CN217063725U - 通航机载监视设备 - Google Patents

Abstract

本申请涉及航空安全技术领域，公开了一种通航机载监视设备，包括主控板、通信板、射频板、天线组件和电源管理板，主控板分别与通信板、射频板、电源管理板连接；天线组件包括定位天线、通信天线和射频天线，定位天线与定位模块连接，通信天线与通信板连接，射频天线与射频板连接；通信板包括北斗短报文通信模块和4G移动通信模块；射频板通过射频天线收发ADS‑B信号；主控板包括处理器和定位模块，定位模块用于获取航空器实时的动态信息，处理器模块用于控制通信板和射频板下发态信息；电源管理板用于将外部输入电源转换为各电路板所需的电压，电源管理板上的各电压输出接口与对应电路板上的供电接口连接。

Description

通航机载监视设备

技术领域

本申请涉及航空安全技术领域，尤其涉及一种通航机载监视设备。

背景技术

长期以来，通用航空以其航空器类型多、作业项目全、起降条件要求低、机动能力强，以及短途运输灵活、方便、快捷等特点，在应急救援、抢险救灾中始终发挥着不可替代的重要作用。通用航空器由于种类繁多、机载配置差异大，执行飞行任务时的飞行环境复杂，地面监管人员如何实时获得通航飞机的实时飞行态势，实现有效的监视，用于提供运行决策建议，是通用航空安全运行的关键需求。

实用新型内容

为了满足各类通航飞行环境和地面监视系统的需求，本申请实施例提供一种通航机载监视设备，包括：主控板、通信板、射频板、天线组件和电源管理板，所述主控板分别与所述通信板、所述射频板、所述电源管理板连接；

所述天线组件包括定位天线、通信天线和射频天线，所述定位天线与所述定位模块连接，所述通信天线与所述通信板连接，所述射频天线与所述射频板连接；

所述通信板包括北斗短报文通信模块和4G移动通信模块；

所述射频板通过所述射频天线收发ADS-B信号；

所述主控板包括处理器和定位模块，所述定位模块用于获取航空器实时的动态信息，所述处理器模块用于控制所述通信板和所述射频板下发所述态信息；

所述电源管理板用于将外部输入电源转换为各电路板所需的电压，所述电源管理板上的各电压输出接口与对应电路板上的供电接口连接。

可选地，所述主控板还包括环境传感模块，所述环境传感模块包括气压传感器、温度传感器以及湿度传感器中的至少一种，所述处理器模块还用于控制所述通信板和所述射频板下发所述环境传感模块检测的数据。

可选地，所述主控板包括核心子板和扩展子板，所述核心子板集成了处理器、内存、闪存、GPIO和串口，所述扩展子板集成了定位模块和环境传感模块。

可选地，所述定位模块包括型号为DM502D的GNSS定位单元；所述环境传感模块包括型号为BME280的环境传感器。

可选地，所述射频板还用于接收周边其它航空器发送的ADS-B信号，以获取周边其它航空器的监视信息。

可选地，所述北斗短报文通信模块包括型号为DM222的芯片。

可选地，所述4G移动通信模块包括型号为EC20的无线通信模块。

可选地，所述射频板包括XPS-TR模块和TT_SC1模块，所述XPS-TR模块用于实现ADS-B信号的发送，所述TT_SC1模块用于实现ADS-B信号的接收。

可选地，各个电路板之间通过板对板连接器进行连接并实现信号传输。

可选地，所述电源管理板包括源输入模块、升压模块和降压模块；

所述电源输入模块包括电源输入接口、保险丝、EMC器件，所述电源输入接口为支持直流9-32V输入电压的接口，所述电源输入接口经过所述保险丝后与所述EMC器件连接，所述EMC器件用于对电源进行滤波并输出稳定的28V直流电；

所述升压模块用于对所述28V直流电进行升压操作，以获得高于28V的电压；

所述降压模块用于对所述28V直流电进行降压操作，以获得低于28V的电压。

本申请实施例提供的通航机载监视设备，实现了飞机监视信息的多通信链路(ADS-B、北斗短报文、4G移动通信)下发，地面系统不管是单一监视链路、多监视链路均能实现飞机飞行动态的监视，对地面监视系统的建设情况提供了更大的适应性。通航机载监视设备内部根据不同的通信链路，采用模块化功能板卡设计的方式，当某个通信子板的故障，不会引起其他通信链路的失效，能够提高设备的可靠性。此外，模块化功能板卡设计的方式，使得实际应用中可以根据地面监视系统便捷得配置具有不同功能的通航机载监视设备，比如地面监视系统仅具备ADS-B信号监视功能，可将通航机载监视设备中的北斗短报文通信模块去掉，无需对设备的软件、硬件做其他改动，降低设备成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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它的附图。

图1为本申请实施例提供的通航机载监视设备的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的主控板的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的核心子板的接口原理电路的示意图；

图4为本申请实施例提供的GNSS定位单元的接口原理电路的示意图；

图5为本申请实施例提供的BME280的接口原理电路的示意图；

图6为本申请实施例提供的通信板的结构示意图；

图7为本申请实施例提供的北斗短报文通信模块与核心子板的接口电路的示意图；

图8为本申请实施例提供的4G移动通信模块与核心子板的接口电路的示意图；

图9为本申请实施例提供的射频板的结构示意图；

图10为本申请实施例提供的XPS-TR模块与主控的接口电路的示意图；

图11为本申请实施例提供的TT_SC1模块模块主控的接口电路的示意图；

图12为本申请实施例提供的电源管理板的结构示意图；

图13为本申请实施例提供的电源输入模块的电路原理图；

图14为本申请实施例提供的DC 28V转DC 50V的电路原理图；

图15为本申请实施例提供的DC 28V转DC 5V的电路原理图；

图16为本申请实施例提供的DC 5V转DC-5V的电路原理图；

图17为本申请实施例提供的DC 5V转DC 3.3V的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。

需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合；并且，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本申请，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

附图中的任何元素数量均用于示例而非限制，以及任何命名都仅用于区分，而不具有任何限制含义。

根据国内外民航业的监视技术发展趋势，目前可用于通航监视的技术有：

(1)卫星定位+广播式自动相关监视(ADS-B)：通过卫星定位获取通航飞机的实时位置、高度、速度等信息，采用1090兆赫扩展电文(1090ES)为地空数据链，将飞机监视信息发送至地面。优点是1090ES数据链路监视数据更新率高，但监视效果依赖于地面部署相应的1090ES接收系统。

(2)卫星定位+北斗短报文(GNSS+RDSS)：通过卫星定位获取通航飞机的实时位置、高度、速度等信息，采用北斗短报文为地空数据链，将飞机监视信息发送至地面。优点是基于北斗短报文的传输链路，可实现空域全覆盖，但是受北斗短报文通信频次限制，数据更新率较低。

(3)卫星定位+移动通信网网络：通过卫星定位获取通航飞机的实时位置、高度、速度等信息，采用移动通信网络实现监视信息传输。优点是不用单独建设地面接收系统，数据更新率高，但是覆盖效果受地面移动通信基站布局影响，且对空中覆盖效果会随着飞行高度的增加逐渐变差。

(4)低空监视雷达、光学探测等新监视技术，目前还没有成熟应用。

上述前三种技术方式，已有部分应用案例，第四种新监视技术目前还不成熟。

为此，本申请提出了一种通航机载监视设备，能够自主获取通航飞机的位置、高度、速度等实时的动态信息，同时通过北斗短报文、移动通信、ADS-B三种数据链传输方式向外发送航空器的监视信息，以满足各类通航飞行环境和地面监视系统的需求。

参考图1，本申请实施例提供的通航机载监视设备由模块化架构的不同功能板卡构成，具体包括：主控板、通信板、射频板、天线组件和电源管理板，主控板分别与通信板、射频板、电源管理板连接。

其中，天线组件包括定位天线、通信天线和射频天线，定位天线与定位模块连接，通信天线与通信板连接，射频天线与射频板连接，各个通信单元通过各自连接的天线实现数据收发。

主控板包括处理器和定位模块，定位模块用于获取航空器实时的动态信息，处理器模块用于控制通信板和射频板下发态信息。主控板主要负责整个通航机载监视设备的控制与通信功能，通过与各个外设模块通信，获取航空器实时的动态信息，动态信息包括航空器高精度定位信息、航空器高度信息、航空器标识信息、状态信息(速度、航向、升降)等，最终通过多种链路(包括北斗短报文通信链路、4G通信链路和ADS-B通信链路)传输到地面监视系统，实现监视功能。此外，通航机载监视设备可保存下发的数据，并支持日志记录功能与轨迹回放功能，实现航空器动态信息的记录和回放，方便后续分析和查看。

进一步地，主控板还包括环境传感模块，环境传感模块包括气压传感器、温度传感器以及湿度传感器中的至少一种，处理器模块还用于控制通信板和射频板下发环境传感模块检测的数据。

参考图2，主控板采用核心子板加扩展子板方式，以方便后续功能的扩展和调整。其中，核心子板集成了处理器、内存、闪存、GPIO和各类串口，扩展子板集成了定位模块和环境传感模块。核心子板上下面分别设置了板对板连接器，通过板对板连接器与其它电路板进行连接并实现信号传输，上层的板对板连接器(包括电源连接器和数据连接器)用于与通信板连接，下层的板对板连接器与电源管理板连接，所有对外数据接口全部从核心子板引出，对外数据接口主要对外提供从本设备获取到的所有数据，以作他用。具体实施时，主控板采用的板对板连接器可以是间距为1.27mm的2*25Pin连接器。

核心子板中的处理器采用恩智浦工业级MPU来实现，架构为ARM Cortex-A7，型号为MCIMX6Y2CVM05AB，主频为528MHz，支持8路串口，数十个GPIO接口。内存类型为工业级DDR3L，型号为NT5CC128M16JR-EK，内存大小为256MB。闪存类型为工业级NAND Flash，型号为MT29F2G08ABAEAWP-IT，闪存容量为256MB。核心子板对外通过邮票孔接口进行连接，核心子板的接口原理电路如图3所示。

扩展子板中的定位模块包括型号为DM502D的GNSS定位单元。DM502D模块是基于长沙海格自主研发的DolphinⅠ(海豚一号)高性能芯片开发的紧凑型高精度模块，采用独创的“海豚神经元”信号接收算法，支持全星座全频点GNSS信号接收，支持RTK、DGNSS、地基增强和PPP等多种差分模式，可提供厘米级、分米级和米级高精度定位服务，自带抗干扰设计，支持惯性器件组合导航。GNSS定位单元的接口原理电路如图4所示。

扩展子板中的环境传感模块包括型号为BME280的环境传感器。BME280是一款集成温度、湿度、气压，三位一体的环境传感器，具有高精度，多功能，小尺寸等特点，BME280的接口原理电路如图5所示。

参考图6，通信板包括北斗短报文通信模块和4G移动通信模块，通信板主要负责完成基于北斗短报文链路通信和基于4G链路通信的功能，通信天线从通信板中引出。

其中，北斗短报文通信模块包括型号为DM222的芯片。北斗短报文通信模块集成了LNA、RDSS射频收发芯片、5W功放、北斗三号专用基带电路等，可以实现北斗通信定位功能。北斗短报文通信模块具有应用简单、集成度高、体积小、功耗低等特点。北斗短报文通信模块与核心子板的接口电路如图7所示。

其中，4G移动通信模块包括型号为EC20的无线通信模块。EC20是移远通信最新推出的LTE Cat 4无线通信模块，采用LTE 3GPP Rel.11技术，支持最大下行速率150Mbps和最大上行速率50Mbps，能在LTE-FDD、LTE-TDD、DC-HSPA+、WCDMA、EDGE及GPRS等多种网络制式中进行数据通信；同时在封装上兼容移远通信UMTS/HSPA+UC200T模块以及多网络制式LTEStandard EC20 R2.0/EC20 R2.1/EC21/EC25/EG25-G/EG21-G/EC200T模块，实现了3G与4G网络之间的无缝切换。EC20内置丰富的网络协议，集成多个工业标准接口，并支持多种驱动和软件功能(适用于Windows 7/8/8.1/10、Linux和Android等操作系统下的USB驱动等)，极大地拓展了在M2M领域的应用范围。4G移动通信模块与核心子板的接口电路如图8所示。

射频板主要负责完成ADS-B信号的发射(OUT)和接收(IN)的功能，射频天线从射频板引出，射频板通过射频天线收发ADS-B信号。参考图9，射频板包括XPS-TR模块和TT_SC1模块，XPS-TR模块用于实现ADS-B信号的发送，TT_SC1模块用于实现ADS-B信号的接收。

图10为XPS-TR模块与主控的接口电路，ADS-B OUT功能采用的是基于Sagetech公司型号为XPS-TR的模块设计，该模块发射信号的中心频率为1090MHz，发射功率为250W，模块体积小，接口简单，很容易与各种主控进行集成。

图11为TT_SC1模块模块主控的接口电路，ADS-B IN功能采用的基于TT_SC1模块设计，TT-SC1是一种ADS-B接收器，工作频率为1090MHz，满足TSO-C199中定义的MOPS，支持协议包括AERO和MAVLink，该模块体积小，重量轻，易于集成，通过UART接口和AT命令进行简单的模块集成和配置即可使用。

具体实施时，射频板还用于接收周边其它航空器发送的ADS-B信号，以获取周边其它航空器的监视信息。通航机载监视设备通过ADS-B接收功能，自主接收其他飞机发送的ADS-B信息，并获取周边其他飞机的监视信息，为机组自主把控飞行间隔，提供增强态势感知信息，进一步提高飞行安全。

电源管理板主要用于将外部输入电源转换为各电路板所需的电压，电源管理板上的各电压输出接口与对应电路板上的供电接口连接，以为各个电路板供电。

具体地，电源管理板包括源输入模块、升压模块和降压模块。参考图12，电源输入模块包括电源输入接口、保险丝、EMC器件，电源输入接口为支持直流9-32V输入电压的接口，电源输入接口经过保险丝后与EMC器件连接，EMC器件用于对电源进行滤波并输出稳定的28V直流电；升压模块用于对28V直流电进行升压操作，以获得高于28V的电压；降压模块用于对28V直流电进行降压操作，以获得低于28V的电压。

一般的机载设备取电的电压为DC(直流)28V，因此机载设备基于DC 28V进行输出设计，图13为电源输入模块的电路原理图，电源输入模块可支持DC9-32V的输入，输出电压为DC 28V。

升压模块输出的电压可根据实际应用需求选择，主要包括DC 28V、DC±5V、DC3.3V和DC 50V。

图14为DC 28V转DC 50V的电路原理图。DC 28V的输入经过CN5120后升压到DC50V，以供ADS-B等射频板使用。CN5120是用来实现升压或Flyback模式直流-直流转换控制，CN5120的输入电压范围是4.5V至32V，外围元器件少，应用简单，CN5120内部包括带隙基准电压，330KHz的振荡器，电流模式控制单元，芯片关断电路，软启动电路和栅极驱动电路等，电流控制模式提高了系统的瞬态响应，简化了回路补偿，芯片内部的软启动电路减小了上电时的浪涌电流，其他功能包括芯片关断功能，输出过压保护功能，内置5V电压调制器和斜坡补偿等。

图15为DC 28V转DC 5V的电路原理图。DC 28V的输入经过SCT2430后降压到DC 5V，以供其他电路板使用。SCT2430是一款输出电流高达3.5A的高功率密度全集成同步降压DCDC转换器，其输入电压范围为3.8V到40V。SCT2430提供100kHz到2.2MHz可调节开关频率，可根据不同应用需求优化转换效率或减小外围器件尺寸，转换器可与外部时钟同步，支持的同步频率范围为100kHz到2.2MHz。SCT2430采用峰值电流控制模式，可实现在脉宽调制模式(PWM)与脉冲跨周期调制模式(PSM)间的平滑切换确保快速有效的动态响应。睡眠模式下静态电流为25μA，可满足用户轻载高效的应用需求。SCT2430上的MOSFET管最小导通时间为100ns，同时支持输入输出低压差LDO工作模式。转换器内部集成的频谱扩展技术(FSS)可有效抑制电磁干扰(EMI)。在保护设计方面，SCT2430提供峰值电流限制和过流打嗝(hiccup)保护，过热关断保护，输出过压保护以及输入欠压保护，为实际应用的安全性提供了多重保障。

图16为DC 5V转DC-5V的电路原理图。DC 5V的输入经过电源极性转换芯片ICL7660转换得到DC-5V，以供ADS-B等射频板使用。ICL7660是一款采用CMOS工艺生产的小功率直流电源转换器，也称DC/DC电源转换器，ICL7660的静态电流典型值为170μA，输入电压范围为1.5-10V，工作频率为10kHz，外围元件只需两只10μF的小体积电容，ICL7660空载效率高达99％以上，负载效率在95％以上，输出电流10～20mA。

图17为DC 5V转DC 3.3V的电路原理图。DC 5V的输入经过LDO降压芯片RT9018A-25GSP转换得到DC 3.3V，以供其它电路板使用。RT9018A/B是设计用于可在很低输入电压下以很低的压差输出高达3A峰值电流的高性能电压调节器，其输入电压可低达1.4V，在3V的VDD电压下可输出低达0.8V的可程序设计电压，其突出特性为低压差性能，可以使用在VOUT非常接近VIN的应用中，它有一个使能端子，可经此使之进入关机状态以降低其消耗。RT9018A/B可在全输入范围、全负载范围和全温度范围内具有优异的电压调节性能，还具有一个输出准备好信号以指示其输出电压达到了额定电压的90％以上以方便使用。

电源管理板对外的接口部分是通过间距为1.27mm的2*25Pin的板对板连接器进行连接，并向其它电路板进行供电。

通航机载监视设备中的各电路板之间可通过板对板连接器进行连接并实现信号传输。

板对板连接器主要是针对不同功能的电路板进行连接而考虑的一种设计，电路板的上下层都有对称或者不对称的连接器，各电路板的连接器可以设置成相同的布局，连接器上面的排针或者排座引脚功能相同，包括用于供电的电源连接器和用于传输信号的数据连接器，因此在更换不同功能的电路板时，很容易实现兼容。

本申请实施例提出的通航机载监视设备，实现了飞机监视信息的多通信链路(ADS-B、北斗短报文、4G移动通信)下发，地面系统不管是单一监视链路、多监视链路均能实现飞机飞行动态的监视，对地面监视系统的建设情况提供了更大的适应性。通航机载监视设备内部根据不同的通信链路，采用模块化功能板卡设计的方式，当某个通信子板的故障，不会引起其他通信链路的失效，能够提高设备的可靠性。此外，模块化功能板卡设计的方式，使得实际应用中可以根据地面监视系统便捷得配置具有不同功能的通航机载监视设备，比如地面监视系统仅具备ADS-B信号监视功能，可将通航机载监视设备中的北斗短报文通信模块去掉，无需对设备的软件、硬件做其他改动，降低设备成本。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种通航机载监视设备，其特征在于，包括：主控板、通信板、射频板、天线组件和电源管理板，所述主控板分别与所述通信板、所述射频板、所述电源管理板连接；

所述天线组件包括定位天线、通信天线和射频天线，所述通信天线与所述通信板连接，所述射频天线与所述射频板连接；

所述通信板包括北斗短报文通信模块和4G移动通信模块；

所述射频板通过所述射频天线收发ADS-B信号；

所述主控板包括处理器和定位模块，所述定位天线与所述定位模块连接，所述定位模块用于获取航空器实时的动态信息，所述处理器模块用于控制所述通信板和所述射频板下发所述态信息；

所述电源管理板用于将外部输入电源转换为各电路板所需的电压，所述电源管理板上的各电压输出接口与对应电路板上的供电接口连接。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述主控板还包括环境传感模块，所述环境传感模块包括气压传感器、温度传感器以及湿度传感器中的至少一种，所述处理器模块还用于控制所述通信板和所述射频板下发所述环境传感模块检测的数据。

3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述主控板包括核心子板和扩展子板，所述核心子板集成了处理器、内存、闪存、GPIO和串口，所述扩展子板集成了定位模块和环境传感模块。

4.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述定位模块包括型号为DM502D的GNSS定位单元；所述环境传感模块包括型号为BME280的环境传感器。

5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述射频板还用于接收周边航空器发送的ADS-B信号，以获取周边航空器的监视信息。

6.根据权利要求1至5任一项所述的设备，其特征在于，所述北斗短报文通信模块包括型号为DM222的芯片。

7.根据权利要求1至5任一项所述的设备，其特征在于，所述4G移动通信模块包括型号为EC20的无线通信模块。

8.根据权利要求1至5任一项所述的设备，其特征在于，所述射频板包括XPS-TR模块和TT_SC1模块，所述XPS-TR模块用于实现ADS-B信号的发送，所述TT_SC1模块用于实现ADS-B信号的接收。

9.根据权利要求1至5任一项所述的设备，其特征在于，各个电路板之间通过板对板连接器进行连接并实现信号传输。

10.根据权利要求1至5任一项所述的设备，其特征在于，所述电源管理板包括电源输入模块、升压模块和降压模块；

所述电源输入模块包括电源输入接口、保险丝、EMC器件，所述电源输入接口为支持直流9-32V输入电压的接口，所述电源输入接口经过所述保险丝后与所述EMC器件连接，所述EMC器件用于对电源进行滤波并输出稳定的28V直流电；

所述升压模块用于对所述28V直流电进行升压操作，以获得高于28V的电压；

所述降压模块用于对所述28V直流电进行降压操作，以获得低于28V的电压。

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