CN114520671B - 一种环境监视系统集成架构及其电路 - Google Patents
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Abstract
本发明属于飞机飞行安全环境监视系统，属于航空电子设备，具体涉及一种环境监视系统集成的架构及电路。面向通航飞机、小型飞机等飞行安全设备要求，在保证空管应答、空中防撞、自相关监视及地形感知与告警功能的基础上，本发明设计一种综合集成架构，可以对空管应答功能进行冗余热备份，确保空管应答功能的稳定及可靠，保证飞行安全，并适应降低飞机平台重量的趋势，设计小体积、轻重量、低功耗的集成产品。
Description
技术领域
本发明属于飞机飞行安全环境监视系统，属于航空电子设备，具体涉及一种环境监视系统集成的架构及电路。
背景技术
安全飞行是飞机一直追求的目标，飞机飞行过程中的飞行安全威胁主要来自于飞机周围可能出现的危险交通目标、危险气象环境，在低空飞行时需要注意危险地形、障碍物接近等。目前飞机通过空中防撞系统(TCAS(含S模式空管应答机))、地形感知和告警系统(TAWS)、气象雷达前视风切变探测系统(WXR/PWS)、自相关监视系统(ADS-B)等实现对飞行环境危险目标的监视、感知和告警，并发出指令指导飞行员规避等。当前大部分民机装备的分立系统。新型飞机如A380、B787、A350WX、H170等固定翼飞机和直升机开始加装综合集成系统。集成系统极大地减小了系统的组件数量、体积重量及安装、使用维护成本。
空管要求飞机都必须有应答机功能，固定航线飞机一般加装2套应答机，且其中一套进行热备份。而对于TCAS、TAWS功能，只要求乘客数量或飞机重量达到一定要求后，才强制安装此类设备。当前飞机装备的环境监视集成设备，普遍使用的架构是将原分立系统模块化，安装在一个综合处理机中，一架飞机上安装两个综合处理机，通过控制面板来在两个综合处理机之间进行冗余和切换，确保系统符合适航管理要求。目前民机主要采用安装两套综合处理机，两个处理机之间可以对不同功能进行冗余配置。对通航飞机、小型飞机而言，由于其平台的重量及设备安装体积限制，一般不安装两台综合处理机，而使用一台综合处理机。但为了保证空管功能，对空管应答的功能要求冗余设计。
发明内容
本发明的目的：面向通航飞机、小型飞机等飞行安全设备要求，在保证空管应答、空中防撞、自相关监视及地形感知与告警功能的基础上，设计一种综合集成架构，可以对空管应答功能进行冗余热备份，确保空管应答功能的稳定及可靠，保证飞行安全，并适应降低飞机平台重量的趋势，设计小体积、轻重量、低功耗的集成产品。
本发明的技术方案：一方面，提供一种环境监视系统集成架构，所述架构包括依次连接的综合天线、射频模块、信号模块、数据模块及电源模块；
所述综合天线与射频模块信号连接；
所述射频模块，包括主通道和备份通道，所述主通道用于实现TCAS的射频收发、空管应答机的射频收发及ADS-B的广播和接收；所述备份通道用于实现空管应答机的射频收发；
所述信号模块，包括主处理单元和备份处理单元，所述主处理单元用于对来自射频模块和数据模块发送的信号进行模数转换、信号检测、编解码和协议解析；所述备份处理单元，用于实现空管应答信号的模式识别和编解码处理；
所述数据模块，用于对获取的载机数据信息和信号模块反馈的数据信息进行融合数据融合、监视跟踪、防撞处理；
电源模块，用于对射频模块、信号模块和数据模块供电。
可选地，所述主通道和备份通道均用于对接收的外部信号进行解调和滤波处理、对来自信号模块的信号进行调制和放大处理。
可选地，射频模块的主通道包括通道开关、发射机、TCAS接收机、S模式接收机；
通道开关，用于在信号发送时完成发射机和接收机的切换、在信号接收时完成TCAS接收机和S模式接收机的切换以及S模式接收机主备通道的切换；
TCAS接收机，用于完成对TCAS信号的接收；S模式接收机，用于完成对S模式信号的接收。
可选地，射频模块的备份通道复用主通道的通道开关、发射机和S模式接收机；所述备份通道还包括备份发射机和备份S模式接收机。
可选地，所述信号模块的主处理单元包括数据连接的主A/D转换电路、主FPGA，主A/D转换电路用于射频模块信号进行模数转换；主FPGA与所述数据模块、射频模块连接；主FPGA对射频模块发送的信号进行信号检测和解码处理并发送给数据模块，对数据模块发送的信号进行编码处理并发送射频模块进行问询、应答和广播。
可选地，所述信号模块的备份处理单元包括依次数据连接的备份A/D转换电路、备份FPGA和数据采集接口；备份FPGA用于射频模块发送信号、数据采集接口采集的大气数据进行信号检测、编解码，并发送给射频模块进行应答。
可选地，电源模块包括正常工作模式和应急工作模式，在正常工作模式对整个架构进行供电，在应急工作模式下对信号模块的备份处理单元、频模块的通道开关、S模式接收机和发射机进行供电。
可选地，所述电源模块可接收外部控制信号，根据所述控制信号进行两种工作模式的切换；所述电源模块还包括自检测模块，用于对电源模块的供电状态进行检测，并根据检测结果进行工作模式的切换。
另一方面，提供一种环境监视系统电路，包括如上所述的架构，所述电路包括与射频模块电路电连接的信号模块主电路、信号模块备份电路；数据模块电路与信号模块主电路连接；
所述信号模块主电路包括依次连接的主A/D转换电路、主FPGA和DSP；信号模块备份电路包括依次连接的备份A/D转换电路、主FPGA和接口电路；
主A/D转换电路和用于射频模块电路和数据模块电路发送的信号进行模数转换；主FPGA与所述数据模块电路、射频模块电路连接；主FPGA对射频模块电路发送的信号进行信号检测和解码处理并发送给数据模块电路，对数据模块电路发送的信号进行编码处理并发送射频模块进行问询、应答和广播；DSP与主FPGA数据交联，用于完成主FPGA数据计算；
备份A/D转换电路用于射频模块电路发送的信号进行模数转换；备份FPGA用于射频模块发送信号、数据采集接口采集的大气数据进行信号检测、编解码，并发送给射频模块进行应答；接口电路用于采集大气数据。
可选地，所述信号模块主电路和备份电路均包括检测电路，用于检测信号模块主电路和备份电路的工作状态和电源供电。
本发明的优点：本发明在保证空管应答、空中防撞、自相关监视及地形感知与告警功能的基础上，设计一种综合集成架构，可以对空管应答功能进行冗余热备份，确保空管应答功能的稳定及可靠，保证飞行安全，并适应降低飞机平台重量的趋势，设计小体积、轻重量、低功耗的集成产品。
本发明为了满足机载设备的小型化，进一步缩小体积、减轻重量并降低功耗，该架构实际实现时，将信号、数据及接口等进行了集成，并对部分功能模块进行复用。同时通过电源设计，在正常模式下，系统所有模块全部上电，可以实现全功能运行，当在应急状态下，则通过切断数据模块电源、信号模块主处理部分电源及射频收发的部分电路电源(详见图示)，仅保留空管应答功能所必需的硬件电路供电。
本发明，将备份应答机的各功能电路分别与环境监视系统的功能电路进行综合集成设计，不再以单独的物理形态存在，是一种创新的备份空管应答功能的集成架构方案。
本发明，在射频模块中设计了备份发射机、空管应答功能的备份接收机及相应通道，提高了空管应答功能射频收发的稳定可靠性，极大的降低了集成系统的体积、重量、功耗。
本发明，通过信号处理冗余备份设计，结合射频通道，保证了空管应答功能的完整及功能备份。
本发明，通过电源管理等，保证了备份功能的稳定性，同时在应急在状态下可以极大地降低系统的功耗，保证在应急情况下的长时间工作。
附图说明：
图1为射频模块硬件架构图；
图2为射频模块S模式应答机接收通道备份示意图；
图3为信号模块设计框图；
图4为电源管理示意图。
具体实施方式：
实施例1
本实施例，提供一种新的环境监视系统集成架构，将备份应答机的各功能电路分别与环境监视系统的功能电路进行综合集成设计，不再以单独的物理形态存在。
该环境监视系统主要由射频模块、信号模块、数据模块、综合天线组成，其中射频模块、信号模块、数据模块组成主处理机。此外，还包括接口模块，其中接口模块主要接收载机的数据信息，获取位置、高度、身份等数据。数据模块是核心处理单元，其完成了载机数据融合、监视跟踪、防撞处理、地形告警及系统检测等功能。信号模块主要与射频模块进行交联，采集射频模块的解调信号进行A/D量化采样，完成信号检测、模式识别、编解码等处理，并将信号发给数据模块处理；射频模块根据信号模块的指令及传送的数据，完成调制、放大及发送，完成滤波、放大、解调等，同时还根据控制信息生成馈电信号来驱动天线工作。
射频模块要完成TCAS的射频收发、空管应答机的射频收发及ADS-B的广播和接收，工作的主要频点是1090MHz和1030MHz。为了保证应答机的功能不丧失，根据天线的工作特点，射频模块增加了射频通道的冗余设计，通道备份主要是基于系统所使用的综合天线的工作模式和原理来设计的，综合天线可以通过射频前端来控制其工作在全向还是定向模式。
所述数据模块，用于对获取的载机数据信息和信号模块反馈的数据信息进行融合数据融合、监视跟踪、防撞处理。电源模块，用于对射频模块、信号模块和数据模块供电。
空管应答及监视防撞系统常用到的两种天线，分别是方向天线和全向天线。全向天线使用360°全向方向图来进行接收和发射，方向天线也称定向天线，通过4个阵子，将空间分为前、左、后、右四个方向，在四个方向形成90°-110°的方向图，来定向的发射问询信号和接收应答信号，通过对相邻方向的不同通道信号的比对分析，来实现测向功能。
本实施例的架构使用综合天线，可通过馈电控制工作模式。天线在发射状态下，如果工作在定向模式，则天线每个端口对应一个方向，天线阵子可以形成90°的波束，进行定向问询；如果工作在全向模式，通过一个端口(J2)来进行馈电，在天线内部波束形成网络完成功率分配，以全向方向图发射。天线在接收状态，在全向模式下，每个通道接收到的信号均为全向信号；在定向模式，四个方向接收的信号是不同的，可以实现测向。
所述射频模块，包括主通道和备份通道，所述主通道用于实现TCAS的射频收发、空管应答机的射频收发及ADS-B的广播和接收；所述备份通道用于实现空管应答机的射频收发。所述主通道和备份通道均用于对接收的外部信号进行解调和滤波处理、对来自信号模块的信号进行调制和放大处理。
射频模块的主通道包括通道开关、发射机、TCAS接收机、S模式接收机；通道开关，用于在信号发送时完成发射机和接收机的切换、在信号接收时完成TCAS接收机和S模式接收机的切换以及S模式接收机主备通道的切换；TCAS接收机，用于完成对TCAS信号的接收；S模式接收机，用于完成对S模式信号的接收。
射频模块的备份通道复用主通道的通道开关、发射机和S模式接收机；所述备份通道还包括备份发射机和备份S模式接收机。
具体地，射频模块的硬件架构如图1所示，其中除正常的功能电路外，增加1个发射机(备)、2路空管应答备份接收机及相应的通道控制电路作为备份空管应答功能的组成部分，发射机(备)和发射机(主)具有同样的功能，同时也可以作为TCAS功能的备份发射机。
本实施例，射频内部主通道由通道开关、1个发射机，4路TCAS接收机、8路S模式接收机和接口控制板组成，另外，为了提高可靠性，内部还备份了1个发射机，2路S模式接收机。整个收发、通道开关、控制、电源部分全部集成在一个模块内部。通道开关主要完成上下天线及对应射频通道的切换、天线波位的切换、全/定向天线的切换、收发切换、主备切换；4路TCAS接收机分别接收来自0°、90°、180°、270°方向的信号，完成对TCAS信号的接收；8路S模式接收机完成对S模式信号的接收，冗余通道部分主要是保障空管应答功能。
空管应答备份接收机与主接收机的硬件架构关系如图2所示，综合天线的T_J2通道为综合天线全向工作模式时的射频信号通道，T_J2_XPDR_REC接收机(主)、T_J2_XPDR_REC接收机(备)通过单刀双掷开关与综合天线的T_J2通道相连，处理机可根据情况自主选择与T_J2通道相连的主接收机或备接收机，从而完成备份空管应答功能射频接收电路的切换。
所述信号模块，包括主处理单元和备份处理单元，所述主处理单元用于对来自射频模块和数据模块发送的信号进行模数转换、信号检测、编解码和协议解析；所述备份处理单元，用于实现空管应答信号的模式识别和编解码处理。
其中，所述信号模块的主处理单元包括数据连接的主A/D转换电路、主FPGA，A/D转换电路用于射频模块和数据模块发送的信号进行模数转换；主FPGA与所述数据模块、射频模块连接；主FPGA对射频模块发送的信号进行信号检测和解码处理并发送给数据模块，对数据模块发送的信号进行编码处理并发送射频模块进行问询、应答和广播。
所述信号模块的备份处理单元包括依次数据连接的备份A/D转换电路、备份FPGA和数据采集接口；备份FPGA用于射频模块发送信号、数据采集接口采集的大气数据进行信号检测、编解码，并发送给射频模块进行应答。
具体地，信号模块的硬件架构如图3所示，由信号模块-主电路和信号模块-备份电路组成。信号模块-主电路可以完整完成环境监视系统的所有信号处理功能(包括空管应答、TCAS、ADS-B功能所需的信号处理)。信号模块-备份电路与射频模块的T_J2_XPDR_REC接收机(备)、B_J2_XPDR_REC接收机(备)、发射机相连，并有备份的空管应答数据接收通道，只能处理空管应答功能的信号处理；可实时检测信号模块-主电路及射频模块的工作状态，当主电路出现故障时，自主开始工作，环境监视系统进入应急状态，完成备份空管应答功能。
本实施例，信号模块中，包括了主处理部分和备份处理部分。主处理部分的硬件方案(信号模块主电路)保证综合后满足各原分立系统的功能性能；备份处理部分的硬件(信号模块备份电路)方案则只保证基本的总线通信和空管应答功能的实现。根据应答机的功能要求，除了保证基本的编解码和数字调制解调等功能外，增加了对外接口的采集，保证大气高度等数据在数据模块故障或应急状态下关闭电源时，仍可以稳定可靠的获取大气数据。在此情况下，应答机的功能降级到level 1级，该功能通过软件监控和切换实现。
所述电源模块包括正常工作模式和应急工作模式，在正常工作模式对整个架构进行供电，在应急工作模式下对信号模块的备份处理单元，射频模块的通道开关、S模式接收机和发射机进行供电。
进一步地，所述电源模块可接收外部控制信号，根据所述控制信号进行两种工作模式的切换；所述电源模块还包括自检测模块，用于对电源模块的供电状态进行检测，并根据检测结果进行工作模式的切换。
本发明提供了一种综合监视系统的集成架构思路，为综合监视系统面向通航飞机、小型飞机、等的应用，提供一种设计方案。可以实现将空中防撞系统、空管应答机、自相关监视等系统进行深度集成，并保证了空管应答功能的备份和可靠性。
通过该方案可以设计出小体积、低功耗和轻重量的集成产品，集成后的系统组件数量从原分立系统的10个减少为3个，体积和重量减少一半以上，极大的降低了系统的安装复杂性、维护使用成本，可以为飞机平台减重做出贡献。
实施例2
本实施例，提供一种环境监视系统电路，包括实施例1所述的架构，所述电路包括与射频模块电路电连接的信号模块主电路、信号模块备份电路；数据模块电路与信号模块主电路连接；
所述信号模块主电路包括依次连接的主A/D转换电路、主FPGA和DSP；信号模块备份电路包括依次连接的备份A/D转换电路、主FPGA和接口电路；
主A/D转换电路和用于射频模块电路和数据模块电路发送的信号进行模数转换；主FPGA与所述数据模块电路、射频模块电路连接；主FPGA对射频模块电路发送的信号进行信号检测和解码处理并发送给数据模块电路，对数据模块电路发送的信号进行编码处理并发送射频模块进行问询、应答和广播；DSP与主FPGA数据交联，用于完成主FPGA数据计算；
备份A/D转换电路用于射频模块电路发送的信号进行模数转换；备份FPGA用于射频模块发送信号、数据采集接口采集的大气数据进行信号检测、编解码，并发送给射频模块进行应答；接口电路用于采集大气数据。
进一步地，所述信号模块主电路和备份电路均包括检测电路，用于检测信号模块主电路和备份电路的工作状态和电源供电。
Claims (8)
1.一种环境监视系统集成架构，其特征在于，所述架构包括依次连接的综合天线、射频模块、信号模块、数据模块及电源模块；
所述综合天线与射频模块信号连接；
所述射频模块，包括主通道和备份通道，所述主通道用于实现TCAS的射频收发、空管应答机的射频收发及ADS-B的广播和接收；所述备份通道用于实现空管应答机的射频收发；射频模块的主通道包括通道开关、发射机、TCAS接收机、S模式接收机；通道开关，用于在信号发送时完成发射机和接收机的切换、在信号接收时完成TCAS接收机和S模式接收机的切换以及S模式接收机主备通道的切换；TCAS接收机，用于完成对TCAS信号的接收；S模式接收机，用于完成对S模式信号的接收；射频模块的备份通道复用主通道的通道开关、发射机和S模式接收机；所述备份通道还包括备份发射机和备份S模式接收机；
所述信号模块，包括主处理单元和备份处理单元，所述主处理单元用于对来自射频模块和数据模块发送的信号进行模数转换、信号检测、编解码和协议解析；所述备份处理单元，用于实现空管应答信号的模式识别和编解码处理；
所述数据模块，用于对获取的载机数据信息和信号模块反馈的数据信息进行数据融合、监视跟踪、防撞处理；
电源模块，用于对射频模块、信号模块和数据模块供电。
2.根据权利要求1所述的环境监视系统集成架构，其特征在于，所述主通道和备份通道均用于对接收的外部信号进行解调和滤波处理、对来自信号模块的信号进行调制和放大处理。
3.根据权利要求1所述的环境监视系统集成架构，其特征在于，所述信号模块的主处理单元包括数据连接的主A/D转换电路、主FPGA，主A/D转换电路用于射频模块发送的信号进行模数转换；主FPGA与所述数据模块、射频模块连接；主FPGA对射频模块发送的信号进行信号检测和解码处理并发送给数据模块，对数据模块发送的信号进行编码处理并发送射频模块进行问询、应答和广播。
4.根据权利要求3所述的环境监视系统集成架构，其特征在于，所述信号模块的备份处理单元包括依次数据连接的备份A/D转换电路、备份FPGA和数据采集接口；备份FPGA用于接收数据采集接口采集的大气数据，同时对射频模块发送信号进行信号检测、编解码，并发送信号给射频模块进行应答。
5.根据权利要求1所述的环境监视系统集成架构，其特征在于，电源模块包括正常工作模式和应急工作模式， 在正常工作模式对整个架构进行供电，在应急工作模式下对信号模块的备份处理单元、射频模块的通道开关、S模式接收机和发射机进行供电。
6.根据权利要求5所述的环境监视系统集成架构，其特征在于，所述电源模块可接收外部控制信号，根据所述控制信号进行两种工作模式的切换；所述电源模块还包括自检测模块，用于对电源模块的供电状态进行检测，并根据检测结果进行工作模式的切换。
7.一种环境监视系统电路，包括权利要求1所述的架构，其特征在于，所述电路包括与射频模块电路电连接的信号模块主电路、信号模块备份电路；数据模块电路与信号模块主电路连接；
所述信号模块主电路包括依次连接的主A/D转换电路、主FPGA和DSP；信号模块备份电路包括依次连接的备份A/D转换电路、备份FPGA和接口电路；
主A/D转换电路用于射频模块电路发送的信号进行模数转换；主FPGA与所述数据模块电路、射频模块电路连接；主FPGA对射频模块电路发送的信号进行信号检测和解码处理并发送给数据模块电路，对数据模块电路发送的信号进行编码处理并发送射频模块进行问询、应答和广播；DSP与主FPGA数据交联，用于完成主FPGA数据计算；
备份A/D转换电路用于射频模块电路发送的信号进行模数转换；备份FPGA用于射频模块发送信号、进行信号检测、编解码，并发送给射频模块进行应答；数据采集接口电路用于采集大气数据。
8.根据权利要求7所述的一种环境监视系统电路，其特征在于，所述信号模块主电路和备份电路均包括检测电路，用于检测信号模块主电路和备份电路的工作状态和电源供电。
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