專利名稱：一種小型tcas系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種小型的機載防撞系統(tǒng)，屬于空中交通管理和空中交通安全領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
飛機上的防撞系統(tǒng)，美國航空體系稱為空中交通預(yù)警和防撞系統(tǒng)(以下簡稱 TCAS)，歐洲航空體系稱為機載防撞系統(tǒng)，兩者的含義、功能是一致的，而且組成也基本相 似，因此本發(fā)明申請說明書以TCAS為技術(shù)背景進行描述。經(jīng)過多年的發(fā)展，TCAS系統(tǒng)已發(fā)展出多種型號，如TCAS I、TCAS II、TCAS III、 TCAS IV。其中TCAS II目前應(yīng)用最為廣泛，其他更高版本型號體系結(jié)構(gòu)以TCAS II為基礎(chǔ)， 只是在功能上略有差別。以文獻Rockwell Collins. TCAS-4000 =Traffic Alert and Collision Avoidance system[R], Installation Manual, May 25,2005.所公開的系統(tǒng)為代表的 TCAS II防撞系統(tǒng)是目前應(yīng)用最為廣泛的機載防撞系統(tǒng)，其軟件版本已升級至7.0。該TCAS系統(tǒng) 要完成防撞功能，必須要和飛機上的S模式應(yīng)答機配合使用，因此，該系統(tǒng)實際上是由TCAS 模塊和應(yīng)答機模塊兩部分組成，其詳細的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如附圖1所示，其中，TCAS模塊中的天線 包含一個全向天線和一個定向天線，S模式應(yīng)答機模塊中包含兩個全向天線。現(xiàn)以本機識別對方飛機為例，說明該項現(xiàn)有機載防撞系統(tǒng)的工作過程，圖2是該 系統(tǒng)的一個應(yīng)用實例，其工作過程如下本機S模式應(yīng)答機1以大約每秒一次的頻率發(fā)送斷 續(xù)振蕩信號，即“全呼叫信號”，相互報告本機的代號；當(dāng)對方飛機的TCAS2接收到這種斷續(xù) 信號后，根據(jù)相應(yīng)飛機的代號以點名的方式發(fā)送1030MHz的監(jiān)視詢問信號；S模式應(yīng)答機1 接收到TCAS2發(fā)送的詢問信號后，由本機TCASl通過總線將包含高度、方位等信息的應(yīng)答信 息傳輸至S模式應(yīng)答機1，并由S模式應(yīng)答機1以1090MHz發(fā)射出去；對方TCAS2接收應(yīng)答 信息，并做出相應(yīng)決策。TCASl和S模式應(yīng)答機2的工作原理完全相同。這樣，通過相互的 詢問和回答，來跟蹤和測定S模式目標可能發(fā)生的威脅。通過對現(xiàn)有防撞系統(tǒng)進行深入分析，其存在的主要問題在于防撞功能的實現(xiàn)必 須依賴于TCAS模塊和S模式應(yīng)答機配合使用，然而兩套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常相似，卻分成兩個不 同的設(shè)備，這必然造成防撞系統(tǒng)體積和重量相對龐大，因此不適合安裝在內(nèi)部空間有限的 小型飛機上，如軍機和無人駕駛飛機等
發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點，本發(fā)明設(shè)計了一種小型的機載防撞系統(tǒng)，該系統(tǒng) 將TCAS和S模式應(yīng)答機的429總線合并，接收天線統(tǒng)一，發(fā)射分別控制，通過采用先進的大 規(guī)模數(shù)字集成電路技術(shù)，將現(xiàn)有技術(shù)中的TCAS和S模式應(yīng)答機功能完全一體化，可以有效 的減少機載防撞設(shè)備的重量和體積，便于應(yīng)用到各類軍、民用飛機，特別是內(nèi)部空間十分有 限的小型飛機如特種無人駕駛飛機等。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是
1)采用一片主處理器和一片F(xiàn)PGA，將TCAS控制器與S模式應(yīng)答機控制器一體化；2)將TCAS收發(fā)電路編解碼部分與S模式應(yīng)答機收發(fā)電路編解碼部分一體化；3)采用硬件整形、邏輯電路形態(tài)自動識別實現(xiàn)硬件直接解碼；4)設(shè)計了收發(fā)冗余、故障自診斷及軟硬件抗干擾措施，確保系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性和
可靠性。系統(tǒng)還包括①選用了超大規(guī)模FPGA等實現(xiàn)硬件直接編碼、解碼、自動整形、收發(fā)功能，改變了現(xiàn)有TCAS依賴軟件編碼、解碼的方式，提高了速度和可靠性；②對于系統(tǒng)中無關(guān)的干擾信號，采用軟、硬件協(xié)同的方法來剔除；③對于系統(tǒng)中有用信號相互之間的干擾，通過為雙方建立通信協(xié)議的方法，采用 軟件控制的方法消除。本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點在于本發(fā)明在具備現(xiàn)有技術(shù)全部功能的情況下， 將原有2個設(shè)備合成1個，體積和重量大大減小，約為現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備體積和重量的1/3。


附圖1是現(xiàn)有防撞系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；附圖2是現(xiàn)有防撞系統(tǒng)的應(yīng)用實例；附圖3是本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；附圖4是本發(fā)明FPGA單元結(jié)構(gòu)電路框圖；附圖5是本發(fā)明本地震蕩信號產(chǎn)生電路框圖；附圖6是本發(fā)明無線電路選擇模塊結(jié)構(gòu)框圖；附圖7是本發(fā)明控制器部分的結(jié)構(gòu)框圖；附圖8是本發(fā)明的系統(tǒng)信號流圖。
具體實施例方式小型機載防撞系統(tǒng)采用DSP+FPGA構(gòu)架，主要由控制器、FPGA處理單元、ARINC 429 通信單元以及數(shù)據(jù)處理器、發(fā)射和接收電路等構(gòu)成。其功能結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。控制器用以控制和協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)通信，主要是將機載傳感器數(shù)據(jù)送往無線通信部分發(fā) 送和將無線接收數(shù)據(jù)送往數(shù)據(jù)處理器進行處理；FPGA部分主要完成發(fā)送數(shù)據(jù)的編碼、軟件 調(diào)制、應(yīng)答信號的自動產(chǎn)生邏輯，接收數(shù)據(jù)的解碼、預(yù)處理和方位解算，發(fā)射和接收電路的 邏輯控制等，其中TCAS發(fā)射邏輯完成S模式詢問信號產(chǎn)生功能，TCAS接收邏輯完成S模式 應(yīng)答信號檢測及接收功能，S模式發(fā)射邏輯完成S模式應(yīng)答信號產(chǎn)生功能，S模式接收邏輯 完成TCAS詢問信號檢測及接收功能，A-C模式接收邏輯完成空中交通管制系統(tǒng)的A-C模式 詢問信號的檢測及接收功能，A-C模式應(yīng)答邏輯完成詢問信號的應(yīng)答功能；ARINC 429通信 單元主要用于連接系統(tǒng)和飛機上的其他外設(shè)，如導(dǎo)航系統(tǒng)、FMS、氣壓高度表等，用于防撞系 統(tǒng)獲取飛機的當(dāng)前狀態(tài)信息，以便將這些狀態(tài)信息通過控制器傳送至無線通信單元；數(shù)據(jù) 處理器根據(jù)本機信息以及接收到的其他飛機狀態(tài)信息，對危險進行評估，根據(jù)評估結(jié)果產(chǎn) 生告警信息及決策信息，并將這些信息送至綜合顯示屏；發(fā)射和接收電路主要用來產(chǎn)生高 頻震蕩信號；緩沖區(qū)是各功能模塊與TCAS控制器的緩沖接口，可以是FIFO、雙口 RAM等功能塊，設(shè)計中將這一部分設(shè)計成FIFO，在FPGA中用邏輯單元實現(xiàn)；控制開關(guān)用來選擇不同 的傳輸模塊和頻率。當(dāng)選擇不同的工作模式時，對應(yīng)的功能模塊輸出一控制信號至控制開 關(guān)，選取相應(yīng)的無線模塊。上述小型機載防撞系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵是對現(xiàn)有技術(shù)的TCAS部分控制器與S模式應(yīng) 答機控制器的集成、TCAS部分收發(fā)電路與S模式應(yīng)答機收發(fā)電路的集成、以及相關(guān)信號的 抗干擾問題。1、發(fā)射/接收電路的集成從系統(tǒng)功能的角度來考慮，現(xiàn)有防撞系統(tǒng)的TCAS子系統(tǒng)中，TCAS發(fā)射電路主要完 成S模式二進制差動相移鍵控(以下簡稱DPSK)詢問信號的產(chǎn)生；對于TCAS接收電路，其 功能是正確的檢測到S/A-C模式應(yīng)答信號并解碼得到原始應(yīng)答信息。S模式應(yīng)答機子系統(tǒng) 中，S模式發(fā)射電路主要完成S模式應(yīng)答信號即脈沖位置調(diào)制(以下簡稱PPM)信號的產(chǎn)生； S模式接收電路是要完成對DPSK詢問信號的解調(diào)。本發(fā)明是對兩個子系統(tǒng)的發(fā)射和接收 電路進行集成，則集成后的通信接口就必須包含四個方面的功能，即實現(xiàn)DPSK詢問發(fā)送、 DPSK接收、S/A-C模式發(fā)送、S/A-C模式。本發(fā)明采用一片F(xiàn)PGA實現(xiàn)編碼和解碼電路的共用，這樣對于實現(xiàn)發(fā)射和接收電 路的集成極為方便。采用FPGA后集成后的發(fā)射/接收電路如圖4所示。發(fā)射和接收時需要1030MHz和1090MHz本振信號，本系統(tǒng)采用數(shù)字鎖相環(huán)頻率合 成技術(shù)設(shè)計系統(tǒng)的本振源。主要由以下幾個模塊組成參考晶振、集成鎖相頻率合成器、環(huán) 路濾波器、壓控振蕩器、雙模前置分頻器以及控制器組成。其實現(xiàn)框圖如附圖5所示。壓控振蕩器產(chǎn)生的本振信號經(jīng)過前置分頻和可編程分頻后，與一高穩(wěn)定的晶體振 蕩基準信號進行鑒相，鑒相器輸出信號經(jīng)過低通環(huán)路濾波器后輸出直流控制信號送到，從 而構(gòu)成閉環(huán)鎖相控制系統(tǒng)。集成后要考慮對其它模塊工作方式的影響。對于TCAS和S模式應(yīng)答機的接口電 路來說，集成后受影響最大的是無線發(fā)送/接收模塊的工作方式。由于集成后系統(tǒng)要同時 完成TCAS詢問發(fā)射/接收、S模式發(fā)射/接收及A-C模式發(fā)射/接收功能，其中，DPSK發(fā) 射、接收分別占用1030MHz發(fā)射模塊及1090MHz接收模塊，S/A-C模式發(fā)射、接收分別占用 1090MHz發(fā)射模塊及1030MHz接收模塊，這樣，在每種工作方式下要能夠自動選擇其傳輸方 式及頻率。為了實現(xiàn)這個功能，在FPGA與無線發(fā)送/接收電路的接口部分設(shè)計開關(guān)電路， 來選擇不同的發(fā)射/接收模塊，其功能框圖如圖6所示。當(dāng)進行TCAS詢問信號發(fā)射時，則 選擇開關(guān)使能1030MHz發(fā)送模塊，抑制其它模塊工作；對于進行S/A-C模式發(fā)射時，則選擇 1090MHz發(fā)送模塊，同樣也抑制其它模塊工作；其它工作方式以此類推。2、控制器的集成從功能上看，現(xiàn)有防撞系統(tǒng)的TCAS控制器首先要通過總線轉(zhuǎn)換器與其發(fā)射/接收 電路進行數(shù)據(jù)交換，其次還要通過ARINC 429電路完成與機載傳感器的通信，最終還得通 過數(shù)據(jù)處理進行沖突檢測；而其S模式應(yīng)答機控制器要完成的功能與TCAS的前兩個功能相 似。同時從工作方式上看，TCAS控制器與S模式應(yīng)答機控制器在工作上不存在時間上的沖 突。因此兩者完全可以集成。本發(fā)明所實現(xiàn)的控制器結(jié)構(gòu)如圖7中的虛線部分所示。采用“雙處理器”結(jié)構(gòu)，將 系統(tǒng)的控制功能和數(shù)值計算功能分開。控制器負責(zé)系統(tǒng)的通信接口功能實現(xiàn)，而數(shù)據(jù)處理器則完成TCAS通信中數(shù)據(jù)的計算和防撞告警功能的實現(xiàn)，兩個處理器之間通過雙口 RAM來 交換信息。采用這種方式，不但使得系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加清晰、方便調(diào)試，而且系統(tǒng)的容錯功能 也大大提高，更利于故障排除。3、復(fù)雜信號環(huán)境下的信號提取在防撞系統(tǒng)通信過程中，牽扯的信號比較多，如何有效的控制和協(xié)調(diào)防撞系統(tǒng)各 信號之間的工作，就成為難題之一。在本系統(tǒng)中，有DPSK詢問信號、PPM信號、A-C詢問邏輯發(fā)送的A-C詢問信號及A-C 應(yīng)答邏輯發(fā)送的應(yīng)答信號，還可能包含其它一些干擾信號存在。信號情況如附圖8所示。為了獲取正確的信息，必然要采取一些措施來抑制其它信號的干擾。本發(fā)明中分 為以下兩種1)對于防撞系統(tǒng)中與通信目的無關(guān)的干擾信號，協(xié)同采用軟硬件的方法來剔除。 首先，在防撞系統(tǒng)設(shè)計中，詢問信號和應(yīng)答信號以及A-C模式詢問信號，其載波頻率分別是 1030MHz和1090MHz，因此，設(shè)備天線的發(fā)射和接收頻率也是固定的，對于處在這個頻段外 的信號是不響應(yīng)的，因此，這從根源上有效的阻止了大部分干擾信號。其次，由于通信系統(tǒng) 中涉及到的有用信號都有其固定的格式，即使存在與這些信號頻段相同的干擾信號，在接 收端進行檢測時，也會即時的將這些干擾信號拒之門外。2)對于防撞系統(tǒng)中的幾種信號相互之間的干擾，通過為雙方建立通信協(xié)議的方 法，采用軟件控制的方法消除。首先，對于詢問與交通管制系統(tǒng)的A-C模式詢問，防撞系統(tǒng) 優(yōu)先對ATC的A-C模式詢問進行回答。因為A-C模式詢問與DPSK詢問的信號格式不同，因 此，當(dāng)同時檢測到兩種詢問時，通過接收端檢測器的過濾，就可以將兩種信號區(qū)分出來。其 次，在相互接近的兩機中，當(dāng)一方首先接收詢問后，它直接做出應(yīng)答，隨后不再做出詢問，這 樣，一方面減輕了處理器的工作，另一方面也使得雙方容易協(xié)調(diào)，同時也減少了信號的冗余 傳輸，避免了更多干擾的產(chǎn)生。最后，當(dāng)兩方同時接收到對方的詢問信號時，由于雙方都想 立即得到對方飛機的信息。因此，在軟件設(shè)計中同時使能兩機的應(yīng)答功能，最后通過協(xié)商做 出決策。通過上述軟硬件方面的措施，信號通信清晰可辯，可有效結(jié)局無法決斷的情況，收發(fā)雙方都可以得到想要的信息，為防撞告警和防撞功能的實現(xiàn)打了了基礎(chǔ)。
權(quán)利要求
一種小型TCAS系統(tǒng)，其特征在于1)選用了超大規(guī)模FPGA等實現(xiàn)硬件直接編碼、解碼、自動整形、收發(fā)功能，改變了現(xiàn)有TCAS依賴軟件編碼、解碼的方式，提高了速度和可靠性；2)將TCAS II等系統(tǒng)的4種設(shè)備TCAS、2個S模式應(yīng)答機、控制盒、顯示器等集成為一個整體，減少了總線，避免了大量的高頻信號在設(shè)備之間傳輸；3)系統(tǒng)可以直接與導(dǎo)航系統(tǒng)(如北斗，GNSS，GPS，慣導(dǎo)，塔康等設(shè)備)聯(lián)接，用精確的導(dǎo)航數(shù)據(jù)替換或修正原TCAS II測得的方位、距離數(shù)據(jù)，從而得到更加精確可靠的避讓決策；
2.如權(quán)利要求所述的一種小型TCAS系統(tǒng)，其特征在于采用硬件整形、邏輯電路形態(tài) 自動識別實現(xiàn)了硬件自動整形、直接解碼；
3.如權(quán)利要求所述的一種小型TCAS系統(tǒng)，其特征在于采用1個主處理芯片，將系統(tǒng) 功能集成，實現(xiàn)TCAS、S模式應(yīng)答機、信號控制器功能集成化；
4.如權(quán)利要求所述的一種小型TCAS系統(tǒng)，其特征在于考慮到各種惡劣的應(yīng)用環(huán)境， 設(shè)計了收發(fā)的冗余、故障自診斷以及軟硬件抗干擾措施，以確保整個系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性和 可靠性。
全文摘要
本發(fā)明提出一種小型TCAS系統(tǒng)，是一種基微處理器和FPGA及專用軟件實現(xiàn)的小型、多功能空中交通防撞系統(tǒng)，可將TCAS II等系統(tǒng)的4種設(shè)備TCAS、2個S模式應(yīng)答機、控制盒、顯示器等集成為一個整體，減少了總線，避免了大量的高頻信號在設(shè)備之間傳輸；系統(tǒng)可以直接與導(dǎo)航系統(tǒng)(如北斗，GNSS，GPS，慣導(dǎo)，塔康等設(shè)備)聯(lián)接，用精確的導(dǎo)航數(shù)據(jù)替換或修正原TCAS II測得的方位、距離數(shù)據(jù)，從而得到更加精確可靠的避讓決策；新型TCAS系統(tǒng)體積小、重量輕，系統(tǒng)不但集成了TCAS II系統(tǒng)4種設(shè)備的全部功能，而且體積和重量僅為TCASII系統(tǒng)1/3以下。
文檔編號G08G5/04GK101989383SQ20091002348
公開日2011年3月23日 申請日期2009年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月3日
發(fā)明者史忠科, 陳小鋒 申請人:西安費斯達自動化工程有限公司