基于GIS的无人机地面测控系统设计与实现

Ｒｅｄ），
ｆ．ＧｅｔＳｔｙｌｅ（）．ＳｅｔＳｙｍｂｏｌＣｈａｒａｃｔｅｒ（５３），／／加载 飞机ＴｒｕｅＴｙｐｅ字体 ｆ．ＧｅｔＳｔｙｌｅ（）．ＳｅｔＳｙｍｂｏｌＦｏｎｔＲｏｔａｔｉｏｎ（（ｓｈｏｒｔ）
（ｒｏｔａｔｉｏｎ））；
ｆ．ＧｅｔＰｏｉｎｔ（）．Ｓｅｔ（１０ｎｇｉｔｕｄｅ，ｌａｔｉｔｕｄｅ）； ｌａｙｅｒ．ＡｄｄＦｅａｔｕｒｅ（ｆ）；
套地面测控系统．实现了导航参数实时获取、飞行航迹实时显示、参数在线调整、航迹规划与回显、数据纪录与
分析等功能．实际联调表明．该系统运行可靠稳定．直观、方便地实现了航迹信息的管理．具有一定的实用性
和推广价值．
关键词：无人机；ＧＩＳ；地面站；ＭａｐＸ
中图分类号：Ｖ２７９．３
文献标志码：Ａ
Ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ＵＡＶ Ｇｒｏｕｎｄ Ｍｏｎｉｔｏｒ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＧＩＳ
万方数据
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弹箭与制导学报
第２８卷
／，
机载部分
、
＼
地Ｉ＾ｉ站
／
图１系统总体结构图 人机的位置与航迹。 ２．２机载部分
机载部分由ＧＰＳ接收芯片、调制解调器及 电台组成。ＧＰＳ接收芯片接收Ｃ／Ａ码，调制解 调器用来控制ＧＰＳ接收机的数据采集，并将数 字信息转换成模拟信号通过电台发往主控中心。 ２．３通信链路
文中在Ｗｉｎｄｏｗｓ开发平台下，嵌入ＭａｐＸ。
地图控件，在集成ＧＩＳ信息、ＧＰＳ经度、纬度和 无人机速度、航向、姿态等信息的基础上．开发出 功能完善、直观、操作方便的无人机地面站测控 系统，完成了对无人机的实时监控和定位。
２ 系统总体结构
本系统利用ＧＩＳ、无线通信与计算机技术对 无人机进行实时监控。系统由地面站和机载部 分两部分组成，通过无线通信相连。系统的总体 构成如图１所示。 ２．１地面站
．
·数据记录子模块将每次飞行的数据保存 下来，以便进行离线分析，为航迹回放提供数据 源。本系统采用Ａｃｃｅｓｓ数据库保存数据。
４）任务回放模块。该模块主要实现航迹回 放功能，离线显示所记录的实际飞行数据，重现 无人机的飞行过程。该系统提供了半速、常速和 双倍速度３种回放模式，以便对无人机的飞行状 况及任务执行状况进行分析。 ３．２ ＧＩＳ二次开发
本系统采用无线数传电台完成通信任务，并实 现了收发一体化。通信终端采用ＲＳ２３２串口。
３ 功能实现
３．１总体功能设计 无人机地面测控系统实现了导航参数实时
获取、飞行航迹实时显示、参数在线调整、航迹规 划与回显、数据纪录与分析等功能。与ＤＯＳ相 比，Ｗｉｎｄｏｗｓ平台具有多任务特性、友好的图形 用户界面、完备的内存管理、图形设备接口以及 动态连接库（ＤＬＬ）的支持等优点。因此，本系统 软件采用Ｗｉｎｄｏｗｓ作为开发平台，选用ＶＣ６．０ ＋ＭａｐＸ为开发工具，导入矢量电子地图，采用 了模块化设计，各功能模块相互独立，具体框图 如图２所示。
·故障显示子模块，显示无人机的故障信息。 ３）任务执行模块。该模块负责完成航迹规 划、航线加载、数据参数注入以及飞行数据记录 等任务。 ·航迹规划子模块，完成航迹点的录入和航 线的设置，并能将规划好的航线保存为ｔＸｔ文件， 可以随时进行编辑（增加、删除、修改）和调用。 ·航线加载子模块，将规划好的航线通过串 口加载到自动驾驶仪中．使无人机按照加载的航 线飞行。 ·数据注入子模块的功能是在无人机飞行 过程中注入需要修改的数据，如场高、相对飞行 高度、磁偏角以及一些控制参数等。
３．２．３更新飞机图元 在飞行过程中，根据飞机实时位置和航向
角，更新飞机图元，并使其按照航向角进行旋转。 ＣＭａｐＸＦｅａｔｕｒｅ ｆ＝ｌａｙｅｒ．ＧｅｔＦｅａｔｕｒｅＢｙｌＤ（ｉｄ）； ＣＭａｐＸＰｏｉｎｔ ｐｏｉｎｔ；
ｐｏｉｎｔ．ｃｒｅａｔｅＤｉｓｐａｔｃｈ（ｐｏｉｎｔ．ＧｅｔＣｌｓｉｄ（））； ｐｏｉｎｔ．Ｓｅｔ（１０ｎｇｉｔｕｄｅ，ｌａｔｉｔｕｄｅ）； ｆ．ＳｅｔＰｏｉｎｔ（ｐｏｉｎｔ．ｍ ｌｐＤｉｓｐａｔｃｈ）； ｆ．Ｕｐｄａｔｅ（）ｌ ＣＭａｐＸＳｔｙｌｅ ｓｔｙｌｅ＝ｆｅａｔｕｒｅ．ＧｅｔＳｔｙｌｅ（）； ｉｆ（ｓｔｙｌｅ．ＧｅｔＳｙｍｂｏｌＦｏｎｔＲｏｔａｔｉｏｎ（）！＝
·地图量算子模块，实现量算距离、面积等
功能； ·地图选择子模块，实现点选择，矩形选择，
多边形选择功能。 ２）显示模块。包括数据显示模块、航迹显示
模块和故障显示模块３个子模块。． ·数据显示子模块，显示无人机的姿态信
息、生存性信息以及伺服数据； ·航迹显示子模块，通过数据链实时接收无
人机下传的遥测信息，经解码得到无人机的经纬 度和高度等信息，并在电子地图上直观地显示无 人机的相应位置；
地面站由电台、调制解调器、ＰＣ机三部分组 成。电台用来接收机载电台发出的数据；调制解 调器完成对所收到的数据报的检波工作，并按照 协议通过ＲＳ２３２串Ｉ＝Ｉ将数据传给ＰＣ机；ＰＣ机 根据收到的姿态数据在电子地图上实时显示无
＊收稿日期：２００７～０９—２１ 作者简介：张劲锐（１９８３一）．男．安徽人．硕士研究生．研究方向：现代控制理论与应用．
第２８卷第５期 ２００８年ｌＯ月
弹箭与制导学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｒｏｊｅｃｔｉｌｅｓ．Ｒｏｃｋｅｔｓ．Ｍｉｓｓｉｌｅｓ ａｎｄ Ｇｕｉｄａｎｃｅ
ＶｏＩ．２８ Ｎｏ．５ ｏｃｔ ２００８
基于ＧＩＳ的无人机地面测控系统设计与实现。
张劲锐，卢京潮
（西北工业大学Leabharlann Baidu动化学院．西安７１００７２）
擒要：为满足无人机飞行实时监测和控制的要求．在Ｗｉｎｄｏｗｓ平台下，嵌入ＧＩＳ（地理信息系统）。设计了一
通过对飞机图元进行闪烁的方式显示故障 信息，有利于使地面工作人员快速做出反应，保 障无人机的安全飞行。通过ＭａｐＸ提供的ＡＰＩ 函数，可以实现图元的闪烁功能： ｉｆ（ｍ＿ｂｇｕｚｈａｎｇ）／／如果出现故障
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弹箭与制导学报
第２８卷
｛
规划的航线，位图为航迹点，小飞机图标表示飞
ｌａｙｅｒ．ＳｅｔＥｄｉｔａｂｌｅ（ｔｒｕｅ）； ｌａｙｅｒ．ＳｅｔＶｉｓｉｂｌｅ（ｔｒｕｅ）；
３．２．２增加飞机图元 在新建动态图层后。在第一个经纬度到来时
增加飞机点图元，代表飞机初始位置。 ＣＭａｐＸＦｅａｔｕｒｅ ｆ： ｉｆ（！ｆ．ＣｒｅａｔｅＤｉｓｐａｔｃｈ（ｆｌｙｆｅａｔｕｒｅ．ＧｅｔＣｌｓｉｄ（））） ｛ ＴＲＡＣＥ（“创建飞机图元失败！”）；
地而测控系统功能Ｉ墨Ｉ
Ｇ１～功能使块｜Ｉ¨－Ｊｊ模块ｌ ｌ任务执行模块Ｉ ｌ任务酬放模块
曩Ｉ Ｉ萋¨冀Ｉ Ｉ蓁Ｉ Ｉ羹ｌ｜｛｜｜ｌ Ｉ毳Ｉ ｌ羹ｌ Ｉ篓ｌ Ｉ薹Ｉ ｌ藿
图２系统功能模块框图
１）ＧＩＳ功能模块。ＧＩＳ模块完成基本的ＧＩＳ 功能，又分为３个子模块。
·地图操作子模块，实现地图放大、缩小、漫 游、全屏显示、鹰眼窗口显示、图层管理等功能；
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第５期
张劲锐等：基于ＧＩＳ的无人机地面测控系统设计与实现
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将航迹规划所需的时间从原来的数个小时时间 缩短到了数十分钟甚至只需数分钟，同时，利用 ＧＩＳ还能实时跟踪无人机航迹。
本系统就是利用ＧＩＳ，以Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋６．０ 为开发工具，嵌入地图控件ＭａｐＸ，集成ＧＩＳ、 ＧＰＳ经度、纬度、航向等信息，达到了对无人机的 实时监控和导航功能。ＧＩＳ开发主要有３种方 式Ｃｔ３，本系统采用集成二次开发方式。下面就其 中的一些关键技术加以说明。 ３．２．１ 动态图层
（ｓｈｏｒｔ）（ｒｏｔａｔｉｏｎ）） ｛ ｓｔｙｌｅ．ＳｅｔＳｙｍｂｏｌＦｏｎｔＲｏｔａｔｉｏｎ（（ｓｈｏｒｔ）（ｒｏｔａ— ｔｉｏｎ））Ｉ ｆ．ＳｅｔＳｔｙｌｅ（ｓｔｙｌｅ．ｍ—ｌｐＤｉｓｐａｔｃｈ）； ｆ．Ｕｐｄａｔｅ（）； ）
３．２．４ 自动漫游 电子地图需要长时间动态显示飞行的当前
位置，要确保飞机的位置总在视图之内，就要求 导航地图具备自动漫游功能。ＭａｐＸ中自带了 地图可见范围的边界特征属性，分别是 ＧｅｔＸＭｉｎ（），ＧｅｔＹＭｉｎ（），ＧｅｔＸＭａｘ（），ＧｅｔＹ— Ｍａｘ（），把接收到的ＧＰＳ经纬度与之比较，如果 超出了范围就使无人机位于屏幕中心位置。这 可以通过函数ＣｔｒｌＭａｐＸ．ＳｅｔＣｅｎｔｅｒＸ（１０ｎｇｉ— ｔｕｄｅ）、ＣｔｒｌＭａｐＸ．ＳｅｔＣｅｎｔｅｒＸ（１ａｔｉｔｕｄｅ）来实现。 ３．２．５图元闪烁
ｒｅｔｕｒｎ；
｝ ｆ．Ａｔｔａｃｈ（ｍ＿ＣｔｒｌＭａｐＸ．ＧｅｔＤｉｓｐａｔｅｈ（））； ｆ．ＧｅｔＳｔｙｌｅ（）．ＳｅｔＳｙｍｂｏｌＴｙｐｅ（ｍｉＳｙｍｂｏｌＴｙｐｅ— ＴｒｕｅＴｙｐｅＦｏｎｔ）； ＣＯｌｅＦｏｎｔ ｆｔ＝ｆ．ＧｅｔＳｔｙｌｅ（）．ＧｅｔＳｙｍｂｏｌＦｏｎｔ （）；
ｆｔ．ＳｅｔＮａｍｅ（“Ｍａｐｌｎｆｏ Ｓｙｍｂｏｌｓ”）； ＣＹ ｃｙ； ｃｙ．Ｈｉ－－０； ｅｙ．ｉｎｔ６４＝２０２５００ ｆ ｃｙ．Ｌｏ＝４０２５００。；‘ ｆｔ．ＳｅｔＳｉｚｅ（ｃｙ）； ｆ．ＧｅｔＳｔｙｌｅ（）．ＳｅｔＳｙｍｂｏｌＦｏｎｔＣｏｌｏｒ（ｍｉＣｏｌｏｒ—
ＺＨＡＮＧ Ｊｉｎｒｕｉ．ＬＵ Ｊｉｎｇｃｈａｏ （Ｓｃｈｏｐｌ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ．Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ．Ｘｉ’ａｎ ７１００７２．Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．ａ ｇｒｏｕｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｕｎｄｅｒ ｗｉｎ。 ｄｏｗｓ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｗｉｔｈ ＧＩＳ ｉｍｂｅｄｄｅｄ．Ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ ａｓ ｏｂｔａｉｎｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ·ｓｈｏｗｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｆｌｉｇｈｔ ｔｒａｃｅ．ａｄｊｕｓｔｉｎｇ ｔｈｅ ｏｎ－ｌｉｎｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ ｆｌｉｇｈｔ ｐａｔｈ．ｓｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｄａｔａ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｒｕｎｓ ｓｔａｂｌｙ ａｎｄ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ．ｉｔ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｔＯ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ ＵＡＶ ｔｒａｃｋ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｍａｎ。 ａｇｅｍｅｎｔ ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔｌｙ ａｎｄ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔｌｙ．ａｎｄ ｈａｓ ｐｒａｃｔｉｃａｌｉｔｙ ａｎｄ ｐｒｏｍｏｔｉｏｎ ｖａｌｕｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＵＡＶｌ ＧＩＳ‘ｇｒｏｕｎｄ ｃＯｎｔｒｏＩ ｓｙｓｔｅｍ；ＭａｐＸ
为了使无人机能够实现全自主方式的飞行， 操纵人员必须提前对无人机的航线进行规划，用 传统的方法，操纵人员需要从纸质地图中逐点查 找、计算航点，并手工将得到的航线数据输入无 人机系统中，这一工作往往需要花费数小时到数 天的时间。而利用ＧＩＳ，操纵人员可以直接在数 字地图上进行航迹的规划，能够实时、便捷的得 到数字地图中任意一点的多种信息。这一功能
１ 引言
地理信息系统（ＧＩＳ）是计算机技术、图形学 技术、数据库技术相互融合的产物，是一种利用 地理、空间位置数据信息进行存储、查询和显示 的计算机支持系统［¨。利用ＧＩＳ将空间特征信 息进行可视化表达，能快速获得无人机所处环境 地物的基本特征，为导航定位监控系统提供直 观、清晰、全面的信息服务。
ＭａｐＸ基于Ｍａｐｌｎｆｏ环境地图化技术，以控 件的方式提供对象联接与嵌入式的开发方案，支 持Ｗｉｎｄｏｗｓ下绝大多数标准可视化开发环境， 如ＶＣ等．编程人员可以选择自己熟悉的开发语 言，将地图应用功能嵌入到应用软件中，并脱离 ＭａｐＩｎｆｏ的软件平台运行。
实时动态显示无人机的位置与航迹是本系 统的重要功能，本系统采用动态图层方法，这样 能更快的刷新地图，新建动态图层代码如下：一 ＣＭａｐＸＬａｙｅｒ ｌａｙｅｒ； ｌａｙｅｒ＝ｍ—ＣｔｒｌＭａｐＸ．ＧｅｔＬａｙｅｒｓ（）．ＣｒｅａｔｅＬａｙｅｒ （“轨迹图层”）； ｍ—ＣｔｒｌＭａｐＸ．ＧｅｔＬａｙｅｒｓ（）．ＳｅｔＡｎｉｍａｔｉｏｎＬａｙｅｒ （１ａｙｅｒ．ｍ＿ｌｐＤｉｓｐａｔｃｈ）；／／设为动态图层