基于1090ES的機(jī)載ADS-B設(shè)備總體設(shè)計(jì)

何 進(jìn)

(中國西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

1 引 言

廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視(ADS-B)是國際民航組織(ICAO)推廣的集通信、衛(wèi)星導(dǎo)航和監(jiān)視技術(shù)于一體的新一代技術(shù),也是基于飛機(jī)監(jiān)視技術(shù)的應(yīng)用系統(tǒng),是新一代空中交通管理系統(tǒng)的重要組成部分。ADS-B信息以ADS-B報(bào)文形式,通過空-空、空-地和地-地?cái)?shù)據(jù)鏈廣播式傳播。當(dāng)前,世界各國主要采用的數(shù)據(jù)鏈有1090MHz S模式擴(kuò)展電文數(shù)據(jù)鏈(1090ES)、通用訪問電臺(tái)數(shù)據(jù)鏈(UAT)和甚高頻數(shù)據(jù)鏈模式4(VDL Mode 4)等3種,其中1090ES是國際民航組織推薦使用的全球可互用ADS-B地空數(shù)據(jù)鏈。

目前,國內(nèi)有關(guān)ADS-B綜述[1-3]和S模式應(yīng)答機(jī)[4,5]應(yīng)用介紹的資料較多,但對1090ES體系架構(gòu)、設(shè)備實(shí)現(xiàn)介紹甚少。民航飛機(jī)實(shí)現(xiàn)ADS-B IN功能常采用TCAS系統(tǒng),ADS-B OUT功能采用S模式應(yīng)答機(jī),而能完整實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能的獨(dú)立設(shè)備很少,且這些設(shè)備基本上都被國際大公司壟斷。本文根據(jù)國際民航組織附件10(2007版)航空通信第4部分[6]對1090ESADS-B機(jī)載A3類設(shè)備的具體要求,提出了一種基于1090ES一次變頻的超外差中頻數(shù)字化ADS-B設(shè)備總體設(shè)計(jì)方案。

2 系統(tǒng)組成及信號(hào)格式

2.1 系統(tǒng)組成

1090ES ADS-B系統(tǒng)[6]主要由外部的輸入數(shù)據(jù)源、1090ES ADS-B OUT數(shù)據(jù)發(fā)射子系統(tǒng)[7]、1090ES ADS-B IN數(shù)據(jù)接收子系統(tǒng)及輸出數(shù)據(jù)客戶應(yīng)用4部分組成,如圖1所示。數(shù)據(jù)發(fā)射子系統(tǒng)可將本機(jī)的位置、速度、高度、呼號(hào)等信息自動(dòng)廣播出去,數(shù)據(jù)接收子系統(tǒng)可接收并在綜合監(jiān)控上顯示來自其它飛機(jī)、地面目標(biāo)的位置、速度、高度、呼號(hào)等信息,從而對周邊空域的交通狀況有全面、詳細(xì)的了解,實(shí)現(xiàn)飛機(jī)間的空空監(jiān)視或?qū)Φ孛婺繕?biāo)的空地監(jiān)視。

圖1 1090ES ADS-B系統(tǒng)功能框圖Fig.1 Functional block diagram of 1090ES ADS-B system

2.2 信號(hào)格式

1090ES信號(hào)格式與S模式應(yīng)答機(jī)發(fā)射信號(hào)格式[5-7]類同,其脈位調(diào)制信號(hào)由前同步脈沖和數(shù)據(jù)脈沖組成,如圖2所示。前同步脈沖由起始的8 μ s內(nèi)兩組0.5 μ s寬的脈沖對組成。數(shù)據(jù)脈沖是脈位調(diào)制的,其脈位位置隨調(diào)制信息的二進(jìn)制數(shù)而變化,所有脈沖幅度和寬度不變。每位1 μ s間隔的前半周0.5 μ s內(nèi)有脈沖時(shí),邏輯電平為 1;每位的后半周0.5 μ s內(nèi)有脈沖時(shí),邏輯電平為 0。

1090ES采用DF17格式[6-8],共有5個(gè)主要的任務(wù)字段,如圖3所示。第一字段是5 bit格式描述符,1090ES為固定值 17(十進(jìn)制數(shù));第二字段是3 bit設(shè)備能力(CA),描述了該設(shè)備所具備的數(shù)據(jù)傳輸能力;第三字段是24 bit設(shè)備唯一地址碼(AA);第四字段為56 bit報(bào)文信息(ME),它為設(shè)備的位置、速度、呼號(hào)等信息;第五字段為24 bit PI信息,提供奇偶及CRC檢驗(yàn),用于糾檢錯(cuò);DF17格式中該字段通常為全0。

圖3 1090ES DF17格式任務(wù)字段及位分配Fig.3 Task segment and bit layout of 1090ES DF17 format

3 詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)備組成及工作原理

機(jī)載1090ES ADS-B設(shè)備完成1090ES ADS-B IN接收子系統(tǒng)和1090ES ADS-B OUT發(fā)射子系統(tǒng)的功能,由上下天線、收發(fā)分機(jī)、終端分機(jī)3部分組成,如圖4所示。

圖4 設(shè)備組成框圖Fig.4 Composition diagram of equipment

(1)接收工作原理

通過上、下兩路天線分集接收其它平臺(tái)1090ES ADS-B OUT發(fā)射子系統(tǒng)的信息,收發(fā)分機(jī)對接收信號(hào)進(jìn)行限幅、濾波、放大、混頻,送出中頻70MHz信號(hào),終端分機(jī)對70MHz中頻信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、信號(hào)提取、分類、打包、組幀、裝配后,通過對外接口送綜合顯控顯示。

(2)發(fā)射工作原理

終端分機(jī)將來自導(dǎo)航、綜合顯控等系統(tǒng)的導(dǎo)航信息(位置、速率、高度、時(shí)間等)、自身狀態(tài)信息及其它信息等進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、壓縮編碼等處理后,組裝成適合于1090ES信號(hào)格式傳輸?shù)?12 bit ADS-B報(bào)文,存入內(nèi)部寄存器,按照規(guī)定時(shí)間分時(shí)選擇上、下天線,并隨機(jī)產(chǎn)生發(fā)射觸發(fā)信號(hào),在觸發(fā)時(shí)刻將組裝好的信息進(jìn)行70MHz中頻調(diào)制、濾波后送收發(fā)分機(jī)混頻、濾波、放大后,通過全向天線輻射到空間。

3.2 天線設(shè)計(jì)

由于機(jī)載設(shè)備的特殊性,為避免接收數(shù)據(jù)的盲區(qū),采用機(jī)腹機(jī)背兩個(gè)全向天線,實(shí)現(xiàn)無線電波信號(hào)的全空域接收。發(fā)射時(shí),分時(shí)選擇上、下天線,也實(shí)現(xiàn)了發(fā)射信號(hào)的全空域輻射。該天線方向圖特性為水平面全向360°,俯仰面波束寬度優(yōu)于60°。

3.3 收發(fā)分機(jī)設(shè)計(jì)

收發(fā)分機(jī)由電源模塊、天線接口模塊、接收模塊、發(fā)射模塊、頻率源模塊和自檢模塊組成,如圖5所示。發(fā)射時(shí),終端模塊先對天線選擇開關(guān)進(jìn)行控制,選擇所需天線,然后將發(fā)射開門信號(hào)和70MHz中頻信號(hào)送發(fā)射模塊,發(fā)射模塊混頻放大經(jīng)天線選擇開關(guān)、環(huán)形器、濾波器送天線將無線電波輻射到空間。接收時(shí),天線將空間中的電磁波信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào),經(jīng)濾波器、環(huán)形器送接收模塊放大、濾波、混頻送出兩路中頻70MHz信號(hào)給終端分機(jī)。頻率源模塊將1020MHz本振信號(hào)功分3路,放大濾波隔離后送接收、發(fā)射模塊混頻使用。自檢模塊將發(fā)射時(shí)天線駐波和發(fā)射功率檢測信號(hào)放大檢波比較后送出TTL電平自檢信號(hào),以供自檢使用。電源模塊、接收模塊和發(fā)射模塊在下面詳細(xì)介紹。

圖5 收發(fā)分機(jī)組成框圖Fig.5 Composition diagram of T/R module

電源模塊將機(jī)上提供的輸入直流電源首先經(jīng)過電磁兼容濾波、極性反接、欠壓過壓和短路保護(hù),對瞬時(shí)尖峰浪涌脈沖處理后,送5路DC/DC模塊進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換、濾波后,輸出模擬 +35 V、+48 V、±12 V、+5 V和數(shù)字+5 V共6組電壓,并送出電源轉(zhuǎn)換狀態(tài)標(biāo)志,以供自檢使用。模擬+35 V、+48V供發(fā)射模塊功放電路使用,模擬±12 V供發(fā)射、接收模塊使用,模擬+5 V供收發(fā)分機(jī)和終端分機(jī)使用,數(shù)字+5V僅終端分機(jī)使用。每路DC/DC模塊都具有輸入輸出隔離、過流、過熱保護(hù)功能。

接收采用分集接收方式,由兩路完全相同的接收模塊組成,同時(shí)接收上、下天線的信號(hào)。單路接收模塊原理框圖如圖6所示。工作原理為接收天線接口模塊的射頻信號(hào)經(jīng)大信號(hào)限幅、收發(fā)開關(guān)后,送低噪放放大,進(jìn)入鏡頻抑制濾波器濾波,再送入混頻器下變頻,輸出70MHz中頻信號(hào),經(jīng)低通濾波,濾除中頻高次諧波及本振信號(hào)的干擾,再經(jīng)中頻放大、對數(shù)放大及中頻濾波后送終端處理,同時(shí)該信號(hào)經(jīng)定向耦合器耦合出一路信號(hào),經(jīng)放大、檢波、比較送出自檢信號(hào)。

圖6 接收模塊原理框圖Fig.6 Schematic diagram of receiver module

發(fā)射模塊原理框圖如圖7所示,工作原理為終端送來的70MHz中頻信號(hào)經(jīng)放大濾波后,與1020MHz本振信號(hào)混頻送出1090MHz信號(hào)放大濾波,經(jīng)功放保護(hù)電路后送給40W脈沖小功放模塊,經(jīng)隔離送200 W脈沖功放,再隔離送900 W脈沖大功放,后低通濾波經(jīng)隔離器輸出,最大功率可達(dá)到28.5dBW。功放保護(hù)電路內(nèi)含檢波電路、單刀單擲開關(guān)、脈寬比較器、計(jì)數(shù)器電路,通過對脈寬、占空比、開路和短路的多重保護(hù),避免了功放的燒毀,提高了發(fā)射模塊的可靠性和生產(chǎn)性。

圖7 發(fā)射模塊原理框圖Fig.7 Schematic diagram of transmitter module

3.4 終端分機(jī)設(shè)計(jì)

終端分機(jī)由兩路高速AD采樣、DDS調(diào)制、FPGA、DSP及接口電路組成,實(shí)現(xiàn)接收70MHz中頻信號(hào)處理、發(fā)射編碼及70MHz中頻信號(hào)調(diào)制、對收發(fā)分機(jī)控制、設(shè)備自檢和外部設(shè)備如綜合顯控、導(dǎo)航系統(tǒng)的接口通信等功能,原理框圖如圖8所示。

圖8 終端分機(jī)原理框圖Fig.8 Schematic diagram of terminal module

接收工作原理:同時(shí)接收兩路中頻70MHz信號(hào),進(jìn)行AD采樣,在FPGA中對兩路采樣數(shù)據(jù)數(shù)字濾波,去直流電平,進(jìn)行數(shù)字正交解調(diào),實(shí)現(xiàn)對模擬ASK調(diào)制信號(hào)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,再通過自適應(yīng)門限處理、窄脈沖剔除和脈沖鑒寬處理,去除外部環(huán)境和內(nèi)部噪聲引起的毛刺及干擾。根據(jù)信號(hào)格式進(jìn)行脈沖時(shí)間間隔和幅度的一致性比較,判斷是否為同步脈沖[9]。若是同步脈沖,再對數(shù)據(jù)脈沖進(jìn)行處理,提取112 bit的數(shù)據(jù)信息,并根據(jù)數(shù)據(jù)格式提取各字段的值。先來一路信號(hào)處理完畢,查詢另一路是否正在處理,若是,等待另一路處理完畢,并進(jìn)行相關(guān)處理。最后,DSP將處理出來的信息轉(zhuǎn)換、組裝、打包,按規(guī)定的協(xié)議通過對外接口送相關(guān)設(shè)備。

發(fā)射工作原理:將來自導(dǎo)航、綜合顯控等系統(tǒng)的導(dǎo)航數(shù)據(jù)、自身狀態(tài)信息及其它信息等根據(jù)該時(shí)段發(fā)送信息的要求,提取相應(yīng)信息,進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、壓縮編碼、重新封裝等一系列處理后,組裝成適合于DF17格式傳輸?shù)?12 bit ADS-B報(bào)文,存入內(nèi)部寄存器,按照規(guī)定時(shí)間分時(shí)選擇上、下天線,并隨機(jī)產(chǎn)生發(fā)射觸發(fā)信號(hào)(如位置、速率信息平均每秒發(fā)送兩次,上、下天線交替發(fā)送,廣播周期為0.5±0.1 s,而不是一個(gè)固定值,以降低信號(hào)混疊的概率),在發(fā)射時(shí)刻將組裝好的信息送DDS調(diào)制成70MHz中頻載波信號(hào),再濾波送收發(fā)分機(jī)。

3.5 機(jī)內(nèi)測試電路設(shè)計(jì)

機(jī)內(nèi)測試電路結(jié)合各個(gè)分機(jī)一并設(shè)計(jì),充分利用該設(shè)備收發(fā)頻率相同的特點(diǎn),合理選取各電路的參數(shù),實(shí)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部整個(gè)收發(fā)鏈路動(dòng)態(tài)自檢。當(dāng)設(shè)備發(fā)射時(shí),收發(fā)分機(jī)產(chǎn)生天線駐波及發(fā)射功率自檢信號(hào)送終端分機(jī);同時(shí),發(fā)射載波信號(hào)經(jīng)環(huán)形器泄漏一部分到接收模塊,經(jīng)限幅器、收發(fā)開關(guān),到低噪放前信號(hào)功率約為-50dBm,接收模塊產(chǎn)生本身自檢信號(hào),并將中頻70MHz信號(hào)送終端處理,終端對發(fā)射同步頭信號(hào)進(jìn)行譯碼。若正確,則整個(gè)收發(fā)鏈路功能都正常。終端把譯碼結(jié)果標(biāo)志、接收模塊自檢信號(hào)、發(fā)射駐波及功率自檢信號(hào)、電源模塊自檢信號(hào)綜合處理后,控制面板自檢指示燈顯示。若本次自檢結(jié)果與上次不同,則通過對外接口將結(jié)果送相關(guān)設(shè)備。

4 關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)計(jì)算

4.1 接收支路鏈路指標(biāo)計(jì)算

根據(jù)接收支路主要部件噪聲系數(shù)、增益分配數(shù)據(jù),利用噪聲系數(shù)級(jí)聯(lián)計(jì)算公式,可計(jì)算出接收支路總的噪聲系數(shù)NF=5.03dB,接收信號(hào)帶寬 BW=8MHz,信號(hào)處理正確解碼要求的信噪比 SNR=12dB,則接收靈敏度Ps為

國際民航組織附件10航空通信第4部分[6]對1090ES ADS-B機(jī)載A3類設(shè)備天線口接收靈敏度要求為-84dBm。本設(shè)計(jì)中,天線增益為0dB,饋線損耗約2dB,則天線口接收機(jī)靈敏度理論值為-85.94dBm,約有2dB余量。

4.2 發(fā)射支路鏈路指標(biāo)計(jì)算

發(fā)射支路主要節(jié)點(diǎn)脈沖功率如表1所示。

表1 發(fā)射支路主要節(jié)點(diǎn)脈沖功率Table 1 Peak power of main node in the transmitting part

由表1可知,天線口面等效全向輻射功率為24dBW,滿足國際民航組織附件10航空通信第4部分[6]對機(jī)載A3類設(shè)備天線口面輻射功率23～27dBW的要求。

5 主要技術(shù)特征

5.1 大功率固態(tài)功放及保護(hù)電路設(shè)計(jì)

采用全固態(tài)功放合成方案,通過電路仿真和微波CAD輔助設(shè)計(jì),選擇最佳級(jí)間匹配電路和偏置電路,以保證優(yōu)異的高頻特性,功放合成效率高,發(fā)射功率穩(wěn)定,輸出波形頻譜特性好。通過精心設(shè)計(jì)脈寬保護(hù)、占空比保護(hù)等保護(hù)電路,保證了發(fā)射機(jī)在各種條件下安全可靠地工作,生產(chǎn)調(diào)試方便,大大提高了設(shè)備的可靠性。

5.2 大動(dòng)態(tài)范圍高靈敏度雙路接收機(jī)設(shè)計(jì)

雙路分集接收避免了載機(jī)在各種飛行姿態(tài)下接收數(shù)據(jù)的丟失,實(shí)現(xiàn)了對全空域數(shù)據(jù)接收。同時(shí),采用了低噪聲系數(shù)、大動(dòng)態(tài)范圍的低噪放和一次變頻超外差接收機(jī)方案,接收靈敏度高,并在末級(jí)采用了高精度的對數(shù)放大器,既壓縮了接收機(jī)信號(hào)輸出動(dòng)態(tài)范圍,保留了輸入信號(hào)的幅度信息,降低了對AD器件動(dòng)態(tài)范圍的要求,又提高了設(shè)備對終端電路的保護(hù)能力。

5.3 中頻數(shù)字調(diào)制解調(diào)及信號(hào)處理設(shè)計(jì)

采用了70MHz中頻數(shù)字調(diào)制和70MHz中頻信號(hào)處理技術(shù),巧妙選擇中頻頻率和AD采樣頻率,簡化了接收和終端電路的硬件設(shè)計(jì),提高了設(shè)備的可靠性,利于實(shí)現(xiàn)設(shè)備小型化和低功耗。采用數(shù)字化正交解調(diào)一類信號(hào)處理方法和自適應(yīng)門限、雙路信號(hào)處理、脈沖幅度信息多次判決比對等信號(hào)處理技術(shù),進(jìn)一步提高了設(shè)備的抗干擾能力和解碼能力[10]。

5.4 機(jī)內(nèi)測試電路設(shè)計(jì)

設(shè)備內(nèi)部各個(gè)模塊設(shè)計(jì)了相應(yīng)的自檢信號(hào),充分利用設(shè)備內(nèi)部收發(fā)頻率相同、定時(shí)主動(dòng)發(fā)射信號(hào)的特點(diǎn),合理選擇各項(xiàng)參數(shù),在發(fā)射的同時(shí)通過泄漏信號(hào)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部電路動(dòng)態(tài)自檢,實(shí)現(xiàn)了設(shè)備從射頻、中頻到基帶信號(hào)處理整條收發(fā)鏈路的功能檢查,并將故障隔離到模塊,有利于檢測與維修。

6 結(jié) 語

ADS-B技術(shù)的應(yīng)用是新航行系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分,1090ES是ICAO推薦使用的實(shí)現(xiàn)ADS-B功能的地空數(shù)據(jù)鏈。本文提出了一種實(shí)現(xiàn)該設(shè)備的總體方案,并在工程中得以應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)設(shè)備表明,采用該方案的設(shè)備具有架構(gòu)先進(jìn)、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高和維護(hù)方便等特點(diǎn),主要技術(shù)指標(biāo)滿足ICAO附件10的要求,這對從事ADS-B系列產(chǎn)品開發(fā)和應(yīng)用的人員具有重要的參考意義。該設(shè)備通過外部配置或裁減電路,也可單獨(dú)作為1090ES接收設(shè)備或發(fā)射設(shè)備使用,滿足不同類型平臺(tái)的裝載需要,具有廣泛的適應(yīng)性。

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