一種復(fù)用全向天線的混合監(jiān)視防撞告警方法及其系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種復(fù)用全向天線的防撞告警方法，通過對基帶和射頻前端的控制，實現(xiàn)S模式應(yīng)答機和ACAS系統(tǒng)的天線系統(tǒng)的共用，處理過程中通過將飛機監(jiān)視范圍分為主動監(jiān)視區(qū)、被動監(jiān)視區(qū)同時采用模糊化的ACAS詢問周期，減少ACAS詢問與S模式應(yīng)答之間的沖突，在保證最大監(jiān)視范圍的情況下提高系統(tǒng)應(yīng)答率，最后在告警數(shù)據(jù)處理過程中融合ACAS測量數(shù)據(jù)與ADS-B信息后最終得出入侵飛機與本機的最近接近點，并向飛行員提供相應(yīng)TA/RA告警來避免飛機相撞。本發(fā)明實現(xiàn)減小設(shè)備體積、降低功耗等特點。
【專利說明】一種復(fù)用全向天線的混合監(jiān)視防撞告警方法及其系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種保障飛機飛行安全的防撞告警方法，屬于航空【技術(shù)領(lǐng)域】【背景技術(shù)】
[0002]近年來隨著航空事業(yè)的發(fā)展，單位空域的飛機密度越來越大，傳統(tǒng)的空中防撞系統(tǒng)隨著飛行器飛行狀態(tài)的復(fù)雜性增加，其探測精度大大降低；ACAS和地面空管監(jiān)視都使用1030/1090MHZ頻率，ACAS和地面空管的詢問都是通過機載應(yīng)答機回答，因此需要通過混合監(jiān)視防撞系統(tǒng)來減少ACAS的詢問率以減少無線電干擾問題。
[0003]混合監(jiān)視防撞告警技術(shù)是指ACAS機載防撞系統(tǒng)利用ADS-B1090MHZ擴展電文信息，從臨近飛機接收ADS-B信息，從而減少該飛機ACAS機載防撞系統(tǒng)的設(shè)備主動詢問率，同時維持它作為防撞系統(tǒng)的獨立性，并提高監(jiān)視精度和監(jiān)視范圍，能更及時、準(zhǔn)確的預(yù)測沖突的發(fā)生。
[0004]現(xiàn)行的混合監(jiān)視防撞告警技術(shù)均以ACAS機載防撞系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過上下兩個定向天線接收入侵飛機的應(yīng)答信號和擴展電文信息，完成對入侵飛機的測距、測向，實現(xiàn)入侵飛機的沖突檢測和防撞告警。該運行機制下需要八路接收通道完成射頻信號的接收，因此系統(tǒng)體積大、功耗高、可靠性低，不適合戰(zhàn)斗機、無人機等軍用飛機的混合監(jiān)視防撞告警。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明的發(fā)明目的在于提供一種復(fù)用全向天線的混合監(jiān)視防撞告警方法，在機載防撞系統(tǒng)(ACAS)的基礎(chǔ)上，引入ADS-B技術(shù)用于提高系統(tǒng)定位精確度、增強系統(tǒng)的防撞性能；考慮到S模式應(yīng)答機和ACAS系統(tǒng)使用同一個1030/1090MHZ頻段，因此兩個系統(tǒng)可以同時使用復(fù)用的全向天線系統(tǒng)，減小系統(tǒng)體積，降低功耗。
[0006]本發(fā)明的發(fā)明目的通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
[0007]—種基于復(fù)用全向天線的混合監(jiān)視防撞告警方法，通過對復(fù)用S模式應(yīng)答機的上下兩個全向天線，通過對基帶和射頻前端的控制，實現(xiàn)S模式應(yīng)答機和ACAS系統(tǒng)的天線系統(tǒng)的共用，具體包含以下步驟:
[0008]I)將飛機監(jiān)視范圍分為主動監(jiān)視區(qū)和被動監(jiān)視區(qū)；
[0009]2)入侵飛機處于被動監(jiān)視區(qū)時，本機在S模式應(yīng)答間隙通過全向天線接受入侵飛機廣播的ADS-B信號信息，本機不對入侵飛機發(fā)起ACAS詢問，完全依賴被動接受的ADS-B信息對入侵飛機進行跟蹤；
[0010]3)當(dāng)入侵飛機處于主動監(jiān)視區(qū)時，本機在S模式應(yīng)答間隙，通過上下全向天線對入侵飛機發(fā)送ACAS詢問信號，并通過全向天線接收該飛機發(fā)送的應(yīng)答信號以及ADS-B信息，根據(jù)對應(yīng)答信號的延時計算、解碼解調(diào)等算法處理，計算出入侵飛機的距離、高度等信息；
[0011]4)融合TCAS測量數(shù)據(jù)與ADS-B信息后最終得出入侵飛機與本機的最近接近點，并向飛行員提供相應(yīng)TA/RA告警來避免飛機相撞。[0012]進一步，所述S模式應(yīng)答機和ACAS系統(tǒng)的天線系統(tǒng)共用包含以下策略:
[0013]a)、S模式應(yīng)答信號存在對全向天線的優(yōu)先使用權(quán)，應(yīng)答時間固定且滿足協(xié)議要求，確保本機相對于地面以及其他飛機可見，滿足航空安全需求；
[0014]b)、每次發(fā)送ACAS詢問信號的間隔周期存在一定偏差的擾動，使得每次發(fā)射周期不完全一樣；
[0015]C)、大數(shù)據(jù)量重復(fù)ACAS詢問過程，在發(fā)射次數(shù)足夠的情況下，一定會存在接收ACAS應(yīng)答和發(fā)射S模式應(yīng)答完全區(qū)分的情況，使得飛機同時保證S模式應(yīng)答和ACAS詢問功倉泛。
[0016]進一步，所述步驟3)中主動監(jiān)視區(qū)根據(jù)ACAS主機的詢問頻率又可以分為低頻混合監(jiān)視區(qū)和正?；旌媳O(jiān)視區(qū)，在保證本機安全的前提下低頻混合監(jiān)視區(qū)通過降低ACAS主機的詢問頻率減少和避免ACAS詢問和S模式應(yīng)答信號對全向天線系統(tǒng)的占用沖突問題，確保本機在地面控制中心始終可見。
[0017]進一步，所述步驟4)融合TCAS測量數(shù)據(jù)與ADS-B信息后最終得出入侵飛機與本機的最近接近點，具體包含以下步驟:
[0018]41)、通過ACAS發(fā)射詢問信號的時間和ACAS接收應(yīng)答信號的時間兩個測量數(shù)據(jù)通過計算得到入侵飛機的與本機的距離；
[0019]42)、通過全向天線接收ADS-B廣播信號，經(jīng)過ADS-B接收通道解碼得到ADS-B擴展電文；解算電文密碼提取得到入侵飛機的方位信息，結(jié)合本機衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)給出的本機航空參數(shù)計算出入侵飛機與本機的角度和相位信息；
[0020]43)將ADS-B給出的方位信息和ACAS接收通道給出的距離信息等帶入ACAS防撞算法邏輯計算出入侵飛機與本機的最近接近點，并向飛行員提供相應(yīng)TA/RA告警來避免飛機相撞。
[0021]本發(fā)明的另一目的在于提供一種基于復(fù)用全向天線的混合監(jiān)視防撞告警系統(tǒng)，包含上全向天線、下全向天線、開關(guān)矩陣、接收通道、發(fā)射通道、中頻處理模塊、綜合處理模塊:
[0022]系統(tǒng)在發(fā)射過程中，發(fā)射通道通過基帶處理模塊選擇發(fā)送1030MHz的ACAS詢問信號或者1090MHz的S模式應(yīng)答信號，通過開關(guān)矩陣將發(fā)射數(shù)據(jù)源送入全向天線系統(tǒng)，全向天線系統(tǒng)將經(jīng)過調(diào)制、衰減、功率放大以后的射頻信號對外發(fā)射；
[0023]接收過程中，接收模塊通過開關(guān)矩陣，從全向天線系統(tǒng)中接收1030MHz的ACAS詢問信號、1090MHz的S模式應(yīng)答信號和ADS-B擴展電文信號通過1030/1090MHz的雙工器實現(xiàn)兩個頻點信號的分離，下變頻中頻FI輸出到中頻處理模塊，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換到數(shù)字信號輸出到綜合處理模塊；
[0024]所述綜合處理模塊所述綜合處理模塊根據(jù)入侵飛機的位置控制開關(guān)矩陣的開關(guān)，以及根據(jù)對應(yīng)答信號的延時計算、解碼解調(diào)等算法處理，計算出入侵飛機的距離、高度等信
肩、O
[0025]依據(jù)上述特征，所述接收通道為二條。
[0026]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于只需采用兩條接收通道接收入侵飛機的應(yīng)答信號和擴展電文信息，即可完成入侵飛機的測距、測向，實現(xiàn)入侵飛機的沖突檢測和防撞告警。本發(fā)明的技術(shù)能有效地減小了系統(tǒng)的體積、功耗，提高系統(tǒng)的可靠性，從而使之滿足軍用飛機的混合監(jiān)視防撞告警需要，提高軍用飛機的飛行安全，具有極高的社會效益和經(jīng)濟效益。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1為本發(fā)明的硬件結(jié)構(gòu)圖
[0028]圖2為本發(fā)明的飛行監(jiān)視劃分示意圖
[0029]圖3為本發(fā)明的解決的ACAS詢問和S模式應(yīng)答之間的天線占用示意圖【具體實施方式】
[0030]為了使本發(fā)明實現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體圖示，進一步闡述本發(fā)明。
[0031]如圖1所示，全向天線的混合監(jiān)視防撞告警系統(tǒng)包括了上下兩個全向天線、開關(guān)矩陣、接收通道、發(fā)射通道、中頻處理、綜合處理等模塊。
[0032]接收狀態(tài):開關(guān)矩陣處于接收狀態(tài)，射頻信號通過全向天線接收，然后經(jīng)過射頻前端的接收通道下變頻中頻FI輸出到中頻處理模塊，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換到數(shù)字信號輸出到綜合處理模塊，完成各功能的處理。接收狀態(tài)中復(fù)用天線系統(tǒng)需要接收S模式的詢問信號(1030MHz)、ACAS 的應(yīng)答信號(1090MHz)、以及 ADS-B 的數(shù)據(jù)鏈路(1090MHz)。
[0033]發(fā)射狀態(tài):收發(fā)開關(guān)處于發(fā)射狀態(tài)，數(shù)據(jù)通過射頻前端的發(fā)射通道輸出到復(fù)用的全向天線系統(tǒng)，全向天線系統(tǒng)將經(jīng)過調(diào)制、衰減、功率放大以后的射頻信號對外發(fā)射。發(fā)射的頻率包括1030MHz的ACAS詢問信號和1090MHz的S模式應(yīng)答機的應(yīng)答信號兩種。
[0034]通過全向天線的復(fù)用，混合監(jiān)視系統(tǒng)完全能通過ACAS和S模式應(yīng)答機來實現(xiàn)對入侵飛機的入侵距離和入侵高度的監(jiān)測跟蹤，同時應(yīng)用ADS-B接收的信息結(jié)合本機衛(wèi)星導(dǎo)航的信息能實現(xiàn)對入侵飛機更精確的入侵距離和高度的跟蹤，同時完成對入侵飛機方位的判斷。
[0035]如圖2所示為全向天線的混合監(jiān)視防撞告警系統(tǒng)的飛行監(jiān)視范圍劃分處理示意圖。如圖所示，入侵飛機進入ADS-B被動監(jiān)視區(qū)域時，本機被動接收入侵飛機的ADS-B廣播信息，并從中提取出入侵飛機的飛行信息，結(jié)合本機衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的信息建立對入侵飛機的監(jiān)視跟蹤過程；如果入侵飛機繼續(xù)接近本機突破到主動監(jiān)視區(qū)以后，本機ACAS主機主動向入侵飛機發(fā)送ACAS詢問信號,并根據(jù)入侵飛機的S模式應(yīng)答信號與ADS-B信號建立混合監(jiān)視模式的跟蹤過程；如果入侵飛機繼續(xù)接近則通過加大ACAS主機的詢問頻率實現(xiàn)更精確的混合跟蹤過程。
[0036]由于全向天線的復(fù)用使得S模式應(yīng)答機和ACAS防撞系統(tǒng)在1030MHz/1090MHz的發(fā)射和接收都要使用外部的全向天線。如圖3所示當(dāng)ACAS發(fā)出詢問信號以后，天線系統(tǒng)需要切換到接收狀態(tài)并保持一段時間以確保最遠(yuǎn)ACAS應(yīng)答信號的返回。這時如果混合監(jiān)視系統(tǒng)接收到地面控制中心或者其他S模式應(yīng)答機的詢問信號，則系統(tǒng)又必須在一定時間范圍內(nèi)應(yīng)答S模式的應(yīng)答信號。因此，復(fù)合天線系統(tǒng)又必須切換到發(fā)射模式。若在此發(fā)射時間內(nèi)ACAS應(yīng)答信號剛好到達則造成了復(fù)合天線系統(tǒng)不能有效接收ACAS反饋信號，ACAS系統(tǒng)失效；如果為了保證ACAS系統(tǒng)正常而延遲S模式應(yīng)答的時間，則很有可能使得S模式應(yīng)答時間超出應(yīng)答協(xié)議規(guī)定的最高延遲時間，造成該飛機在地面控制中心的消失，威脅航空安全。本方案中采用飛行監(jiān)視范圍劃分和模糊化詢問周期的技術(shù)確保系統(tǒng)功能的有效性和可靠性。通過飛行監(jiān)視范圍的劃分減少ACAS主機的詢問頻率來減少ACAS詢問信號和S模式應(yīng)答信號之間的全向天線占用沖突的問題；S模式應(yīng)答機按照正常模式工作，通過采用模糊化的ACAS詢問周期策略，使得ACAS詢問周期使用不固定的、動態(tài)的發(fā)射模式。假設(shè)ACAS的詢問周期T=A秒，則本系統(tǒng)中使用(A*95%?A*105%)范圍內(nèi)的一個隨機數(shù)進行發(fā)射，由于每次發(fā)射周期的不固定在發(fā)射次數(shù)足夠的情況下一定能有確保S模式和ACAS同時工作的情況發(fā)生，提高了混合監(jiān)視系統(tǒng)的可靠性和安全性。
【權(quán)利要求】
1.一種基于復(fù)用全向天線的混合監(jiān)視防撞告警方法，通過對復(fù)用S模式應(yīng)答機的上下兩個全向天線，通過對基帶和射頻前端的控制，實現(xiàn)S模式應(yīng)答機和ACAS系統(tǒng)的天線系統(tǒng)的共用，具體包含以下步驟: 1)將飛機監(jiān)視范圍分為主動監(jiān)視區(qū)和被動監(jiān)視區(qū)； 2)入侵飛機處于被動監(jiān)視區(qū)時，本機在S模式應(yīng)答間隙通過全向天線接受入侵飛機廣播的ADS-B信號信息，本機不對入侵飛機發(fā)起ACAS詢問，完全依賴被動接受的ADS-B信息對入侵飛機進行跟蹤； 3)當(dāng)入侵飛機處于主動監(jiān)視區(qū)時，本機在S模式應(yīng)答間隙，通過上下全向天線對入侵飛機發(fā)送ACAS詢問信號，并通過上下兩個全向天線接收該飛機發(fā)送的應(yīng)答信號以及ADS-B信息，根據(jù)對應(yīng)答信號的延時計算、解碼解調(diào)等算法處理，計算出入侵飛機的距離、高度等信息； 4)融合TCAS測量數(shù)據(jù)與ADS-B信息后最終得出入侵飛機與本機的最近接近點，并向飛行員提供相應(yīng)TA/RA告警來避免飛機相撞。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于復(fù)用全向天線的混合監(jiān)視防撞告警方法，所述S模式應(yīng)答機和ACAS系統(tǒng)的天線系統(tǒng)共用包含以下策略: a)、S模式應(yīng)答信號存在對全向天線的優(yōu)先使用權(quán)，應(yīng)答時間固定且滿足協(xié)議要求，確保本機相對于地面以及其他飛機可見，滿足航空安全需求； b)、每次發(fā)送ACAS詢問信號的間隔周期存在一定偏差的擾動，使得每次發(fā)射周期不完全一樣; c)、大數(shù)據(jù)量重復(fù)ACAS詢問 過程，在發(fā)射次數(shù)足夠的情況下，一定會存在接收ACAS應(yīng)答和發(fā)射S模式應(yīng)答完全區(qū)分的情況，使得飛機同時保證S模式應(yīng)答和ACAS詢問功能。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于復(fù)用全向天線的混合監(jiān)視防撞告警方法，其特征在于所述步驟3)中主動監(jiān)視區(qū)根據(jù)ACAS主機的詢問頻率又可以分為低頻混合監(jiān)視區(qū)和正常混合監(jiān)視區(qū)，在保證本機安全的前提下低頻混合監(jiān)視區(qū)通過降低ACAS主機的詢問頻率減少和避免ACAS詢問和S模式應(yīng)答信號對全向天線系統(tǒng)的占用沖突問題，確保本機在地面控制中心始終可見。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于復(fù)用全向天線的混合監(jiān)視防撞告警方法，其特征在于所述步驟4)融合TCAS測量數(shù)據(jù)與ADS-B信息后最終得出入侵飛機與本機的最近接近點，具體包含以下步驟: 41)、通過ACAS發(fā)射詢問信號的時間和ACAS接收應(yīng)答信號的時間兩個測量數(shù)據(jù)通過計算得到入侵飛機的與本機的距離； 42)、通過全向天線接收ADS-B廣播信號，經(jīng)過ADS-B接收通道解碼得到ADS-B擴展電文；解算電文密碼提取得到入侵飛機的方位信息，結(jié)合本機衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)給出的本機航空參數(shù)計算出入侵飛機與本機的角度和相位信息； 43)將ADS-B給出的方位信息和ACAS接收通道給出的距離信息等帶入ACAS防撞算法邏輯計算出入侵飛機與本機的最近接近點，并向飛行員提供相應(yīng)TA/RA告警來避免飛機相撞。
5.一種基于復(fù)用全向天線的混合監(jiān)視防撞告警系統(tǒng)，包含全向天線系統(tǒng)、開關(guān)矩陣、接收通道、發(fā)射通道、中頻處理模塊、綜合處理模塊，所述全向天線系統(tǒng)包含上全向天線、下全向天線，其特征在于: 系統(tǒng)在發(fā)射過程中，發(fā)射通道通過基帶處理模塊選擇發(fā)送1030MHz的ACAS詢問信號或者1090MHz的S模式應(yīng)答信號，通過開關(guān)矩陣將發(fā)射數(shù)據(jù)源送入全向天線系統(tǒng)，全向天線系統(tǒng)將經(jīng)過調(diào)制、衰減、功率放大以后的射頻信號對外發(fā)射； 接收過程中，接收模塊通過開關(guān)矩陣，從全向天線系統(tǒng)中接收1030MHz的ACAS詢問信號、1090MHz的S模式應(yīng)答信號和ADS-B擴展電文信號通過1030/1090MHz的雙工器實現(xiàn)兩個頻點信號的分離，下變頻中頻FI輸出到中頻處理模塊，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換到數(shù)字信號輸出到綜合處理模塊； 所述綜合處理模塊根據(jù)入侵飛機的位置控制開關(guān)矩陣的開關(guān)，以及根據(jù)對應(yīng)答信號的延時計算、解碼解調(diào)等算法處理，計算出入侵飛機的距離、高度等信息。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述一種基于復(fù)用全向天線的混合監(jiān)視防撞告警系統(tǒng)，其特征在于所述接收通道為二 條。
【文檔編號】G08G5/04GK103617750SQ201310652599
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年12月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月5日
【發(fā)明者】張鋒烽, 王琳, 趙強 申請人:中國航空無線電電子研究所