CN101989383A - 一种小型tcas系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种小型TCAS系统，是一种基微处理器和FPGA及专用软件实现的小型、多功能空中交通防撞系统，可将TCAS II等系统的4种设备：TCAS、2个S模式应答机、控制盒、显示器等集成为一个整体，减少了总线，避免了大量的高频信号在设备之间传输；系统可以直接与导航系统(如北斗，GNSS，GPS，惯导，塔康等设备)联接，用精确的导航数据替换或修正原TCAS II测得的方位、距离数据，从而得到更加精确可靠的避让决策；新型TCAS系统体积小、重量轻，系统不但集成了TCAS II系统4种设备的全部功能，而且体积和重量仅为TCASII系统1/3以下。

Description

一种小型TCAS系统

所属技术领域

本发明涉及一种小型的机载防撞系统，属于空中交通管理和空中交通安全领域。

背景技术

飞机上的防撞系统，美国航空体系称为空中交通预警和防撞系统(以下简称TCAS)，欧洲航空体系称为机载防撞系统，两者的含义、功能是一致的，而且组成也基本相似，因此本发明申请说明书以TCAS为技术背景进行描述。

经过多年的发展，TCAS系统已发展出多种型号，如：TCAS I、TCAS II、TCAS III、TCAS IV。其中TCAS II目前应用最为广泛，其他更高版本型号体系结构以TCAS II为基础，只是在功能上略有差别。

以文献：Rockwell Collins.TCAS-4000：Traffic Alert and Collision Avoidance system[R].Installation Manual，May 25，2005.所公开的系统为代表的TCAS II防撞系统是目前应用最为广泛的机载防撞系统，其软件版本已升级至7.0。该TCAS系统要完成防撞功能，必须要和飞机上的S模式应答机配合使用，因此，该系统实际上是由TCAS模块和应答机模块两部分组成，其详细的内部结构如附图1所示，其中，TCAS模块中的天线包含一个全向天线和一个定向天线，S模式应答机模块中包含两个全向天线。

现以本机识别对方飞机为例，说明该项现有机载防撞系统的工作过程，图2是该系统的一个应用实例，其工作过程如下：本机S模式应答机1以大约每秒一次的频率发送断续振荡信号，即“全呼叫信号”，相互报告本机的代号；当对方飞机的TCAS2接收到这种断续信号后，根据相应飞机的代号以点名的方式发送1030MHz的监视询问信号；S模式应答机1接收到TCAS2发送的询问信号后，由本机TCAS1通过总线将包含高度、方位等信息的应答信息传输至S模式应答机1，并由S模式应答机1以1090MHz发射出去；对方TCAS2接收应答信息，并做出相应决策。TCAS1和S模式应答机2的工作原理完全相同。这样，通过相互的询问和回答，来跟踪和测定S模式目标可能发生的威胁。

通过对现有防撞系统进行深入分析，其存在的主要问题在于：防撞功能的实现必须依赖于TCAS模块和S模式应答机配合使用，然而两套系统结构非常相似，却分成两个不同的设备，这必然造成防撞系统体积和重量相对庞大，因此不适合安装在内部空间有限的小型飞机上，如军机和无人驾驶飞机等。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点，本发明设计了一种小型的机载防撞系统，该系统将TCAS和S模式应答机的429总线合并，接收天线统一，发射分别控制，通过采用先进的大规模数字集成电路技术，将现有技术中的TCAS和S模式应答机功能完全一体化，可以有效的减少机载防撞设备的重量和体积，便于应用到各类军、民用飞机，特别是内部空间十分有限的小型飞机如特种无人驾驶飞机等。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：

1)采用一片主处理器和一片FPGA，将TCAS控制器与S模式应答机控制器一体化；

2)将TCAS收发电路编解码部分与S模式应答机收发电路编解码部分一体化；

3)采用硬件整形、逻辑电路形态自动识别实现硬件直接解码；

4)设计了收发冗余、故障自诊断及软硬件抗干扰措施，确保系统性能的稳定性和可靠性。

系统还包括：

①选用了超大规模FPGA等实现硬件直接编码、解码、自动整形、收发功能，改变了现有TCAS依赖软件编码、解码的方式，提高了速度和可靠性；

②对于系统中无关的干扰信号，采用软、硬件协同的方法来剔除；

③对于系统中有用信号相互之间的干扰，通过为双方建立通信协议的方法，采用软件控制的方法消除。

本发明相比于现有技术的优点在于：本发明在具备现有技术全部功能的情况下，将原有2个设备合成1个，体积和重量大大减小，约为现有技术设备体积和重量的1/3。

附图说明

附图1是现有防撞系统结构框图；

附图2是现有防撞系统的应用实例；

附图3是本发明系统结构框图；

附图4是本发明FPGA单元结构电路框图；

附图5是本发明本地震荡信号产生电路框图；

附图6是本发明无线电路选择模块结构框图；

附图7是本发明控制器部分的结构框图；

附图8是本发明的系统信号流图。

具体实施方式

小型机载防撞系统采用DSP+FPGA构架，主要由控制器、FPGA处理单元、ARINC 429通信单元以及数据处理器、发射和接收电路等构成。其功能结构框图如图3所示。

控制器用以控制和协调数据通信，主要是将机载传感器数据送往无线通信部分发送和将无线接收数据送往数据处理器进行处理；FPGA部分主要完成发送数据的编码、软件调制、应答信号的自动产生逻辑，接收数据的解码、预处理和方位解算，发射和接收电路的逻辑控制等，其中TCAS发射逻辑完成S模式询问信号产生功能，TCAS接收逻辑完成S模式应答信号检测及接收功能，S模式发射逻辑完成S模式应答信号产生功能，S模式接收逻辑完成TCAS询问信号检测及接收功能，A-C模式接收逻辑完成空中交通管制系统的A-C模式询问信号的检测及接收功能，A-C模式应答逻辑完成询问信号的应答功能；ARINC 429通信单元主要用于连接系统和飞机上的其他外设，如导航系统、FMS、气压高度表等，用于防撞系统获取飞机的当前状态信息，以便将这些状态信息通过控制器传送至无线通信单元；数据处理器根据本机信息以及接收到的其他飞机状态信息，对危险进行评估，根据评估结果产生告警信息及决策信息，并将这些信息送至综合显示屏；发射和接收电路主要用来产生高频震荡信号；缓冲区是各功能模块与TCAS控制器的缓冲接口，可以是FIFO、双口RAM等功能块，设计中将这一部分设计成FIFO，在FPGA中用逻辑单元实现；控制开关用来选择不同的传输模块和频率。当选择不同的工作模式时，对应的功能模块输出一控制信号至控制开关，选取相应的无线模块。

上述小型机载防撞系统实现的关键是对现有技术的TCAS部分控制器与S模式应答机控制器的集成、TCAS部分收发电路与S模式应答机收发电路的集成、以及相关信号的抗干扰问题。

1、发射/接收电路的集成

从系统功能的角度来考虑，现有防撞系统的TCAS子系统中，TCAS发射电路主要完成S模式二进制差动相移键控(以下简称DPSK)询问信号的产生；对于TCAS接收电路，其功能是正确的检测到S/A-C模式应答信号并解码得到原始应答信息。S模式应答机子系统中，S模式发射电路主要完成S模式应答信号即脉冲位置调制(以下简称PPM)信号的产生；S模式接收电路是要完成对DPSK询问信号的解调。本发明是对两个子系统的发射和接收电路进行集成，则集成后的通信接口就必须包含四个方面的功能，即实现DPSK询问发送、DPSK接收、S/A-C模式发送、S/A-C模式。

本发明采用一片FPGA实现编码和解码电路的共用，这样对于实现发射和接收电路的集成极为方便。采用FPGA后集成后的发射/接收电路如图4所示。

发射和接收时需要1030MHz和1090MHz本振信号，本系统采用数字锁相环频率合成技术设计系统的本振源。主要由以下几个模块组成：参考晶振、集成锁相频率合成器、环路滤波器、压控振荡器、双模前置分频器以及控制器组成。其实现框图如附图5所示。

压控振荡器产生的本振信号经过前置分频和可编程分频后，与一高稳定的晶体振荡基准信号进行鉴相，鉴相器输出信号经过低通环路滤波器后输出直流控制信号送到，从而构成闭环锁相控制系统。

集成后要考虑对其它模块工作方式的影响。对于TCAS和S模式应答机的接口电路来说，集成后受影响最大的是无线发送/接收模块的工作方式。由于集成后系统要同时完成TCAS询问发射/接收、S模式发射/接收及A-C模式发射/接收功能，其中，DPSK发射、接收分别占用1030MHz发射模块及1090MHz接收模块，S/A-C模式发射、接收分别占用1090MHz发射模块及1030MHz接收模块，这样，在每种工作方式下要能够自动选择其传输方式及频率。为了实现这个功能，在FPGA与无线发送/接收电路的接口部分设计开关电路，来选择不同的发射/接收模块，其功能框图如图6所示。当进行TCAS询问信号发射时，则选择开关使能1030MHz发送模块，抑制其它模块工作；对于进行S/A-C模式发射时，则选择1090MHz发送模块，同样也抑制其它模块工作；其它工作方式以此类推。

2、控制器的集成

从功能上看，现有防撞系统的TCAS控制器首先要通过总线转换器与其发射/接收电路进行数据交换，其次还要通过ARINC 429电路完成与机载传感器的通信，最终还得通过数据处理进行冲突检测；而其S模式应答机控制器要完成的功能与TCAS的前两个功能相似。同时从工作方式上看，TCAS控制器与S模式应答机控制器在工作上不存在时间上的冲突。因此两者完全可以集成。

本发明所实现的控制器结构如图7中的虚线部分所示。采用“双处理器”结构，将系统的控制功能和数值计算功能分开。控制器负责系统的通信接口功能实现，而数据处理器则完成TCAS通信中数据的计算和防撞告警功能的实现，两个处理器之间通过双口RAM来交换信息。采用这种方式，不但使得系统的结构更加清晰、方便调试，而且系统的容错功能也大大提高，更利于故障排除。

3、复杂信号环境下的信号提取

在防撞系统通信过程中，牵扯的信号比较多，如何有效的控制和协调防撞系统各信号之间的工作，就成为难题之一。

在本系统中，有DPSK询问信号、PPM信号、A-C询问逻辑发送的A-C询问信号及A-C应答逻辑发送的应答信号，还可能包含其它一些干扰信号存在。信号情况如附图8所示。

为了获取正确的信息，必然要采取一些措施来抑制其它信号的干扰。本发明中分为以下两种：

1)对于防撞系统中与通信目的无关的干扰信号，协同采用软硬件的方法来剔除。首先，在防撞系统设计中，询问信号和应答信号以及A-C模式询问信号，其载波频率分别是1030MHz和1090MHz，因此，设备天线的发射和接收频率也是固定的，对于处在这个频段外的信号是不响应的，因此，这从根源上有效的阻止了大部分干扰信号。其次，由于通信系统中涉及到的有用信号都有其固定的格式，即使存在与这些信号频段相同的干扰信号，在接收端进行检测时，也会即时的将这些干扰信号拒之门外。

2)对于防撞系统中的几种信号相互之间的干扰，通过为双方建立通信协议的方法，采用软件控制的方法消除。首先，对于询问与交通管制系统的A-C模式询问，防撞系统优先对ATC的A-C模式询问进行回答。因为A-C模式询问与DPSK询问的信号格式不同，因此，当同时检测到两种询问时，通过接收端检测器的过滤，就可以将两种信号区分出来。其次，在相互接近的两机中，当一方首先接收询问后，它直接做出应答，随后不再做出询问，这样，一方面减轻了处理器的工作，另一方面也使得双方容易协调，同时也减少了信号的冗余传输，避免了更多干扰的产生。最后，当两方同时接收到对方的询问信号时，由于双方都想立即得到对方飞机的信息。因此，在软件设计中同时使能两机的应答功能，最后通过协商做出决策。

通过上述软硬件方面的措施，信号通信清晰可辩，可有效结局无法决断的情况，收发双方都可以得到想要的信息，为防撞告警和防撞功能的实现打了了基础。

Claims (4)

1.一种小型TCAS系统，其特征在于：

1)选用了超大规模FPGA等实现硬件直接编码、解码、自动整形、收发功能，改变了现有TCAS依赖软件编码、解码的方式，提高了速度和可靠性；

2)将TCAS II等系统的4种设备：TCAS、2个S模式应答机、控制盒、显示器等集成为一个整体，减少了总线，避免了大量的高频信号在设备之间传输；

3)系统可以直接与导航系统(如北斗，GNSS，GPS，惯导，塔康等设备)联接，用精确的导航数据替换或修正原TCAS II测得的方位、距离数据，从而得到更加精确可靠的避让决策；

2.如权利要求所述的一种小型TCAS系统，其特征在于：采用硬件整形、逻辑电路形态自动识别实现了硬件自动整形、直接解码；

3.如权利要求所述的一种小型TCAS系统，其特征在于：采用1个主处理芯片，将系统功能集成，实现TCAS、S模式应答机、信号控制器功能集成化；

4.如权利要求所述的一种小型TCAS系统，其特征在于：考虑到各种恶劣的应用环境，设计了收发的冗余、故障自诊断以及软硬件抗干扰措施，以确保整个系统性能的稳定性和可靠性。

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