CN104680853A - 一种基于高度的ads-b双数据链自动切换装置 - Google Patents

一种基于高度的ads-b双数据链自动切换装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于高度的ADS-B双数据链自动切换装置，其特征在于：包括数据接收模块、信息提取模块、格式转换模块、可重构功能模块和基带处理功能模块；其中，可重构功能模块包括配置接口模块、配置控制模块和配置数据存储模块；基带处理功能模块包括组帧编码模块和调制发射模块；利用本发明对空中交通管理中的1090ES和UAT两种常用数据链，通过高度自动选择加载不同数据链的硬件配置文件，实现工作数据链的动态加载与调整，使机载航管监视系统功能更加完善；从而实现对飞行器的全空域监视，提高了航管监视系统的监视效率，有助于提高飞行安全与空域利用率。

Description

一种基于高度的ADS-B双数据链自动切换装置
技术领域
本发明涉及航空通信技术领域，尤其涉及一种基于高度的ADS-B双数据链自动切换装置。
背景技术
目前，有三种数据链满足ADS-B对数据通信的要求，即1090ES、UAT和VDL-4、1090ES数据链，这三种数据链是国际民航组织推荐的全球可互用的地空数据链，是最早标准化的ADS-B技术，是唯一实现标准化的ICAO链路技术，目前只有该技术获得了批准的全球无线电频率，可供使用且技术成熟。UAT是为ADS-B广播式数据链专门设计的，该数据链成本较低，上行链路容量大，是唯一适应所有的RTCA  ADS-B最低航空系统性能标准的数据链配置。目前，国际惯例中是按照飞行器飞行高度的不同来选择数据链形式，18000英尺以上飞行时采1090ES数据链，18000英尺以下采用UAT数据链，1090ES数据链通信主要用于高空航路运行，目的是改善空中交通管制监视能力；而UAT数据链通信仅用于低空运行的通用航空飞行活动，目的是改善GA飞机的空中避撞能力和飞行情报截获能力。但是，随着航空业务的大幅度增加，通用航空的普及，无人机等飞行器的增加，飞行器跨空域飞行的情况会更加频繁，单一数据链实现监视的方式势必不能满足跨空域飞行时的实时监视，为航空飞行安全带来隐患。
ADS-B数据链的兼容问题已经严重阻碍了飞行器的发展，为了解决ADS-B数据链的兼容问题，目前国际上一些厂商推出了双数据链结构的接收设备，这些设备一般工作在UAT数据格式下，当接收到1090ES数据时，其内部电路将1090ES数据转换为UAT数据格式。这种设备虽然做到可全面兼容1090ES数据链和UAT数据链，但由于其价格昂贵无法在通用航空领域的应用推广。
发明内容
 本发明的目的是提供一种基于高度的ADS-B双数据链自动切换装置，能够根据飞行器的当前飞行高度自动切换数据链形式，分时工作，实现对飞行器的全空域监视，保障飞行器的飞行安全，并将两种数据链进行一体化、合一化、集成化。
 本发明采用的技术方案为：
一种基于高度的ADS-B双数据链自动切换装置，包括数据接收模块、信息提取模块、格式转换模块、可重构功能模块和基带处理功能模块；其中，可重构功能模块包括配置接口模块、配置控制模块和配置数据存储模块；基带处理功能模块包括组帧编码模块和调制发射模块；
所述的数据接收模块，用于接收全球卫星导航系统传输的导航定位信息和气压高度编码器传输的飞行高度信息，并将接收到的导航定位信息和飞行高度信息发送给信息提取模块；
所述的信息提取模块，用于提取数据接收模块发送的信息中的符合NEMA 0183标准的导航定位信息，并将符合NEMA 0183标准的导航定位信息发送给格式转换模块；还用于将全球卫星导航系统传输的高度信息和气压高度编码器传输的高度信息进行优先级别判断，将优先级高的高度信息发送给可重构功能模块中的配置接口模块；
所述的格式转换模块，用于根据可重构功能模块选择的1090ES数据链或UAT数据链的通信标准格式，对提取出的飞行器导航定位信息进行格式转换，以保证与当前选择的数据链通信标准的信息格式相一致；
所述的可重构功能模块，用于对当前ADS-B双数据链进行选择，依据高度，在1090ES数据链及UAT数据链中自动切换；并基于所选择的1090ES数据链或UAT数据链，对基带处理功能模块和格式转换模块进行相应的控制配置；
所述的基带处理功能模块，用于根据可重构功能模块选择的1090ES数据链或UAT数据链将格式转换模块输出的导航信息进行相应数据链模式的组帧编码、调制和发射，完成该数据链的ADS-B OUT基带通信功能；
所述的可重构功能模块和基带处理功能模块的功能由FPGA完成。
所述的数据接收模块的信号输入端用于连接飞行器自身的全球卫星导航系统的导航信息输出端和气压高度编码器的高度信号输出端，数据接收模块的信号输出端连接信息提取模块的信号输入端，信息提取模块的导航信息输出端连接格式转换模块的信号输入端，信息提取模块的高度信号输出端连接可重构功能模块中的配置接口模块的高度信号输入端，配置接口模块的高度信号输出端连接配置控制模块的配置条件接收端，配置控制模块的配置选择端连接配置数据存储模块的配置命令接收端，配置数据存储模块的配置信息输送端通过配置接口模块分别连接基带处理功能模块中的组帧编码模块的配置信息接收端和调制发射模块的配置信息接收端，配置控制模块的配置选择信息输送端通过配置接口模块连接格式转换模块的配置信息接收端，格式转换模块的导航信息输出端连接基带处理功能模块中的组帧编码模块的信息输入端，组帧编码模块的信息输出端通过调制发射模块发射出去。
所述的配置控制模块，用于接收信息提取模块发送的高度信息，根据高度信息提取数据存储模块内存储的1090ES数据链的配置信息或UAT数据链的配置信息，再将提取的1090ES数据链的配置信息或UAT数据链的配置信息发送给配置接口模块；所述的配置接口模块，用于对数据及文件进行输送；所述的数据存储模块，用于存储完成1090ES数据链和UAT数据链基带处理功能的FPGA配置文件。
所述的信息提取模块，通过定位数据头和信息语句结束标志，定位并截取一条导航数据帧，利用数据中各数据之间的间隔符，提取符合NEMA 0183标准的具体的导航定位信息，具体的导航定位信息包括飞行器的经纬度信息、高度信息、东向速度、北向速度、垂向速度和姿态信息。
所述的组帧编码模块用于将符合数据链通信标准的导航定位信息，按照数据链消息格式进行打包、组帧，并对组帧后的数据进行纠错编码处理，形成符合可重构部分选择的1090ES数据链或UAT数据链要求的数据帧；所述的调制发射模块用于根据被选定的数据链的自身需要的调制方式对信号进行调制处理，之后经过D/A转换、滤波、混频、放大处理后将信息发送出去。
所述的数据接收模块、信息提取模块和格式转换模块采用ARM芯片Samsung S5PV210AN。
本发明利用数据接收模块接收全球卫星导航系统和/或气压高度编码器传输的数据，再通过信息提取模块，提取数据接收模块接收到的符合NEMA 0183标准的导航定位信息，导航定位信息包括飞行器的经纬度信息、高度信息、东向速度、北向速度、垂向速度、姿态信息；配置控制模块，用于接收信息提取模块发送的高度信息，根据高度信息提取数据存储模块内存储的相应的数据链配置文件，再将提取的数据链配置比特流发送给配置接口模块；数据存储模块，用于存储1090ES数据链和UAT数据链基带处理功能的FPGA配置文件；配置接口模块，用于将从数据存储模块中提取的对应数据链的FPGA配置比特流进行时序转换，产生配置时序的信号，对FPGA进行配置；FPGA，根据配置接口模块发送的对应数据链的FPGA配置文件，按照预制数据链实现对应数据链的格式转换、组帧编码和调制发射的基带通信功能。
与现有的技术比较，本发明的优点是:
1、对空中交通管理中的1090ES和UAT两种常用数据链一体化设计，通过高度自动选择加载不同数据链的硬件配置文件，实现工作数据链的动态加载与调整，使机载航管监视系统功能更加完善。
2、通过选择加载不同数据链，保证了飞行器飞行于不同高度时，始终有一种数据链处于工作状态，从而实现对飞行器的全空域监视，提高了航管监视系统的监视效率，有助于提高飞行安全与空域利用率。
附图说明
图1为本发明的电路原理框图；
图2为本发明的工作模式示意图。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明包括数据接收模块、信息提取模块、格式转换模块、可重构功能模块和基带处理功能模块；其中，可重构功能模块包括配置接口模块、配置控制模块和配置数据存储模块；基带处理功能模块包括组帧编码模块和调制发射模块；
所述的数据接收模块，用于接收全球卫星导航系统（飞行器自身携带的GNSS设备）传输的导航定位信息和气压高度编码器传输的飞行高度信息，并将接收到的导航定位信息和飞行高度信息发送给信息提取模块；
所述的信息提取模块，一方面用于提取数据接收模块发送的信息中的符合NEMA 0183标准的导航定位信息，并将符合NEMA 0183标准的导航定位信息发送给格式转换模块另一方面用于将全球卫星导航系统传输的高度信息和气压高度编码器传输的高度信息进行优先级别判断，将优先级高的高度信息发送给可重构功能模块中的配置接口模块。
信息提取模块进行导航定位信息提取时，通过定位数据头和信息语句结束标志，截取一条导航数据帧，利用数据中各数据之间的间隔符“，”来定位并截取飞行器的经纬度信息、高度信息、东向速度、北向速度、垂向速度和姿态信息等具体导航定位信息。提取出的各种导航定位信息均为字符型数据，以便对提取数据进行后续处理，如显示、格式转换等后续作业。用于显示时，提取数据的数据类型由字符型转换为浮点型，转换完毕后的浮点型数据，再转换为字符型，用于输出显示；数据链协议中对数据有一定的要求，在进行信息提取的同时，对部分数据还要进行数据类型的转换、数据单位的转换等，主要进行的处理如下：
⒈ 纬度值正负判断，确定当前纬度是北纬或者南纬；
⒉ 经度值正负判断，确定当前经度是东经或是西经；
⒊ 高度单位的转换，单位由米转换为英尺；
⒋ 北速值正负判断，判断当前是向北飞行或是向南飞行；
⒌ 北速单位的转换，单位由米/秒转换为英里/小时；
⒍ 东速值正负判断，判断当前是向东飞行或是向西飞行；
⒎ 东速单位的转换，单位由米/秒转换为英里/小时；
⒏ 垂速值正负判断，判断当前是爬升或是下降；
⒐ 垂速单位的转换，单位由米/秒转换为英尺/分；
所述的格式转换模块，用于根据可重构功能模块选择的1090ES数据链或UAT数据链的通信标准格式，对提取出的飞行器导航定位信息进行格式转换，以保证与当前选择的数据链通信标准的信息格式相一致；
所述的可重构功能模块，用于对当前ADS-B双数据链进行选择，依据高度，在1090ES数据链及UAT数据链中自动切换；并基于所选择的1090ES数据链或UAT数据链，对基带处理功能模块和格式转换模块进行相应的控制配置；所述的配置控制模块，用于接收信息提取模块发送的高度信息，根据高度信息提取数据存储模块内存储的1090ES数据链的配置信息或UAT数据链的配置信息，再将提取的1090ES数据链的配置信息或UAT数据链的配置信息发送给配置接口模块，从而实现符合1090ES数据链或UAT数据链的信息格式转换及组帧编码、调制发射等基带处理功能；所述的配置接口模块，用于对数据及文件进行输送，将选择的1090ES数据链的配置信息或UAT数据链的配置信息配置给格式转换模块，并将数据存储模块中对应的数据链的配置信息对接配置FPGA中的基带处理功能模块；所述的数据存储模块，用于存储完成1090ES数据链和UAT数据链基带处理功能的FPGA配置文件。
所述的基带处理功能模块，用于根据可重构功能模块选择的1090ES数据链或UAT数据链将格式转换模块输出的导航信息进行相应数据链模式的组帧编码、调制和发射，完成该数据链的ADS-B OUT基带通信功能；
所述的组帧编码模块用于将符合数据链通信标准的导航定位信息，按照数据链消息格式进行打包、组帧，并对组帧后的数据进行纠错编码处理，形成符合可重构部分选择的1090ES数据链或UAT数据链要求的数据帧；所述的调制发射模块用于根据被选定的数据链的自身需要的调制方式对信号进行调制处理，之后经过D/A转换、滤波、混频、放大处理后将信息发送出去。
所述的数据接收模块、信息提取模块和格式转换模块采用ARM芯片Samsung S5PV210AN；组帧编码模块、调制发射模块、配置接口模块、配置控制模块及配置数据存储模块通过FPGA芯片Xilinx Virtex-6 XC6vlx550t实现功能。
所述的可重构功能模块和基带处理功能模块的功能由FPGA完成。
所述的数据接收模块的信号输入端用于连接飞行器自身的全球卫星导航系统的导航信息输出端和气压高度编码器的高度信号输出端，数据接收模块的信号输出端连接信息提取模块的信号输入端，信息提取模块的导航信息输出端连接格式转换模块的信号输入端，信息提取模块的高度信号输出端连接可重构功能模块中的配置接口模块的高度信号输入端，配置接口模块的高度信号输出端连接配置控制模块的配置条件接收端，配置控制模块的配置选择端连接配置数据存储模块的配置命令接收端，配置数据存储模块的配置信息输送端通过配置接口模块分别连接基带处理功能模块中的组帧编码模块的配置信息接收端和调制发射模块的配置信息接收端，配置控制模块的配置选择信息输送端通过配置接口模块连接格式转换模块的配置信息接收端，格式转换模块的导航信息输出端连接基带处理功能模块中的组帧编码模块的信息输入端，组帧编码模块的信息输出端通过调制发射模块发射出去。
1090ES数据链和UAT数据链具有自身独立的格式、组帧编码和调制发射解调的模式，属于现有的ADS-B系统中的成熟的数据链结构，在此不在赘述。
本发明主要针对用于实现机载航管终端中监视系统的两种数据链的基带处理电路的设计，利用一套硬件资源，根据飞行器当前所处的高度，通过动态可重构技术对相应的硬件资源进行动态配置，以实现一套硬件资源下，两种数据链基带处理功能的动态切换。其中，可重构技术的硬件资源由本发明的配置控制模块、配置接口模块、数据存储模块和FPGA模块组成。
下面结合附图说明本发明的工作原理以及信号流程：
如图2所示，当飞机3飞行于18000ft以上时，数据链工作于1090ES模式；当飞机3飞行高度降低至18000ft以下时，配置控制模块自动重新配置，切换为UAT数据链模式进行工作。这种方式保证了飞机在不同高度飞行时，均有一种数据链处于工作状态，实现了对飞机的全空域监视。
首先，数据接收模块接收全球卫星导航系统（飞行器自身携带的GNSS设备）和气压高度编码器传输来的数据，数据主要包括飞行高度信息及导航定位信息；信息提取模块将数据接收模块接收到的符合NEMA 0183标准的导航定位信息；其中NEMA 0183协议是美国国家海洋电子协会(Na-tionalMarineElectronicsAssociation)为统一海洋导航规范而制定的标准，该格式标准已经成为国际通用的一种格式，协议的内容在兼容NMEA-0180和NMEA-0182的基础上，增加了GPS、测深仪、罗经方位系统等多种设备接口和通讯协议定义，同时还允许一些特定厂商对其设备通信自定协议(例Garmin GPS,Deso 20等)。
之后，信息提取模块通过优先级判断后，将优选的高度信息发送给配置接口模块，经过配置接口模块传输数据，配置控制模块根据接收到的高度信息，比如，当前的高度处于18000ft以上，则此时，配置控制模块提取数据存储模块中的1090ES数据链基带处理功能的FPGA配置文件，再把1090ES数据链的配置文件传送到配置接口模块，配置文件以比特流的方式发送，配置接口模块再对配置比特流进行时序转换，产生配置时序的信号，对FPGA进行配置。当基带处理功能模块接收到1090ES数据链的配置文件后，同时将接收到由信息提取模块发送的经纬度信息、高度信息、东向速度、北向速度、垂向速度和姿态信息进行格式转换、压缩编码，以保证与选择的1090ES数据链通信标准的信息格式相一致。同时，进行组帧编码配置，将符合数据链通信标准的导航定位信息，按照1090ES数据链消息格式进行打包、组帧，并对组帧后的数据进行纠错编码处理，形成符合1090ES数据链要求的数据帧；最后，进行调制发射配置，根据1090ES数据链的调制方式对信号进行调制处理，经过D/A转换、滤波、混频、放大处理后将信息发送出去。
当配置控制模块接收到的飞行高度信息在18000ft以下时，由于1090ES数据链广播发送的信息不能够18000ft以下的其他飞行器接收，所以，此时需要进行调配，以UAT数据链的形式进行广播发送，此时，配置控制模块通过配置调取接口获取数据存储模块中UAT数据链的基带处理功能的配置文件，下面如同上述的工作过程，在此不再赘述，即完成了1090ES数据链和UAT数据链的转换。

Claims (6)

1.一种基于高度的ADS-B双数据链自动切换装置，其特征在于：包括数据接收模块、信息提取模块、格式转换模块、可重构功能模块和基带处理功能模块；其中，可重构功能模块包括配置接口模块、配置控制模块和配置数据存储模块；基带处理功能模块包括组帧编码模块和调制发射模块；
所述的数据接收模块，用于接收全球卫星导航系统传输的导航定位信息和气压高度编码器传输的飞行高度信息，并将接收到的导航定位信息和飞行高度信息发送给信息提取模块；
所述的信息提取模块，用于提取数据接收模块发送的信息中的符合NEMA 0183标准的导航定位信息，并将符合NEMA 0183标准的导航定位信息发送给格式转换模块；还用于将全球卫星导航系统传输的高度信息和气压高度编码器传输的高度信息进行优先级别判断，将优先级高的高度信息发送给可重构功能模块中的配置接口模块；
所述的格式转换模块，用于根据可重构功能模块选择的1090ES数据链或UAT数据链的通信标准格式，对提取出的飞行器导航定位信息进行格式转换，以保证与当前选择的数据链通信标准的信息格式相一致；
所述的可重构功能模块，用于对当前ADS-B双数据链进行选择，依据高度，在1090ES数据链及UAT数据链中自动切换；并基于所选择的1090ES数据链或UAT数据链，对基带处理功能模块和格式转换模块进行相应的控制配置；
所述的基带处理功能模块，用于根据可重构功能模块选择的1090ES数据链或UAT数据链将格式转换模块输出的导航信息进行相应数据链模式的组帧编码、调制和发射，完成该数据链的ADS-B OUT基带通信功能；
所述的可重构功能模块和基带处理功能模块的功能由FPGA完成。
2.所述的数据接收模块的信号输入端用于连接飞行器自身的全球卫星导航系统的导航信息输出端和气压高度编码器的高度信号输出端，数据接收模块的信号输出端连接信息提取模块的信号输入端，信息提取模块的导航信息输出端连接格式转换模块的信号输入端，信息提取模块的高度信号输出端连接可重构功能模块中的配置接口模块的高度信号输入端，配置接口模块的高度信号输出端连接配置控制模块的配置条件接收端，配置控制模块的配置选择端连接配置数据存储模块的配置命令接收端，配置数据存储模块的配置信息输送端通过配置接口模块分别连接基带处理功能模块中的组帧编码模块的配置信息接收端和调制发射模块的配置信息接收端，配置控制模块的配置选择信息输送端通过配置接口模块连接格式转换模块的配置信息接收端，格式转换模块的导航信息输出端连接基带处理功能模块中的组帧编码模块的信息输入端，组帧编码模块的信息输出端通过调制发射模块发射出去。
3.根据权利要求1所述的基于高度的ADS-B双数据链自动切换装置，其特征在于：所述的配置控制模块，用于接收信息提取模块发送的高度信息，根据高度信息提取数据存储模块内存储的1090ES数据链的配置信息或UAT数据链的配置信息，再将提取的1090ES数据链的配置信息或UAT数据链的配置信息发送给配置接口模块；所述的配置接口模块，用于对数据及文件进行输送；所述的数据存储模块，用于存储完成1090ES数据链和UAT数据链基带处理功能的FPGA配置文件。
4.根据权利要求2所述的基于高度的ADS-B双数据链自动切换装置，其特征在于：所述的信息提取模块，通过定位数据头和信息语句结束标志，定位并截取一条导航数据帧，利用数据中各数据之间的间隔符，提取符合NEMA 0183标准的具体的导航定位信息，具体的导航定位信息包括飞行器的经纬度信息、高度信息、东向速度、北向速度、垂向速度和姿态信息。
5.根据权利要求3所述的基于高度的ADS-B双数据链自动切换装置，其特征在于：所述的组帧编码模块用于将符合数据链通信标准的导航定位信息，按照数据链消息格式进行打包、组帧，并对组帧后的数据进行纠错编码处理，形成符合可重构部分选择的1090ES数据链或UAT数据链要求的数据帧；所述的调制发射模块用于根据被选定的数据链的自身需要的调制方式对信号进行调制处理，之后经过D/A转换、滤波、混频、放大处理后将信息发送出去。
6.根据权利要求4所述的基于高度的ADS-B双数据链自动切换装置，其特征在于：所述的数据接收模块、信息提取模块和格式转换模块采用ARM芯片Samsung S5PV210AN。
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