基于1090ES的機載ADS-B設備總體設計

何 進

(中國西南電子技術研究所,成都 610036)

1 引 言

廣播式自動相關監視(ADS-B)是國際民航組織(ICAO)推廣的集通信、衛星導航和監視技術于一體的新一代技術,也是基于飛機監視技術的應用系統,是新一代空中交通管理系統的重要組成部分。ADS-B信息以ADS-B報文形式,通過空-空、空-地和地-地數據鏈廣播式傳播。當前,世界各國主要采用的數據鏈有1090MHz S模式擴展電文數據鏈(1090ES)、通用訪問電臺數據鏈(UAT)和甚高頻數據鏈模式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地空數據鏈。

目前,國內有關ADS-B綜述[1-3]和S模式應答機[4,5]應用介紹的資料較多,但對1090ES體系架構、設備實現介紹甚少。民航飛機實現ADS-B IN功能常采用TCAS系統,ADS-B OUT功能采用S模式應答機,而能完整實現兩個功能的獨立設備很少,且這些設備基本上都被國際大公司壟斷。本文根據國際民航組織附件10(2007版)航空通信第4部分[6]對1090ESADS-B機載A3類設備的具體要求,提出了一種基于1090ES一次變頻的超外差中頻數字化ADS-B設備總體設計方案。

2 系統組成及信號格式

2.1 系統組成

1090ES ADS-B系統[6]主要由外部的輸入數據源、1090ES ADS-B OUT數據發射子系統[7]、1090ES ADS-B IN數據接收子系統及輸出數據客戶應用4部分組成,如圖1所示。數據發射子系統可將本機的位置、速度、高度、呼號等信息自動廣播出去,數據接收子系統可接收并在綜合監控上顯示來自其它飛機、地面目標的位置、速度、高度、呼號等信息,從而對周邊空域的交通狀況有全面、詳細的了解,實現飛機間的空空監視或對地面目標的空地監視。

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

2.2 信號格式

1090ES信號格式與S模式應答機發射信號格式[5-7]類同,其脈位調制信號由前同步脈沖和數據脈沖組成,如圖2所示。前同步脈沖由起始的8 μ s內兩組0.5 μ s寬的脈沖對組成。數據脈沖是脈位調制的,其脈位位置隨調制信息的二進制數而變化,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內有脈沖時,邏輯電平為 1;每位的后半周0.5 μ s內有脈沖時,邏輯電平為 0。

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

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

3 詳細設計

3.1 設備組成及工作原理

機載1090ES ADS-B設備完成1090ES ADS-B IN接收子系統和1090ES ADS-B OUT發射子系統的功能,由上下天線、收發分機、終端分機3部分組成,如圖4所示。

圖4 設備組成框圖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1090ES ADS-B OUT發射子系統的信息,收發分機對接收信號進行限幅、濾波、放大、混頻,送出中頻70MHz信號,終端分機對70MHz中頻信號進行解調、信號提取、分類、打包、組幀、裝配后,通過對外接口送綜合顯控顯示。

(2)發射工作原理

終端分機將來自導航、綜合顯控等系統的導航信息(位置、速率、高度、時間等)、自身狀態信息及其它信息等進行格式轉換、壓縮編碼等處理后,組裝成適合于1090ES信號格式傳輸的112 bit ADS-B報文,存入內部寄存器,按照規定時間分時選擇上、下天線,并隨機產生發射觸發信號,在觸發時刻將組裝好的信息進行70MHz中頻調制、濾波后送收發分機混頻、濾波、放大后,通過全向天線輻射到空間。

3.2 天線設計

由于機載設備的特殊性,為避免接收數據的盲區,采用機腹機背兩個全向天線,實現無線電波信號的全空域接收。發射時,分時選擇上、下天線,也實現了發射信號的全空域輻射。該天線方向圖特性為水平面全向360°,俯仰面波束寬度優于60°。

3.3 收發分機設計

收發分機由電源模塊、天線接口模塊、接收模塊、發射模塊、頻率源模塊和自檢模塊組成,如圖5所示。發射時,終端模塊先對天線選擇開關進行控制,選擇所需天線,然后將發射開門信號和70MHz中頻信號送發射模塊,發射模塊混頻放大經天線選擇開關、環形器、濾波器送天線將無線電波輻射到空間。接收時,天線將空間中的電磁波信號轉變為電信號,經濾波器、環形器送接收模塊放大、濾波、混頻送出兩路中頻70MHz信號給終端分機。頻率源模塊將1020MHz本振信號功分3路,放大濾波隔離后送接收、發射模塊混頻使用。自檢模塊將發射時天線駐波和發射功率檢測信號放大檢波比較后送出TTL電平自檢信號,以供自檢使用。電源模塊、接收模塊和發射模塊在下面詳細介紹。

圖5 收發分機組成框圖Fig.5 Composition diagram of T/R module

電源模塊將機上提供的輸入直流電源首先經過電磁兼容濾波、極性反接、欠壓過壓和短路保護,對瞬時尖峰浪涌脈沖處理后,送5路DC/DC模塊進行電源轉換、濾波后,輸出模擬 +35 V、+48 V、±12 V、+5 V和數字+5 V共6組電壓,并送出電源轉換狀態標志,以供自檢使用。模擬+35 V、+48V供發射模塊功放電路使用,模擬±12 V供發射、接收模塊使用,模擬+5 V供收發分機和終端分機使用,數字+5V僅終端分機使用。每路DC/DC模塊都具有輸入輸出隔離、過流、過熱保護功能。

接收采用分集接收方式,由兩路完全相同的接收模塊組成,同時接收上、下天線的信號。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經大信號限幅、收發開關后,送低噪放放大,進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,經低通濾波,濾除中頻高次諧波及本振信號的干擾,再經中頻放大、對數放大及中頻濾波后送終端處理,同時該信號經定向耦合器耦合出一路信號,經放大、檢波、比較送出自檢信號。

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

發射模塊原理框圖如圖7所示,工作原理為終端送來的70MHz中頻信號經放大濾波后,與1020MHz本振信號混頻送出1090MHz信號放大濾波,經功放保護電路后送給40W脈沖小功放模塊,經隔離送200 W脈沖功放,再隔離送900 W脈沖大功放,后低通濾波經隔離器輸出,最大功率可達到28.5dBW。功放保護電路內含檢波電路、單刀單擲開關、脈寬比較器、計數器電路,通過對脈寬、占空比、開路和短路的多重保護,避免了功放的燒毀,提高了發射模塊的可靠性和生產性。

圖7 發射模塊原理框圖Fig.7 Schematic diagram of transmitter module

3.4 終端分機設計

終端分機由兩路高速AD采樣、DDS調制、FPGA、DSP及接口電路組成,實現接收70MHz中頻信號處理、發射編碼及70MHz中頻信號調制、對收發分機控制、設備自檢和外部設備如綜合顯控、導航系統的接口通信等功能,原理框圖如圖8所示。

圖8 終端分機原理框圖Fig.8 Schematic diagram of terminal module

接收工作原理:同時接收兩路中頻70MHz信號,進行AD采樣,在FPGA中對兩路采樣數據數字濾波,去直流電平,進行數字正交解調,實現對模擬ASK調制信號的二進制數據轉換,再通過自適應門限處理、窄脈沖剔除和脈沖鑒寬處理,去除外部環境和內部噪聲引起的毛刺及干擾。根據信號格式進行脈沖時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,再對數據脈沖進行處理,提取112 bit的數據信息,并根據數據格式提取各字段的值。先來一路信號處理完畢,查詢另一路是否正在處理,若是,等待另一路處理完畢,并進行相關處理。最后,DSP將處理出來的信息轉換、組裝、打包,按規定的協議通過對外接口送相關設備。

發射工作原理:將來自導航、綜合顯控等系統的導航數據、自身狀態信息及其它信息等根據該時段發送信息的要求,提取相應信息,進行格式轉換、壓縮編碼、重新封裝等一系列處理后,組裝成適合于DF17格式傳輸的112 bit ADS-B報文,存入內部寄存器,按照規定時間分時選擇上、下天線,并隨機產生發射觸發信號(如位置、速率信息平均每秒發送兩次,上、下天線交替發送,廣播周期為0.5±0.1 s,而不是一個固定值,以降低信號混疊的概率),在發射時刻將組裝好的信息送DDS調制成70MHz中頻載波信號,再濾波送收發分機。

3.5 機內測試電路設計

機內測試電路結合各個分機一并設計,充分利用該設備收發頻率相同的特點,合理選取各電路的參數,實現設備內部整個收發鏈路動態自檢。當設備發射時,收發分機產生天線駐波及發射功率自檢信號送終端分機;同時,發射載波信號經環形器泄漏一部分到接收模塊,經限幅器、收發開關,到低噪放前信號功率約為-50dBm,接收模塊產生本身自檢信號,并將中頻70MHz信號送終端處理,終端對發射同步頭信號進行譯碼。若正確,則整個收發鏈路功能都正常。終端把譯碼結果標志、接收模塊自檢信號、發射駐波及功率自檢信號、電源模塊自檢信號綜合處理后,控制面板自檢指示燈顯示。若本次自檢結果與上次不同,則通過對外接口將結果送相關設備。

4 關鍵技術參數計算

4.1 接收支路鏈路指標計算

根據接收支路主要部件噪聲系數、增益分配數據,利用噪聲系數級聯計算公式,可計算出接收支路總的噪聲系數NF=5.03dB,接收信號帶寬 BW=8MHz,信號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機載A3類設備天線口接收靈敏度要求為-84dBm。本設計中,天線增益為0dB,饋線損耗約2dB,則天線口接收機靈敏度理論值為-85.94dBm,約有2dB余量。

4.2 發射支路鏈路指標計算

發射支路主要節點脈沖功率如表1所示。

表1 發射支路主要節點脈沖功率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]對機載A3類設備天線口面輻射功率23～27dBW的要求。

5 主要技術特征

5.1 大功率固態功放及保護電路設計

采用全固態功放合成方案,通過電路仿真和微波CAD輔助設計,選擇最佳級間匹配電路和偏置電路,以保證優異的高頻特性,功放合成效率高,發射功率穩定,輸出波形頻譜特性好。通過精心設計脈寬保護、占空比保護等保護電路,保證了發射機在各種條件下安全可靠地工作,生產調試方便,大大提高了設備的可靠性。

5.2 大動態范圍高靈敏度雙路接收機設計

雙路分集接收避免了載機在各種飛行姿態下接收數據的丟失,實現了對全空域數據接收。同時,采用了低噪聲系數、大動態范圍的低噪放和一次變頻超外差接收機方案,接收靈敏度高,并在末級采用了高精度的對數放大器,既壓縮了接收機信號輸出動態范圍,保留了輸入信號的幅度信息,降低了對AD器件動態范圍的要求,又提高了設備對終端電路的保護能力。

5.3 中頻數字調制解調及信號處理設計

采用了70MHz中頻數字調制和70MHz中頻信號處理技術,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計,提高了設備的可靠性,利于實現設備小型化和低功耗。采用數字化正交解調一類信號處理方法和自適應門限、雙路信號處理、脈沖幅度信息多次判決比對等信號處理技術,進一步提高了設備的抗干擾能力和解碼能力[10]。

5.4 機內測試電路設計

設備內部各個模塊設計了相應的自檢信號,充分利用設備內部收發頻率相同、定時主動發射信號的特點,合理選擇各項參數,在發射的同時通過泄漏信號實現內部電路動態自檢,實現了設備從射頻、中頻到基帶信號處理整條收發鏈路的功能檢查,并將故障隔離到模塊,有利于檢測與維修。

6 結 語

ADS-B技術的應用是新航行系統的一個重要組成部分,1090ES是ICAO推薦使用的實現ADS-B功能的地空數據鏈。本文提出了一種實現該設備的總體方案,并在工程中得以應用。實驗設備表明,采用該方案的設備具有架構先進、結構緊湊、可靠性高和維護方便等特點,主要技術指標滿足ICAO附件10的要求,這對從事ADS-B系列產品開發和應用的人員具有重要的參考意義。該設備通過外部配置或裁減電路,也可單獨作為1090ES接收設備或發射設備使用,滿足不同類型平臺的裝載需要,具有廣泛的適應性。

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