民用客機機場無線通信設備設計

朱恩亮，楊啟帆，馬曉晨，李文衡

（航空工業西安航空計算技術研究所，陜西 西安 710068）

0 引 言

傳統民用客機采用移動存儲介質進行飛機與地面系統間的數據交換，為了不影響客機過站，該工作一般由專門的維護人員在航后進行，這不僅大大降低了數據交換的實時性，還增加了維護人員的工作量[1-5]。隨著信息技術在民用客機的大量應用和空地通信技術的發展，航空公司的傳統運營模式面臨著改變，可以利用機場無線通信設備實現飛機與地面系統間的通信和數據交換，達到優化航空公司運營流程和降低運營成本的目的。

機場無線通信設備作為機載信息系統的重要組成單元，可以利用成熟的4G蜂窩網絡實現客機與航空公司間數據的無線傳輸[6-8]。當飛機著陸時，通過輪載和艙門信號判斷出飛機處于地面狀態后，機場無線通信設備開始與地面建立無線連接，隨后機載信息系統內的網絡服務器發起具體的數據傳輸操作，以實現飛機與航空公司間的數據交換。機場無線通信設備的出現有效地提高了地勤工作人員的工作效率，縮短了飛機的過站時間，提高了航空公司運營效率。

1 架構設計

1.1 設計考慮

隨著移動通信技術的迅猛發展，世界上大部分地區已經實現了4G蜂窩網絡的覆蓋。設計中采用蜂窩網絡作為機場無線通信設備的通信方式可以滿足飛機運營場景要求，并可有效降低對機場基礎設施的依賴。

由于蜂窩技術涉及的產品屬于消費類電子產品，具有價格低和更新速度快等特點，因此在設計中將蜂窩處理電路和射頻處理電路部署在射頻組件上，將其余功能電路部署在CPU組件上，以此增強設備功能模塊間的獨立性。當蜂窩處理電路需要更新時，只需要更新射頻組件即可，可以降低設備整個生命周期成本。

1.2 CPU組件設計

CPU組件由電源變換電路、處理功能電路、存儲器電路、接口功能電路以及輔助功能電路組成。電源變換電路將輸入的電源轉換為其他功能電路所需的電源，具有輸入過壓、輸出過壓及過流保護功能。處理功能電路以NXP公司的I.MX6Q處理器為核心，提供運算資源。存儲電路為引導程序、操作系統、應用軟件以及用戶數據提供存儲空間。接口功能電路用于提供以太網、RS232、VGA、GPIO及USB等接口。輔助功能電路包括看門狗、實時時鐘、非易失存儲器、復位電路以及溫度監控電路，用于提供硬件監控。CPU組件硬件架構如圖1所示。

圖1 CPU組件硬件架構圖

1.3 射頻組件設計

射頻組件由蜂窩處理電路和射頻處理電路組成。為降低風險，設計中采用成品蜂窩模塊SIM7100C來處理電路。為滿足傳輸帶寬要求，設計中采用兩路蜂窩模塊并行通信[9]。蜂窩模塊采用3.3 V供電，通過USB接口與CPU組件進行通信，而CPU組件通過GPIO對其進行復位等控制。

機場無線通信設備的天線安裝在飛機機頭附近的蒙皮上。設計中為減少天線數量，使用功分器來實現共用天線，可以將天線數量由4個減少為兩個，同時在功分器的前端增加高通濾波器來濾除部分干擾[10,11]。射頻組件硬件架構如圖2所示。

圖2 射頻組件硬件架構圖

2 環境適應性設計

機載電子設備必須要滿足DO-160G對于溫度、高度、溫度變化、電磁兼容以及閃電間接效應等的要求[12]。設計中選用工業檔及以上級別器件，關注布局布線，增加屏蔽措施與閃電防護電路等來保證符合要求。此外，設計中使用射頻電纜來代替印制板走線，可以有效降低布線難度，最大程度地減少射頻干擾。由于所選的成品蜂窩模塊上與射頻相關的部分元器件沒有任何屏蔽措施，因此在設計中需要使用構件對蜂窩模塊進行全屏蔽，以減少對外發射的射頻干擾。

閃電間接效應通過在機載電子設備電氣接口處產生干擾電壓或電流的方式來造成設備永久性損壞或功能故障，嚴重影響飛行安全[13]。因此，閃電防護一直受到飛機設計師的密切關注。閃電防護電路的原理是將串入電子設備對外接口上的瞬態閃電脈沖通過瞬態保護器件來泄放到地，使接口處的鉗位電壓在設備承受范圍內，以此來保護電子設備免遭高電壓貨大電流損壞[14,15]。蜂窩模塊的通信頻率范圍約為600～2 700 MHz，因此無法使用常用的閃電瞬態保護器件進行防護，如氣體放電管、壓敏電阻以及瞬變抑制二極管（Transient Voltage Suppressor，TVS）等。此外，設計中使用腔體濾波器來對射頻信號進行濾波，能夠有效地衰減閃電能量，從而達到保護設備對外射頻接口的目的。

3 蜂窩撥號設計

當飛機著陸后，通過輪載和艙門信號判斷出飛機處于地面狀態，設備內的電源轉換電路將為內部的蜂窩模塊上電，蜂窩模塊在10 s內完成啟動并將其USB接口虛擬出ttyUSB0～ttyUSB5串口。撥號軟件通過虛擬出的ttyUSB2串口，使用AT命令來查詢SIM卡號、網絡信號強度及網絡注冊狀態等信息。如果上述3個狀態均滿足撥號要求，則使用PPPD call GPRS撥號命令進行撥號連接[16]。GPRS是撥號文件，包含了撥號所用的串口號(ttyUSB3串口)、串口波特率、準備接入的網絡類型以及撥號號碼等。如果撥號成功，則操作系統會生成相應的PPP網絡接口，同時蜂窩移動網絡的運營商為其分配相應的IP地址和DNS。撥號軟件將根據飛機的網絡拓撲需要設置相應的路由信息來實現設備的公網接入。

4 結 論

本文以某民用客機上的機場無線通信設備為例，重點討論了設備的設計考慮、內部組件的架構設計、環境適應性設計以及蜂窩撥號設計。實際測試證明該設備有效地提高了飛機與地面系統間數據交換的實時性，減少了維護人員的工作量。