一种小型ＴＣＡＳ系统技术方案

本发明专利技术提出一种小型ＴＣＡＳ系统，是一种基微处理器和ＦＰＧＡ及专用软件实现的小型、多功能空中交通防撞系统，可将ＴＣＡＳ　ＩＩ等系统的４种设备：ＴＣＡＳ、２个Ｓ模式应答机、控制盒、显示器等集成为一个整体，减少了总线，避免了大量的高频信号在设备之间传输；系统可以直接与导航系统（如北斗，ＧＮＳＳ，ＧＰＳ，惯导，塔康等设备）联接，用精确的导航数据替换或修正原ＴＣＡＳ　ＩＩ测得的方位、距离数据，从而得到更加精确可靠的避让决策；新型ＴＣＡＳ系统体积小、重量轻，系统不但集成了ＴＣＡＳ　ＩＩ系统４种设备的全部功能，而且体积和重量仅为ＴＣＡＳＩＩ系统１／３以下。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种小型的机载防撞系统，属于空中交通管理和空中交通安全领域。
技术介绍
飞机上的防撞系统，美国航空体系称为空中交通预警和防撞系统(以下简称 TCAS)，欧洲航空体系称为机载防撞系统，两者的含义、功能是一致的，而且组成也基本相 似，因此本专利技术申请说明书以TCAS为技术背景进行描述。经过多年的发展，TCAS系统已发展出多种型号，如TCAS I、TCAS II、TCAS III、 TCAS IV。其中TCAS II目前应用最为广泛，其他更高版本型号体系结构以TCAS II为基础， 只是在功能上略有差别。以文献Rockwell Collins. TCAS-4000 =Traffic Alert and Collision Avoidance system, Installation Manual, May 25,2005.所公开的系统为代表的 TCAS II防撞系统是目前应用最为广泛的机载防撞系统，其软件版本已升级至7.0。该TCAS系统 要完成防撞功能，必须要和飞机上的S模式应答机配合使用，因此，该系统实际上是由TCAS 模块和应答机模块两部分组成，其详细的内部结构如附图1所示，其中，TCAS模块中的天线 包含一个全向天线和一个定向天线，S模式应答机模块中包含两个全向天线。现以本机识别对方飞机为例，说明该项现有机载防撞系统的工作过程，图2是该 系统的一个应用实例，其工作过程如下本机S模式应答机1以大约每秒一次的频率发送断 续振荡信号，即“全呼叫信号”，相互报告本机的代号；当对方飞机的TCAS2接收到这种断续 信号后，根据相应飞机的代号以点名的方式发送1030MHz的监视询问信号；S模式应答机1 接收到TCAS2发送的询问信号后，由本机TCASl通过总线将包含高度、方位等信息的应答信 息传输至S模式应答机1，并由S模式应答机1以1090MHz发射出去；对方TCAS2接收应答 信息，并做出相应决策。TCASl和S模式应答机2的工作原理完全相同。这样，通过相互的 询问和回答，来跟踪和测定S模式目标可能发生的威胁。通过对现有防撞系统进行深入分析，其存在的主要问题在于防撞功能的实现必 须依赖于TCAS模块和S模式应答机配合使用，然而两套系统结构非常相似，却分成两个不 同的设备，这必然造成防撞系统体积和重量相对庞大，因此不适合安装在内部空间有限的 小型飞机上，如军机和无人驾驶飞机等
技术实现思路
为了克服现有技术的上述缺点，本专利技术设计了一种小型的机载防撞系统，该系统 将TCAS和S模式应答机的429总线合并，接收天线统一，发射分别控制，通过采用先进的大 规模数字集成电路技术，将现有技术中的TCAS和S模式应答机功能完全一体化，可以有效 的减少机载防撞设备的重量和体积，便于应用到各类军、民用飞机，特别是内部空间十分有 限的小型飞机如特种无人驾驶飞机等。本专利技术解决其技术问题所采取的技术方案是1)采用一片主处理器和一片FPGA，将TCAS控制器与S模式应答机控制器一体化；2)将TCAS收发电路编解码部分与S模式应答机收发电路编解码部分一体化；3)采用硬件整形、逻辑电路形态自动识别实现硬件直接解码；4)设计了收发冗余、故障自诊断及软硬件抗干扰措施，确保系统性能的稳定性和可靠性。系统还包括①选用了超大规模FPGA等实现硬件直接编码、解码、自动整形、收发功能，改变了现有TCAS依赖软件编码、解码的方式，提高了速度和可靠性；②对于系统中无关的干扰信号，采用软、硬件协同的方法来剔除；③对于系统中有用信号相互之间的干扰，通过为双方建立通信协议的方法，采用 软件控制的方法消除。本专利技术相比于现有技术的优点在于本专利技术在具备现有技术全部功能的情况下， 将原有2个设备合成1个，体积和重量大大减小，约为现有技术设备体积和重量的1/3。附图说明附图1是现有防撞系统结构框图；附图2是现有防撞系统的应用实例；附图3是本专利技术系统结构框图；附图4是本专利技术FPGA单元结构电路框图；附图5是本专利技术本地震荡信号产生电路框图；附图6是本专利技术无线电路选择模块结构框图；附图7是本专利技术控制器部分的结构框图；附图8是本专利技术的系统信号流图。具体实施例方式小型机载防撞系统采用DSP+FPGA构架，主要由控制器、FPGA处理单元、ARINC 429 通信单元以及数据处理器、发射和接收电路等构成。其功能结构框图如图3所示。控制器用以控制和协调数据通信，主要是将机载传感器数据送往无线通信部分发 送和将无线接收数据送往数据处理器进行处理；FPGA部分主要完成发送数据的编码、软件 调制、应答信号的自动产生逻辑，接收数据的解码、预处理和方位解算，发射和接收电路的 逻辑控制等，其中TCAS发射逻辑完成S模式询问信号产生功能，TCAS接收逻辑完成S模式 应答信号检测及接收功能，S模式发射逻辑完成S模式应答信号产生功能，S模式接收逻辑 完成TCAS询问信号检测及接收功能，A-C模式接收逻辑完成空中交通管制系统的A-C模式 询问信号的检测及接收功能，A-C模式应答逻辑完成询问信号的应答功能；ARINC 429通信 单元主要用于连接系统和飞机上的其他外设，如导航系统、FMS、气压高度表等，用于防撞系 统获取飞机的当前状态信息，以便将这些状态信息通过控制器传送至无线通信单元；数据 处理器根据本机信息以及接收到的其他飞机状态信息，对危险进行评估，根据评估结果产 生告警信息及决策信息，并将这些信息送至综合显示屏；发射和接收电路主要用来产生高 频震荡信号；缓冲区是各功能模块与TCAS控制器的缓冲接口，可以是FIFO、双口 RAM等功能块，设计中将这一部分设计成FIFO，在FPGA中用逻辑单元实现；控制开关用来选择不同 的传输模块和频率。当选择不同的工作模式时，对应的功能模块输出一控制信号至控制开 关，选取相应的无线模块。上述小型机载防撞系统实现的关键是对现有技术的TCAS部分控制器与S模式应 答机控制器的集成、TCAS部分收发电路与S模式应答机收发电路的集成、以及相关信号的 抗干扰问题。1、发射/接收电路的集成从系统功能的角度来考虑，现有防撞系统的TCAS子系统中，TCAS发射电路主要完 成S模式二进制差动相移键控(以下简称DPSK)询问信号的产生；对于TCAS接收电路，其 功能是正确的检测到S/A-C模式应答信号并解码得到原始应答信息。S模式应答机子系统 中，S模式发射电路主要完成S模式应答信号即脉冲位置调制(以下简称PPM)信号的产生； S模式接收电路是要完成对DPSK询问信号的解调。本专利技术是对两个子系统的发射和接收 电路进行集成，则集成后的通信接口就必须包含四个方面的功能，即实现DPSK询问发送、 DPSK接收、S/A-C模式发送、S/A-C模式。本专利技术采用一片FPGA实现编码和解码电路的共用，这样对于实现发射和接收电 路的集成极为方便。采用FPGA后集成后的发射/接收电路如图4所示。发射和接收时需要1030MHz和1090MHz本振信号，本系统采用数字锁相环频率合 成技术设计系统的本振源。主要由以下几个模块组成参考晶振、集成锁相频率合成器、环 路滤波器、压控振荡器、双模前置分频器以及控制器组成。其实现框图如附图5所示。压控振荡器产生的本振信号经过前置分频和可编程分频后，与一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种小型ＴＣＡＳ系统，其特征在于：１）选用了超大规模ＦＰＧＡ等实现硬件直接编码、解码、自动整形、收发功能，改变了现有ＴＣＡＳ依赖软件编码、解码的方式，提高了速度和可靠性；２）将ＴＣＡＳ　ＩＩ等系统的４种设备：ＴＣＡＳ、２个Ｓ模式应答机、控制盒、显示器等集成为一个整体，减少了总线，避免了大量的高频信号在设备之间传输；３）系统可以直接与导航系统（如北斗，ＧＮＳＳ，ＧＰＳ，惯导，塔康等设备）联接，用精确的导航数据替换或修正原ＴＣＡＳ　ＩＩ测得的方位、距离数据，从而得到更加精确可靠的避让决策；。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：史忠科，陈小锋，
申请(专利权)人：西安费斯达自动化工程有限公司，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]