何 進

(中國西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

1 引 言

廣播式自動相關(guān)監(jiān)視(ADS-B)是國際民航組織(ICAO)推廣的集通信、衛(wèi)星導航和監(jiān)視技術(shù)于一體的新一代技術(shù),也是基于飛機監(jiān)視技術(shù)的應(yīng)用系統(tǒng),是新一代空中交通管理系統(tǒng)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(shù)據(jù)鏈廣播式傳播。當前,世界各國主要采用的數(shù)據(jù)鏈有1090MHz S模式擴展電文數(shù)據(jù)鏈(1090ES)、通用訪問電臺數(shù)據(jù)鏈(UAT)和甚高頻數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)鏈。

目前,國內(nèi)有關(guān)ADS-B綜述[1-3]和S模式應(yīng)答機[4,5]應(yīng)用介紹的資料較多,但對1090ES體系架構(gòu)、設(shè)備實現(xiàn)介紹甚少。民航飛機實現(xiàn)ADS-B IN功能常采用TCAS系統(tǒng),ADS-B OUT功能采用S模式應(yīng)答機,而能完整實現(xiàn)兩個功能的獨立設(shè)備很少,且這些設(shè)備基本上都被國際大公司壟斷。本文根據(jù)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(shè)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(shù)字化ADS-B設(shè)備總體設(shè)計方案。

2 系統(tǒng)組成及信號格式

2.1 系統(tǒng)組成

1090ES ADS-B系統(tǒng)[6]主要由外部的輸入數(shù)據(jù)源、1090ES ADS-B OUT數(shù)據(jù)發(fā)射子系統(tǒng)[7]、1090ES ADS-B IN數(shù)據(jù)接收子系統(tǒng)及輸出數(shù)據(jù)客戶應(yīng)用4部分組成,如圖1所示。數(shù)據(jù)發(fā)射子系統(tǒng)可將本機的位置、速度、高度、呼號等信息自動廣播出去,數(shù)據(jù)接收子系統(tǒng)可接收并在綜合監(jiān)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(xiàn)飛機間的空空監(jiān)視或?qū)Φ孛婺繕说目盏乇O(jiān)視。

圖1 1090ES ADS-B系統(tǒng)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(yīng)答機發(fā)射信號格式[5-7]類同,其脈位調(diào)制信號由前同步脈沖和數(shù)據(jù)脈沖組成,如圖2所示。前同步脈沖由起始的8 μ s內(nèi)兩組0.5 μ s寬的脈沖對組成。數(shù)據(jù)脈沖是脈位調(diào)制的,其脈位位置隨調(diào)制信息的二進制數(shù)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(nèi)有脈沖時,邏輯電平為 1;每位的后半周0.5 μ s內(nèi)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(wù)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(shù));第二字段是3 bit設(shè)備能力(CA),描述了該設(shè)備所具備的數(shù)據(jù)傳輸能力;第三字段是24 bit設(shè)備唯一地址碼(AA);第四字段為56 bit報文信息(ME),它為設(shè)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(wù)字段及位分配Fig.3 Task segment and bit layout of 1090ES DF17 format

3 詳細設(shè)計

3.1 設(shè)備組成及工作原理

機載1090ES ADS-B設(shè)備完成1090ES ADS-B IN接收子系統(tǒng)和1090ES ADS-B OUT發(fā)射子系統(tǒng)的功能,由上下天線、收發(fā)分機、終端分機3部分組成,如圖4所示。

圖4 設(shè)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(fā)射子系統(tǒng)的信息,收發(fā)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(diào)、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(fā)射工作原理

終端分機將來自導航、綜合顯控等系統(tǒng)的導航信息(位置、速率、高度、時間等)、自身狀態(tài)信息及其它信息等進行格式轉(zhuǎn)換、壓縮編碼等處理后,組裝成適合于1090ES信號格式傳輸?shù)?12 bit ADS-B報文,存入內(nèi)部寄存器,按照規(guī)定時間分時選擇上、下天線,并隨機產(chǎn)生發(fā)射觸發(fā)信號,在觸發(fā)時刻將組裝好的信息進行70MHz中頻調(diào)制、濾波后送收發(fā)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(shè)計

由于機載設(shè)備的特殊性,為避免接收數(shù)據(jù)的盲區(qū),采用機腹機背兩個全向天線,實現(xiàn)無線電波信號的全空域接收。發(fā)射時,分時選擇上、下天線,也實現(xiàn)了發(fā)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(yōu)于60°。

3.3 收發(fā)分機設(shè)計

收發(fā)分機由電源模塊、天線接口模塊、接收模塊、發(fā)射模塊、頻率源模塊和自檢模塊組成,如圖5所示。發(fā)射時,終端模塊先對天線選擇開關(guān)進行控制,選擇所需天線,然后將發(fā)射開門信號和70MHz中頻信號送發(fā)射模塊,發(fā)射模塊混頻放大經(jīng)天線選擇開關(guān)、環(huán)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(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?經(jīng)濾波器、環(huán)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(fā)射模塊混頻使用。自檢模塊將發(fā)射時天線駐波和發(fā)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(fā)射模塊在下面詳細介紹。

圖5 收發(fā)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(jīng)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(zhuǎn)換、濾波后,輸出模擬 +35 V、+48 V、±12 V、+5 V和數(shù)字+5 V共6組電壓,并送出電源轉(zhuǎn)換狀態(tài)標志,以供自檢使用。模擬+35 V、+48V供發(fā)射模塊功放電路使用,模擬±12 V供發(fā)射、接收模塊使用,模擬+5 V供收發(fā)分機和終端分機使用,數(shù)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(jīng)大信號限幅、收發(fā)開關(guān)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(jīng)低通濾波,濾除中頻高次諧波及本振信號的干擾,再經(jīng)中頻放大、對數(shù)放大及中頻濾波后送終端處理,同時該信號經(jīng)定向耦合器耦合出一路信號,經(jīng)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(fā)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(jīng)放大濾波后,與1020MHz本振信號混頻送出1090MHz信號放大濾波,經(jīng)功放保護電路后送給40W脈沖小功放模塊,經(jīng)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(jīng)隔離器輸出,最大功率可達到28.5dBW。功放保護電路內(nèi)含檢波電路、單刀單擲開關(guān)、脈寬比較器、計數(shù)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(fā)射模塊的可靠性和生產(chǎn)性。

圖7 發(fā)射模塊原理框圖Fig.7 Schematic diagram of transmitter module

3.4 終端分機設(shè)計

終端分機由兩路高速AD采樣、DDS調(diào)制、FPGA、DSP及接口電路組成,實現(xiàn)接收70MHz中頻信號處理、發(fā)射編碼及70MHz中頻信號調(diào)制、對收發(fā)分機控制、設(shè)備自檢和外部設(shè)備如綜合顯控、導航系統(tǒng)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(shù)據(jù)數(shù)字濾波,去直流電平,進行數(shù)字正交解調(diào),實現(xiàn)對模擬ASK調(diào)制信號的二進制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,再通過自適應(yīng)門限處理、窄脈沖剔除和脈沖鑒寬處理,去除外部環(huán)境和內(nèi)部噪聲引起的毛刺及干擾。根據(jù)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(shù)據(jù)脈沖進行處理,提取112 bit的數(shù)據(jù)信息,并根據(jù)數(shù)據(jù)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(guān)處理。最后,DSP將處理出來的信息轉(zhuǎn)換、組裝、打包,按規(guī)定的協(xié)議通過對外接口送相關(guān)設(shè)備。

發(fā)射工作原理:將來自導航、綜合顯控等系統(tǒng)的導航數(shù)據(jù)、自身狀態(tài)信息及其它信息等根據(jù)該時段發(fā)送信息的要求,提取相應(yīng)信息,進行格式轉(zhuǎn)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?shù)?12 bit ADS-B報文,存入內(nèi)部寄存器,按照規(guī)定時間分時選擇上、下天線,并隨機產(chǎn)生發(fā)射觸發(fā)信號(如位置、速率信息平均每秒發(fā)送兩次,上、下天線交替發(fā)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(fā)射時刻將組裝好的信息送DDS調(diào)制成70MHz中頻載波信號,再濾波送收發(fā)分機。

3.5 機內(nèi)測試電路設(shè)計

機內(nèi)測試電路結(jié)合各個分機一并設(shè)計,充分利用該設(shè)備收發(fā)頻率相同的特點,合理選取各電路的參數(shù),實現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部整個收發(fā)鏈路動態(tài)自檢。當設(shè)備發(fā)射時,收發(fā)分機產(chǎn)生天線駐波及發(fā)射功率自檢信號送終端分機;同時,發(fā)射載波信號經(jīng)環(huán)形器泄漏一部分到接收模塊,經(jīng)限幅器、收發(fā)開關(guān),到低噪放前信號功率約為-50dBm,接收模塊產(chǎn)生本身自檢信號,并將中頻70MHz信號送終端處理,終端對發(fā)射同步頭信號進行譯碼。若正確,則整個收發(fā)鏈路功能都正常。終端把譯碼結(jié)果標志、接收模塊自檢信號、發(fā)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(jié)果與上次不同,則通過對外接口將結(jié)果送相關(guān)設(shè)備。

4 關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)計算

4.1 接收支路鏈路指標計算

根據(jù)接收支路主要部件噪聲系數(shù)、增益分配數(shù)據(jù),利用噪聲系數(shù)級聯(lián)計算公式,可計算出接收支路總的噪聲系數(shù)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(shè)備天線口接收靈敏度要求為-84dBm。本設(shè)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(fā)射支路鏈路指標計算

發(fā)射支路主要節(jié)點脈沖功率如表1所示。

表1 發(fā)射支路主要節(jié)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(shè)備天線口面輻射功率23～27dBW的要求。

5 主要技術(shù)特征

5.1 大功率固態(tài)功放及保護電路設(shè)計

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

5.2 大動態(tài)范圍高靈敏度雙路接收機設(shè)計

雙路分集接收避免了載機在各種飛行姿態(tài)下接收數(shù)據(jù)的丟失,實現(xiàn)了對全空域數(shù)據(jù)接收。同時,采用了低噪聲系數(shù)、大動態(tài)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(shù)放大器,既壓縮了接收機信號輸出動態(tài)范圍,保留了輸入信號的幅度信息,降低了對AD器件動態(tài)范圍的要求,又提高了設(shè)備對終端電路的保護能力。

5.3 中頻數(shù)字調(diào)制解調(diào)及信號處理設(shè)計

采用了70MHz中頻數(shù)字調(diào)制和70MHz中頻信號處理技術(shù),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(shè)計,提高了設(shè)備的可靠性,利于實現(xiàn)設(shè)備小型化和低功耗。采用數(shù)字化正交解調(diào)一類信號處理方法和自適應(yīng)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(shù),進一步提高了設(shè)備的抗干擾能力和解碼能力[10]。

5.4 機內(nèi)測試電路設(shè)計

設(shè)備內(nèi)部各個模塊設(shè)計了相應(yīng)的自檢信號,充分利用設(shè)備內(nèi)部收發(fā)頻率相同、定時主動發(fā)射信號的特點,合理選擇各項參數(shù),在發(fā)射的同時通過泄漏信號實現(xiàn)內(nèi)部電路動態(tài)自檢,實現(xiàn)了設(shè)備從射頻、中頻到基帶信號處理整條收發(fā)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(jié) 語

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

[1] 時宏偉.ADS-B數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用技術(shù)的綜合評述(一)[J].空中交通管理,2007(6):13-16.SHI Hong-wei.General Assessment on the Application Technology of ADS-B Data Link(PartⅠ)[J].Air Traffic Management,2007(6):13-16.(in Chinese)

[2] 時宏偉.ADS-B數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用技術(shù)的綜合評述(二)[J].空中交通管理,2007(7):17-20.SHI Hong-wei.General Assessment on the Application Technology of ADS-B Data Link(PartⅡ)[J].Air Traffic Management,2007(7):17-20.(in Chinese)

[3] 王魯杰.中國民航應(yīng)優(yōu)先發(fā)展ADS-B應(yīng)用技術(shù)[J].中國民用航空,2006,61(1):27-30.WANG Lu-jie.China should Put Priority on Development of ADS-B Technology[J].China Civil Aviation,2006,61(1):27-30.(in Chinese)

[4] 程擎.S模式應(yīng)答機在飛行中的應(yīng)用[J].國際航空,2006(8):83-84.CHENG Qin.S Mode Transponders Enter into Application Stage[J].International Aviation,2006(8):83-84.(in Chinese)

[5] 黎廷璋.空中交通管制機載應(yīng)答機[M].北京:國防工業(yè)出版社,1992:105-124.LI Ting-zhang.Air Traffic Control Airborne Transponder[M].Beijing:National Defense Industry Press,1992:105-124.(in Chinese)

[6] Annex 10-Aeronautical Telecommunications,Volume Ⅳ——Surveillance and Collision Avoidance Systems[S].

[7] 鄭超,劉志剛,王玉章.基于1090ES的ADS-B OUT系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].航空維修與工程,2010(1):56-58.ZHENG Chao,LIU Zhi-gang,WANG Yu-zhang.The Design and Implementation of ADS-B OUT System Based on 1090ES[J].Aviation Maintenance&Engineering,2010(1):56-58.(in Chinese)

[8] RTCA DO-260B,Minimum Operational Performance Standards for 1090MHz Extended Squitter Automatic Dependent Surveillance–Broadcast(ADS-B)and Traffic Information Services-Broadcast(TIS-B)[S].

[9] 張俊強,張益萍.ACAS接收機S模式信號處理算法及其實現(xiàn)[J].航空電子技術(shù),2009,40(4):10-14.ZHANG Jun-qiang,ZHANG Yi-ping.The Implement and Research of Mode S Signal Processing Algorithms of ACAS Receiver[J].Avionics Technology,2009,40(4):10-14.(in Chinese)

[10] 余麗.航管應(yīng)答機的中頻數(shù)字化設(shè)計[J].電訊技術(shù),2007,47(2):100-103.YU Li.IF Digitization Design of an Air Traffic Control Transponder[J].Telecommunication Engineering,2007,47(2):100-103.(in Chinese)