民用客機(jī)機(jī)場(chǎng)無(wú)線通信設(shè)備設(shè)計(jì)

朱恩亮，楊啟帆，馬曉晨，李文衡

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

0 引 言

傳統(tǒng)民用客機(jī)采用移動(dòng)存儲(chǔ)介質(zhì)進(jìn)行飛機(jī)與地面系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換，為了不影響客機(jī)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(shí)時(shí)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(jī)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(yùn)營(yíng)模式面臨著改變，可以利用機(jī)場(chǎng)無(wú)線通信設(shè)備實(shí)現(xiàn)飛機(jī)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(yùn)營(yíng)流程和降低運(yùn)營(yíng)成本的目的。

機(jī)場(chǎng)無(wú)線通信設(shè)備作為機(jī)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(shí)現(xiàn)客機(jī)與航空公司間數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸[6-8]。當(dāng)飛機(jī)著陸時(shí)，通過輪載和艙門信號(hào)判斷出飛機(jī)處于地面狀態(tài)后，機(jī)場(chǎng)無(wú)線通信設(shè)備開始與地面建立無(wú)線連接，隨后機(jī)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(shí)現(xiàn)飛機(jī)與航空公司間的數(shù)據(jù)交換。機(jī)場(chǎng)無(wú)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(jī)的過站時(shí)間，提高了航空公司運(yùn)營(yíng)效率。

1 架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)考慮

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，世界上大部分地區(qū)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)的覆蓋。設(shè)計(jì)中采用蜂窩網(wǎng)絡(luò)作為機(jī)場(chǎng)無(wú)線通信設(shè)備的通信方式可以滿足飛機(jī)運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景要求，并可有效降低對(duì)機(jī)場(chǎng)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(fèi)類電子產(chǎn)品，具有價(jià)格低和更新速度快等特點(diǎn)，因此在設(shè)計(jì)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(qiáng)設(shè)備功能模塊間的獨(dú)立性。當(dāng)蜂窩處理電路需要更新時(shí)，只需要更新射頻組件即可，可以降低設(shè)備整個(gè)生命周期成本。

1.2 CPU組件設(shè)計(jì)

CPU組件由電源變換電路、處理功能電路、存儲(chǔ)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(yùn)算資源。存儲(chǔ)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(chǔ)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(shí)時(shí)時(shí)鐘、非易失存儲(chǔ)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(jì)

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(xiǎn)，設(shè)計(jì)中采用成品蜂窩模塊SIM7100C來(lái)處理電路。為滿足傳輸帶寬要求，設(shè)計(jì)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(duì)其進(jìn)行復(fù)位等控制。

機(jī)場(chǎng)無(wú)線通信設(shè)備的天線安裝在飛機(jī)機(jī)頭附近的蒙皮上。設(shè)計(jì)中為減少天線數(shù)量，使用功分器來(lái)實(shí)現(xiàn)共用天線，可以將天線數(shù)量由4個(gè)減少為兩個(gè)，同時(shí)在功分器的前端增加高通濾波器來(lái)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(jì)

機(jī)載電子設(shè)備必須要滿足DO-160G對(duì)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(jì)中選用工業(yè)檔及以上級(jí)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(lái)保證符合要求。此外，設(shè)計(jì)中使用射頻電纜來(lái)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(jì)中需要使用構(gòu)件對(duì)蜂窩模塊進(jìn)行全屏蔽，以減少對(duì)外發(fā)射的射頻干擾。

閃電間接效應(yīng)通過在機(jī)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(lái)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(jī)設(shè)計(jì)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(duì)外接口上的瞬態(tài)閃電脈沖通過瞬態(tài)保護(hù)器件來(lái)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(lái)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(wú)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(jì)中使用腔體濾波器來(lái)對(duì)射頻信號(hào)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(duì)外射頻接口的目的。

3 蜂窩撥號(hào)設(shè)計(jì)

當(dāng)飛機(jī)著陸后，通過輪載和艙門信號(hào)判斷出飛機(jī)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(dòng)并將其USB接口虛擬出ttyUSB0～ttyUSB5串口。撥號(hào)軟件通過虛擬出的ttyUSB2串口，使用AT命令來(lái)查詢SIM卡號(hào)、網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度及網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)狀態(tài)等信息。如果上述3個(gè)狀態(tài)均滿足撥號(hào)要求，則使用PPPD call GPRS撥號(hào)命令進(jìn)行撥號(hào)連接[16]。GPRS是撥號(hào)文件，包含了撥號(hào)所用的串口號(hào)(ttyUSB3串口)、串口波特率、準(zhǔn)備接入的網(wǎng)絡(luò)類型以及撥號(hào)號(hào)碼等。如果撥號(hào)成功，則操作系統(tǒng)會(huì)生成相應(yīng)的PPP網(wǎng)絡(luò)接口，同時(shí)蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)商為其分配相應(yīng)的IP地址和DNS。撥號(hào)軟件將根據(jù)飛機(jī)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫枰O(shè)置相應(yīng)的路由信息來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的公網(wǎng)接入。

4 結(jié) 論

本文以某民用客機(jī)上的機(jī)場(chǎng)無(wú)線通信設(shè)備為例，重點(diǎn)討論了設(shè)備的設(shè)計(jì)考慮、內(nèi)部組件的架構(gòu)設(shè)計(jì)、環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)以及蜂窩撥號(hào)設(shè)計(jì)。實(shí)際測(cè)試證明該設(shè)備有效地提高了飛機(jī)與地面系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交換的實(shí)時(shí)性，減少了維護(hù)人員的工作量。