CN114664124A - 一种航空器机载综合防撞系统及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航空器机载综合防撞系统及其实现方法，涉及航空技术领域，由于无人机等小型航空器机身小，直接应用传统防撞系统不仅会增耗了航空器加装设备的资源，还无法直接加装机载防撞设备，本发明通过配置综合天线模块，可避免在小型航空器机身上加装防撞系统所需要的多种天线设备，解决小型航空器机身小加装设备困难的问题，同时本方案通过综合处理主机接收识别询问信号和航管询问信号产生相应的识别应答和航管应答，并对目标航空器进行C模式和S模式询问，对目标航空器发射的应答信息、ADS‑B信息进行跟踪处理，另外产生载机ADS‑B信息实现ADS‑B OUT功能，综合处理主机同时实现综合应答、ADS‑B和防撞系统功能，大大减少了小型航空器的机身加装设备的天线、尺寸、重量资源。

Description

一种航空器机载综合防撞系统及其实现方法

技术领域

本发明涉及航空技术领域，具体涉及一种航空器机载综合防撞系统及其实现方法。

背景技术

近年来随着无人机等航空器的不断激增，空域变得越来越“拥挤”，存在空中碰撞的危险，为了预防空中碰撞的危险，通常需要机载的监视、防相撞设备来保障飞机的飞行安全。目前,无人机等小型飞机采用ADS-B IN进行空空监视空域内其他飞机，地对空的航管应答监视，缺乏空中交通避撞的告警，提示飞行操作员操作避让碰撞。无人机等小型航空器的应答设备(MA/MC/MS、M1/M2/M3等模式应答)和ADS-BIN设备是独立配置的，使用上下全向天线收发射频信号。

目前机载防撞设备采用定向天线进行询问探测目标飞机，适合中、大型运输机；但由于无人机等小型航空器机身小，安装天线的数量受限无法直接安装定向天线，不能加装机载防撞设备。无人机等小型航空器的应答设备(MA/MC/MS、M1/M2/M3等模式应答)和ADS-BIN设备是独立的，增耗了航空器加装设备的资源。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：传统的采用定向天线进行询问探测目标航空器的机载防撞设备适合中、大型航空运输机；但由于无人机等小型航空器机身小直接应用传统的防撞设备不仅会增耗航空器加装设备的资源，还无法直接实现机载防撞设备的加装；本发明目的在于提供一种航空器机载防撞系统及其实现方法，通过配置综合天线模块，就可以避免在小型航空器机身上加装防撞系统所需要的多种天线设备，解决小型航空器机身小加装设备困难的问题，同时本方案通过综合处理主机同时实现综合应答、ADS-B和防撞功能，大大减少了小型航空器的加装设备的尺寸和重量资源。

本发明通过下述技术方案实现：

本方案提供一种航空器机载综合防撞系统，包括：全向天线模块、综合天线模块和综合处理主机；

所述全向天线模块和综合天线模块用于接收识别询问信号、航管询问信号、目标航空器发射的航管应答信号、ADS-B信息；

所述综合处理主机用于接收识别询问信号和航管询问信号产生相应的识别应答和航管应答，还用于对目标航空器进行C模式和S模式询问，对目标航空器发射的应答和ADS-B信息进行跟踪处理；所述综合处理主机还用于产生发射载机ADS-B信息；

所述识别应答、航管应答信号、机载防撞询问和载机ADS-B信息通过全向天线模块和综合天线模块发出。

本方案工作原理：传统的采用定向天线进行询问探测目标航空器的机载防撞设备适合中、大型运输机；但由于无人机等小型航空器机身小直接应用不仅会增耗了航空器加装设备的资源，还无法直接加装机载防撞设备；本方案提供一种航空器机载综合防撞系统及其实现方法，通过配置综合天线模块，可避免在小型航空器机身上加装防撞系统所需要的多种天线设备，解决小型航空器机身小无法加装设备的问题，同时本方案通过综合处理主机同时实现综合应答、ADS-B和防撞系统，大大减少了小型航空器加装设备需要的尺寸和重量资源。

进一步优化方案为，所述综合处理主机还用于接收目标航空器发射的应答信号，并实时解析应答信号获得目标航空器的相对距离、相对高度和相对速度信息；

综合处理主机还基于目标航空器的相对距离、相对高度和速度信息评估目标航空器接近载机的威胁程度，依据威胁程度产生空中防撞告警信息。

进一步优化方案为，所述综合处理主机还用于通过1553B总线将空中防撞告警信息传输给综合显示器进行显示，并通过S模式应答的数据链将空中防撞告警信息发送给目标航空器。

进一步优化方案为，所述综合处理主机包括：电源单元、收发单元和处理单元；所述电源单元用于向处理单元和收发单元供电，接收载机加电的离散控制信号；所述收发单元为接收和发射一体化配置。

进一步优化方案为，所述收发单元用于接收综合天线模块的定向通道中频信号，并将定向通道中频信号经AD采样、数字处理后输出TCAS/ADS－B信号；

所述收发单元用于接收综合天线模块的全向通道中频信号，并将全向通道中频信号经AD采样、数字处理后输出应答的询问ASK信号和DPSK信号；

所述收发单元还用于接收全向天线模块的全向通道中频信号，一路经AD采样、数字处理输出TCAS/ADS－B信号；另一路经AD采样、数字处理输出应答的询问ASK信号和DPSK信号。

进一步优化方案为，所述处理单元包括FPGA信号处理机制、防撞监视处理机制和应答处理机制；

所述FPGA信号处理机制完成与目标航空器的加电控制、闭锁、大气数据、无线电高度的交互，同时FPGA信号处理机制通过同一个FPGA完成空中防撞询问、航管应答、识别应答的编码和译码及ADS-B译码。

传统的防撞系统中防撞设备处理模块需要一套独立的编码器译码器，应答(MA/MC/MS、M1/M2/M3等模式应答)设备的处理模块需要一套独立的编码器和译码器，防撞设备需要一套独立的编码器和译码器，ADS-B设备需要一套独立的编码器和译码器；本方案中FPGA信号处理机制采用多模式编译码技术，根据识别应答(M1、M2、M3/A)、航管应答(MC、MS)、防撞、ADS-B的编码优先级进行综合编码，根据不同应答模式的脉冲特性和DPSK的数据完整性进行综合译码；采用多模式编译码技术实现综合编码后只需要一套编码器和译码器。

同理传统的防撞设备处理模块的防撞处理软件需要一套独立的计算机板，监视软件需要一套独立的计算机板。本方案采用紧密调度的监视/防撞综合处理技术，进行多线程调度机制，构建以S模式询问应答、C模式询问应答及ADS-B报文为输入，以显示告警、语音告警和目标显示为输出的软件架构，实现本机跟踪、目标机跟踪、威胁跟踪、交通告警、决断告警、多机威胁、告警系统等功能，在一个计算机板上完成防撞和监视综合处理。

当同时接收到识别询问信号、航管询问信号和目标航空器发射的ADS-B信息时，多模式编译码技术根据识别应答(M1、M2、M3/A)、航管应答(MC、MS)、防撞、ADS-B的编码优先级进行编码。

进一步优化方案为，所述综合天线模块用于实现全向辐射和定向辐射，所述全向辐射为一路全向1030MHz射频信号的接收和1090MHz射频信号的发射；所述定向辐射为四路定向1090MHz射频信号的接收和1030MHz射频信号的发射。

传统的防撞设备需要多路接收通道和多路发射通道，应答需要多路接收通道和多路发射通道，ADS-B需要多路接收通道和多路发射通道；综合射频处理共用限幅、放大等前端接收电路，采用数字中频接收处理进行变频、滤波、解调，将原防撞/应答/ADS-B的接收简化。采用数字射频发射技术，发射通道数字处理直接产生1030MHz或1090MHz调制信号源，经过DA调制、滤波并驱动发射信号到所需要的功率电平进行发射，通过分集开关和天线选择开关进行分时发射，将原防撞/应答/ADS-B的多路发射进行简化。

采用全向与定向辐射共用的综合天线模块设计，综合天线模块是无源天线。在小型航空器原有应答全向天线的基础上，不用新增天线安装位置，使用综合天线模块替换应答天线即可在原应答功能的基础上新增空中防撞功能，传统的空中防撞、空管应答、识别应答、ADS-B独立设备分别独立使用多个天线。本方案创新性地对天线、射频和处理进行综合设计，使用一个综合天线模块和全向天线模块即可实现空中防撞、空管应答(A/C/S模式应答)、识别应答、ADS-B(IN、OUT)功能。

进一步优化方案为，所述综合天线模块包括：四个垂直极化的单极子阵子、定向馈电网络和等功分网络；

所述定向馈电网络用于实现输入射频信号的功率分配，保证预设的特定相位关系，形成天线波束的定向辐射；

所述等功分网络用于将输入射频信号形成四路等幅同相的信号分配于四个垂直极化的单极子阵子合成全向辐射。

进一步优化方案为，所述天线模块包括1个中心端口和4个周边端口，4个周边端口分别设置在天线四周，中心端口设置在天线中心，4个周边端口分别通过定向馈电网络对四个垂直极化的单极子阵子馈电形成前、后、左和右四个方向的定向辐射，中心端口通过等功分网络分配到四个垂直极化的单极子阵子形成全向辐射。

全向天线模块也可以接收TCAS询问目标飞机的应答(1090MHz)、ADS－B IN、识别询问、空管询问(1030MHz)射频信号，发送TCAS询问(1030MHz)、ADS－B OUT、识别应答、空管应答(1090MHz)射频信号。

本方案还提供一种航空器机载综合防撞系统实现方法，应用于上述的机载综合防撞系统，包括：

全向天线模块和综合天线模块接收识别询问信号、航管询问信号、目标航空器发射的ADS-B信息并传输至综合处理主机；

综合处理主机接收识别询问信号和航管询问信号产生相应的识别应答和航管应答，并对目标航空器发射的ADS-B信息进行跟踪处理，还产生载机ADS-B信息；

综合处理主机将识别应答、航管应答和载机ADS-B信息通过全向天线模块和综合天线模块发出。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明提供的一种航空器机载综合防撞系统及其实现方法，通过配置综合天线模块，可避免在小型航空器机身上加装防撞系统所需要的多种天线设备，解决小型航空器机身小无法加装设备的问题，同时本方案通过综合处理主机接收识别询问信号和航管询问信号产生相应的识别应答和航管应答，并对目标航空器进行C模式和S模式询问，对目标航空器发射的应答信息、ADS-B信息进行跟踪处理，另外产生载机ADS-B信息实现ADS-B OUT功能，同时实现综合应答、ADS-B和防撞系统功能，大大减少了小型航空器的机身加装设备的天线、尺寸、重量资源。

附图说明

为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：

图1为航空器的机载防撞系统结构示意图；

图2为综合天线结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

本实施例提供一种航空器机载综合防撞系统，如图1所示，包括：全向天线模块、综合天线模块和综合处理主机；

所述全向天线模块和综合天线模块用于接收识别询问信号、航管询问信号、目标航空器发射的航管应答信号、ADS-B信息；

所述综合处理主机用于接收识别询问信号和航管询问信号产生相应的识别应答和航管应答，还用于对目标航空器进行C模式和S模式询问，对目标航空器发射的应答和ADS-B信息进行跟踪处理；所述综合处理主机还用于产生发射载机ADS-B信息；

所述识别应答、航管应答、机载防撞询问和载机ADS-B信息通过全向天线模块和综合天线模块发出。

所述综合处理主机还用于接收目标航空器发射的应答信号，并实时解析应答信号获得目标航空器的相对距离、相对高度和相对速度信息；

综合处理主机还基于目标航空器的相对距离、相对高度和相对速度信息评估目标航空器接近载机的威胁程度，依据威胁程度产生空中防撞告警信息。

所述综合处理主机还用于通过1553B总线将空中防撞告警信息传输给综合显示器进行显示，并通过S模式应答的数据链将空中防撞告警信息发送给目标航空器。

所述综合处理主机包括：电源单元、收发单元和处理单元；所述电源单元用于向处理单元和收发单元供电，接收载机加电的离散控制信号；所述收发单元为接收和发射一体化配置。

所述收发单元用于接收综合天线模块的定向通道中频信号，并将定向通道中频信号经AD采样、数字处理后输出TCAS/ADS－B信号；

所述收发单元用于接收综合天线模块的全向通道中频信号，并将全向通道中频信号经AD采样、数字处理后输出应答的询问ASK信号和DPSK信号；

所述收发单元还用于接收全向天线模块的全向通道中频信号，一路经AD采样、数字处理输出TCAS/ADS－B信号；另一路经AD采样、数字处理输出应答的询问ASK信号和DPSK信号。

所述处理单元包括FPGA信号处理机制、防撞监视处理机制和应答处理机制；

所述FPGA信号处理机制完成与目标航空器的加电控制、闭锁、大气数据、无线电高度的交互，同时FPGA信号处理机制通过同一个FPGA完成空中防撞、航管应答、识别应答的编码和译码及ADS-B译码。

所述综合天线模块用于实现全向辐射和定向辐射，所述全向辐射为一路全向1030MHz射频信号的接收和1090MHz射频信号的发射；所述定向辐射为四路定向1090MHz射频信号的接收和1030MHz射频信号的发射。

如图2所示，所述综合天线模块包括：四个垂直极化的单极子阵子、定向馈电网络和等功分网络；

所述定向馈电网络用于实现输入射频信号的功率分配，保证预设的特定相位关系，形成天线波束的定向辐射；

所述等功分网络用于将输入射频信号形成四路等幅同相的信号分配于四个垂直极化的单极子阵子合成全向辐射。

所述天线模块包括1个中心端口和4个周边端口，4个周边端口分别设置在天线四周，中心端口设置在天线中心，4个周边端口分别通过定向馈电网络对四个垂直极化的单极子阵子馈电形成前、后、左和右四个方向的定向辐射，中心端口通过等功分网络分配到四个垂直极化的单极子阵子形成全向辐射。

实施例2

本实施例提供一种航空器机载综合防撞系统实现方法，应用于上一实施例的机载防撞系统，包括步骤：

全向天线模块和综合天线模块接收识别询问信号、航管询问信号、目标航空器发射的ADS-B信息并传输至综合处理主机；

综合处理主机识别询问信号和航管询问信号产生相应的识别应答和航管应答，并对目标航空器发射的ADS-B信息进行跟踪处理，还产生载机ADS-B信息；

综合处理主机将识别应答、航管应答和载机ADS-B信息通过全向天线模块和综合天线模块发出。

航空器通过空/地离散接口控制综合处理主机加电。

综合处理主机通过1553B总线接收大气高度、无线电高度、经纬度、航班号、S模式地址、A代码等飞机信息，发送防撞监视的目标飞机位置、ADS-B监视的目标航空器位置和防撞告警信息给飞机综合显示器显示。

综合处理主机通过综合天线或全向天线接收识别询问或航管询问信号，然后进行解调、译码。然后，综合处理主机进行相应的识别应答或航管应答编码，并进行调制通过综合天线或全向天线发射，实现识别应答或航管应答功能。

综合处理主机通过综合天线的定向通道或全向天线接收目标航空器发射的ADS-B信息，然后进行解调、译码并对目标航空器的ADS-B数据进行跟踪处理，通过1553B总线送给综合显示器显示，实现ADS-B IN功能。综合处理主机将接收的经纬度、航班号等载机的信息进行ADS-B编码，并进行调制通过综合天线或全向天线发射，实现ADS-B OUT功能。综合处理主机在1秒周期内对360度范围内的目标航空器进行询问编码，进行调制通过综合天线定向通道或全向天线发射询问信号(1030MHz)。然后，综合处理主机接收目标航空器的应答信号，进行解调、译码获得目标航空器的相对距离、相对高度和相对速度信息，并对目标航空器进行监视跟踪，进行评估目标航空器接近载机的威胁程度，产生空中防撞告警，通过S模式应答的数据链将防撞告警信息发送给目标航空器进行协同避撞，将目标航空器的位置信息和告警信息通过1553B总线传输给综合显示器显示，实现空中防撞告警功能。

综合处理主机主要由电源单元、收发单元、处理单元组成。电源单元主要为处理单元和收发单元供电，接收载机加电的离散控制信号。收发单元采用接收和发射一体化综合设计，主要由6路接收通道、6路发射通道、数字处理等组成，相比传统的设备减少3路接收通道和3路发射通道。收发单元接收综合天线4路定向通道、综合天线1路全向通道和全向天线1路全向通道信号。接收综合天线模块的5路射频信号(1090MHz/1030MHz)经限幅、放大、变频滤波后形成4路定向通道信号(1090MHz)和1路全向通道信号(1030MHz)。接收的4路定向通道信号混频后形成中频信号，经AD采样、数字处理后输出4路TCAS/ADS－B信号幅度。接收的综合天线模块全向通道中频信号，经AD采样、数字处理输出1路应答的询问ASK信号和1路DPSK信号。接收全向天线模块的信号分两路，一路混频产生中频信号，经AD采样、数字处理输出1路TCAS/ADS－B信号，一路混频产生中频信号，经AD采样、数字处理输出1路ASK信号和1路DPSK信号。

处理单元采用综合处理设计主要由FPGA信号处理机制、防撞监视处理机制、应答处理机制等组成。FPGA信号处理机制完成与航空器的、闭锁、大气数据、无线电高度等信息交互。同时，FPGA信号处理机制采用综合信号处理使用一个FPGA完成空中防撞、空管应答(A/C/S模式应答)、识别应答的编码和译码及ADS-B译码，相比传统的设备减少了2个编码器和译码器。防撞监视处理机制采用一个处理器完成对TCAS和ADS－B目标飞机的监视跟踪和TCAS防撞告警处理，相比传统的设备减少了1个处理器。应答处理单元采用一个处理器实现MA/MC/MS、M1/M2/M3等模式应答和ADS－B OUT的处理，相比传统的设备减少1个处理器。

本发明采用全向通道和定向通道综合化设计的综合天线实现空中防撞、应答(MA/MC/MS、M1/M2/M3等模式应答)、ADS-B(IN、OUT)功能，相比原传统设备减少了2个天线；综合处理主机采用接收和发射通道综合射频和综合处理设计，减小了3路接收通道、3路发射通道、1个处理器、2个编码器和译码器，实现空中防撞、应答(MA/MC/MS、M1/M2/M3等模式应答)、ADS-B功能，相比原传统设备体积和重量减小了三分之一。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种航空器机载综合防撞系统，其特征在于，包括：全向天线模块、综合天线模块和综合处理主机；

所述全向天线模块和综合天线模块用于接收识别询问信号、航管询问信号、目标航空器发射的航管应答信号、ADS-B信息；

所述综合处理主机用于接收识别询问信号和航管询问信号产生相应的识别应答和航管应答，还用于对目标航空器进行C模式和S模式询问，对目标航空器发射的应答和ADS-B信息进行跟踪处理；所述综合处理主机还用于产生发射载机ADS-B信息；

所述识别应答、航管应答信号、机载防撞询问和载机ADS-B信息通过全向天线模块和综合天线模块发出。

2.根据权利要求1所述的一种航空器机载综合防撞系统，其特征在于，所述综合处理主机还用于接收目标航空器发射的应答信号，并实时解析应答信号获得目标航空器的相对距离、相对高度和相对速度信息；

综合处理主机还基于目标航空器的相对距离、相对高度和相对速度信息评估目标航空器接近载机的威胁程度，依据威胁程度产生空中防撞告警信息。

3.根据权利要求2所述的一种航空器机载综合防撞系统，其特征在于，所述综合处理主机还用于通过1553B总线将空中防撞告警信息传输给综合显示器进行显示，并通过S模式应答的数据链将空中防撞告警信息发送给目标航空器。

4.根据权利要求2所述的一种航空器机载综合防撞系统，其特征在于，所述综合处理主机包括：电源单元、收发单元和处理单元；所述电源单元用于向处理单元和收发单元供电，接收载机加电的离散控制信号；所述收发单元为接收和发射一体化配置。

5.根据权利要求4所述的一种航空器机载综合防撞系统，其特征在于，所述收发单元用于接收综合天线模块的定向通道中频信号，并将定向通道中频信号经AD采样、数字处理后输出TCAS/ADS－B信号；

所述收发单元用于接收综合天线模块的全向通道中频信号，并将全向通道中频信号经AD采样、数字处理后输出应答的询问ASK信号和DPSK信号；

所述收发单元还用于接收全向天线模块的全向通道中频信号，一路经AD采样、数字处理输出TCAS/ADS－B信号；另一路经AD采样、数字处理输出ASK信号和DPSK信号。

6.根据权利要求4所述的一种航空器机载综合防撞系统，其特征在于，所述处理单元包括FPGA信号处理机制、防撞监视处理机制和应答处理机制；

所述FPGA信号处理机制完成与目标航空器闭锁、大气数据、无线电高度的交互，同时FPGA信号处理机制通过同一个FPGA完成防撞、航管应答、识别应答和ADS-B的编码及译码。

7.根据权利要求1所述的一种航空器机载综合防撞系统，其特征在于，所述综合天线模块用于实现全向辐射和定向辐射，所述全向辐射为一路全向1030MHz射频信号的接收和1090MHz射频信号的发射；所述定向辐射为四路定向1090MHz射频信号的接收和1030MHz射频信号的发射。

8.根据权利要求7所述的一种航空器机载综合防撞系统，其特征在于，所述综合天线模块包括：四个垂直极化的单极子阵子、定向馈电网络和等功分网络；

所述定向馈电网络用于实现输入射频信号的功率分配，保证预设的特定相位关系，形成天线波束的定向辐射；

所述等功分网络用于将输入射频信号形成四路等幅同相的信号分配给四个垂直极化的单极子阵子合成全向辐射。

9.根据权利要求8所述的一种航空器机载综合防撞系统，其特征在于，所述综合天线模块包括1个中心端口和4个周边端口，4个周边端口分别设置在天线四周，中心端口设置在天线中心，4个周边端口分别通过定向馈电网络对四个垂直极化的单极子阵子馈电形成前、后、左和右四个方向的定向辐射，中心端口通过等功分网络分配到四个垂直极化的单极子阵子形成全向辐射。

10.一种航空器机载综合防撞系统实现方法，其特征在于，应用于权利要求1-9任意一项所述的机载综合防撞系统，包括步骤：

全向天线模块和综合天线模块接收询问信号、航管询问信号、目标航空器发射的ADS-B信息并传输至综合处理主机；

综合处理主机接收识别询问信号和航管询问信号产生相应的识别应答和航管应答，并对目标航空器发射的ADS-B信息进行跟踪处理，还产生载机ADS-B信息；

综合处理主机将识别应答、航管应答和载机ADS-B信息通过全向天线模块和综合天线模块发出。

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