第 1 章 绪论
随着中国航空航天事业的迅速发展与壮大，飞机器飞行任务复杂度越来越高，为保障飞机器飞行的安全性、提高产品研发的质量以及加快研发速度，建设监控系统地面站的需求量逐渐增大。地面站的应用遍及多个方向，目前监控地面站多用于无人机和卫星的研发中，文[1-3]中开发的无人机监控地面站和文[4-6]中研究的卫星地面站应用软件，都极大地方便地面人员远程对飞行器进行操控。军用方舱是由坚固的夹芯板材料组装而成的移动式厢体，可适用于通讯指挥中心、武器装备系统和技术支援等的装载体和工作间[7-10]，如图 1-1 所示为本课题所采用的移动式军用方舱平台。基于移动式方舱平台搭建飞行数据监控系统，其监控系统硬件平台主要包含无线发射模块、服务器分发设备、工业控制计算机、串口通信模块接口、以太网通信模块接口等，本文的主要工作是在该硬件平台上开发飞行数据监控系统软件。
当今世界处于复杂多变的环境，中国依然面临着南海和钓鱼岛争端等问题的困扰，在保障国家领土完整和不受外来势力的欺压，我国航空力量的不断壮大发挥着巨大的作用，而各强国也正加紧投入大量人力物力来研究各种飞机地面站系统[55-58]，以保障飞机飞行任务的顺利完成。本文通过建立飞行数据监控系统，为飞机的飞行状态提供准确可靠的测评数据，并实时地显示于地面交流站，实现地面方舱的人机友好交互，做到各项技术指标达标和功能齐全完善，不仅降低飞机监控地面站的研制时间和成本，保证研发产品的质量[13-18]，还促进航空技术事业的发展，推动我国航空科技的不断革新。
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1.2.1 国内研究现状
飞行数据地面站监控系统软件技术是集数据采集、数据传输、数据处理、传感器技术、导航技术、图像处理和 3D 模型等技术为一体的高新技术[19-26]。飞行数据监控系统软件一般采用VB、VC、Java、C#和Android等流行语言工具来开发[29-39]。北京航空航天大学、南京航空航天大学、哈尔滨工业大学和华南理工大学等国内知名大学正致力于无人机、卫星等地面站监控系统的研究[19-25]，并已取得可观的成果。国内许多公司也投入了大量的人力物力来研发各种类型的地面站监控系统，其中大疆科技公司和飞旋天行科技公司所研发的无人机地面站具有代表性。
图 1-2 为 DJI 大疆创新科技有限公司开发的无人机 PC 版地面站软件界面图，该软件提供了人性化的界面、飞行仪表盘显示、支持谷歌 3D 地图、工业级飞行控制算法和一键返航等强大特性。该软件已成功应用于商业领域，为摄影、测绘和无人机爱好者等提供了便利。
图 1-3 为北京飞旋天行科技有限公司研发的无人机地面站软件界面图，该软件具有完备的数据接口模块配置、支持各类无人机通讯设备的接入和用户的二次开发等强大优势，其界面不仅炫丽而且实用，值得借鉴。另外，该软件已广泛地应用于许多重要设施，如巡航监察、交通监测、地理测绘、环境保护、公共安全和救援等，给人们的生产、生活带来了巨大的便利[37-38]。
1.2.2 国外研究现状
国外无人机和卫星等地面站监控系统的研发不仅比国内要早，而且也更加成熟[41-48]。国外依托其强大、专业的硬件和软件平台为支撑，开发的地面站软件不仅可靠性和性能高，还具备抗干扰能力高、使用周期长和图像识别能力强等特点。国外也推出了许多经典的地面站监控系统，如图 1-4 为加拿大 MicroPilot 公司Horizon 软件界面图，该软件具备可配置性高、支持 GPS 导航和多屏幕分辨率、界面友好等特性。该软件已有超过 70 个国家购买并应用，是一款成熟、深受喜爱的地面站监控系统。
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第 2 章 监控系统总体框架设计
本监控系统的网络数据通信是基于局域网实现的，原始数据由单架飞机或多架飞机的无线传输模块发射的信号产生，数据接收处理分发机负责接收该无线信号数据包，转发至服务器端的分发计算机。监控系统同时监控的飞机架次一般为 4架（不超过 10 架），显示终端计算机数量相应地一般配备 4 台（不超过 10 台），服务器端对原始数据包进行解析处理后把参数包广播给显示终端，并且要求服务器端发送的数据能到达所有已连接上服务器端的显示终端，显示终端将其实时数据以多种显示形式把参数包的数据展现出来。为方便地面观察人员监控数据，在任一显示终端处可连接一个或多个大屏幕显示器，大屏幕显示的内容与显示终端屏幕显示内容一致。监控系统的硬件平台连接图如图 2-1 所示。
图 2-2 为方舱飞行数据监控系统部署图，本系统包含服务器端和显示终端两部分，用户可操作服务器端和显示终端应用程序，通信数据参数包将存储于服务器端数据库中，而显示终端的实时监控与服务器端是通过以太网进行通信的，在显示终端处进行飞行数据回放时获取的数据依赖于远程访问服务器端的数据库。
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2.2.1 服务器端设计要求及分析
服务器端计算机负责接收来自数据接收分发设备转发的数据，服务器端把接收的数据解包后重新打包，并将其存储至本地数据库与发送至显示终端计算机处。为了方便地管理数据库表文件，需要设计用户登录系统，其中用户账户分为最高管理者账户、普通管理账户和普通账户三种，管理账户具有对数据库进行查看、删除等操作权限，而普通账户只有对数据库进行查看操作权限；此外用户登录系统要求具有新增或删除普通管理用户与普通用户的功能。服务器端应用软件的设计部分主要包括用户登录系统的设计、数据分发模块的设计和数据管理模块的设计三部分的设计，具体内容如图 2-3 所示。因此，服务器端的主要设计内容为：
（1）用户登录系统的设计；
（2）基于以太网的网络通信模块的设计；
（3）数据解析模块的设计；
（4）服务器端数据库的设计；
（5）数据监控界面的设计。
服务器端的主要设计难点如下：
（1）服务器端在接收数据接收分发设备发送的消息包和发送消息包给显示终端时，数据包不能出现丢包、粘包、乱序等问题；
（2）在并发状态下实现高效的消息包存储，并不出现丢包、乱包等问题；
（3）在并发状态下实现高效的数据解析模块。
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3.1 数据网络通信库的需求分析...........................15
3.2 数据网络通信库的设计与实现..........................15
第 4 章 数据解析模块的设计与实现........................23
4.1 数据解析模块的需求分析...................................23
4.2 数据解析模块的设计与实现.............................23
第 5 章 数据库模块的设计与实现..........................30
5.1 数据库的需求分析.....................................30
5.1.1 服务器端数据库的需求分析........................30
第 7 章 监控系统的调试与分析
本文的测试是在系统联调的环境下进行的，系统的联调测试流程如下：
（1）登录服务器端系统，打开数据监控主界面，然后设置其 UDP 通信配置区的IP地址为“192.168.2.100”，端口号为“3201”，TCP通信配置区的端口号为“8060”；
（2）为了验证数据库存储功能，点击“存储数据”按钮；
（3）开启显示终端并使其连接上服务器端；
（4）同时开启对 4 个飞机架次的监控，即 001、002、003 和 004 架次；
（5）针对飞机编号为 001 架次，利用某数据计算分发设备给服务器端发送，发动机液油参数包、航电飞控参数包和故障告警信息参数包各 10695 包数据。
图 7-1 为服务器端数据监控调试图，该图中显示飞机编号为 001 架次的数据包统计中，发动机液油参数包收到 10695 包，航电飞控参数包收到 10695 包，故障状态信息参数包收到 10695 包，数据接收处理分发机设备发送的参数包数量与服务器端接收的参数包数量完全一致，另外由表 7-1 所示编号为 002、003 和 004 架次的接收包数的丢包率结果均为 0%，这表明本监控系统的 UDP 网络数据通信接收功能很好的实现了。
图 7-2 为 001 架次飞机编号数据存储的数据库查询结果图，在图 7-1 中飞机编号为 001 的架次在本次联调中一共存储 32085 包，利用数据库可视化工具 SQLyog查询 serverpatch 库中“001_2016_03_14_13_11_45_2016_03_14_13_48_18”的表数据，从图 7-2 中可以看到，表包含 id（行数）和 strJson（JSON 格式参数包）两列，id 号的最大值为 32085（id 从 1 开始自动增长），若查询本次监控中其它架次存储的数据包数，即编号为 002、003 和 004 架次的包数，可查询到其 id 号的最大值分别为 33716、36242 和 35571，这与数据处理分发设备总发包数完全一致，这说明本监控软件存储过程中无丢包情况发生，服务器端数据库存储功能得到了良好的实现。
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第 8 章 总结与展望
本文以方舱飞行数据监控系统的上位机软件的实际应用作为切入点，提出本监控软件服务器端和显示终端的总体设计方案；然后分别详细地对网络通信库、序列化库、和数据库等模块进行了需求分析及技术选型，并依据其需求分析和技术选型对数据
