航空電子通信系統中的關鍵技術研究

毛 鵬

（大連機場股份有限公司，遼寧 大連 116000）

0 引 言

近年來，航空安全成為民眾較為關心的問題。隨著高速計算機軟硬件技術、數字化技術、我國自主導航技術、5G移動通信技術、云計算及海量數據處理分析技術、微電子技術等高端電子通信技術的應用，使得我國航空整體安全性能有了極大提升。我國航空通信系統已經實現了民用、軍用等多類航空飛行過程中的高清晰度語音通話、高分辨且快速的圖像傳遞以及各類航空運行數據多媒體信息的處理等，確保了航空網絡通信系統高效、安全、穩定運行。

1 航空電子通信系統關鍵技術

1.1 通信核心網絡技術

在傳統航空通信系統網絡分層架構基礎上，充分利用5G移動通信的優勢。目前，航空通信網絡架構體系逐步采用虛擬化網絡架構，并根據不同網絡層次的需求，將應用層、數據鏈路層、驅動層以及物理層進行虛擬化封裝，實現了信息的本地分流。同時導航信息的精準定位滿足了語音、視頻、AR等數據的無線緩存和實時處理轉發。5G超密集組網采用微基站模式，對熱點容量進行有效補充，其網絡架構充分利用MIMO天線矩陣和高頻通信等技術，大大提高了航空無線通信信道的吞吐量，并且利用MEC技術實現了各類飛機（終端基站）與地面通信控制塔臺（宏基站）飛行數據資源的協調和緩存等管理控制。

針對我國各類航空業務的繁忙狀態，綜合考慮各機場每天的飛行架次、飛行頻度、飛行密度、航空天氣、飛行航路以及各飛機實時位置等飛行調度信息，采用5G超密集網絡極大地提高了航空通信網絡的吞吐效率和系統容量，實現了各航空機場塔臺（宏基站）與各飛行器的共同組網。圖1為5G超密集網絡架構技術原理。

圖1 超密集通信網絡架構原理

另外，現代航空通信編碼采用新型蜂窩控制技術中的D2D通信編碼策略，可實現各飛行器與機場塔臺的無線自組織網絡。能夠高效重復利用現有第四代移動蜂窩通信系統的頻譜資源實現短距離直接通信。D2D通信編碼策略吞吐量較高、發射功率較低、瞬時數據傳輸速率較高，頻譜效率優于傳統移動通信網絡，適用于密集化程度較高的Small Cell飛行航行數據的調度部署，有效提升了SeNB、MeNB等數據的緩存能力。此外，D2D通信采用分布式分層云服務架構，適用民用、軍用以及貨運等不同類型飛機[1]。

1.2 北斗導航通信技術

我國航空器現應用的導航系統已基本上使用我國自主研發的北斗導航通信系統。北斗導航系統采用通用無線分組業務，支持TCP/IP協議，實現與各機場塔臺的Internet網絡進行數據通信。機載通用無線分組業務模塊利用各機場塔臺（移動通信基站）Gb接口可實現SGSN服務，導航系統通過GPRS主干網與網關GPRS連接，支持節點（Gateway GPRS Support Node，GGSN）再通過網絡通信協議實現與機場塔臺的Internet數據的信息交換，實現了高速數據傳輸以及視頻和語音通信等功能，確保各類飛行數據能夠有效傳輸和管理。利用現代計算機圖形和數據庫技術來處理地理空間及其相關數據，通過地理信息系統（Geographic Information System，GIS）提取飛機的各類物理信息，包括飛行位置、飛行高度、空間信息、航空天氣信息以及位置特征等，進入計算機數據處理系統進行數字化分析、處理、存儲、顯示等。實現了各種數據的提取、分析以及管理功能，并通過報表、表格與地圖等格式進行輸出顯示或存儲。GIS采用Windows API函數串口或MSComm控件實現通信[2]。

各機場的北斗導航衛星接收基站接收單元的接收信號硬件電路在接收通道從天饋單元輸送的高頻信號后，將其傳輸到電阻耦合器，再進行一級LNA信號放大。放大處理后的信號傳輸到接收機內的低噪放大電路和選擇電路進行降噪及有用信息的選取，然后再經過射頻帶通濾波、PAD衰減、混頻后輸出中頻信號，最終中頻信號通過一級中頻SAW濾波器處理，輸出到基帶信道。飛機機載北斗導航衛星原理如圖2所示。

圖2 飛機機載北斗導航接收機原理

航空器北斗導航通信系統通過RF信號獲得衛星導航及飛行信息，為避免干擾，一般采用下變頻架構設計，從而降低了射頻電壓信號大擺幅影響，且射頻增益較好，可有效滿足線性要求和噪聲性能需求。

1.3 S模雷達安全監視技術

通過應用雷達監視技術可有效監視航空器的飛行信息、飛行狀態以及機場安全等，確保飛機及機場的運行安全。航空雷達系統主要包括一次和二次雷達系統。一次雷達系統主要利用機場雷達天線向外發射一定頻率的信號，對雷達掃描空域內的各類飛行器等目標進行信號反射。反射波信號一旦被雷達捕捉，雷達系統會自動鎖定并進行跟蹤，從而實現對各飛行器等目標的捕捉、跟蹤、監視以及定位。一次雷達系統通常被定義為完全獨立、非合作的一種監視手段。二次雷達主要包括A、B、C、A/C以及S等模式，其原理在于通過飛行器機載接收機實施信號問詢。飛機機載接收機一旦接收到問詢信號后，嚴格按照應答機制進行及時答復、尋址、信號定位、雙向鏈路建立等信息反饋。航空雷達系統通常與ADS-B技術和防撞技術進行相互補充，確保飛行安全。

S模式雷達有效解決了A/C模式二次雷達識別碼（A碼）應答瓶頸等問題，其編碼采用24位地址碼編碼模式，最多可以分配到16 777 216個問詢地址碼，且每個飛行器出廠S模識別碼具有唯一性。另外，S模雷達在信號接收和應答方面，誤碼率極低，主要采用單獨的信號調制及解碼模式。其通信信息的交互主要采用雙向數據鏈信息交互，可有效識別、讀取每個航空器的SSR應答代碼、注冊識別碼、航班序列號、航跡信息關聯、飛行速度、磁航方向、轉彎角、飛行器機型以及“FSSA”告警等數據信息，極大提高了雷達分辨率。

1.4 空時自適應濾波技術

由于航空飛行的運行環境較為復雜，各類電磁干擾現象極為嚴重，因此航空通信電子設備多采用空時自適應濾波技術(Space-Time Adaptive Processing，STAP)。STAP采用多個陣元組成天線矩陣，其濾波系統的處理器通過網絡化結構實現對天線單元的反饋調節，精準調節微波網絡內的天線單元幅度、相位以及波束方向等，產生方向圖零點，從而消除各類干擾的影響。空時自適應濾波技術在每一個天線陣元通道前段增加一路時域濾波器，對信號進行進一步濾波處理。STAP通過天線陣列與時域延時，結合干擾信號的空間和能量特性，精準調節空域干擾來向零陷，實現快速消除、抑制各類干擾信號，有效應對了復雜電磁環境的影響。另外，STAP濾波系統采用模塊化設計，體積小，擴展兼容性強[3-6]。

1.5 航空時鐘多周期同步技術

為確保航空系統信息傳輸的實時性，航空時鐘采用周期頻率測量技術，通過測量周期信號方法對低頻信號進行信號周期測量，并換算成頻率。時鐘同步檢測采用周期性總線布置模式，周期同步測量技術主要包括量程切換電路、比較器、嵌入計時器、頻率測量單元以及DSP控制器等，測量時先設定閘門（總線計時器）時間，隨后同步控制航電，持續對總線計時器數值和被測計時器數值進行同步誤差比較，極大提高了計數時鐘頻率精準度，進一步減小了誤差影響。

航空通信系統通電后，自動啟動計數器進行計數。多周期同步測量單元對總線預定時間閘門進行修正，系統時間修正后，采用精確門控制計數器，并對標準時鐘信號（頻標）進行計數，從而得到實際閘門時間，實現了整個航電通信系統的時鐘同步。航空通信多周期同步頻率測量與原理如圖3所示。

圖3 航電通信多周期同步頻率測量原理

圖3中，被測計時器信號和總線預置閘門（總線計時器）對航電通信時鐘電路的閘門開啟和關閉時間進行精準控制，一旦時鐘信號啟動后，被測計時器信號處于上升沿時段時，系統電路會打開精確閘門，計數器1和計數器2同時對被測信號和標準時鐘信號（頻標）進行計數。被測計時器信號一旦處于下一個上升沿時，電路關閉精確門閘，計數器就會停止計數。系統電路如果出現故障，系統會對故障子系統電路進行下網處理，并周期性進行故障查詢，建立故障檔案，總線控制器進行實時記錄。系統正常運行時，系統進行有效標識[7-10]。

2 結 論

隨著技術不斷創新發展，航空通信系統已經較為先進，可實現高清晰度語音通話、高分辨且快速的圖像傳遞以及各類航空運行數據多媒體信息的處理。另外，航空通信系統抗干擾能力強，自適應性能好，但是由于系統較為復雜，飛行環境多變，為了確保飛機飛行安全，在今后航空通信電路設計時，應系統考慮各子系統的兼容性，進一步優化設計流程，切實提升系統質量。