环过程。注意实际处理过程中如果解析的数据结果为空，不做入队列操作，直接进入下一次的处理过程。所述的GetILSFrame ()函数和GetVorFrame ()函数是根据Arinc标准实现的。如图7MMR数据的处理流程图所示，首先初始化MMR通知器、MMR队列、hfo队列、 Info信号量，然后进入MMR数据处理循环，在程序开始运行时，该循环处于等待MMR通知状态，当接收到数据采集程序发送过来的通知后，则循环读取MMR队列中的数据，形成4 数据数组，调用动态链接库GetMMRFrameO函数解析获得MMR数据块的数据帧。申请获取化伪信号量保护，将解析得到的数据帧写入^fo队列中，释放^fo信号量。然后转入下一次的循环过程。注意实际处理过程中如果解析的数据结果为空，不做入队列操作，直接进入下一次的处理过程。如图SSatellite数据处理流程图所示，首先初始化GNSS通知器、GNSS队列、Info 队列、hfo信号量，然后进入Satellite数据处理循环，在程序开始运行时，该循环处于等待GNSS通知状态，当接收到数据采集程序发送过来的通知后，则循环读取GNSS队列中的数据，形成4 数据数组，调用(ietSatelliteFrameO函数解析获得MMR数据块的数据帧。申请获取^fo信号量保护，将解析得到的数据帧写入^fo队列中，释放^fo信号量。然后转入下一次的循环过程。注意实际处理过程中如果解析的数据结果为空，不做入队列操作， 直接进入下一次的处理过程。如图9FAS数据处理流程图所示，首先初始化VDB通知器、VDB队列、hfo队列、 Info信号量，然后进入FAS数据处理循环，在程序开始运行时，该循环处于等待VDB通知状态，当接收到数据采集程序发送过来的通知后，则循环读取VDB队列中的数据，形成4 数据数组，调用GetFASFrame ()函数解析获得FAS数据块的数据帧。申请获取hfo信号量保护，将解析得到的数据帧写入^fo队列中，释放^ifo信号量。然后转入下一次的循环过程。注意实际处理过程中如果解析的数据结果为空，不做入队列操作，直接进入下一次的处理过程。如图10是数据采集系统对RTK数据采集处理的流程图，采集程序首先打开串口， 配置并清空接收缓冲区，然后向诺瓦太接收机发送命令字配置接收机为RTK移动站工作方式，并配置接收机同LABVIEW RT系统的通信方式，初始化hfo队列及信号量。接下来进入 RTK基准数据采集循环，在每次循环中首先读取接收缓冲区的数据数量，然后调用函数读取接收缓冲区数据，由于在系统中仅需要NMEA格式的GPS输出，因此接下来需要对读取到的数据进行非NMEA格式数据的滤除，另外RS232数据通信过程中存在数据帧的截断问题，需要采用一定的方式处理接收到的输出以保证数据帧的完整性，最后申请信号量保护，将采集到的数据写入hfo队列，释放信号量。从而进入到下一次循环采集过程。数据网络发送模块采用三个独立的线程来完成，分别是网络服务器监听线程、网络数据发送线程、网络数据读取线程。如图11网络服务器监听线程处理流程图所示，网络服务器监听线程主要用来监听客户端的连接请求，当接收到连接请求时则建立连接，并将新建立的连接句柄添加到 Data Sever队列中。网络数据发送线程主要完成将hfo队列中的数据发送到建立连接的客户端。网络数据读取线程则读取客户端发送来的命令，进而改变当前LABVIEW RT下程序的运行状态，比如更改MMR930的控制命令字等。如图12网络数据发送线程处理流程图所示，首先初始化hfo队列以及hfo信号量，然后进入网络数据发送循环，在每次循环中，首先获取信号量进行保护，将队列中的数据元素全部读出，并释放信号量，在读出的数据中加入系统时间并组帧，其中系统时间与RTK基准数据中的UTC时间联合共同解决数据时钟同步的问题，在内层循环中遍历Data kver队列，对于每一个网络连接句柄首先判断当前网络连接状态，如果连接正常则将之前封装好的数据帧发送给相应的客户端，如果连接异常则断开网络连接，并将该句柄元素从 Data Sever队列中删除。网络发送循环的定时延时为200毫秒。如图13网络数据读取线程处理流程图所示，网络数据读取线程遍历Data Sever 中的网络连接句柄元素，读取命令类型数据，当没有数据时会发生读取超时错误，此时不做任何处理继续查询下一个网络连接元素，当读取为超时并读取到类型码后，读取命令字长度信息，之后读取命令字内容信息，之后按照预定的方式解析命令字，并做出相应的处理， 例如更改MMR930的发送命令字等。
信号评估与多元图形显示模块主要实现网络通信、数据解析以及后期的数据处理等功能，在本发明提供的系统的中，将网络通信以及数据解析的功能封装在同一个动态链接库中，如图14信号评估与多元图形显示模块网络数据接收线程处理流程图所示，子系统中网络通信模块读取网络数据后，首先进行原始数据的文件存储，而后进行数据帧校验，接下来由数据解析模块进行数据帧的解析，存储解析后的结果数据，同时向上层应用发送消息。图15为封装的动态链接库的类结构示意图。导航信号模拟子系统主要实现各种导航信号的动态仿真，并通过GPIB总线控制航空信号发生器产生各种导航信号。如图16导航信号模拟子系统软件结构图所示，其中GPIB底层驱动模块主要是封装了 NI公司生产的GPIB板卡的驱动，通过该模块的封装，使得上层对板卡的操作透明化，所有的板卡操作细节均在此模块内部完成，上层应用只需要调用该模块的接口即可。IFR20320通信模块，该模块封装了对于IFR2030信号发生器的各种控制命令，该模块内部调用GPIB底层驱动模块，将命令字发送给航空信号发生器，同时可以解析返回的结果字符集，该模块使得上层对信号发生器的各种控制透明化。通信参数配置模块，该模块主要实现GPIB板卡通信的参数初始化配置以及航空信号发生器初始状态的设置。定点控制模块，该模块主要是实现导航信号的静态控制，亦即模拟航空信号发生器各种导航模式下的面板按键功能，主要包括VOR定点控制模块、DME定点控制模块、ILS定点控制模块。飞行程序模拟模块主要用于根据不同的飞行程序及选择的校验科目按照相应的信号仿真模型仿真各种导航信号。该模块主要包括圆周飞行程序模拟、径向飞行程序模拟、 ILS-I飞行程序模拟、ILS-2飞行程序模拟等。另外当需要增加对新的导航信号的采集及处理支持的时候，仅需要添加对应的硬件支持，并添加编写相应的数据采集及处理程序，并设计对应的数据表示协议，就可以使得本系统支持对新数据的采集功能，扩展性较强。最后应说明的是以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
权利要求
1.多源航空导航信号综合数据采集及处理系统，其特征在于该系统主要包括信号采集及预处理子系统、信号评估与多元图形显示模块及导航信号模拟子系统，其中，所述的导航信号模拟子系统用于将模拟信号发送给信号采集及预处理子系统，信号采集及预处理子系统通过网络通信模块与信号评估与多元图形显示模块进行通信，并解析和处理信号采集及预处理子系统传送过来的各种导航数据，得到导航信号的误差和容限结果；所述的信号采集及预处理子系统主要包括天线阵列、接收机阵列和PXI零槽控制器， 其中天线阵列用于接收各种无线电导航信号，接收机阵列对于天线接收的无线电导航信号进行处理并转换成数字或者离散以及模拟信号输出，PXI零槽控制器上装有各种数字通用总线以及高速数字I/O采集设备，并且该PXI零槽控制器上装有LABVIEW RT实时操作系统， LABVIEff RT实时操作系统中运行有数据采集以及处理的软件，完成数据的采集、解析、封装以及网络发送功能；所述的网络通信模块为网络交换机，主要为信号采集及预处理子系统与信号评估与多元图形显示模块的数据通信提供物理链路；所述的信号评估与多元图形显示模块由一台数据处理计算机及其上运行的数据处理程序组成，所述的数据处理计算机包括网络通信模块、数据解析模块和上层应用；所述的导航信号模拟子系统主要是通过仿真控制计算机控制航空信号发生器产生导航信号作为信号源，并将信号发送给信号采集及预处理子系统，以此来验证信号采集及预处理子系统的工作性能；导航信号模拟子系统主要由航空信号发生器以及仿真控制计算机组成，其中仿真控制计算机上安装有GPIB板卡，通过GPIB总线控制航空信号发生器，仿真控制计算机上运行有航空信号仿真控制程序，以此来控制航空信号发生器动态的调节各种导航信号，将导航信号发送给信号采集及预处理子系统中的天线阵列。
2.根据权利要求1所述的多源航空导航信号综合数据采集及处理系统，其特征在于 所述的天线阵列包括GPS天线、航向信号接收天线、下滑信号接收天线、全向信标信号接收天线和甚高频广播接收天线。
3.根据权利要求1所述的多源航空导航信号综合数据采集及处理系统，其特征在于 所述的接收机阵列包含DME接收机、MARKER接收机、ILS接收机、VOR接收机、GNSS接收机、 GBAS接收机以及RTK移动站，另外还包括惯导设备以及大气数据设备；其中的ILS接收机、 VOR接收机、GNSS接收机和GBAS接收机采用MMR930多模式接收机代替来接收各种导航信号。
4.根据权利要求1所述的多源航空导航信号综合数据采集及处理系统，其特征在于 所述的PXI零槽控制器上安装有PXI接口的RS232、ARINC429、高速数字I/O和DAQ板卡， 在PXI零槽控制器上还安装有LABVIEW RT实时操作系统，LABVIEW RT实时操作系统中有安装各种板卡的驱动，同时在该LABVIEW RT实时操作系统上运行数据采集及预处理程序， 对各种导航接收机及其他导航设备的数据进行采集及预处理。
5.根据权利要求4所述的多源航空导航信号综合数据采集及处理系统，其特征在于所述的数据采集及预处理程序采用LABVIEW 2010以及Visual C++6. 0开发实现，在 LABVIEff中实现数据的采集与通信，而使用Visual C++6. 0实现数据格式的解析、预处理、 时钟同步处理以及数据帧的封装，并将这些处理过程封装成动态链接库供LABVIEW下的程序调用；数据采集及预处理程序划分为数据采集模块、数据解析及处理模块和数据网络发送模块，数据采集模块主要负责采集MMR930以及RTK的移动站数据，数据解析及处理模块主要负责ARINC^9字的解析、数据预处理以及帧格式的封装，数据网络发送模块主要是将数据以固定的帧格式发送给信号评估与多元图形显示模块；其中数据采集模块与数据解析及处理模块之间的交互采用经典的主从模式来实现，而数据解析及处理模块同数据网络发送模块之间的交互采用经典生产者消费者模式来实现。
6.根据权利要求5所述的多源航空导航信号综合数据采集及处理系统，其特征在于 所述的数据采集模块采集MMR930数据的采集流程为采集程序首先获取板卡资源，配置板卡通道的工作方式，使能板卡ARINC4^字格式转换，初始化队列及通知器，然后进入到数据采集循环，在数据采集循环中包括四条执行路径，其中一条是向MMR930发送Label 033 命令字，来控制MMR930的工作模式，该命令字要求至少每300毫秒发送一次；另外三条执行路径是分别采集ILS、VDB、GNSS通道的数据，首先读取对应通道的接收缓冲中的数据量，然后启动循环读取数据，每次循环读取一个数据并将读取的数据写入到对应的队列中，由于 MMR数据块的内容涉及三个通道的数据因此需要将三个通道的数据均写入MMR队列中，数据通道读取完成后发送通知，通知相应的数据处理程序开始执行。
7.根据权利要求6所述的多源航空导航信号综合数据采集及处理系统，其特征在于 所述所述的MMR930输出的数据包括ILS、VOR、MMR, Satellite和FAS数据。
8.根据权利要求6所述的多源航空导航信号综合数据采集及处理系统，其特征在于 所述数据网络发送模块采用三个独立的线程来完成，分别是网络服务器监听线程、网络数据发送线程、网络数据读取线程；网络服务器监听线程主要用来监听客户端的连接请求，当接收到连接请求时则建立连接，并将新建立的连接句柄添加到Data Sever队列中；网络数据发送线程主要完成将hfo 队列中的数据发送到建立连接的客户端；网络数据读取线程则读取客户端发送来的命令， 进而改变当前LABVIEW RT下程序的运行状态。
全文摘要
本发明公开了一种多源航空导航信号综合数据采集及处理系统，属于组合导航以及飞行校验技术领域。该系统主要包括信号采集及预处理子系统、信号评估与多元图形显示模块及导航信号模拟子系统。所述的导航信号模拟子系统用于将模拟信号发送给信号采集及预处理子系统，信号采集及预处理子系统通过网络通信模块与信号评估与多元图形显示模块进行通信，并解析和处理信号采集及预处理子系统传送过来的各种导航数据块，得到导航信号的误差和容限结果。本发明利用模块化设计，构建灵活，扩展性强，可以方便的对多源航空导航信号的综合数据采集及处理系统的功能进行扩充，以提供对新类型导航信号的采集支持。
文档编号G01C25/00GK102519488SQ20111042018
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月15日 优先权日2011年12月15日
发明者史晓锋, 张军, 林国钧, 蔡德胜 申请人:北京航空航天大学