CN103617750A - 一种复用全向天线的混合监视防撞告警方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复用全向天线的防撞告警方法，通过对基带和射频前端的控制，实现S模式应答机和ACAS系统的天线系统的共用，处理过程中通过将飞机监视范围分为主动监视区、被动监视区同时采用模糊化的ACAS询问周期，减少ACAS询问与S模式应答之间的冲突，在保证最大监视范围的情况下提高系统应答率，最后在告警数据处理过程中融合ACAS测量数据与ADS-B信息后最终得出入侵飞机与本机的最近接近点，并向飞行员提供相应TA/RA告警来避免飞机相撞。本发明实现减小设备体积、降低功耗等特点。

Description

一种复用全向天线的混合监视防撞告警方法及其系统

技术领域

本发明涉及一种保障飞机飞行安全的防撞告警方法，属于航空技术领域

背景技术

近年来随着航空事业的发展，单位空域的飞机密度越来越大，传统的空中防撞系统随着飞行器飞行状态的复杂性增加，其探测精度大大降低；ACAS和地面空管监视都使用1030/1090MHz频率，ACAS和地面空管的询问都是通过机载应答机回答，因此需要通过混合监视防撞系统来减少ACAS的询问率以减少无线电干扰问题。

混合监视防撞告警技术是指ACAS机载防撞系统利用ADS-B1090MHz扩展电文信息，从临近飞机接收ADS-B信息，从而减少该飞机ACAS机载防撞系统的设备主动询问率，同时维持它作为防撞系统的独立性，并提高监视精度和监视范围，能更及时、准确的预测冲突的发生。

现行的混合监视防撞告警技术均以ACAS机载防撞系统为基础，通过上下两个定向天线接收入侵飞机的应答信号和扩展电文信息，完成对入侵飞机的测距、测向，实现入侵飞机的冲突检测和防撞告警。该运行机制下需要八路接收通道完成射频信号的接收，因此系统体积大、功耗高、可靠性低，不适合战斗机、无人机等军用飞机的混合监视防撞告警。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明的发明目的在于提供一种复用全向天线的混合监视防撞告警方法，在机载防撞系统（ACAS）的基础上，引入ADS-B技术用于提高系统定位精确度、增强系统的防撞性能；考虑到S模式应答机和ACAS系统使用同一个1030/1090MHz频段，因此两个系统可以同时使用复用的全向天线系统，减小系统体积，降低功耗。

本发明的发明目的通过以下技术方案来实现：

一种基于复用全向天线的混合监视防撞告警方法，通过对复用S模式应答机的上下两个全向天线，通过对基带和射频前端的控制，实现S模式应答机和ACAS系统的天线系统的共用，具体包含以下步骤：

1)将飞机监视范围分为主动监视区和被动监视区；

2)入侵飞机处于被动监视区时，本机在S模式应答间隙通过全向天线接受入侵飞机广播的ADS-B信号信息，本机不对入侵飞机发起ACAS询问，完全依赖被动接受的ADS-B信息对入侵飞机进行跟踪；

3)当入侵飞机处于主动监视区时，本机在S模式应答间隙，通过上下全向天线对入侵飞机发送ACAS询问信号，并通过全向天线接收该飞机发送的应答信号以及ADS-B信息，根据对应答信号的延时计算、解码解调等算法处理，计算出入侵飞机的距离、高度等信息；

4)融合TCAS测量数据与ADS-B信息后最终得出入侵飞机与本机的最近接近点，并向飞行员提供相应TA/RA告警来避免飞机相撞。

进一步，所述S模式应答机和ACAS系统的天线系统共用包含以下策略：

a)、S模式应答信号存在对全向天线的优先使用权，应答时间固定且满足协议要求，确保本机相对于地面以及其他飞机可见，满足航空安全需求；

b)、每次发送ACAS询问信号的间隔周期存在一定偏差的扰动，使得每次发射周期不完全一样；

c)、大数据量重复ACAS询问过程，在发射次数足够的情况下，一定会存在接收ACAS应答和发射S模式应答完全区分的情况，使得飞机同时保证S模式应答和ACAS询问功能。

进一步，所述步骤3）中主动监视区根据ACAS主机的询问频率又可以分为低频混合监视区和正常混合监视区，在保证本机安全的前提下低频混合监视区通过降低ACAS主机的询问频率减少和避免ACAS询问和S模式应答信号对全向天线系统的占用冲突问题，确保本机在地面控制中心始终可见。

进一步，所述步骤4）融合TCAS测量数据与ADS-B信息后最终得出入侵飞机与本机的最近接近点，具体包含以下步骤：

41）、通过ACAS发射询问信号的时间和ACAS接收应答信号的时间两个测量数据通过计算得到入侵飞机的与本机的距离；

42）、通过全向天线接收ADS-B广播信号，经过ADS-B接收通道解码得到ADS-B扩展电文；解算电文密码提取得到入侵飞机的方位信息，结合本机卫星导航系统给出的本机航空参数计算出入侵飞机与本机的角度和相位信息；

43）将ADS-B给出的方位信息和ACAS接收通道给出的距离信息等带入ACAS防撞算法逻辑计算出入侵飞机与本机的最近接近点，并向飞行员提供相应TA/RA告警来避免飞机相撞。

本发明的另一目的在于提供一种基于复用全向天线的混合监视防撞告警系统，包含上全向天线、下全向天线、开关矩阵、接收通道、发射通道、中频处理模块、综合处理模块：

系统在发射过程中，发射通道通过基带处理模块选择发送1030MHz的ACAS询问信号或者1090MHz的S模式应答信号，通过开关矩阵将发射数据源送入全向天线系统，全向天线系统将经过调制、衰减、功率放大以后的射频信号对外发射；

接收过程中，接收模块通过开关矩阵，从全向天线系统中接收1030MHz的ACAS询问信号、1090MHz的S模式应答信号和ADS-B扩展电文信号通过1030/1090MHz的双工器实现两个频点信号的分离，下变频中频FI输出到中频处理模块，经过数模转换到数字信号输出到综合处理模块；

所述综合处理模块所述综合处理模块根据入侵飞机的位置控制开关矩阵的开关，以及根据对应答信号的延时计算、解码解调等算法处理，计算出入侵飞机的距离、高度等信息。

依据上述特征，所述接收通道为二条。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于只需采用两条接收通道接收入侵飞机的应答信号和扩展电文信息，即可完成入侵飞机的测距、测向，实现入侵飞机的冲突检测和防撞告警。本发明的技术能有效地减小了系统的体积、功耗，提高系统的可靠性，从而使之满足军用飞机的混合监视防撞告警需要，提高军用飞机的飞行安全，具有极高的社会效益和经济效益。

附图说明

图1为本发明的硬件结构图

图2为本发明的飞行监视划分示意图

图3为本发明的解决的ACAS询问和S模式应答之间的天线占用示意图

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

如图1所示，全向天线的混合监视防撞告警系统包括了上下两个全向天线、开关矩阵、接收通道、发射通道、中频处理、综合处理等模块。

接收状态：开关矩阵处于接收状态，射频信号通过全向天线接收，然后经过射频前端的接收通道下变频中频FI输出到中频处理模块，经过数模转换到数字信号输出到综合处理模块，完成各功能的处理。接收状态中复用天线系统需要接收S模式的询问信号（1030MHz）、ACAS的应答信号（1090MHz）、以及ADS-B的数据链路（1090MHz）。

发射状态：收发开关处于发射状态，数据通过射频前端的发射通道输出到复用的全向天线系统，全向天线系统将经过调制、衰减、功率放大以后的射频信号对外发射。发射的频率包括1030MHz的ACAS询问信号和1090MHz的S模式应答机的应答信号两种。

通过全向天线的复用，混合监视系统完全能通过ACAS和S模式应答机来实现对入侵飞机的入侵距离和入侵高度的监测跟踪，同时应用ADS-B接收的信息结合本机卫星导航的信息能实现对入侵飞机更精确的入侵距离和高度的跟踪，同时完成对入侵飞机方位的判断。

如图2所示为全向天线的混合监视防撞告警系统的飞行监视范围划分处理示意图。如图所示，入侵飞机进入ADS-B被动监视区域时，本机被动接收入侵飞机的ADS-B广播信息，并从中提取出入侵飞机的飞行信息，结合本机卫星导航系统的信息建立对入侵飞机的监视跟踪过程；如果入侵飞机继续接近本机突破到主动监视区以后，本机ACAS主机主动向入侵飞机发送ACAS询问信号，并根据入侵飞机的S模式应答信号与ADS-B信号建立混合监视模式的跟踪过程；如果入侵飞机继续接近则通过加大ACAS主机的询问频率实现更精确的混合跟踪过程。

由于全向天线的复用使得S模式应答机和ACAS防撞系统在1030MHz/1090MHz的发射和接收都要使用外部的全向天线。如图3所示当ACAS发出询问信号以后，天线系统需要切换到接收状态并保持一段时间以确保最远ACAS应答信号的返回。这时如果混合监视系统接收到地面控制中心或者其他S模式应答机的询问信号，则系统又必须在一定时间范围内应答S模式的应答信号。因此，复合天线系统又必须切换到发射模式。若在此发射时间内ACAS应答信号刚好到达则造成了复合天线系统不能有效接收ACAS反馈信号，ACAS系统失效；如果为了保证ACAS系统正常而延迟S模式应答的时间，则很有可能使得S模式应答时间超出应答协议规定的最高延迟时间，造成该飞机在地面控制中心的消失，威胁航空安全。本方案中采用飞行监视范围划分和模糊化询问周期的技术确保系统功能的有效性和可靠性。通过飞行监视范围的划分减少ACAS主机的询问频率来减少ACAS询问信号和S模式应答信号之间的全向天线占用冲突的问题；S模式应答机按照正常模式工作，通过采用模糊化的ACAS询问周期策略，使得ACAS询问周期使用不固定的、动态的发射模式。假设ACAS的询问周期T=A秒，则本系统中使用（A*95%～A*105%）范围内的一个随机数进行发射，由于每次发射周期的不固定在发射次数足够的情况下一定能有确保S模式和ACAS同时工作的情况发生，提高了混合监视系统的可靠性和安全性。

Claims (6)

1.一种基于复用全向天线的混合监视防撞告警方法，通过对复用S模式应答机的上下两个全向天线，通过对基带和射频前端的控制，实现S模式应答机和ACAS系统的天线系统的共用，具体包含以下步骤：

1)将飞机监视范围分为主动监视区和被动监视区；

2)入侵飞机处于被动监视区时，本机在S模式应答间隙通过全向天线接受入侵飞机广播的ADS-B信号信息，本机不对入侵飞机发起ACAS询问，完全依赖被动接受的ADS-B信息对入侵飞机进行跟踪；

3)当入侵飞机处于主动监视区时，本机在S模式应答间隙，通过上下全向天线对入侵飞机发送ACAS询问信号，并通过上下两个全向天线接收该飞机发送的应答信号以及ADS-B信息，根据对应答信号的延时计算、解码解调等算法处理，计算出入侵飞机的距离、高度等信息；

4)融合TCAS测量数据与ADS-B信息后最终得出入侵飞机与本机的最近接近点，并向飞行员提供相应TA/RA告警来避免飞机相撞。

2.根据权利要求1所述的一种基于复用全向天线的混合监视防撞告警方法，所述S模式应答机和ACAS系统的天线系统共用包含以下策略：

a)、S模式应答信号存在对全向天线的优先使用权，应答时间固定且满足协议要求，确保本机相对于地面以及其他飞机可见，满足航空安全需求；

b)、每次发送ACAS询问信号的间隔周期存在一定偏差的扰动，使得每次发射周期不完全一样；

c)、大数据量重复ACAS询问过程，在发射次数足够的情况下，一定会存在接收ACAS应答和发射S模式应答完全区分的情况，使得飞机同时保证S模式应答和ACAS询问功能。

3.根据权利要求1所述的一种基于复用全向天线的混合监视防撞告警方法，其特征在于所述步骤3）中主动监视区根据ACAS主机的询问频率又可以分为低频混合监视区和正常混合监视区，在保证本机安全的前提下低频混合监视区通过降低ACAS主机的询问频率减少和避免ACAS询问和S模式应答信号对全向天线系统的占用冲突问题，确保本机在地面控制中心始终可见。

4.根据权利要求1所述的一种基于复用全向天线的混合监视防撞告警方法，其特征在于所述步骤4）融合TCAS测量数据与ADS-B信息后最终得出入侵飞机与本机的最近接近点，具体包含以下步骤：

41）、通过ACAS发射询问信号的时间和ACAS接收应答信号的时间两个测量数据通过计算得到入侵飞机的与本机的距离；

42）、通过全向天线接收ADS-B广播信号，经过ADS-B接收通道解码得到ADS-B扩展电文；解算电文密码提取得到入侵飞机的方位信息，结合本机卫星导航系统给出的本机航空参数计算出入侵飞机与本机的角度和相位信息；

43）将ADS-B给出的方位信息和ACAS接收通道给出的距离信息等带入ACAS防撞算法逻辑计算出入侵飞机与本机的最近接近点，并向飞行员提供相应TA/RA告警来避免飞机相撞。

5.一种基于复用全向天线的混合监视防撞告警系统，包含全向天线系统、开关矩阵、接收通道、发射通道、中频处理模块、综合处理模块，所述全向天线系统包含上全向天线、下全向天线，其特征在于：

系统在发射过程中，发射通道通过基带处理模块选择发送1030MHz的ACAS询问信号或者1090MHz的S模式应答信号，通过开关矩阵将发射数据源送入全向天线系统，全向天线系统将经过调制、衰减、功率放大以后的射频信号对外发射；

接收过程中，接收模块通过开关矩阵，从全向天线系统中接收1030MHz的ACAS询问信号、1090MHz的S模式应答信号和ADS-B扩展电文信号通过1030/1090MHz的双工器实现两个频点信号的分离，下变频中频FI输出到中频处理模块，经过数模转换到数字信号输出到综合处理模块；

所述综合处理模块根据入侵飞机的位置控制开关矩阵的开关，以及根据对应答信号的延时计算、解码解调等算法处理，计算出入侵飞机的距离、高度等信息。

6.根据权利要求5所述一种基于复用全向天线的混合监视防撞告警系统，其特征在于所述接收通道为二条。

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