地基增強(qiáng)系統(tǒng)中VDB 接收電臺子系統(tǒng)的設(shè)計

王怡翔 谷 力 李 斌

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所 陜西 西安 710068；2.北京環(huán)球信息應(yīng)用開發(fā)中心 中國 北京 100000）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，航班量猛增。 近10 年增長率平均為17%，預(yù)計2020 年將新增2400 架飛機(jī)。 目前我國民用機(jī)場主要以ILS(Instrument Landing System，ILS)系統(tǒng)為飛機(jī)進(jìn)近著陸手段， 但I(xiàn)LS 系統(tǒng)的一些先天弊端逐漸成為限制航班量增長的瓶頸。 近年隨著衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，地基增強(qiáng)系統(tǒng)已逐漸完善，目前可以達(dá)到CATI 進(jìn)近要求，大力發(fā)展地基增強(qiáng)系統(tǒng)已成為著陸技術(shù)的趨勢。 地基增強(qiáng)系統(tǒng)主要包括三部分，即：GPS 衛(wèi)星子系統(tǒng)、LAAS 地面子系統(tǒng)和機(jī)載子系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。 本文主要考慮的是LAAS 地面子系統(tǒng)與機(jī)載子系統(tǒng)之間廣播傳輸?shù)男盘枺脖环Q作甚高頻數(shù)據(jù)廣播。

圖1 地基增強(qiáng)系統(tǒng)

地基增強(qiáng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈子系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)鏈地面設(shè)備和數(shù)據(jù)鏈機(jī)載設(shè)備兩部分。 數(shù)據(jù)鏈地面設(shè)備主要是VDB 發(fā)射電臺，VDB 發(fā)射電臺接收地基增強(qiáng)系統(tǒng)綜合處理的數(shù)據(jù)， 將數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼、調(diào)制，通過VDB 發(fā)射天線進(jìn)行廣播。 數(shù)據(jù)鏈機(jī)載設(shè)備主要是VDB 接收電臺，VDB 接收電臺通過機(jī)載VDB天線接收地面廣播的VDB 信號， 在VDB 接收電臺對接收到的VDB 信號進(jìn)行解調(diào)、解碼，并對解碼后的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性驗證，將驗證正確的數(shù)據(jù)傳輸給機(jī)載設(shè)備。

2 VDB 數(shù)據(jù)鏈技術(shù)原理

甚高頻數(shù)據(jù)鏈（VHF Data Link，VDL）通信是航空電信網(wǎng)（Aeronautical Telecommunication Network，ATN） 空地通信子網(wǎng)的主要實現(xiàn)方式，系統(tǒng)工作在108.000MHz～117.950MHz 范圍內(nèi)， 以25.0kHz 為間隔的載波頻帶上。 采用的調(diào)制方式為D8PSK（Differential Eight-Phase Shift Keying, D8PSK）。D8PSK將二進(jìn)制數(shù)據(jù)組合成為字符，每個字符由3 個連續(xù)的二進(jìn)制位組成。目前寫入《國際民用航空公約》的VDL 通信方案有四種， 分別是VDL Mode1、VDL Mode2、VDL Mode3 和VDL Mode4，VDL Mode1 的介質(zhì)訪問使用的是載波偵聽多路訪問(Carry Sense Multiple Access，CSMA)方式，數(shù)據(jù)的傳輸速率是2.4kbps，對于VDL Mode1 只提出了概念，國際上沒有實質(zhì)性的研究和開發(fā)。 VDL Mode2 也使用的是CSMA 介質(zhì)訪問方式，數(shù)據(jù)的傳輸速率是31.5kbps。 VDL Mode3 使用的是時分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）的介質(zhì)訪問方式，數(shù)據(jù)的傳輸速率是31.5kbps。 VDL Mode4 使用的是自組織時分多址 （Self -Organizing Time Division Multiple Access,STDMA）方式，數(shù)據(jù)傳輸速率是19.2kbps。

VDL 主要由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和子網(wǎng)層組成，基本構(gòu)成如圖2 所示。

圖2 VDL 協(xié)議結(jié)構(gòu)

其中數(shù)據(jù)鏈路層由介質(zhì)訪問控制（Media Access Control,MAC）子層、數(shù)據(jù)鏈路服務(wù)（Data Link Service, DLS）子層和甚高頻管理實體（VHF Management Entity,VME）子層組成。VME子層負(fù)責(zé)為飛機(jī)和地面的收發(fā)信息建立和保持連接。 DLS 子層提供鏈路間傳送數(shù)據(jù)包的方法。MAC 子層決定何時數(shù)據(jù)包可以在介質(zhì)中傳輸。

VDL Mode 2 的數(shù)據(jù)傳輸速率是31.5kbps 使用差分8 相相位鍵控（Differential 8 Phase Shift Keying, D8PSK）的調(diào)制方式。 MAC 子層利用的是非適應(yīng)性的CSMA 算法。 VDL Mode 2 的DLS 提供面向連接的點到點服務(wù)和無連接的廣播服務(wù)。VDL Mode 3 的數(shù)據(jù)傳輸率和調(diào)制方式與VDL Mode 2 相同，使用的是TDMA 的介質(zhì)訪問方式。 VDL Mode 3 可以提供7種時隙配置方式。 VDL Mode 4 的數(shù)據(jù)傳輸率為19.2kbps，使用帶高斯濾波的頻移鍵控 （Gaussian filtered Frequency Shift Keying, GFSK） 調(diào)制方式。 介質(zhì)訪問方式是STDMA。 VDL Mode 3 是美國聯(lián)邦航空局（FAA）提出的下一代甚高頻地空數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)方案。 在GNSS 地基增強(qiáng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈子系統(tǒng)中采用VDL Mode 3 進(jìn)行設(shè)計。

3 VDB 接收電臺系統(tǒng)組成及總體設(shè)計

VDB 接收電臺主要包括射頻模塊、處理模塊、電源模塊、數(shù)據(jù)接口、維護(hù)/控制接口、數(shù)據(jù)測試接口、射頻測試接口等，如圖3 所示。射頻模塊用來接收VDB 射頻信號。 處理模塊用來對射頻模塊采樣得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼。電源模塊提供VDB發(fā)射電臺內(nèi)部板卡需要提供的各種電源。 數(shù)據(jù)接口主要用于與機(jī)載設(shè)備進(jìn)行通信， 輸出VDB 接收電臺接收到的地面廣播數(shù)據(jù)。維護(hù)/控制接口主要用于VDB 接收電臺的本地維護(hù)、遠(yuǎn)程維護(hù)/控制和監(jiān)視。 數(shù)據(jù)測試接口主要用于測試VDB 發(fā)射電臺對數(shù)據(jù)的處理情況。 射頻測試接口用來測試VDB 接收電臺的射頻模塊功能。

圖3 VDB 接收電臺

3.1 VDB 接收電臺數(shù)據(jù)處理模塊的設(shè)計

處理模塊主要由譯碼單元、處理單元、自檢單元和接口控制單元組成， 如圖4 所示。 譯碼單元主要由FPGA（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA） 實現(xiàn)。 FPGA 接收來自A/D的采樣信號，完成脈沖生成、幅度相關(guān)、前導(dǎo)頭檢測，解交織譯碼，得到經(jīng)過糾錯處理的有效S 模式DF 格式報文，并且通過高速數(shù)據(jù)總線送到處理單元。 在處理單元控制下，譯碼單元產(chǎn)生相應(yīng)的環(huán)路自檢編碼信號，經(jīng)過接收機(jī)調(diào)制，耦合，形成一個閉合回路，實現(xiàn)整機(jī)環(huán)路自檢。

自檢單元主要實時對電臺的工作情況進(jìn)行檢測，并將收集到的信息送給處理單元。

接口控制單元完成電臺的本地維護(hù)和遠(yuǎn)程監(jiān)視/控制。

圖4 接收電臺數(shù)據(jù)處理模塊

3.2 VDB 接收電臺射頻模塊的設(shè)計

射頻模塊主要完成的功能是將地面VDB 發(fā)射電臺廣播的VDB 射頻信號進(jìn)行頻率變換， 并將基帶信號的幅度采樣信號和同步時鐘送到處理模塊供后續(xù)處理，同時將基帶射頻信號送到檢測口供檢測。 射頻模塊主要由限幅器、濾波器、高增益放大器、本振、混頻、中頻帶通濾波、自檢信號發(fā)生器、天線自檢電路等部分組成，如圖5 所示。

圖5 VDB 接收電臺射頻模塊組成

天線接收的信號經(jīng)過耦合器送到接收機(jī)，首先通過隔離器和限幅器，送入信號放大器放大。 限幅器起保護(hù)低噪聲放大器的作用，隔離器的作用是隔離限幅器的反射。 放大后的信號進(jìn)入濾波器濾除雜波。 經(jīng)過濾波后的高頻信號經(jīng)過射頻衰減器后與本振信號混頻、濾波，得到中頻信號。 中頻信號經(jīng)過放大濾波處理后，放大后送入數(shù)字處理部分。 最終將基帶信號A/D 采樣數(shù)據(jù)送入處理模塊。

3.3 VDB 接收電臺電源模塊的設(shè)計

電源模塊用來向VDB 接收電臺中的各個模塊提供所需電壓。使用兩種方式的電源作為輸入，一種是24V 直流電源，一種是220V 交流電源。 輸入的24V 直流電源通過DC/DC 變換得到內(nèi)部各個模塊需要的電壓。 輸入的220V 交流電源先進(jìn)行整流濾波，再進(jìn)行DC/DC 變換，得到24V 直流電壓，然后再經(jīng)過DC/DC 變換，得到內(nèi)的各個模塊需要的電壓。

3.4 VDB 接收電臺各接口的設(shè)計

根據(jù)地基增強(qiáng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈子系統(tǒng)VDB 接收電臺的功能要求，VDB 接收電臺需要包括射頻測試接口、數(shù)據(jù)接口、數(shù)據(jù)測試接口、維護(hù)/控制接口。

VDB 接收電臺的射頻測試接口從射頻模塊后端引出，主要用于對VDB 接收電臺的射頻模塊工作狀態(tài)進(jìn)行檢測。

VDB 接收電臺數(shù)據(jù)接口采用RS485 異步傳輸通信接口，用來實現(xiàn)VDB 接收電臺和機(jī)載設(shè)備之間的通信。 數(shù)據(jù)接口的波特率設(shè)計為可設(shè)置， 可設(shè)置的波特率為9600、19200、38400、57600、115200。 具體數(shù)據(jù)格式為DO-246D 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的格式。

VDB 接收電臺數(shù)據(jù)測試接口直接從處理模塊后端接出，用以檢測處理模塊解算出的數(shù)據(jù)是否正確。

VDB 接收電臺遠(yuǎn)程維護(hù)/控制接口用來維護(hù)和控制電臺， 該接口采用RS485 串口， 串口的波特率設(shè)置范圍為1200-19200。

4 結(jié)束語

地基增強(qiáng)系統(tǒng)作為一種新興的進(jìn)近著陸技術(shù)已逐漸成為著陸技術(shù)的主導(dǎo)，對未來空中交通管制的發(fā)展產(chǎn)生著重大的影響。 中國發(fā)展和實施地基增強(qiáng)系統(tǒng)已經(jīng)勢在必行，并已經(jīng)有計劃地開展了一系列的研究與建設(shè)。VDB 接收電臺是地基增強(qiáng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈的重要組成部分，是機(jī)載設(shè)備接收地面站數(shù)據(jù)的根本。 本文以設(shè)計一個面向地基增強(qiáng)系統(tǒng)的VDB 接收電臺為目標(biāo)，從系統(tǒng)硬件方面著手，初步闡述了地基增強(qiáng)系統(tǒng)中VDB 接收電臺的理論實現(xiàn)方法， 為地基增強(qiáng)系統(tǒng)的建設(shè)提供了有力的支持。

［1］REED J H.軟件無線電-無線電工程的現(xiàn)代方法[M].陳強(qiáng)，譯.北京：人民郵電出版社，2004.

［2］張敬堂.現(xiàn)代通信技術(shù)[M].2 版.北京：國防工業(yè)出版社，2008.

［3］Annabel Z.Dodd.通信技術(shù)導(dǎo)論[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.