第 1 章 緒論

1.1 研究背景和意義

隨著中國(guó)航空航天事業(yè)的迅速發(fā)展與壯大，飛機(jī)器飛行任務(wù)復(fù)雜度越來(lái)越高，為保障飛機(jī)器飛行的安全性、提高產(chǎn)品研發(fā)的質(zhì)量以及加快研發(fā)速度，建設(shè)監(jiān)控系統(tǒng)地面站的需求量逐漸增大。地面站的應(yīng)用遍及多個(gè)方向，目前監(jiān)控地面站多用于無(wú)人機(jī)和衛(wèi)星的研發(fā)中，文[1-3]中開發(fā)的無(wú)人機(jī)監(jiān)控地面站和文[4-6]中研究的衛(wèi)星地面站應(yīng)用軟件，都極大地方便地面人員遠(yuǎn)程對(duì)飛行器進(jìn)行操控。軍用方艙是由堅(jiān)固的夾芯板材料組裝而成的移動(dòng)式廂體，可適用于通訊指揮中心、武器裝備系統(tǒng)和技術(shù)支援等的裝載體和工作間[7-10]，如圖 1-1 所示為本課題所采用的移動(dòng)式軍用方艙平臺(tái)�；谝苿�(dòng)式方艙平臺(tái)搭建飛行數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，其監(jiān)控系統(tǒng)硬件平臺(tái)主要包含無(wú)線發(fā)射模塊、服務(wù)器分發(fā)設(shè)備、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、串口通信模塊接口、以太網(wǎng)通信模塊接口等，本文的主要工作是在該硬件平臺(tái)上開發(fā)飛行數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)軟件。

當(dāng)今世界處于復(fù)雜多變的環(huán)境，中國(guó)依然面臨著南海和釣魚島爭(zhēng)端等問(wèn)題的困擾，在保障國(guó)家領(lǐng)土完整和不受外來(lái)勢(shì)力的欺壓，我國(guó)航空力量的不斷壯大發(fā)揮著巨大的作用，而各強(qiáng)國(guó)也正加緊投入大量人力物力來(lái)研究各種飛機(jī)地面站系統(tǒng)[55-58]，以保障飛機(jī)飛行任務(wù)的順利完成。本文通過(guò)建立飛行數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，為飛機(jī)的飛行狀態(tài)提供準(zhǔn)確可靠的測(cè)評(píng)數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)地顯示于地面交流站，實(shí)現(xiàn)地面方艙的人機(jī)友好交互，做到各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)標(biāo)和功能齊全完善，不僅降低飛機(jī)監(jiān)控地面站的研制時(shí)間和成本，保證研發(fā)產(chǎn)品的質(zhì)量[13-18]，還促進(jìn)航空技術(shù)事業(yè)的發(fā)展，推動(dòng)我國(guó)航空科技的不斷革新。

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1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1.2.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀
飛行數(shù)據(jù)地面站監(jiān)控系統(tǒng)軟件技術(shù)是集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、傳感器技術(shù)、導(dǎo)航技術(shù)、圖像處理和 3D 模型等技術(shù)為一體的高新技術(shù)[19-26]。飛行數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)軟件一般采用VB、VC、Java、C#和Android等流行語(yǔ)言工具來(lái)開發(fā)[29-39]。北京航空航天大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和華南理工大學(xué)等國(guó)內(nèi)知名大學(xué)正致力于無(wú)人機(jī)、衛(wèi)星等地面站監(jiān)控系統(tǒng)的研究[19-25]，并已取得可觀的成果。國(guó)內(nèi)許多公司也投入了大量的人力物力來(lái)研發(fā)各種類型的地面站監(jiān)控系統(tǒng)，其中大疆科技公司和飛旋天行科技公司所研發(fā)的無(wú)人機(jī)地面站具有代表性。
圖 1-2 為 DJI 大疆創(chuàng)新科技有限公司開發(fā)的無(wú)人機(jī) PC 版地面站軟件界面圖，該軟件提供了人性化的界面、飛行儀表盤顯示、支持谷歌 3D 地圖、工業(yè)級(jí)飛行控制算法和一鍵返航等強(qiáng)大特性。該軟件已成功應(yīng)用于商業(yè)領(lǐng)域，為攝影、測(cè)繪和無(wú)人機(jī)愛(ài)好者等提供了便利。
圖 1-3 為北京飛旋天行科技有限公司研發(fā)的無(wú)人機(jī)地面站軟件界面圖，該軟件具有完備的數(shù)據(jù)接口模塊配置、支持各類無(wú)人機(jī)通訊設(shè)備的接入和用戶的二次開發(fā)等強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，其界面不僅炫麗而且實(shí)用，值得借鑒。另外，該軟件已廣泛地應(yīng)用于許多重要設(shè)施，如巡航監(jiān)察、交通監(jiān)測(cè)、地理測(cè)繪、環(huán)境保護(hù)、公共安全和救援等，給人們的生產(chǎn)、生活帶來(lái)了巨大的便利[37-38]。
1.2.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外無(wú)人機(jī)和衛(wèi)星等地面站監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)不僅比國(guó)內(nèi)要早，而且也更加成熟[41-48]。國(guó)外依托其強(qiáng)大、專業(yè)的硬件和軟件平臺(tái)為支撐，開發(fā)的地面站軟件不僅可靠性和性能高，還具備抗干擾能力高、使用周期長(zhǎng)和圖像識(shí)別能力強(qiáng)等特點(diǎn)。國(guó)外也推出了許多經(jīng)典的地面站監(jiān)控系統(tǒng)，如圖 1-4 為加拿大 MicroPilot 公司Horizon 軟件界面圖，該軟件具備可配置性高、支持 GPS 導(dǎo)航和多屏幕分辨率、界面友好等特性。該軟件已有超過(guò) 70 個(gè)國(guó)家購(gòu)買并應(yīng)用，是一款成熟、深受喜愛(ài)的地面站監(jiān)控系統(tǒng)。

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第 2 章 監(jiān)控系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

2.1 方艙飛行數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件平臺(tái)
本監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信是基于局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的，原始數(shù)據(jù)由單架飛機(jī)或多架飛機(jī)的無(wú)線傳輸模塊發(fā)射的信號(hào)產(chǎn)生，數(shù)據(jù)接收處理分發(fā)機(jī)負(fù)責(zé)接收該無(wú)線信號(hào)數(shù)據(jù)包，轉(zhuǎn)發(fā)至服務(wù)器端的分發(fā)計(jì)算機(jī)。監(jiān)控系統(tǒng)同時(shí)監(jiān)控的飛機(jī)架次一般為 4架（不超過(guò) 10 架），顯示終端計(jì)算機(jī)數(shù)量相應(yīng)地一般配備 4 臺(tái)（不超過(guò) 10 臺(tái)），服務(wù)器端對(duì)原始數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析處理后把參數(shù)包廣播給顯示終端，并且要求服務(wù)器端發(fā)送的數(shù)據(jù)能到達(dá)所有已連接上服務(wù)器端的顯示終端，顯示終端將其實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以多種顯示形式把參數(shù)包的數(shù)據(jù)展現(xiàn)出來(lái)。為方便地面觀察人員監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，在任一顯示終端處可連接一個(gè)或多個(gè)大屏幕顯示器，大屏幕顯示的內(nèi)容與顯示終端屏幕顯示內(nèi)容一致。監(jiān)控系統(tǒng)的硬件平臺(tái)連接圖如圖 2-1 所示。

圖 2-2 為方艙飛行數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)部署圖，本系統(tǒng)包含服務(wù)器端和顯示終端兩部分，用戶可操作服務(wù)器端和顯示終端應(yīng)用程序，通信數(shù)據(jù)參數(shù)包將存儲(chǔ)于服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫(kù)中，而顯示終端的實(shí)時(shí)監(jiān)控與服務(wù)器端是通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行通信的，在顯示終端處進(jìn)行飛行數(shù)據(jù)回放時(shí)獲取的數(shù)據(jù)依賴于遠(yuǎn)程訪問(wèn)服務(wù)器端的數(shù)據(jù)庫(kù)。

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2.2 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)要求及分析
2.2.1 服務(wù)器端設(shè)計(jì)要求及分析
服務(wù)器端計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)接收來(lái)自數(shù)據(jù)接收分發(fā)設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)，服務(wù)器端把接收的數(shù)據(jù)解包后重新打包，并將其存儲(chǔ)至本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)與發(fā)送至顯示終端計(jì)算機(jī)處。為了方便地管理數(shù)據(jù)庫(kù)表文件，需要設(shè)計(jì)用戶登錄系統(tǒng)，其中用戶賬戶分為最高管理者賬戶、普通管理賬戶和普通賬戶三種，管理賬戶具有對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行查看、刪除等操作權(quán)限，而普通賬戶只有對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行查看操作權(quán)限；此外用戶登錄系統(tǒng)要求具有新增或刪除普通管理用戶與普通用戶的功能。服務(wù)器端應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)部分主要包括用戶登錄系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分發(fā)模塊的設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)管理模塊的設(shè)計(jì)三部分的設(shè)計(jì)，具體內(nèi)容如圖 2-3 所示。因此，服務(wù)器端的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容為：
（1）用戶登錄系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；
（2）基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)通信模塊的設(shè)計(jì)；
（3）數(shù)據(jù)解析模塊的設(shè)計(jì)；
（4）服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)；
（5）數(shù)據(jù)監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)。
服務(wù)器端的主要設(shè)計(jì)難點(diǎn)如下：
（1）服務(wù)器端在接收數(shù)據(jù)接收分發(fā)設(shè)備發(fā)送的消息包和發(fā)送消息包給顯示終端時(shí)，數(shù)據(jù)包不能出現(xiàn)丟包、粘包、亂序等問(wèn)題；
（2）在并發(fā)狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)高效的消息包存儲(chǔ)，并不出現(xiàn)丟包、亂包等問(wèn)題；

（3）在并發(fā)狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)解析模塊。

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第 3 章 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)...................15
3.1 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信庫(kù)的需求分析...........................15
3.2 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信庫(kù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)..........................15
第 4 章 數(shù)據(jù)解析模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)........................23
4.1 數(shù)據(jù)解析模塊的需求分析...................................23
4.2 數(shù)據(jù)解析模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).............................23
第 5 章 數(shù)據(jù)庫(kù)模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)..........................30
5.1 數(shù)據(jù)庫(kù)的需求分析.....................................30

5.1.1 服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫(kù)的需求分析........................30

第 7 章 監(jiān)控系統(tǒng)的調(diào)試與分析

7.1 服務(wù)器端的調(diào)試與分析
本文的測(cè)試是在系統(tǒng)聯(lián)調(diào)的環(huán)境下進(jìn)行的，系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)測(cè)試流程如下：
（1）登錄服務(wù)器端系統(tǒng)，打開數(shù)據(jù)監(jiān)控主界面，然后設(shè)置其 UDP 通信配置區(qū)的IP地址為“192.168.2.100”，端口號(hào)為“3201”，TCP通信配置區(qū)的端口號(hào)為“8060”；
（2）為了驗(yàn)證數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)功能，點(diǎn)擊“存儲(chǔ)數(shù)據(jù)”按鈕；
（3）開啟顯示終端并使其連接上服務(wù)器端；
（4）同時(shí)開啟對(duì) 4 個(gè)飛機(jī)架次的監(jiān)控，，即 001、002、003 和 004 架次；
（5）針對(duì)飛機(jī)編號(hào)為 001 架次，利用某數(shù)據(jù)計(jì)算分發(fā)設(shè)備給服務(wù)器端發(fā)送，發(fā)動(dòng)機(jī)液油參數(shù)包、航電飛控參數(shù)包和故障告警信息參數(shù)包各 10695 包數(shù)據(jù)。
圖 7-1 為服務(wù)器端數(shù)據(jù)監(jiān)控調(diào)試圖，該圖中顯示飛機(jī)編號(hào)為 001 架次的數(shù)據(jù)包統(tǒng)計(jì)中，發(fā)動(dòng)機(jī)液油參數(shù)包收到 10695 包，航電飛控參數(shù)包收到 10695 包，故障狀態(tài)信息參數(shù)包收到 10695 包，數(shù)據(jù)接收處理分發(fā)機(jī)設(shè)備發(fā)送的參數(shù)包數(shù)量與服務(wù)器端接收的參數(shù)包數(shù)量完全一致，另外由表 7-1 所示編號(hào)為 002、003 和 004 架次的接收包數(shù)的丟包率結(jié)果均為 0%，這表明本監(jiān)控系統(tǒng)的 UDP 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信接收功能很好的實(shí)現(xiàn)了。

圖 7-2 為 001 架次飛機(jī)編號(hào)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)庫(kù)查詢結(jié)果圖，在圖 7-1 中飛機(jī)編號(hào)為 001 的架次在本次聯(lián)調(diào)中一共存儲(chǔ) 32085 包，利用數(shù)據(jù)庫(kù)可視化工具 SQLyog查詢 serverpatch 庫(kù)中“001_2016_03_14_13_11_45_2016_03_14_13_48_18”的表數(shù)據(jù)，從圖 7-2 中可以看到，表包含 id（行數(shù)）和 strJson（JSON 格式參數(shù)包）兩列，id 號(hào)的最大值為 32085（id 從 1 開始自動(dòng)增長(zhǎng)），若查詢本次監(jiān)控中其它架次存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)包數(shù)，即編號(hào)為 002、003 和 004 架次的包數(shù)，可查詢到其 id 號(hào)的最大值分別為 33716、36242 和 35571，這與數(shù)據(jù)處理分發(fā)設(shè)備總發(fā)包數(shù)完全一致，這說(shuō)明本監(jiān)控軟件存儲(chǔ)過(guò)程中無(wú)丟包情況發(fā)生，服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)功能得到了良好的實(shí)現(xiàn)。

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第 8 章 總結(jié)與展望

8.1 本文的主要工作總結(jié)
本文以方艙飛行數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的上位機(jī)軟件的實(shí)際應(yīng)用作為切入點(diǎn)，提出本監(jiān)控軟件服務(wù)器端和顯示終端的總體設(shè)計(jì)方案；然后分別詳細(xì)地對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信庫(kù)、序列化庫(kù)、和數(shù)據(jù)庫(kù)等模塊進(jìn)行了需求分析及技術(shù)選型，并依據(jù)其需求分析和技術(shù)選型對(duì)數(shù)據(jù)通信模塊、數(shù)據(jù)解析模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)模塊和界面開發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；最后，給出對(duì)服務(wù)器端和顯示終端的調(diào)試分析結(jié)果。本文的工作重心在于軟件的總體框架設(shè)計(jì)、一些重要組件模塊以及界面的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)上，所完成的主要工作有：
（1）進(jìn)行服務(wù)器端的軟件總體框架設(shè)計(jì)和顯示終端軟件總體框架設(shè)計(jì)，從總體上對(duì)軟件的工作流程進(jìn)行敘述，并分模塊來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)；
（2）根據(jù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信庫(kù)的需求分析，比較當(dāng)前流行的網(wǎng)絡(luò)通信庫(kù)，結(jié)合本課題的實(shí)際需求選用 Boost.asio 庫(kù)作為數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信庫(kù)；分析 Boost.asio 的包裝庫(kù)st_asio_wrapper 對(duì)自動(dòng)打包解包、發(fā)送和接收消息等網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方法；最后，本文基于 st_asio_wrapper 庫(kù)再次封裝了 UdpRecvComm、TCPServerComm 和TCPClientComm 三個(gè)適用于本課題的網(wǎng)絡(luò)通信類；
（3）根據(jù)數(shù)據(jù)解析模塊的需求分析，分析當(dāng)前流行的開源序列化庫(kù)并選用一個(gè)高效、簡(jiǎn)易的序列化庫(kù) kapok，定義適合于本課題的數(shù)據(jù)通信結(jié)構(gòu)體，并詳細(xì)敘述對(duì)數(shù)據(jù)解析模塊設(shè)計(jì)的流程和實(shí)現(xiàn)方法；

（4）根據(jù)對(duì)服務(wù)器端和顯示終端的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行需求分析，選用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)MySQL 作為本課題的數(shù)據(jù)庫(kù)工具，并分別對(duì)服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫(kù)和顯示終端數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行設(shè)計(jì)；

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參考文獻(xiàn)（略）

本文編號(hào)：313727