航空電子通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)研究

毛 鵬

（大連機(jī)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(guān)心的問題。隨著高速計算機(jī)軟硬件技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)、我國自主導(dǎo)航技術(shù)、5G移動通信技術(shù)、云計算及海量數(shù)據(jù)處理分析技術(shù)、微電子技術(shù)等高端電子通信技術(shù)的應(yīng)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(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)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(yùn)行數(shù)據(jù)多媒體信息的處理等，確保了航空網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)高效、安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

1 航空電子通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

1.1 通信核心網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

在傳統(tǒng)航空通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分層架構(gòu)基礎(chǔ)上，充分利用5G移動通信的優(yōu)勢。目前，航空通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系逐步采用虛擬化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并根據(jù)不同網(wǎng)絡(luò)層次的需求，將應(yīng)用層、數(shù)據(jù)鏈路層、驅(qū)動層以及物理層進(jìn)行虛擬化封裝，實(shí)現(xiàn)了信息的本地分流。同時導(dǎo)航信息的精準(zhǔn)定位滿足了語音、視頻、AR等數(shù)據(jù)的無線緩存和實(shí)時處理轉(zhuǎn)發(fā)。5G超密集組網(wǎng)采用微基站模式，對熱點(diǎn)容量進(jìn)行有效補(bǔ)充，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)充分利用MIMO天線矩陣和高頻通信等技術(shù)，大大提高了航空無線通信信道的吞吐量，并且利用MEC技術(shù)實(shí)現(xiàn)了各類飛機(jī)（終端基站）與地面通信控制塔臺（宏基站）飛行數(shù)據(jù)資源的協(xié)調(diào)和緩存等管理控制。

針對我國各類航空業(yè)務(wù)的繁忙狀態(tài)，綜合考慮各機(jī)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(jī)實(shí)時位置等飛行調(diào)度信息，采用5G超密集網(wǎng)絡(luò)極大地提高了航空通信網(wǎng)絡(luò)的吞吐效率和系統(tǒng)容量，實(shí)現(xiàn)了各航空機(jī)場塔臺（宏基站）與各飛行器的共同組網(wǎng)。圖1為5G超密集網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)技術(shù)原理。

圖1 超密集通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)原理

另外，現(xiàn)代航空通信編碼采用新型蜂窩控制技術(shù)中的D2D通信編碼策略，可實(shí)現(xiàn)各飛行器與機(jī)場塔臺的無線自組織網(wǎng)絡(luò)。能夠高效重復(fù)利用現(xiàn)有第四代移動蜂窩通信系統(tǒng)的頻譜資源實(shí)現(xiàn)短距離直接通信。D2D通信編碼策略吞吐量較高、發(fā)射功率較低、瞬時數(shù)據(jù)傳輸速率較高，頻譜效率優(yōu)于傳統(tǒng)移動通信網(wǎng)絡(luò)，適用于密集化程度較高的Small Cell飛行航行數(shù)據(jù)的調(diào)度部署，有效提升了SeNB、MeNB等數(shù)據(jù)的緩存能力。此外，D2D通信采用分布式分層云服務(wù)架構(gòu)，適用民用、軍用以及貨運(yùn)等不同類型飛機(jī)[1]。

1.2 北斗導(dǎo)航通信技術(shù)

我國航空器現(xiàn)應(yīng)用的導(dǎo)航系統(tǒng)已基本上使用我國自主研發(fā)的北斗導(dǎo)航通信系統(tǒng)。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)采用通用無線分組業(yè)務(wù)，支持TCP/IP協(xié)議，實(shí)現(xiàn)與各機(jī)場塔臺的Internet網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。機(jī)載通用無線分組業(yè)務(wù)模塊利用各機(jī)場塔臺（移動通信基站）Gb接口可實(shí)現(xiàn)SGSN服務(wù)，導(dǎo)航系統(tǒng)通過GPRS主干網(wǎng)與網(wǎng)關(guān)GPRS連接，支持節(jié)點(diǎn)（Gateway GPRS Support Node，GGSN）再通過網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)與機(jī)場塔臺的Internet數(shù)據(jù)的信息交換，實(shí)現(xiàn)了高速數(shù)據(jù)傳輸以及視頻和語音通信等功能，確保各類飛行數(shù)據(jù)能夠有效傳輸和管理。利用現(xiàn)代計算機(jī)圖形和數(shù)據(jù)庫技術(shù)來處理地理空間及其相關(guān)數(shù)據(jù)，通過地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）提取飛機(jī)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(jìn)入計算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化分析、處理、存儲、顯示等。實(shí)現(xiàn)了各種數(shù)據(jù)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(jìn)行輸出顯示或存儲。GIS采用Windows API函數(shù)串口或MSComm控件實(shí)現(xiàn)通信[2]。

各機(jī)場的北斗導(dǎo)航衛(wèi)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?shù)诫娮桉詈掀鳎龠M(jìn)行一級LNA信號放大。放大處理后的信號傳輸?shù)浇邮諜C(jī)內(nèi)的低噪放大電路和選擇電路進(jìn)行降噪及有用信息的選取，然后再經(jīng)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(jī)機(jī)載北斗導(dǎo)航衛(wèi)星原理如圖2所示。

圖2 飛機(jī)機(jī)載北斗導(dǎo)航接收機(jī)原理

航空器北斗導(dǎo)航通信系統(tǒng)通過RF信號獲得衛(wèi)星導(dǎo)航及飛行信息，為避免干擾，一般采用下變頻架構(gòu)設(shè)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(dá)安全監(jiān)視技術(shù)

通過應(yīng)用雷達(dá)監(jiān)視技術(shù)可有效監(jiān)視航空器的飛行信息、飛行狀態(tài)以及機(jī)場安全等，確保飛機(jī)及機(jī)場的運(yùn)行安全。航空雷達(dá)系統(tǒng)主要包括一次和二次雷達(dá)系統(tǒng)。一次雷達(dá)系統(tǒng)主要利用機(jī)場雷達(dá)天線向外發(fā)射一定頻率的信號，對雷達(dá)掃描空域內(nèi)的各類飛行器等目標(biāo)進(jìn)行信號反射。反射波信號一旦被雷達(dá)捕捉，雷達(dá)系統(tǒng)會自動鎖定并進(jìn)行跟蹤，從而實(shí)現(xiàn)對各飛行器等目標(biāo)的捕捉、跟蹤、監(jiān)視以及定位。一次雷達(dá)系統(tǒng)通常被定義為完全獨(dú)立、非合作的一種監(jiān)視手段。二次雷達(dá)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(jī)載接收機(jī)實(shí)施信號問詢。飛機(jī)機(jī)載接收機(jī)一旦接收到問詢信號后，嚴(yán)格按照應(yīng)答機(jī)制進(jìn)行及時答復(fù)、尋址、信號定位、雙向鏈路建立等信息反饋。航空雷達(dá)系統(tǒng)通常與ADS-B技術(shù)和防撞技術(shù)進(jìn)行相互補(bǔ)充，確保飛行安全。

S模式雷達(dá)有效解決了A/C模式二次雷達(dá)識別碼（A碼）應(yīng)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(dá)在信號接收和應(yīng)答方面，誤碼率極低，主要采用單獨(dú)的信號調(diào)制及解碼模式。其通信信息的交互主要采用雙向數(shù)據(jù)鏈信息交互，可有效識別、讀取每個航空器的SSR應(yīng)答代碼、注冊識別碼、航班序列號、航跡信息關(guān)聯(lián)、飛行速度、磁航方向、轉(zhuǎn)彎角、飛行器機(jī)型以及“FSSA”告警等數(shù)據(jù)信息，極大提高了雷達(dá)分辨率。

1.4 空時自適應(yīng)濾波技術(shù)

由于航空飛行的運(yùn)行環(huán)境較為復(fù)雜，各類電磁干擾現(xiàn)象極為嚴(yán)重，因此航空通信電子設(shè)備多采用空時自適應(yīng)濾波技術(shù)(Space-Time Adaptive Processing，STAP)。STAP采用多個陣元組成天線矩陣，其濾波系統(tǒng)的處理器通過網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對天線單元的反饋調(diào)節(jié)，精準(zhǔn)調(diào)節(jié)微波網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的天線單元幅度、相位以及波束方向等，產(chǎn)生方向圖零點(diǎn)，從而消除各類干擾的影響。空時自適應(yīng)濾波技術(shù)在每一個天線陣元通道前段增加一路時域?yàn)V波器，對信號進(jìn)行進(jìn)一步濾波處理。STAP通過天線陣列與時域延時，結(jié)合干擾信號的空間和能量特性，精準(zhǔn)調(diào)節(jié)空域干擾來向零陷，實(shí)現(xiàn)快速消除、抑制各類干擾信號，有效應(yīng)對了復(fù)雜電磁環(huán)境的影響。另外，STAP濾波系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，體積小，擴(kuò)展兼容性強(qiáng)[3-6]。

1.5 航空時鐘多周期同步技術(shù)

為確保航空系統(tǒng)信息傳輸?shù)膶?shí)時性，航空時鐘采用周期頻率測量技術(shù)，通過測量周期信號方法對低頻信號進(jìn)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(shù)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(shè)定閘門（總線計時器）時間，隨后同步控制航電，持續(xù)對總線計時器數(shù)值和被測計時器數(shù)值進(jìn)行同步誤差比較，極大提高了計數(shù)時鐘頻率精準(zhǔn)度，進(jìn)一步減小了誤差影響。

航空通信系統(tǒng)通電后，自動啟動計數(shù)器進(jìn)行計數(shù)。多周期同步測量單元對總線預(yù)定時間閘門進(jìn)行修正，系統(tǒng)時間修正后，采用精確門控制計數(shù)器，并對標(biāo)準(zhǔn)時鐘信號（頻標(biāo)）進(jìn)行計數(shù)，從而得到實(shí)際閘門時間，實(shí)現(xiàn)了整個航電通信系統(tǒng)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(yù)置閘門（總線計時器）對航電通信時鐘電路的閘門開啟和關(guān)閉時間進(jìn)行精準(zhǔn)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(tǒng)電路會打開精確閘門，計數(shù)器1和計數(shù)器2同時對被測信號和標(biāo)準(zhǔn)時鐘信號（頻標(biāo)）進(jìn)行計數(shù)。被測計時器信號一旦處于下一個上升沿時，電路關(guān)閉精確門閘，計數(shù)器就會停止計數(shù)。系統(tǒng)電路如果出現(xiàn)故障，系統(tǒng)會對故障子系統(tǒng)電路進(jìn)行下網(wǎng)處理，并周期性進(jìn)行故障查詢，建立故障檔案，總線控制器進(jìn)行實(shí)時記錄。系統(tǒng)正常運(yùn)行時，系統(tǒng)進(jìn)行有效標(biāo)識[7-10]。

2 結(jié) 論

隨著技術(shù)不斷創(chuàng)新發(fā)展，航空通信系統(tǒng)已經(jīng)較為先進(jìn)，可實(shí)現(xiàn)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(yùn)行數(shù)據(jù)多媒體信息的處理。另外，航空通信系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，自適應(yīng)性能好，但是由于系統(tǒng)較為復(fù)雜，飛行環(huán)境多變，為了確保飛機(jī)飛行安全，在今后航空通信電路設(shè)計時，應(yīng)系統(tǒng)考慮各子系統(tǒng)的兼容性，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計流程，切實(shí)提升系統(tǒng)質(zhì)量。