一種低功耗北斗通信導航機載終端的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種低功耗北斗通信導航機載終端，包括：北斗機載用戶機，機載航行信息處理機及座艙交通信息顯示器；所述北斗機載用戶機，用于接收和發(fā)送北斗通信信息；所述機載航行信息處理機，用于完成航空器北斗信息的編解碼任務(wù)和組合處理機載導航信息數(shù)據(jù)；所述座艙交通信息顯示器，用于信息顯示與控制，為飛行員提供人機交互界面；所述北斗機載用戶機包括天線和主機；所述主機進一步包括變頻器模塊、信號處理模塊信號、信息處理模塊以及電源模塊；所述信號處理模塊進一步將已變換為時間離散數(shù)字信號進行二次量化的處理。
【專利說明】
一種低功耗北斗通信導航機載終端
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實用新型屬于衛(wèi)星機載終端技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種低功耗北斗通信導航機載 終端。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著我國航空工業(yè)的飛速發(fā)展，C919大型客機、ARJ21渦扇支線飛機、新舟60渦槳 支線飛機、H425直升機、運十二通用飛機、直十五中型直升機等新型飛機不斷涌現(xiàn)，尤其隨 著我國低空空域管理改革的不斷深入，通用航空市場日益迅猛發(fā)展，低空飛行的航空器在 飛行過程中經(jīng)常會面臨通信失效、導航不準確、監(jiān)視盲區(qū)大等嚴重現(xiàn)實技術(shù)問題，也是目前 國際航空界面臨的機載設(shè)備技術(shù)主要問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實用新型提供了一種低功耗北斗通信導航機載終 端，包括：
[0004] 北斗機載用戶機，機載航行信息處理機及座艙交通信息顯示器；
[0005] 所述北斗機載用戶機，用于接收和發(fā)送北斗通信信息；
[0006] 所述機載航行信息處理機，用于完成航空器北斗信息的編解碼任務(wù)和組合處理機 載導航信息數(shù)據(jù)；
[0007] 所述座艙交通信息顯示器，用于信息顯示與控制，為飛行員提供人機交互界面；
[0008] 所述北斗機載用戶機包括天線和主機；
[0009]所述主機進一步包括變頻器模塊、信號處理模塊信號、信息處理模塊以及電源模 塊；
[0010]所述變頻器模塊包括發(fā)射信道和接收信道，用于完成上/下變頻、增益平衡、中頻 濾波；
[0011] 信號處理模塊，用于對變頻器模塊送來的模擬低中頻信號的進行采樣，將模擬低 中頻信號變換為時間離散數(shù)字信號;完成對接收信號的捕獲、跟蹤、導航電文解調(diào)、時差測 量;對信息處理模塊送來的發(fā)送基帶數(shù)據(jù)進行擴頻處理，將擴頻后的數(shù)據(jù)送變頻器模塊，產(chǎn) 生調(diào)制擴頻信號；
[0012] 所述信息處理模塊用于處理接收數(shù)據(jù);所述處理包括但不限于對廣播、公用、通信 等信息的提取，實現(xiàn)用戶授權(quán)；
[0013] 所述電源模塊，用于供電；
[0014]所述信號處理模塊進一步將已變換為時間離散數(shù)字信號進行二次量化的處理。
[0015] 優(yōu)選地，所述信號處理模塊根據(jù)信號信噪比的變化以及后處理單元估計的噪聲電 平，計算出二次量化閾值，并根據(jù)二次量化閾值進行二次量化的處理。
[0016] 優(yōu)選地，所述天線進一步包括：
[0017] 功率放大器，用于在發(fā)射頻率上將低電平信號放大到遠距離傳輸所需要的高功率 電平；
[0018] 發(fā)射濾波器，用于濾除功率放大器的輸出信號中的帶外雜散信號；
[0019] 收發(fā)雙工器，進一步包括北斗接收低噪放單元、發(fā)射控制單元和合路處理單元；
[0020] 所述北斗接收低噪放單元，用于對北斗接收小信號做射頻前端處理；
[0021 ]發(fā)射控制單元，用于對北斗發(fā)射功率放大器控制；
[0022]所述合路處理單元，用于對北斗接收小信號和北斗發(fā)射信號進行合成。
[0023]優(yōu)選地，所述信息處理模塊還負責對外部接口狀態(tài)進行實時檢測，檢測到有效命 令后對接收到的命令進行解釋，執(zhí)行相應(yīng)的操作。
[0024]優(yōu)選地，所述檢測到有效命令后對接收到的命令進行解釋，執(zhí)行相應(yīng)的操作，具體 為:如果是發(fā)射的相關(guān)命令，則根據(jù)入站信號格式成幀，經(jīng)身份認證后送給信號處理模塊。 [0025]優(yōu)選地，電源模塊還包含有EMI濾波器。
[0026]優(yōu)選地，所述機載航行信息處理機進一步包括報文處理模塊、存儲器模塊、接口處 理模塊、電源保護模塊；
[0027]所述報文處理模塊進一步包括：
[0028] ADS-C報文解析模塊，用于從北斗機載用戶機接收地面空管系統(tǒng)發(fā)送的ADS-C合約 式報文，對報文進行解析，并按照固定的合約格式進行自動應(yīng)答；
[0029] ADS-C報文組裝模塊，用于從北斗機載用戶機接收位置數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行解析計 算，然后打包成ADS-C合約式報文，按照設(shè)定頻度發(fā)送給北斗機載用戶機從而實現(xiàn)ADS-C報 文的下傳；
[0030] CPDLC報文解析模塊，用于接收來自北斗機載用戶機的CPDLC報文信息，并對報文 進行解析處理，然后送座艙交通信息顯示器進行顯示；
[0031] CPDLC報文組裝模塊，用于接收來自座艙交通信息顯示器的飛行員應(yīng)答或主動下 傳信息，并將該信息按照規(guī)定格式組裝成CPDLC下行報文，然后將報文發(fā)送到北斗機載用戶 機，從而實現(xiàn)CPDLC報文下傳；
[0032] 所述存儲器模塊，用于存放信息處理過程需要用到的各種數(shù)據(jù)；
[0033] 所述接口處理模塊，包含5個串口，擁有64Bytes的FIFO，串口波特率可調(diào)，最高可 達115.2Kbps;從外部接收北斗收發(fā)數(shù)據(jù);機載慣導信號;氣壓高度信號;座艙顯示器數(shù)據(jù)以 及加載及檢測數(shù)據(jù)；
[0034]所述電源保護模塊，通過統(tǒng)一的插頭引出，配置電源濾波器、電源板上的對外插頭 全部用帶鎖緊機構(gòu)的插頭插座，以保證接插頭牢固可靠。
[0035]優(yōu)選地，機載航行信息處理機對外接口包括：
[0036]與北斗機載用戶機進行數(shù)據(jù)交聯(lián)的RS-422接口；與座艙交通顯示器交聯(lián)的RS-422 接口；用于數(shù)據(jù)加載及檢測的RS-232接口；載機電源接口；備用RS-422接口：組合處理機載 導航數(shù)據(jù)源。
[0037] 優(yōu)選地，所述座艙交通信息顯示器具有USB、RS-232和RS-422三個對外接口，通過 RS-232進行數(shù)據(jù)加載和輸出、通過RS-422接口與機載航行信息處理機進行交聯(lián);座艙交通 顯示器與機載航行信息處理機交聯(lián)，接收機載航行信息處理機傳來的數(shù)據(jù)，為飛行員和地 勤人員提供CPDLC應(yīng)用的人機交互界面。
[0038]優(yōu)選地，所述座艙交通信息顯示器接收機載航行信息處理機發(fā)送的狀態(tài)信息和 CPDLC報文信息并進行顯示，為飛行員提供了與地面系統(tǒng)進行CPDLC報文交互的人機交互界 面，
[0039]所述座艙交通信息顯示器負責對機載信息處理機轉(zhuǎn)發(fā)的CPDLC報文信息進行解析 顯示，同時負責為飛行員提供用于CPDLC報文編輯和應(yīng)答的操作界面；
[0040] 所述座艙交通信息顯示器接收機載航行信息處理機發(fā)來的狀態(tài)信息，然后結(jié)合自 身狀態(tài)信息，在應(yīng)用界面上實時給出北斗機載型用戶機、機載航行信息處理機和座艙交通 顯示器的工作狀態(tài)提示；同時座艙交通信息顯示器還具有參數(shù)設(shè)置管理功能，包括:管理信 息注入、預(yù)制自由報文、數(shù)據(jù)導出。
[0041] 上述說明僅是本實用新型技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本實用新型的技 術(shù)手段，并可依照說明書的內(nèi)容予以實施，以下以本實用新型的較佳實施例并配合附圖詳 細說明如后。
【附圖說明】
[0042] 圖1示出了根據(jù)本實用新型的一個實施例的空管應(yīng)急救援北斗通信導航一體化系 統(tǒng)；
[0043] 圖2示出了根據(jù)本實用新型的一個實施例的北斗通信導航一體化機載終端的框 圖；
[0044] 圖3示出了根據(jù)本實用新型的一個實施例的北斗機載用戶機組成框圖；
[0045] 圖4示出了根據(jù)本實用新型的一個實施例的記載航行信息處理機的組成框圖；
[0046] 圖5示出了根據(jù)本實用新型的一個實施例的座艙交通信息顯示器組成框圖；
[0047] 圖6示出了根據(jù)本實用新型的一個實施例的地面監(jiān)控設(shè)備的框圖；
[0048]圖7示出了根據(jù)本實用新型的一個實施例的一體化射頻模塊的原理框圖；
[0049] 圖8-1至8-3分別示出了采用3比特、2比特和1.5比特動態(tài)量化的量化閾值與信噪 比損失的仿真圖形；
[0050] 圖9示出了根據(jù)本實用新型的一個實施例的組合抗衰落/低功耗前端的原理框圖；
[0051] 圖10示出了根據(jù)本實用新型的一個實施例的信噪比估計的信號流程圖；
[0052]圖11示出了根據(jù)本實用新型的一個實施例的單電纜多信號傳輸示意圖。
【具體實施方式】
[0053]為更進一步闡述本實用新型為達成預(yù)定實用新型目的所采取的技術(shù)手段及功效， 以下結(jié)合附圖及較佳實施例，對依據(jù)本實用新型提出的北斗衛(wèi)星機載終端其具體實施方 式、特征及其功效，詳細說明如后。在下述說明中，不同的"一實施例"或"實施例"指的不一 定是同一實施例。此外，一或多個實施例中的特定特征、結(jié)構(gòu)、或特點可由任何合適形式組 合。
[0054] 在本實用新型的一個【具體實施方式】中，
[0055] 如圖1所示，空管應(yīng)急救援北斗通信導航一體化系統(tǒng)包括北斗通信導航一體化機 載設(shè)備和地面監(jiān)控設(shè)備；
[0056] 所述地面監(jiān)控設(shè)備，用于接收北斗通信導航一體化機載終端的信息;對北斗通信 導航一體化機載終端發(fā)來的航空器位置報文和飛行員短信報文進行處理，生成空情態(tài)勢； 生成地空通信監(jiān)視信息；
[0057]所述北斗通信導航一體化機載終端，用于提供自動相關(guān)監(jiān)視(ADS);管制員與飛行 員數(shù)據(jù)鏈通信(CPDLC);以及輔助導航。
[0058]根據(jù)本實用新型的一個【具體實施方式】，所述自動相關(guān)監(jiān)視(ADS)是指，為航空器與 地面空管系統(tǒng)建立通信信道鏈接，實時交換航空器空中位置、管制服務(wù)等信息。
[0059]根據(jù)本實用新型的一個【具體實施方式】，所述管制員與飛行員數(shù)據(jù)鏈通信(CPDLC) 是指管制員與飛行員通過數(shù)字短報文進行空管信息交互。
[0060] 根據(jù)本實用新型的一個【具體實施方式】，所述輔助導航是指機載終端利用自身定位 信息與航空器機載導航輸出信息融合后，提供輔助導航服務(wù)。
[0061] 如圖2所示，所述北斗通信導航一體化機載終端包括:北斗機載用戶機，機載航行 信息處理機及座艙交通信息顯示器；
[0062] 所述北斗機載用戶機，用于接收和發(fā)送北斗通信信息；
[0063]所述機載航行信息處理機，用于完成航空器北斗信息的編解碼任務(wù)和組合處理機 載導航信息數(shù)據(jù)；
[0064]所述座艙交通信息顯示器，用于信息顯示與控制，為飛行員提供人機交互界面。 [0065] 北斗通信導航一體化機載終端電源開關(guān)設(shè)計在座艙交通信息顯示器上，當顯示器 開關(guān)閉合時，給北斗機載用戶機和機載航行信息處理機一個接地信號，北斗機載用戶機和 機載航行信息處理機收到接地信號后自動開機，機載航行信息處理機開機后向座艙交通信 息顯示器輸出12V電壓，座艙交通信息顯示器上電后自動啟動，進入應(yīng)用界面。
[0066]如圖3所示，所述北斗機載用戶機包括天線和主機；
[0067]所述天線進一步包括：
[0068] 功率放大器，用于在發(fā)射頻率上將低電平信號放大到遠距離傳輸所需要的高功率 電平；
[0069] 發(fā)射濾波器，用于濾除功率放大器的輸出信號中的帶外雜散信號；
[0070] 收發(fā)雙工器，進一步包括北斗接收低噪放單元、發(fā)射控制單元和合路處理單元；
[0071] 所述北斗接收低噪放單元，用于對北斗接收小信號做射頻前端處理；
[0072] 發(fā)射控制單元，用于對北斗發(fā)射功率放大器控制；
[0073]所述合路處理單元，用于對北斗接收小信號和北斗發(fā)射信號進行合成；
[0074]所述主機進一步包括變頻器模塊、信號處理模塊信號、信息處理模塊以及電源模 塊；
[0075] 所述變頻器模塊包括發(fā)射信道和接收信道，用于完成上/下變頻、增益平衡、中頻 濾波；
[0076] 信號處理模塊，用于對變頻器模塊送來的模擬低中頻信號的進行采樣，將模擬低 中頻信號變換為時間離散數(shù)字信號;完成對接收信號的捕獲、跟蹤、導航電文解調(diào)、時差測 量;對信息處理模塊送來的發(fā)送基帶數(shù)據(jù)進行擴頻處理，將擴頻后的數(shù)據(jù)送變頻器模塊，產(chǎn) 生調(diào)制擴頻信號；
[0077] 根據(jù)本實用新型的一個優(yōu)選實施方式，所述信號處理模塊設(shè)有6個并行的接收通 道和一個發(fā)射通道。接收通道分別接收系統(tǒng)的三顆"北斗一號"衛(wèi)星（東星、西星、備份星）的 6個出站波束。發(fā)射通道將信息處理模塊送來的發(fā)送基帶數(shù)據(jù)進行擴頻處理，并將擴頻后的 數(shù)據(jù)送變頻器模塊，并對1615.68MHz載波進行調(diào)制，產(chǎn)生調(diào)制擴頻信號。
[0078]根據(jù)本實用新型的一個優(yōu)選實施方式，為了提高測量精度，信號處理模塊采用載 波輔助碼環(huán)跟蹤，以使碼環(huán)能夠準確反映、跟蹤動態(tài)信號，提高跟蹤環(huán)的動態(tài)性能。
[0079]所述信息處理模塊用于完成對六個通道接收數(shù)據(jù)的處理(如對廣播、公用、通信等 信息的提取），實現(xiàn)用戶授權(quán)。
[0080]根據(jù)本實用新型的一個優(yōu)選實施方式，所述信息處理模塊還負責對外部接口狀態(tài) 進行實時檢測，檢測到有效命令后對接收到的命令進行解釋，執(zhí)行相應(yīng)的操作。如果是發(fā)射 的相關(guān)命令，則根據(jù)入站信號格式成幀，經(jīng)身份認證后送給信號處理模塊。
[0081 ]所述電源模塊通過DC/DC變換模塊組為變頻器模塊、信號處理、信息處理等模塊提 供有效可靠的各種電壓。各路電壓都是由單獨的DC/DC芯片輸出，可以向各模塊輸送不同電 壓等級和功率需求質(zhì)量良好的電源，保證整機穩(wěn)定可靠的工作。
[0082]根據(jù)本實用新型的一個優(yōu)選實施方式，電源模塊還包含有EMI濾波器，很好的解決 設(shè)備與系統(tǒng)間的電磁兼容問題，使得設(shè)備和系統(tǒng)互不干擾。
[0083]根據(jù)本實用新型的一個優(yōu)選實施方式，"北斗一號"衛(wèi)星播發(fā)的S波段出站信號，首 先到達北斗機載用戶機的天線部分，由北斗機載用戶機天線將所收集到的微弱信號送到接 收信道。接收信道將天線饋送的微弱信號放大、下變頻，最終輸出中頻信號，并將中頻信號 送到信號處理模塊進行處理。
[0084]信號處理模塊通過A/D轉(zhuǎn)換單元，將接收信道送來的中頻信號進行采樣量化，輸出 出站信號的數(shù)字采樣值，供后續(xù)的接收單元處理用。
[0085]接收單元包括六個接收通道(每個通道包括:跟蹤解擴單元、符號解調(diào)單元和信息 譯碼單元三部分），負責對"北斗一號"衛(wèi)星所轉(zhuǎn)發(fā)的出站信號的I支路分別進行跟蹤解擴、 符號解調(diào)和信息譯碼。跟蹤解擴單元對所選信號進行碼捕獲、碼跟蹤和解擴，同時根據(jù)接收 到的I支路信息進行判斷是否對Q支路信號進行解擴。解擴后的數(shù)字信號送給符號解調(diào)單元 處理。符號解調(diào)單元對輸入的I支路解擴信號，首先進行頻偏估計、頻偏對消，然后精密跟蹤 載波相位以及符號解調(diào)；同樣，在必要時對Q支路的符號同時進行解調(diào)，解調(diào)出的符號值經(jīng) 過三比特量化后送到信息譯碼單元。信息譯碼單元對輸入的I支路(必要時Q支路）的三比特 量化數(shù)字進行維特比軟判決譯碼，將得到的信息數(shù)據(jù)送到信息處理模塊。
[0086]信息處理模塊用來控制各單元之間協(xié)調(diào)工作，可完成六個通道接收數(shù)據(jù)的處理， 包括通信、定位、廣播、公用等信息的提取，并通過對加解密模塊(IC卡或保密芯片)操作，完 成對接收數(shù)據(jù)的解密。信息處理模塊還負責對外部接口數(shù)據(jù)進行實時檢測，檢測到有效命 令后，執(zhí)行相應(yīng)的操作，同時將執(zhí)行結(jié)果返回。
[0087]如果信息處理模塊接收到通信申請等發(fā)射相關(guān)命令，則根據(jù)入站信號格式生成相 應(yīng)的電文，并將電文送至加解密模塊進行加密，并將加密后的電文送給信號處理模塊，信號 處理模塊對該電文進行擴頻，并以基帶信號的形式送給變頻器，變頻器把基帶信息調(diào)制到 發(fā)射載波，并把發(fā)射信號送給功率放大器，經(jīng)過功率放大后，由發(fā)射天線發(fā)射給衛(wèi)星。
[0088]如圖4所示，所述機載航行信息處理機進一步包括報文處理模塊、存儲器模塊、接 口處理模塊、電源保護模塊；
[0089]所述報文處理模塊進一步包括：
[0090] ADS-C報文解析模塊，用于從北斗機載用戶機接收地面空管系統(tǒng)發(fā)送的ADS-C合約 式報文，對報文進行解析，并按照固定的合約格式進行自動應(yīng)答；
[0091] ADS-C報文組裝模塊，用于從北斗機載用戶機接收位置數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行解析計 算，然后打包成ADS-C合約式報文，按照設(shè)定頻度發(fā)送給北斗機載用戶機從而實現(xiàn)ADS-C報 文的下傳；
[0092] CPDLC報文解析模塊，用于接收來自北斗機載用戶機的CPDLC報文信息，并對報文 進行解析處理，然后送座艙交通信息顯示器進行顯示；
[0093] CPDLC報文組裝模塊，用于接收來自座艙交通信息顯示器的飛行員應(yīng)答或主動下 傳信息，并將該信息按照規(guī)定格式組裝成CPDLC下行報文，然后將報文發(fā)送到北斗機載用戶 機，從而實現(xiàn)CPDLC報文下傳；
[0094]所述存儲器模塊，用于存放信息處理過程需要用到的各種數(shù)據(jù)；
[0095] 所述接口處理模塊，包含5個串口，擁有64Bytes的FIFO，串口波特率可調(diào)，最高可 達115.2Kbps;從外部接收北斗收發(fā)數(shù)據(jù);機載慣導信號;氣壓高度信號;座艙顯示器數(shù)據(jù)以 及加載及檢測數(shù)據(jù)；
[0096]所述電源保護模塊，通過統(tǒng)一的插頭引出，配置電源濾波器、電源板上的對外插頭 全部用帶鎖緊機構(gòu)的插頭插座，以保證接插頭牢固可靠。
[0097]根據(jù)本實用新型的一個優(yōu)選實施方式，電源濾波器選擇可以接受+16V~+36V輸 入，電流值為大于IA的直流電源濾波器。電源濾波器直接固聯(lián)在結(jié)構(gòu)上，通過螺釘直接固 緊。
[0098]系統(tǒng)采用單+5V供電，板卡大部分器件工作電壓為+5V，核心電壓1.25V，I/O電壓為 3.3V，因此，需要對電源部分進行認真細致的規(guī)劃。該系統(tǒng)中，采用DC-DC轉(zhuǎn)換器，穩(wěn)定輸出 1.25V，2.5V與3.3V，確保系統(tǒng)電源能在規(guī)定的條件下，穩(wěn)定、正常的工作。
[0099]根據(jù)本實用新型的一個【具體實施方式】，機載航行信息處理機對外接口包括：
[0100] 與北斗機載用戶機進行數(shù)據(jù)交聯(lián)的RS-422接口；與座艙交通顯示器交聯(lián)的RS-422 接口；用于數(shù)據(jù)加載及檢測的RS-232接口；載機電源接口；備用RS-422接口：組合處理機載 導航數(shù)據(jù)源。
[0101] 如圖5所示，所述座艙交通信息顯示器包括顯示模塊、處理模塊、存儲器模塊、接口 處理模塊和電源模塊。
[0102] 座艙交通信息顯示器通過航行信息處理機供電，上電CPU模塊啟動后，經(jīng)過一系列 的BIOS、內(nèi)存及外圍接口等自檢流程進入操作系統(tǒng)，應(yīng)用程序通過RS-422接口與機載航行 信息處理機進行交聯(lián)，將接收到的數(shù)據(jù)解析后進行顯示。座艙交通信息顯示器具有USB、RS-232和RS-422三個對外接口，通過RS-232進行數(shù)據(jù)加載和輸出、通過RS-422接口與機載航行 信息處理機進行交聯(lián)。座艙交通顯示器與機載航行信息處理機交聯(lián)，接收機載航行信息處 理機傳來的數(shù)據(jù)，為飛行員和地勤人員提供CPDLC應(yīng)用的人機交互界面。
[0103] 所述座艙交通信息顯示器接收機載航行信息處理機發(fā)送的狀態(tài)信息和CPDLC報文 信息并進行顯示，為飛行員提供了與地面系統(tǒng)進行CPDLC報文交互的人機交互界面，可以實 現(xiàn)：
[0104] (I)CPDLC報文顯示及發(fā)送請求功能
[0105]座艙交通信息顯示器負責對機載信息處理機轉(zhuǎn)發(fā)的CPDLC報文信息進行解析顯 示，同時負責為飛行員提供用于CPDLC報文編輯和應(yīng)答的操作界面。
[0106] (2)系統(tǒng)維護功能
[0107] 座艙交通信息顯示器接收機載航行信息處理機發(fā)來的狀態(tài)信息，然后結(jié)合自身狀 態(tài)信息，在應(yīng)用界面上實時給出北斗機載型用戶機、機載航行信息處理機和座艙交通顯示 器的工作狀態(tài)提示。同時座艙交通信息顯示器還具有參數(shù)設(shè)置管理功能，包括:管理信息注 入、預(yù)制自由報文、數(shù)據(jù)導出等。
[0108] 北斗通信導航一體化機載終端的加裝，能夠解決空管應(yīng)急救援條件下的地面空管 系統(tǒng)監(jiān)控能力不足的問題。
[0109] 根據(jù)本實用新型的一個【具體實施方式】，地面空管系統(tǒng)根據(jù)需要通過北斗通信功能 向任務(wù)航空器發(fā)送合約報告，北斗機載用戶機接收到地面空管系統(tǒng)發(fā)來的合約報告后，通 過數(shù)據(jù)接口將合約報告信息透傳給機載航行信息處理機，機載航行信息處理機按照合約格 式解析合約報告，并根據(jù)當前的實際情況自動編輯打包應(yīng)答報告信息，通過數(shù)據(jù)接口將應(yīng) 答報告信息傳送給北斗機載用戶機，再由北斗機載用戶機利用北斗一代短報文通信功能將 應(yīng)答報告發(fā)送給地面空管系統(tǒng)。
[0110] 根據(jù)本實用新型的一個【具體實施方式】，管制員與飛行員數(shù)據(jù)鏈通信分為上行鏈和 下行鏈兩大類。地面空管系統(tǒng)可以根據(jù)需要通過北斗一代短報文通信功能向任務(wù)航空器發(fā) 送CPDLC上行命令，北斗機載用戶機接收到地面空管系統(tǒng)發(fā)來的命令后，通過數(shù)據(jù)接口，將 接收到的信息透傳給機載航行信息處理機，機載航行信息處理機對上行命令進行解析，并 將解析后的信息送座艙交通信息顯示器顯示。飛行員看到命令后，通過座艙交通信息顯示 器將應(yīng)答信息發(fā)送到機載航行信息處理機，機載航行信息處理機將應(yīng)答信息編輯打包，并 發(fā)送給北斗機載用戶機，由北斗機載用戶機將應(yīng)答信息發(fā)送給地面空管系統(tǒng)，同樣飛行員 也可主動向地面空管系統(tǒng)發(fā)送請求信息，并等待地面空管系統(tǒng)的應(yīng)答。
[0111] 如圖6所示，所述地面監(jiān)控設(shè)備包括:北斗指揮用戶機、信息處理接入設(shè)備、傳輸復(fù) 接設(shè)備和北斗監(jiān)控工作站；
[0112] 所述北斗指揮用戶機，用于定位以及接收和發(fā)送北斗通信信息；設(shè)置下屬用戶組 并監(jiān)視下屬用戶組下傳報文和指揮報文的上傳廣播；
[0113]所述信息處理接入設(shè)備，用于將空中下傳的ADS報文轉(zhuǎn)換為北斗地面監(jiān)控工作站 所需的報文格式，并將來自北斗地面監(jiān)控工作站地面指揮報文轉(zhuǎn)換成上行報文送至北斗指 揮用戶機上傳至北斗通信導航一體化機載終端；
[0114]所述傳輸復(fù)接設(shè)備，用于在信息處理接入設(shè)備和北斗監(jiān)控工作站之間信息轉(zhuǎn)發(fā)；
[0115] 所述北斗地面監(jiān)控工作站，用于監(jiān)視空情態(tài)勢、指揮以及分發(fā)空情報文。
[0116] 通過在北斗指揮用戶機設(shè)置下屬用戶組并監(jiān)視下屬用戶組下傳報文和指揮報文 的上傳廣播，便于在應(yīng)急救援條件下開展移動式地面監(jiān)控系統(tǒng)的架設(shè)。北斗地面監(jiān)控工作 站利用先進的數(shù)字地理信息系統(tǒng)實現(xiàn)基于數(shù)字地圖的空情態(tài)勢監(jiān)視，并將空情態(tài)勢分發(fā)至 其他地面空管系統(tǒng)。
[0117] 根據(jù)本實用新型的一個【具體實施方式】，所述地面監(jiān)控設(shè)備進一步包括:北斗指揮 用戶機A和北斗指揮用戶機B，互為熱備份。
[0118] 根據(jù)本實用新型的一個【具體實施方式】，所述地面監(jiān)控設(shè)備開機后，北斗指揮用戶 機A和北斗指揮用戶機B通過上電自檢，每秒向數(shù)據(jù)處理接入設(shè)備報告一次自身狀態(tài)，包括 設(shè)備狀態(tài)以及是否到達規(guī)定的發(fā)射時刻等信息，經(jīng)傳輸復(fù)接設(shè)備接入北斗監(jiān)控工作站實時 顯示。北斗指揮用戶機A為主用通信設(shè)備，北斗指揮用戶機B為備用通信設(shè)備，所述地面監(jiān)控 設(shè)備具有熱備份自動切換能力：當北斗指揮用戶機A正常時，僅使用北斗指揮用戶機A發(fā)送 短報文信息；當北斗指揮用戶機A出現(xiàn)故障、而北斗指揮用戶機B正常時，系統(tǒng)自動切換至北 斗指揮用戶機B發(fā)送上行短報文信息。由于采用熱備份工作配置，兩臺北斗指揮用戶機將同 時接收到航空器下傳的位置報告與短信代碼，經(jīng)信息冗余處理選擇正確的信息，進一步提 高系統(tǒng)的傳輸可靠性。
[0119] 為了實現(xiàn)北斗通信導航一體化機載終端一體化、小型化以及低功耗的機載使用要 求，需要對收發(fā)信道采用一體化設(shè)計。
[0120] 如圖7所示，根據(jù)本實用新型的一個【具體實施方式】，對于北斗通信導航一體化機載 終端的接收通道，其中接收天線接收到來自衛(wèi)星的射頻信號，經(jīng)預(yù)選器濾出帶外干擾，低噪 聲放大器提供約30dB的增益，進一步濾波后進入第一混頻，完成信號的第一次變頻、放大、 濾波，再放大后信號被放大約40dB，進入第二混頻，經(jīng)二中放45dB放大后，輸出OdBm的中頻 信號去信號處理模塊。對于北斗通信導航一體化機載終端的發(fā)射通道，由信號處理模塊來 的4.08MHz擴頻數(shù)據(jù)流經(jīng)成形濾波，進入調(diào)相器完成BPSK調(diào)制，輸出IOdBm 1615.68MHz調(diào)相 信號，經(jīng)預(yù)選放大，推動功率放大器，最后輸出大于40dBm的射頻信號，由發(fā)射天線發(fā)射出 去。
[0121] 由于接收通道增益大于110dB，因此容易受到干擾，特別是在很小的體積內(nèi)還集成 有大功率的發(fā)射機，收發(fā)隔離需要進行特別處理。在保證整機噪聲的前提下，需要對發(fā)射信 號進行足夠的濾波，對調(diào)制數(shù)據(jù)進行成形處理，減小發(fā)射信號的帶外輻射;需要對接收電源 及發(fā)送電源采取隔離措施，抑制通過電源可能產(chǎn)生的干擾，三者缺一不可。
[0122] 根據(jù)本實用新型的一個【具體實施方式】，對于北斗通信導航一體化機載終端的射頻 電路，在芯片選擇上廣泛采用高集成度的芯片代替原有的分立器件;在材料選擇上選用更 高介電常數(shù)的材料;在信號線的分布上，多采用器件地下布線方式。通過多層PCB、貼片工 藝、燒結(jié)工藝小型化，具體措施如下：
[0123] 1)天線振子小型化
[0124] 選用高介電常數(shù)材料和最小輻射面積，制造新型小型化天線振子，減去天線外部 結(jié)構(gòu)和高頻連接器(例如SM)，將天線振子嵌入整機結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)。
[0125] 2)收發(fā)隔離度
[0126] 收發(fā)天線采用平面布局減小收發(fā)天線的直接影響（空域重疊）；提高天線的收發(fā)隔 離度(小面積輻射面）；最大可能的加大收發(fā)天線的間距減小天線的互藕;在發(fā)射功放設(shè)計 輸出端和低噪放輸入濾波器，實現(xiàn)直接收發(fā)隔離度提高。
[0127] 3)發(fā)射調(diào)制相位平衡及載波抑制
[0128] 選用雙端平衡輸入調(diào)制，在基帶信號中加入整形及差分放大電路，減小調(diào)制信號 的相位偏差。采用空間隔離技術(shù)和相位補償技術(shù)解決載波抑制問題。
[0129] 4) IOW功率放大器小型化
[0130] 采用A類放大器設(shè)計方法，達到更好的線性度;通過電源控制發(fā)射減小整機待機功 耗;采用嵌入式設(shè)計，節(jié)省IOW功率放大器體積。
[0131] 5)低噪聲放大器小型化
[0132] 采用嵌入式設(shè)計，節(jié)省低噪聲放大器體積，并保證整機接收門限指標。
[0133] 6)濾波器小型化
[0134] 在射頻前端采用小型化介質(zhì)濾波器，在發(fā)射前端采用微帶線濾波器代替腔體濾波 器，在高中頻設(shè)計中采用小型聲表面波濾波器，在中頻部分采用小封裝貼片LC帶通濾波器。
[0135] 7)上下變頻器和頻綜小型化
[0136] 選用或設(shè)計專用收發(fā)射頻專用1C，采用集成VCO和環(huán)路濾波器的雙路頻率綜合器 1C，將接收通道第一本振和發(fā)射通道的本振公用，減小體積降低功耗。
[0137] 8)頻率交調(diào)和鏡像抑制
[0138] 減少本振數(shù)量，提高本振頻率，選用最佳的本振頻率和選用合適的組合設(shè)計方案。 將各部分本振和時鐘電路做好屏蔽。
[0139] 9)雙模系統(tǒng)電磁干擾控制
[0140] 采用電源控制技術(shù)和電源隔離技術(shù):將接近同頻干擾的信號采用分時處理，將發(fā) 射部分電源與接收部分電源單獨控制。采用合理的腔體和微帶設(shè)計，減少信號間的干擾。 [0141]為使北斗通信導航一體化機載終端具備一定的抗衰落能力，根據(jù)本實用新型的一 個【具體實施方式】，對于中頻信號經(jīng)由模數(shù)轉(zhuǎn)換、預(yù)濾波后輸出的數(shù)字信號進行二次自適應(yīng) 量化，并剔除無效數(shù)據(jù)，使設(shè)備在衰落環(huán)境下能夠正常工作，并具備一定的抗單音干擾的能 力，同時，也使得信號處理的運算量降低，從而達到低功耗效果。
[0142] 圖8-1至8-3分別示出了采用3比特、2比特和1.5比特動態(tài)量化的量化閾值與信噪 比損失的仿真圖形;通過對比可以看出，對于2bit情況，當采用最佳量化值時，量化損失不 足0.6dB;同又使得后續(xù)信號處理的bit寬度大大降低了。另外，當采用動態(tài)量化后，接收機 不會受到接收信號電平波動的影響，在將近40dB的范圍都有著良好的抗衰落能力以及最小 的量化損失。這對于復(fù)雜環(huán)境的應(yīng)用是極為有利的。因此，優(yōu)選地，選擇采用2比特進行動態(tài) 量化。
[0143] 如圖9所示，來自射頻模塊的低中頻信號經(jīng)過ADC以及預(yù)濾波模塊，變換為離散時 間信號并去除了帶外噪聲（即干擾信號）。隨后，根據(jù)信號信噪比的變化以及后處理單元估 計的噪聲電平，計算出二次量化的閾值，并根據(jù)閾值進行二次量化的處理。將信號變換為 2bit寬度，以降低后處理模塊的硬件規(guī)模(進而降低處理功耗）。同時，能夠適應(yīng)信號前端動 態(tài)變化并具有一定的抗單音干擾的能力。
[0144] 由于輸入衛(wèi)星信號以及干擾信號的電平波動，若采用固定閾值，則很難兼顧高低 電平動態(tài)的變化，根據(jù)本實用新型的一個【具體實施方式】，采用動態(tài)閾值;優(yōu)選地可通過對噪 聲電平的估計、輸入信號電平的估計以及解調(diào)后信噪比的估計獲得最優(yōu)動態(tài)閾值。
[0145] 當衛(wèi)星出站信號鎖定后，根據(jù)本實用新型的一個【具體實施方式】，可根據(jù)如圖10所 示的信號流程獲得解調(diào)后信噪比；
[0146] 相關(guān)器的輸出為有用信號與噪聲功率的疊加，并可視為寬帶信號，其帶寬為1/T，T 為預(yù)檢測積分帶寬。對其功率進行M次累加，可得到為：
[0147]
[0148] 經(jīng)解擴后，相關(guān)器輸出的信號為窄帶信號，功率可表示為：
[0149]
[0150]
[0151]
[0152]
[0153]
[0154]
[0155]
[0156] 表1示出了采用Sbit量化以及2bit二次自適應(yīng)量化這兩種不同量化方式時，硬件 平臺消耗資源對比表：
[0159] 表1
[0160] 通過對比可見，本實用新型中雖然采用了二次自適應(yīng)量化，但是由于將信號變換 為2bit寬度，降低了后需處理模塊的硬件規(guī)模(進而降低處理功耗)各種資源都能夠節(jié)省 30%以上。
[0161] 在北斗機載用戶機主機與天線的連接方式上，若采取多根電纜的組合方式，則需 要五根線，即兩根射頻電纜分別用于傳輸收發(fā)兩路北斗射頻信號，兩根電源線傳送功率放 大器所需的電源，一根控制功放發(fā)射的控制線。這種高低頻混裝的連接方式，連線多，加工 裝配復(fù)雜，可靠性低，成本高，且在空中高速運動的高振動環(huán)境下的連接可靠性更是大打折 扣。
[0162] 根據(jù)本實用新型的一個【具體實施方式】，采用單電纜多信號傳輸方式，利用一根射 頻電纜，傳輸所有需要傳輸?shù)男盘枺沟弥鳈C與天線頭之間的連接簡便，極大地提高了連接 的可靠性及可維修性。
[0163] 如圖11所示，利用通信中的收發(fā)雙工的工作原理，利用雙工器實現(xiàn)收發(fā)隔離，通過 電纜芯線完成內(nèi)饋電，同時檢測射頻小信號，充當功放的開關(guān)控制，達到全雙工通信定位的 目的。
[0164] 根據(jù)本實用新型的一個【具體實施方式】，
[0165] 空管應(yīng)急救援北斗通信導航一體化系統(tǒng)報文種類包括以下五類：
[0166] (1)航空器下傳信息報文
[0167] 1)當機載定位信息有效，且北斗機載用戶機發(fā)送時刻到來時，機載終端自動生成 航空器位置報告，同時將飛行員選擇的短信代碼填入相應(yīng)字段后一并送給北斗機載用戶機 下傳。
[0168] 2)當機載定位信息無效，且北斗機載用戶機發(fā)送時刻到來時有飛行員選定的短消 息發(fā)送任務(wù)，機載終端將飛行員選定的短信代碼填入下傳飛行員短消息報文中的相應(yīng)字段 后送給北斗機載用戶機下傳。
[0169] 3)當機載定位信息無效，且北斗機載用戶機發(fā)送時刻到來時機載終端沒有短消息 發(fā)送任務(wù)，機載終端向北斗機載用戶機發(fā)送有源定位控制指令，啟動北斗機載用戶機有源 定位申請。
[0170] (2)機載設(shè)備之間控制與狀態(tài)報文
[0171] 1)機載終端為系統(tǒng)的機載端控制設(shè)備。根據(jù)系統(tǒng)工作需要，可自動或人工干預(yù)產(chǎn) 生對北斗機載用戶機的控制報文。
[0172] 2)正常工作時，北斗機載用戶機每秒向機載終端報告一次自身狀態(tài)信息，當收到 機載終端發(fā)送的控制報文后，在下一個狀態(tài)報文中進行應(yīng)答。
[0173] (3)地面上傳信息報文
[0174] 系統(tǒng)地面上傳報文包括地面點對點上傳信息報文、地面通播(或組播)上傳信息報 文和地面上傳控制報文。
[0175] (4)地面上傳系統(tǒng)控制報文(如靜默、通信/有源定位控制等）
[0176] 地面上傳系統(tǒng)控制報文用于控制機載設(shè)備的工作模式/狀態(tài)，如通信/有源定位選 擇、無線電靜默控制等。
[0177] (5)地面設(shè)備之間控制與狀態(tài)報文
[0178] 地面設(shè)備之間控制與狀態(tài)報文用于地面北斗監(jiān)控工作站對地面北斗指揮用戶機 的工作模式進行控制和狀態(tài)獲取。
[0179] 以上所述，僅是本實用新型的較佳實施例而已，并非對本實用新型作任何形式上 的限制，雖然本實用新型已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本實用新型，任何熟 悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本實用新型技術(shù)方案范圍內(nèi)，當可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi) 容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本實用新型技術(shù)方案的內(nèi) 容，依據(jù)本實用新型的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍 屬于本實用新型技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種低功耗北斗通信導航機載終端，包括： 北斗機載用戶機，機載航行信息處理機及座艙交通信息顯示器； 所述北斗機載用戶機，用于接收和發(fā)送北斗通信信息； 所述機載航行信息處理機，用于完成航空器北斗信息的編解碼任務(wù)和組合處理機載導 航信息數(shù)據(jù)； 所述座艙交通信息顯示器，用于信息顯示與控制，為飛行員提供人機交互界面； 所述北斗機載用戶機包括天線和主機； 所述主機進一步包括變頻器模塊、信號處理模塊信號、信息處理模塊以及電源模塊； 所述變頻器模塊包括發(fā)射信道和接收信道，用于完成上/下變頻、增益平衡、中頻濾波； 信號處理模塊，用于對變頻器模塊送來的模擬低中頻信號的進行采樣，將模擬低中頻 信號變換為時間離散數(shù)字信號;完成對接收信號的捕獲、跟蹤、導航電文解調(diào)、時差測量;對 信息處理模塊送來的發(fā)送基帶數(shù)據(jù)進行擴頻處理，將擴頻后的數(shù)據(jù)送變頻器模塊，產(chǎn)生調(diào) 制擴頻信號； 所述信息處理模塊用于處理接收數(shù)據(jù);所述處理包括對廣播、公用、通信信息的提取， 實現(xiàn)用戶授權(quán)； 所述電源模塊，用于供電； 所述信號處理模塊進一步將已變換為時間離散數(shù)字信號進行二次量化的處理； 所述機載航行信息處理機進一步包括報文處理模塊、存儲器模塊、接口處理模塊、電源 保護模塊； 所述報文處理模塊進一步包括： ADS-C報文解析模塊，用于從北斗機載用戶機接收地面空管系統(tǒng)發(fā)送的ADS-C合約式報 文，對報文進行解析，并按照固定的合約格式進行自動應(yīng)答； ADS-C報文組裝模塊，用于從北斗機載用戶機接收位置數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行解析計算， 然后打包成ADS-C合約式報文，按照設(shè)定頻度發(fā)送給北斗機載用戶機從而實現(xiàn)ADS-C報文 的下傳； CPDLC報文解析模塊，用于接收來自北斗機載用戶機的CPDLC報文信息，并對報文進行 解析處理，然后送座艙交通信息顯示器進行顯示； CPDLC報文組裝模塊，用于接收來自座艙交通信息顯示器的飛行員應(yīng)答或主動下傳信 息，并將該信息按照規(guī)定格式組裝成CPDLC下行報文，然后將報文發(fā)送到北斗機載用戶機， 從而實現(xiàn)CPDLC報文下傳； 所述存儲器模塊，用于存放信息處理過程需要用到的各種數(shù)據(jù)； 所述接口處理模塊，包含5個串口，擁有64Bytes的FIFO，串口波特率可調(diào)；從外部接收 北斗收發(fā)數(shù)據(jù);機載慣導信號;氣壓高度信號;座艙顯示器數(shù)據(jù)以及加載及檢測數(shù)據(jù)； 所述電源保護模塊，通過統(tǒng)一的插頭引出，配置電源濾波器、電源板上的對外插頭全部 用帶鎖緊機構(gòu)的插頭插座，以保證接插頭牢固可靠。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低功耗北斗通信導航機載終端，其特征在于:所述信號處理模 塊根據(jù)信號信噪比的變化以及后處理單元估計的噪聲電平，計算出二次量化閾值，并根據(jù) 二次量化閾值進行二次量化的處理。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的低功耗北斗通信導航機載終端，其特征在于： 所述天線進一步包括： 功率放大器，用于在發(fā)射頻率上將低電平信號放大到遠距離傳輸所需要的高功率電 平； 發(fā)射濾波器，用于濾除功率放大器的輸出信號中的帶外雜散信號； 收發(fā)雙工器，進一步包括北斗接收低噪放單元、發(fā)射控制單元和合路處理單元； 所述北斗接收低噪放單元，用于對北斗接收小信號做射頻前端處理； 發(fā)射控制單元，用于對北斗發(fā)射功率放大器控制； 所述合路處理單元，用于對北斗接收小信號和北斗發(fā)射信號進行合成。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的低功耗北斗通信導航機載終端，其特征在于： 所述信息處理模塊還負責對外部接口狀態(tài)進行實時檢測，檢測到有效命令后對接收到 的命令進行解釋，執(zhí)行相應(yīng)的操作。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的低功耗北斗通信導航機載終端，其特征在于： 所述檢測到有效命令后對接收到的命令進行解釋，執(zhí)行相應(yīng)的操作，具體為:如果是發(fā) 射的相關(guān)命令，則根據(jù)入站信號格式成幀，經(jīng)身份認證后送給信號處理模塊。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的低功耗北斗通信導航機載終端，其特征在于： 電源模塊還包含有ΕΜΓ濾波器。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的低功耗北斗通信導航機載終端，其特征在于： 機載航行信息處理機對外接口包括： 與北斗機載用戶機進行數(shù)據(jù)交聯(lián)的RS-422接口；與座艙交通顯示器交聯(lián)的RS-422接 口；用于數(shù)據(jù)加載及檢測的RS-232接口；載機電源接口；備用RS-422接口：組合處理機載導 航數(shù)據(jù)源。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的低功耗北斗通信導航機載終端，其特征在于： 所述座艙交通信息顯示器具有USB、RS-232和RS-422三個對外接口，通過RS-232進行數(shù) 據(jù)加載和輸出、通過RS-422接口與機載航行信息處理機進行交聯(lián);座艙交通顯示器與機載 航行信息處理機交聯(lián)，接收機載航行信息處理機傳來的數(shù)據(jù)，為飛行員和地勤人員提供 CPDLC應(yīng)用的人機交互界面。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的低功耗北斗通信導航機載終端，其特征在于： 所述座艙交通信息顯示器接收機載航行信息處理機發(fā)送的狀態(tài)信息和CPDLC報文信息 并進行顯示，為飛行員提供了與地面系統(tǒng)進行CPDLC報文交互的人機交互界面，用于解析并 顯示機載信息處理機轉(zhuǎn)發(fā)的CPDLC報文信息，為飛行員提供用于CPDLC報文編輯和應(yīng)答的操 作界面;接收機載航行信息處理機發(fā)來的狀態(tài)信息，然后結(jié)合自身狀態(tài)信息，在應(yīng)用界面上 實時給出北斗機載型用戶機、機載航行信息處理機和座艙交通顯示器的工作狀態(tài)提示。
【文檔編號】G01S19/13GK205665399SQ201620160754
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年3月2日
【發(fā)明人】張勁松, 李亞慧, 姚翔
【申請人】北京盈想東方科技股份有限公司