民用客機機場無線通信設(shè)備設(shè)計

朱恩亮，楊啟帆，馬曉晨，李文衡

（航空工業(yè)西安航空計算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068）

0 引 言

傳統(tǒng)民用客機采用移動存儲介質(zhì)進(jìn)行飛機與地面系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換，為了不影響客機過站，該工作一般由專門的維護(hù)人員在航后進(jìn)行，這不僅大大降低了數(shù)據(jù)交換的實時性，還增加了維護(hù)人員的工作量[1-5]。隨著信息技術(shù)在民用客機的大量應(yīng)用和空地通信技術(shù)的發(fā)展，航空公司的傳統(tǒng)運營模式面臨著改變，可以利用機場無線通信設(shè)備實現(xiàn)飛機與地面系統(tǒng)間的通信和數(shù)據(jù)交換，達(dá)到優(yōu)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(shè)備作為機載信息系統(tǒng)的重要組成單元，可以利用成熟的4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)客機與航空公司間數(shù)據(jù)的無線傳輸[6-8]。當(dāng)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(tài)后，機場無線通信設(shè)備開始與地面建立無線連接，隨后機載信息系統(tǒng)內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器發(fā)起具體的數(shù)據(jù)傳輸操作，以實現(xiàn)飛機與航空公司間的數(shù)據(jù)交換。機場無線通信設(shè)備的出現(xiàn)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(gòu)設(shè)計

1.1 設(shè)計考慮

隨著移動通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，世界上大部分地區(qū)已經(jīng)實現(xiàn)了4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)的覆蓋。設(shè)計中采用蜂窩網(wǎng)絡(luò)作為機場無線通信設(shè)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(chǔ)設(shè)施的依賴。

由于蜂窩技術(shù)涉及的產(chǎn)品屬于消費類電子產(chǎn)品，具有價格低和更新速度快等特點，因此在設(shè)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(shè)備功能模塊間的獨立性。當(dāng)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(shè)備整個生命周期成本。

1.2 CPU組件設(shè)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(zhuǎn)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(hù)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(dǎo)程序、操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件以及用戶數(shù)據(jù)提供存儲空間。接口功能電路用于提供以太網(wǎng)、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(fù)位電路以及溫度監(jiān)控電路，用于提供硬件監(jiān)控。CPU組件硬件架構(gòu)如圖1所示。

圖1 CPU組件硬件架構(gòu)圖

1.3 射頻組件設(shè)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(fēng)險，設(shè)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(shè)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(jìn)行通信，而CPU組件通過GPIO對其進(jìn)行復(fù)位等控制。

機場無線通信設(shè)備的天線安裝在飛機機頭附近的蒙皮上。設(shè)計中為減少天線數(shù)量，使用功分器來實現(xiàn)共用天線，可以將天線數(shù)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(gòu)如圖2所示。

圖2 射頻組件硬件架構(gòu)圖

2 環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計

機載電子設(shè)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(yīng)等的要求[12]。設(shè)計中選用工業(yè)檔及以上級別器件，關(guān)注布局布線，增加屏蔽措施與閃電防護(hù)電路等來保證符合要求。此外，設(shè)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(guān)的部分元器件沒有任何屏蔽措施，因此在設(shè)計中需要使用構(gòu)件對蜂窩模塊進(jìn)行全屏蔽，以減少對外發(fā)射的射頻干擾。

閃電間接效應(yīng)通過在機載電子設(shè)備電氣接口處產(chǎn)生干擾電壓或電流的方式來造成設(shè)備永久性損壞或功能故障，嚴(yán)重影響飛行安全[13]。因此，閃電防護(hù)一直受到飛機設(shè)計師的密切關(guān)注。閃電防護(hù)電路的原理是將串入電子設(shè)備對外接口上的瞬態(tài)閃電脈沖通過瞬態(tài)保護(hù)器件來泄放到地，使接口處的鉗位電壓在設(shè)備承受范圍內(nèi)，以此來保護(hù)電子設(shè)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(tài)保護(hù)器件進(jìn)行防護(hù)，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(shè)計中使用腔體濾波器來對射頻信號進(jìn)行濾波，能夠有效地衰減閃電能量，從而達(dá)到保護(hù)設(shè)備對外射頻接口的目的。

3 蜂窩撥號設(shè)計

當(dāng)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(tài)，設(shè)備內(nèi)的電源轉(zhuǎn)換電路將為內(nèi)部的蜂窩模塊上電，蜂窩模塊在10 s內(nèi)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(wǎng)絡(luò)信號強度及網(wǎng)絡(luò)注冊狀態(tài)等信息。如果上述3個狀態(tài)均滿足撥號要求，則使用PPPD call GPRS撥號命令進(jìn)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(zhǔn)備接入的網(wǎng)絡(luò)類型以及撥號號碼等。如果撥號成功，則操作系統(tǒng)會生成相應(yīng)的PPP網(wǎng)絡(luò)接口，同時蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)的運營商為其分配相應(yīng)的IP地址和DNS。撥號軟件將根據(jù)飛機的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫枰O(shè)置相應(yīng)的路由信息來實現(xiàn)設(shè)備的公網(wǎng)接入。

4 結(jié) 論

本文以某民用客機上的機場無線通信設(shè)備為例，重點討論了設(shè)備的設(shè)計考慮、內(nèi)部組件的架構(gòu)設(shè)計、環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計以及蜂窩撥號設(shè)計。實際測試證明該設(shè)備有效地提高了飛機與地面系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交換的實時性，減少了維護(hù)人員的工作量。