CN203444647U

CN203444647U - 基于ads-b和acars数据链路的民用飞机组合监视设备

Info

Publication number: CN203444647U
Application number: CN201320479652.9U
Authority: CN
Inventors: 曹渊
Original assignee: Tianjin Xipadiya Science & Technology Development Co Ltd
Current assignee: Tianjin Xipadiya Science & Technology Development Co Ltd
Priority date: 2013-08-07
Filing date: 2013-08-07
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2023-08-07

Abstract

本实用新型涉及基于ADS-B和ACARS数据链路的民用飞机组合监视设备，ADS-B地面接收监视模块、ACARS地面接收监视模块的分别与ADS-B和ACARS监视信息融合模块连接，ADS-B和ACARS监视信息融合模块与监视数据输出接口模块连接；由ADS-B地面接收监视模块进行信号的采集、AD转换、信号解码送入数据传输模块，由ACARS地面接收监视模块读取ACARS信号，将其信号转换为ascii码和传输，有益效果是：采用ADS-B数据链和ACARS数据链同时监视民用飞机飞行状态；提高对民用飞机监视的可靠性；有效弥补ADS-B和ACARS在单独监视时的不足；增大对民用飞机监视的信息量，保障飞机的安全。

Description

基于ADS-B和ACARS数据链路的民用飞机组合监视设备

技术领域

本实用新型涉及民用飞机监视设备，特别涉及基于ADS-B和ACARS数据链路的民用飞机监视设备。

背景技术

民用飞机监视设备是民航实施空中交通管制、保障航空运输安全高效有序运行的核心。ADS-B（Automatic Dependant Surveillance Broadcast，自动广播相关监视）是依靠GNSS（全球导航卫星系统）来确定空中飞行目标的精确位置及航行参数，是未来空域监视系统的发展方向。ADS-B监视设备具有更新速度快的特点，但不包含飞行计划信息、气象信息、发动机状态等信息。ACARS（Aircraft Communication Addressing and Reporting System，飞机通信寻址报告系统）监视设备同样作为空域监视的手段，具有信息丰富的特点，但存在报文更新比较慢的问题。目前国内外研究雷达与ADS-B信息融合处理的较多，尚未将ACARS与ADS-B数据进行融合对民用飞机进行监视。将ACARS信息融合到民用飞机监视中，对有效、全面的掌握飞机信息有重要意义。

发明内容

本实用新型的目的就是针对目前国内缺乏ADS-B和ACARS组合监视设备的现状，设计了一套基于ADS-B和ACARS数据链路的民用飞机组合监视设备。

采用ADS-B/ACARS组合对民用飞机进行监视。在ADS-B监视设备短时间丢点严重，信息不足时，融合ACARS监视设备数据，确保监视的连续性、丰富性。有利于提高对民用飞机监视的时空覆盖能力，有利于航空用户掌握当前空域飞机更全面的信息。

设计的基于ADS-B和ACARS数据链路的民用飞机组合监视设备依据中国民用航空局下发的AC-93-TM-2011-01文件，并参照美国航空无线电委员会（RTCA）《1090MHz 扩展电文ADS-B 和TIS-B 最低运行性能标准》（DO260B）进行设计开发完成的。数据处理是根据所有适用的国际标准，并符合RTCA DO-242A、RTCA DO-260以及DO-260A等文件所订下的国际标准，完全符合民航标准。结合低成本监视、安全性及耐用性，基于高速FPGA和DSP嵌入式架构，针对ADS-B和ACARS的特点，优化设计信号接收板卡，增强信号接收灵敏度，改进解码算法，提高了数据的实时性，实现高密度环境下的信息接收功能，包括抗干扰设计及算法、报头检测算法、多采样点多参数的代码搜集算法，以及基于置信度分析的纠错算法，最终实现了基于ADS-B和ACARS数据链路的民用飞机组合监视设备

本实用新型是通过这样的技术方案实现的：基于ADS-B和ACARS数据链路的民用飞机组合监视设备，其特征在于，包括ADS-B地面接收监视模块、ACARS地面接收监视模块、ADS-B和ACARS监视信息融合模块和监视数据输出接口模块；ADS-B地面接收监视模块、ACARS地面接收监视模块的分别与ADS-B和ACARS监视信息融合模块连接，ADS-B和ACARS监视信息融合模块与监视数据输出接口模块连接；

述ADS-B地面接收监视模块包括FPGA控制模块、DSP处理模块、AD转换电路、电源电路；信号解调接收模块和数据传输模块；

信号解调接收模块与AD转换电路连接, AD转换电路与FPGA控制模块连接， FPGA控制模块与DSP处理模块连接，DSP处理模块与数据传输模块连接；

所述ACARS地面接收监视模块包括DSP电路、ACARS音频电路和传输电路；DSP电路分别与ACARS音频电路和传输电路连接；

所述ADS-B和ACARS监视信息融合模块包括DSP电路和网络传输模块，DSP电路采用TMS320C6455芯片。

本实用新型的有益效果是： 1）能够采用ADS-B数据链和ACARS数据链同时监视民用飞机飞行状态；2）可以将ADS-B信息与ACARS信息融合，提高对民用飞机监视的可靠性；3）可以有效弥补ADS-B和ACARS在单独监视时存在的不足；4）可以增大对民用飞机监视的信息量，保障飞机的安全。

附图说明

图1、系统框图；

图2、ADS-B地面接收监视模块框图；

图3、ACARS地面接收监视模块框图；

图4、ADS-B和ACARS监视信息融合模块框图；

图5、信号流程框图；

图6、AD转换电路图；

图7、电源电路图；

图8、传输模块原理图；

图9、数据融合模块电路图；

图10、算法流程框图；

图11、网络电路图；

图12、ADS-B解码流程图；

图13、ACARS算法流程图；

图14、数据融合流程图。

具体实施方式

为了更清楚的理解本实用新型，结合附图和实施例详细描述本实用新型：

图1至图14所示，基于ADS-B和ACARS数据链路的民用飞机组合监视设备，包括ADS-B地面接收监视模块、ACARS地面接收监视模块、ADS-B和ACARS监视信息融合模块和监视数据输出接口模块；ADS-B地面接收监视模块、ACARS地面接收监视模块的分别与ADS-B和ACARS监视信息融合模块连接，ADS-B和ACARS监视信息融合模块与监视数据输出接口模块连接；

所述ADS-B地面接收监视模块包括FPGA控制模块、DSP处理模块、AD转换电路、电源电路；信号解调接收模块和数据传输模块；

由信号解调接收模块进行信号的采集，AD转换电路读取信号解调接收模块的数据，进行AD转换，转换后的数据送入FPGA控制模块，FPGA控制模块将得到的数据发送到DSP处理模块中，进行信号的解码，并送入数据传输模块中。

DSP电路通过ACARS音频电路读取ACARS信号，并在DSP电路中将其信号转换为ascii码，通过传输电路发送到数据融合模块；

所述ADS-B地面接收监视模块中的FPGA控制模块由ALTERA公司的Cyclon II-FPGA芯片、时钟电路、电源电路组成；DSP处理模块由DSP芯片TMS320C6678、时钟电路、电源电路组成；AD转换电路由高速数据转换模块AD9269、时钟电路组成；电源电路采用DCDC电源模块；信号解调接收模块采用1090MHz解调接收模块；数据传输模块采用FT232芯片和网络传输。

所述ACARS地面接收监视模块中的DSP电路由TI公司的DSP芯片TMS320C5509、时钟模块组成；CARS音频电路是16位语音模块；传输电路由Cypress传输模块、网口传输模块组成；

如图2所示为ADS-B地面接收监视模块；

FPGA控制模块由ALTERA公司的Cyclon II-FPGA芯片、时钟电路组成；DSP处理器电路由DSP芯片TMS320C6678、时钟电路组成；AD转换电路由高速数据转换模块AD9269、时钟模块组成；电源电路采用、高效DCDC电源模块；

（1）FPGA控制模块：

FPGA作为该设计的核心控制部分。实施例中选用ALTERA公司的EP2C5Q208C8芯片。它具有144个引脚,其中102个 I/O 通信口，4608个逻辑单元，288个LAB，完全能够满足ADS-B信息处理的要求。

（2）DSP处理模块

TI C6678基于其最新DSP系列器件TMS320C66x 之上，采用8个1.25GHz DSP内核构建而成，并在单个器件上完美集成了 320 GMAC 与 160 GFLOP 定点及浮点性能，从而使用户不仅能整合多个DSP以缩小空间并降低成本，同时还能减少整体的功耗要求。

（3）AD转换电路

ADC转换电路采用ADI公司的AD9269芯片，该芯片支持16位数据转换，转换速率可以到达120Mps。在保证采样精度的前提下，该电路能够满足ADS-B信号采样的要求。其AD（模数）转换电路如图3所示。

（4）电源电路

该电路能够同时输出12V、5V、3.3V、1.8V的电压，能够满足FPGA和ADC转换电路的使用要求。其设计电路如图4所示。

如图3所示为ACARS地面接收监视模块；

ACARS监视信息融合模块包括TI公司的TMS320C5509芯片、 16位语音模块、Cypress传输模块、网口传输模块。

(1)DSP电路

TMS320C5509 DSP是目前集成度最高的通用DSP，可实现因特网媒体娱乐终端、个人医疗、个人识别、保密技术、数码相机、个人摄像机等应用。 C5509 DSP 支持最广泛的DSP板上外围器件，包括用于直接连接PC机或其它USB主机设备的USB 1.1端口，支持移动设备普遍使用的多媒体卡（MultiMedia Card,简称MMC）和数字存储卡（Secure Digital Memory Card,简称SD卡）等便携式存储卡。其无与伦比的功能集成可使设计者在设计电池供电产品和连接PC机产品时，将主板空间和功率降低3倍，且支持大多数流行的可移动存储标准和多媒体格式。

(2) ACARS音频电路

ACARS监视模块采用TI公司的TLV320AIC23B实现信号的输入，TLV320AIC23B是一片音频CODEC器件，它的基本功能包括：48KHZ 带宽、96KHZ 采样率、双声道立体声AD、DA；音频输出包括：立体声输出（提供耳机功率放大器，能提供30mW 输出功率，驱动32 欧姆负载）。内置耳机输出功率放大，支持MIC 和LIN IN 两种输入方式（二选一），并且输入和输出都具有可编程增益调节。AIC23B 的模数转换ADC 和数模转换DAC 部件高度集成在芯片内部，实施例中采用了先进的

Sigma-Delta 过采样技术，可以在8K 到96K 采样率范围内提供16位、20 位、24 位和32 位采样，ADC 和DAC 的信噪比分别可到达90dB 和100dB。同时，AIC23B 还具有很低的功耗，回放模式下功率仅为23mW，省电模式下更是少于15uW。

(3) 传输电路设计

采用了FT232作为传输介质，它提供的USB转RS422/RS485,在RS422/RS485和USB口之间建立可靠的连接。利用USB接口具有的即插即用和热插拔的能力可以给RS422/RS485设备提供非常容易使用的环境。同时利用RS422/RS485具有的远距离传输和抗干扰性能好等特点赋予了USB口远距离传输的功能。它的设计可以让你方便地连接ACARS的信号解码设备，并提供高达3Mbps的传输速率。

FT232为工业级的控制芯片，可以实现单芯片的USB转异步串口工作模式（ASNC），能够支持接口支持UART 7 / 8 Bit 数据位、1 / 2 停止位、奇偶校验、Mark/Space校验或无校验。其通信速率： 300=>3M（TTL）、300 => 1M（RS232）， 300 => 3M（RS422/RS485）；具有384 Byte传输缓冲区，128 Byte传输缓冲区。芯片内部集成了电平转换器，I/O口电平支持5V-3.3V伏电平逻辑。其USB IO可以提供3.3V 稳压器。集成电源复位电路和6MHz – 48Mhz时钟乘法器（PLL）Bulk。能够兼容UHCI/OHCI/EHCI主控芯片和USB 2.0。具有EEPROM,存放VID、PID、序列号、产品简单描述等信息。能够实现USB在线编程EEPROM。

如图4所示为ADS-B和ACARS监视信息融合模块；

(1) 硬件系统：

数据融合模块采用TMS320C6455芯片，可用于高速数据、视频信号检测，分析等应用。 DSP时钟主频1GHz，支持1.2GHz；内存总线独立，板载 DDR2-500 256MB；支持4MB Nor Flash；支持千兆网络接口；支持 I2C的 E2Prom。接口支持FMC标准的HPC连接器，支持 EMIF 64bit宽度，同步100MHz传输；接口支持FMC标准的LPC连接器支持EMIF32bit宽度，同步100MHz，Mcbsp1，RapidIOX1，Flash仅支持4MB；连接电源 +12V，+3.3V 。板卡独立供电+5V到+12V均可，模块最大功耗在8W。

(2) 软件算法：

本设计软件算法从数据的预处理、时间校准、数据的关联匹配统一三方面进行了数据融合，具体如图7所示。编写数据野值剔除函数、时间校准函数、呼号关联函数、状态关联函数，实现数据融合。为达到数据共享的目的，调用Winsock控件，采用UDP定点广播的方式，为数据用户提供服务。

(3)监视数据输出接口模块：

数据传输采用网口输出，物理芯片用的是Marvell公司的88E1111。88E1111芯片是千兆网芯片，支持GMII,RGMII,MII等接口；具备4个GMII时钟模式和支持自适应功能、MDC/MDIO/TWSI接口；超低功耗模式和功率降低模式；采用0.13um CMOS和RoHS工艺。

本实用新型的工作流程：

（1） ADS-B解码流程：

程序设计包括ADC采样、报头识别、参考功率计算、功率一致性检测、CRC校验、UART发送等部分，其流程图如图12所示

（2） ACARS解码设计：

解调部分采用AD采样软件解调。ACARS调制体系中对普通MSK信号和ACARS MSK调制信号的对比及得出的频率、相位拘束条件：ACARS MSK调制信号以f2(1200Hz)音频信号正半波表示码元“0”，负半波表示码元“1”，当前后码元位值不同时，码元采用f2(1200Hz)做载频；当前后码元位值相同时，后一码元采用f1(2400Hz)做载频。可以得出算法，算法流程如图13所示。

(3)数据融合流程：

数据融合流程包括数据预处理、时间校准、数据关联匹配、融合报文输出，具体如图14所示。

1) 数据预处理：

通过数据滤波将采集的数据预处理，可以增加数据的可信度，提高目标的识别率，最终提高数据融合的效率。在融合前首先滤波剔除错误点，消除其对后续计算的影响。

2）时间校准：

时间校准是实现ADS-B/ACARS数据融合的关键技术之一。因为ADS-B报文中没有UTC时间，只能靠卫星给ADS-B设备单独授时，而ACARS设备中的报文信息是含有UTC时间的。将两个数据链路的数据融合，必须建立在同一时间上，否则融合后数据可用性不高。基于此本设计从以下步骤对时间提取和校准：

接收一定数量的数据，将两种数据的UTC时间进行对比，检测跟踪目标的时间一致性。具体校准方法采取了以下步骤：

（1）读取ADS-B设备的UTC时间，当获取成功后，记录下该时间。

（2）以上步骤中记录下来的UTC时间为搜素标识，搜索ACARS设备报文中的UTC时间。当时间落入一定时间域

（

分钟）时，认为时间匹配上。

3）数据关联匹配：

在将ADS-B航迹和ACARS相关联时，把相关信息（即用来判断是否关联的信息）划分为三类：一类是标识信息，即飞机的呼号信息；另一类是飞机状态信息，包括飞机的位置、高度、航向和时间信息；第三类是飞机意向信息，包含飞行计划信息、飞行意图信息。这三类中标识信息，是数据融合的关键。

ADS-B信息是通过24位的ICAO地址来区分每条报文的，而ACARS是通过飞机注册号来区分报文的。进行数据匹配，必须进行标识信息的关联。

当状态相关成功后，认为两数据链已经关联上，将ADS-B的意图变更的信息，ACARS的飞行计划信息、气象信息、OOOI时间信息关联到信息报文中，输出给用户界面。

4）融合报文数据输出：

本设计采用网络共享的方式将融合保温数据输出，为民航用户提供信息。

根据上述说明，结合本领域技术可实现本实用新型的方案。

Claims

1.基于ADS-B和ACARS数据链路的民用飞机组合监视设备，其特征在于，包括ADS-B地面接收监视模块、ACARS地面接收监视模块、ADS-B和ACARS监视信息融合模块和监视数据输出接口模块；ADS-B地面接收监视模块、ACARS地面接收监视模块的分别与ADS-B和ACARS监视信息融合模块连接，ADS-B和ACARS监视信息融合模块与监视数据输出接口模块连接；

2.如权利要求1所述基于ADS-B和ACARS数据链路的民用飞机组合监视设备，其特征在于，所述ADS-B地面接收监视模块中的FPGA控制模块由ALTERA公司的Cyclon II-FPGA芯片、时钟电路、电源电路组成；DSP处理模块由DSP芯片TMS320C6678和时钟电路组成；AD转换电路由高速数据转换模块AD9269和时钟电路组成，电源电路采用DCDC电源模块，信号解调接收模块采用1090MHz解调接收模块；数据传输模块中的USB模块采用FT232芯片。

3. 如权利要求1所述基于ADS-B和ACARS数据链路的民用飞机组合监视设备，其特征在于，所述ACARS地面接收监视模块中的DSP电路由TI公司的DSP芯片TMS320C5509、时钟模块组成；CARS音频电路是16位语音模块；传输电路由Cypress公司的USB模块、网口传输模块组成。