一种低功耗北斗通信导航机载终端的制作方法

一种低功耗北斗通信导航机载终端的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种低功耗北斗通信导航机载终端，包括：北斗机载用户机，机载航行信息处理机及座舱交通信息显示器；所述北斗机载用户机，用于接收和发送北斗通信信息；所述机载航行信息处理机，用于完成航空器北斗信息的编解码任务和组合处理机载导航信息数据；所述座舱交通信息显示器，用于信息显示与控制，为飞行员提供人机交互界面；所述北斗机载用户机包括天线和主机；所述主机进一步包括变频器模块、信号处理模块信号、信息处理模块以及电源模块；所述信号处理模块进一步将已变换为时间离散数字信号进行二次量化的处理。
【专利说明】
一种低功耗北斗通信导航机载终端
技术领域
[0001] 本实用新型属于卫星机载终端技术领域，具体涉及一种低功耗北斗通信导航机载 终端。
【背景技术】
[0002] 随着我国航空工业的飞速发展，C919大型客机、ARJ21涡扇支线飞机、新舟60涡桨 支线飞机、H425直升机、运十二通用飞机、直十五中型直升机等新型飞机不断涌现，尤其随 着我国低空空域管理改革的不断深入，通用航空市场日益迅猛发展，低空飞行的航空器在 飞行过程中经常会面临通信失效、导航不准确、监视盲区大等严重现实技术问题，也是目前 国际航空界面临的机载设备技术主要问题。

【发明内容】

[0003] 为克服上述现有技术的不足，本实用新型提供了一种低功耗北斗通信导航机载终 端，包括：
[0004] 北斗机载用户机，机载航行信息处理机及座舱交通信息显示器；
[0005] 所述北斗机载用户机，用于接收和发送北斗通信信息；
[0006] 所述机载航行信息处理机，用于完成航空器北斗信息的编解码任务和组合处理机 载导航信息数据；
[0007] 所述座舱交通信息显示器，用于信息显示与控制，为飞行员提供人机交互界面；
[0008] 所述北斗机载用户机包括天线和主机；
[0009]所述主机进一步包括变频器模块、信号处理模块信号、信息处理模块以及电源模 块；
[0010]所述变频器模块包括发射信道和接收信道，用于完成上/下变频、增益平衡、中频 滤波；
[0011] 信号处理模块，用于对变频器模块送来的模拟低中频信号的进行采样，将模拟低 中频信号变换为时间离散数字信号;完成对接收信号的捕获、跟踪、导航电文解调、时差测 量;对信息处理模块送来的发送基带数据进行扩频处理，将扩频后的数据送变频器模块，产 生调制扩频信号；
[0012] 所述信息处理模块用于处理接收数据;所述处理包括但不限于对广播、公用、通信 等信息的提取，实现用户授权；
[0013] 所述电源模块，用于供电；
[0014]所述信号处理模块进一步将已变换为时间离散数字信号进行二次量化的处理。
[0015] 优选地，所述信号处理模块根据信号信噪比的变化以及后处理单元估计的噪声电 平，计算出二次量化阈值，并根据二次量化阈值进行二次量化的处理。
[0016] 优选地，所述天线进一步包括：
[0017] 功率放大器，用于在发射频率上将低电平信号放大到远距离传输所需要的高功率 电平；
[0018] 发射滤波器，用于滤除功率放大器的输出信号中的带外杂散信号；
[0019] 收发双工器，进一步包括北斗接收低噪放单元、发射控制单元和合路处理单元；
[0020] 所述北斗接收低噪放单元，用于对北斗接收小信号做射频前端处理；
[0021 ]发射控制单元，用于对北斗发射功率放大器控制；
[0022]所述合路处理单元，用于对北斗接收小信号和北斗发射信号进行合成。
[0023]优选地，所述信息处理模块还负责对外部接口状态进行实时检测，检测到有效命 令后对接收到的命令进行解释，执行相应的操作。
[0024]优选地，所述检测到有效命令后对接收到的命令进行解释，执行相应的操作，具体 为:如果是发射的相关命令，则根据入站信号格式成帧，经身份认证后送给信号处理模块。 [0025]优选地，电源模块还包含有EMI滤波器。
[0026]优选地，所述机载航行信息处理机进一步包括报文处理模块、存储器模块、接口处 理模块、电源保护模块；
[0027]所述报文处理模块进一步包括：
[0028] ADS-C报文解析模块，用于从北斗机载用户机接收地面空管系统发送的ADS-C合约 式报文，对报文进行解析，并按照固定的合约格式进行自动应答；
[0029] ADS-C报文组装模块，用于从北斗机载用户机接收位置数据，并对数据进行解析计 算，然后打包成ADS-C合约式报文，按照设定频度发送给北斗机载用户机从而实现ADS-C报 文的下传；
[0030] CPDLC报文解析模块，用于接收来自北斗机载用户机的CPDLC报文信息，并对报文 进行解析处理，然后送座舱交通信息显示器进行显示；
[0031] CPDLC报文组装模块，用于接收来自座舱交通信息显示器的飞行员应答或主动下 传信息，并将该信息按照规定格式组装成CPDLC下行报文，然后将报文发送到北斗机载用户 机，从而实现CPDLC报文下传；
[0032] 所述存储器模块，用于存放信息处理过程需要用到的各种数据；
[0033] 所述接口处理模块，包含5个串口，拥有64Bytes的FIFO，串口波特率可调，最高可 达115.2Kbps;从外部接收北斗收发数据;机载惯导信号;气压高度信号;座舱显示器数据以 及加载及检测数据；
[0034]所述电源保护模块，通过统一的插头引出，配置电源滤波器、电源板上的对外插头 全部用带锁紧机构的插头插座，以保证接插头牢固可靠。
[0035]优选地，机载航行信息处理机对外接口包括：
[0036]与北斗机载用户机进行数据交联的RS-422接口；与座舱交通显示器交联的RS-422 接口；用于数据加载及检测的RS-232接口；载机电源接口；备用RS-422接口：组合处理机载 导航数据源。
[0037] 优选地，所述座舱交通信息显示器具有USB、RS-232和RS-422三个对外接口，通过 RS-232进行数据加载和输出、通过RS-422接口与机载航行信息处理机进行交联;座舱交通 显示器与机载航行信息处理机交联，接收机载航行信息处理机传来的数据，为飞行员和地 勤人员提供CPDLC应用的人机交互界面。
[0038]优选地，所述座舱交通信息显示器接收机载航行信息处理机发送的状态信息和 CPDLC报文信息并进行显示，为飞行员提供了与地面系统进行CPDLC报文交互的人机交互界 面，
[0039]所述座舱交通信息显示器负责对机载信息处理机转发的CPDLC报文信息进行解析 显示，同时负责为飞行员提供用于CPDLC报文编辑和应答的操作界面；
[0040] 所述座舱交通信息显示器接收机载航行信息处理机发来的状态信息，然后结合自 身状态信息，在应用界面上实时给出北斗机载型用户机、机载航行信息处理机和座舱交通 显示器的工作状态提示；同时座舱交通信息显示器还具有参数设置管理功能，包括:管理信 息注入、预制自由报文、数据导出。
[0041] 上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技 术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本实用新型的较佳实施例并配合附图详 细说明如后。
【附图说明】
[0042] 图1示出了根据本实用新型的一个实施例的空管应急救援北斗通信导航一体化系 统；
[0043] 图2示出了根据本实用新型的一个实施例的北斗通信导航一体化机载终端的框 图；
[0044] 图3示出了根据本实用新型的一个实施例的北斗机载用户机组成框图；
[0045] 图4示出了根据本实用新型的一个实施例的记载航行信息处理机的组成框图；
[0046] 图5示出了根据本实用新型的一个实施例的座舱交通信息显示器组成框图；
[0047] 图6示出了根据本实用新型的一个实施例的地面监控设备的框图；
[0048]图7示出了根据本实用新型的一个实施例的一体化射频模块的原理框图；
[0049] 图8-1至8-3分别示出了采用3比特、2比特和1.5比特动态量化的量化阈值与信噪 比损失的仿真图形；
[0050] 图9示出了根据本实用新型的一个实施例的组合抗衰落/低功耗前端的原理框图；
[0051] 图10示出了根据本实用新型的一个实施例的信噪比估计的信号流程图；
[0052]图11示出了根据本实用新型的一个实施例的单电缆多信号传输示意图。
【具体实施方式】
[0053]为更进一步阐述本实用新型为达成预定实用新型目的所采取的技术手段及功效， 以下结合附图及较佳实施例，对依据本实用新型提出的北斗卫星机载终端其具体实施方 式、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的"一实施例"或"实施例"指的不一 定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组 合。
[0054] 在本实用新型的一个【具体实施方式】中，
[0055] 如图1所示，空管应急救援北斗通信导航一体化系统包括北斗通信导航一体化机 载设备和地面监控设备；
[0056] 所述地面监控设备，用于接收北斗通信导航一体化机载终端的信息;对北斗通信 导航一体化机载终端发来的航空器位置报文和飞行员短信报文进行处理，生成空情态势； 生成地空通信监视信息；
[0057]所述北斗通信导航一体化机载终端，用于提供自动相关监视(ADS);管制员与飞行 员数据链通信(CPDLC);以及辅助导航。
[0058]根据本实用新型的一个【具体实施方式】，所述自动相关监视(ADS)是指，为航空器与 地面空管系统建立通信信道链接，实时交换航空器空中位置、管制服务等信息。
[0059]根据本实用新型的一个【具体实施方式】，所述管制员与飞行员数据链通信(CPDLC) 是指管制员与飞行员通过数字短报文进行空管信息交互。
[0060] 根据本实用新型的一个【具体实施方式】，所述辅助导航是指机载终端利用自身定位 信息与航空器机载导航输出信息融合后，提供辅助导航服务。
[0061] 如图2所示，所述北斗通信导航一体化机载终端包括:北斗机载用户机，机载航行 信息处理机及座舱交通信息显示器；
[0062] 所述北斗机载用户机，用于接收和发送北斗通信信息；
[0063]所述机载航行信息处理机，用于完成航空器北斗信息的编解码任务和组合处理机 载导航信息数据；
[0064]所述座舱交通信息显示器，用于信息显示与控制，为飞行员提供人机交互界面。 [0065] 北斗通信导航一体化机载终端电源开关设计在座舱交通信息显示器上，当显示器 开关闭合时，给北斗机载用户机和机载航行信息处理机一个接地信号，北斗机载用户机和 机载航行信息处理机收到接地信号后自动开机，机载航行信息处理机开机后向座舱交通信 息显示器输出12V电压，座舱交通信息显示器上电后自动启动，进入应用界面。
[0066]如图3所示，所述北斗机载用户机包括天线和主机；
[0067]所述天线进一步包括：
[0068] 功率放大器，用于在发射频率上将低电平信号放大到远距离传输所需要的高功率 电平；
[0069] 发射滤波器，用于滤除功率放大器的输出信号中的带外杂散信号；
[0070] 收发双工器，进一步包括北斗接收低噪放单元、发射控制单元和合路处理单元；
[0071] 所述北斗接收低噪放单元，用于对北斗接收小信号做射频前端处理；
[0072] 发射控制单元，用于对北斗发射功率放大器控制；
[0073]所述合路处理单元，用于对北斗接收小信号和北斗发射信号进行合成；
[0074]所述主机进一步包括变频器模块、信号处理模块信号、信息处理模块以及电源模 块；
[0075] 所述变频器模块包括发射信道和接收信道，用于完成上/下变频、增益平衡、中频 滤波；
[0076] 信号处理模块，用于对变频器模块送来的模拟低中频信号的进行采样，将模拟低 中频信号变换为时间离散数字信号;完成对接收信号的捕获、跟踪、导航电文解调、时差测 量;对信息处理模块送来的发送基带数据进行扩频处理，将扩频后的数据送变频器模块，产 生调制扩频信号；
[0077] 根据本实用新型的一个优选实施方式，所述信号处理模块设有6个并行的接收通 道和一个发射通道。接收通道分别接收系统的三颗"北斗一号"卫星（东星、西星、备份星）的 6个出站波束。发射通道将信息处理模块送来的发送基带数据进行扩频处理，并将扩频后的 数据送变频器模块，并对1615.68MHz载波进行调制，产生调制扩频信号。
[0078]根据本实用新型的一个优选实施方式，为了提高测量精度，信号处理模块采用载 波辅助码环跟踪，以使码环能够准确反映、跟踪动态信号，提高跟踪环的动态性能。
[0079]所述信息处理模块用于完成对六个通道接收数据的处理(如对广播、公用、通信等 信息的提取），实现用户授权。
[0080]根据本实用新型的一个优选实施方式，所述信息处理模块还负责对外部接口状态 进行实时检测，检测到有效命令后对接收到的命令进行解释，执行相应的操作。如果是发射 的相关命令，则根据入站信号格式成帧，经身份认证后送给信号处理模块。
[0081 ]所述电源模块通过DC/DC变换模块组为变频器模块、信号处理、信息处理等模块提 供有效可靠的各种电压。各路电压都是由单独的DC/DC芯片输出，可以向各模块输送不同电 压等级和功率需求质量良好的电源，保证整机稳定可靠的工作。
[0082]根据本实用新型的一个优选实施方式，电源模块还包含有EMI滤波器，很好的解决 设备与系统间的电磁兼容问题，使得设备和系统互不干扰。
[0083]根据本实用新型的一个优选实施方式，"北斗一号"卫星播发的S波段出站信号，首 先到达北斗机载用户机的天线部分，由北斗机载用户机天线将所收集到的微弱信号送到接 收信道。接收信道将天线馈送的微弱信号放大、下变频，最终输出中频信号，并将中频信号 送到信号处理模块进行处理。
[0084]信号处理模块通过A/D转换单元，将接收信道送来的中频信号进行采样量化，输出 出站信号的数字采样值，供后续的接收单元处理用。
[0085]接收单元包括六个接收通道(每个通道包括:跟踪解扩单元、符号解调单元和信息 译码单元三部分），负责对"北斗一号"卫星所转发的出站信号的I支路分别进行跟踪解扩、 符号解调和信息译码。跟踪解扩单元对所选信号进行码捕获、码跟踪和解扩，同时根据接收 到的I支路信息进行判断是否对Q支路信号进行解扩。解扩后的数字信号送给符号解调单元 处理。符号解调单元对输入的I支路解扩信号，首先进行频偏估计、频偏对消，然后精密跟踪 载波相位以及符号解调；同样，在必要时对Q支路的符号同时进行解调，解调出的符号值经 过三比特量化后送到信息译码单元。信息译码单元对输入的I支路(必要时Q支路）的三比特 量化数字进行维特比软判决译码，将得到的信息数据送到信息处理模块。
[0086]信息处理模块用来控制各单元之间协调工作，可完成六个通道接收数据的处理， 包括通信、定位、广播、公用等信息的提取，并通过对加解密模块(IC卡或保密芯片)操作，完 成对接收数据的解密。信息处理模块还负责对外部接口数据进行实时检测，检测到有效命 令后，执行相应的操作，同时将执行结果返回。
[0087]如果信息处理模块接收到通信申请等发射相关命令，则根据入站信号格式生成相 应的电文，并将电文送至加解密模块进行加密，并将加密后的电文送给信号处理模块，信号 处理模块对该电文进行扩频，并以基带信号的形式送给变频器，变频器把基带信息调制到 发射载波，并把发射信号送给功率放大器，经过功率放大后，由发射天线发射给卫星。
[0088]如图4所示，所述机载航行信息处理机进一步包括报文处理模块、存储器模块、接 口处理模块、电源保护模块；
[0089]所述报文处理模块进一步包括：
[0090] ADS-C报文解析模块，用于从北斗机载用户机接收地面空管系统发送的ADS-C合约 式报文，对报文进行解析，并按照固定的合约格式进行自动应答；
[0091] ADS-C报文组装模块，用于从北斗机载用户机接收位置数据，并对数据进行解析计 算，然后打包成ADS-C合约式报文，按照设定频度发送给北斗机载用户机从而实现ADS-C报 文的下传；
[0092] CPDLC报文解析模块，用于接收来自北斗机载用户机的CPDLC报文信息，并对报文 进行解析处理，然后送座舱交通信息显示器进行显示；
[0093] CPDLC报文组装模块，用于接收来自座舱交通信息显示器的飞行员应答或主动下 传信息，并将该信息按照规定格式组装成CPDLC下行报文，然后将报文发送到北斗机载用户 机，从而实现CPDLC报文下传；
[0094]所述存储器模块，用于存放信息处理过程需要用到的各种数据；
[0095] 所述接口处理模块，包含5个串口，拥有64Bytes的FIFO，串口波特率可调，最高可 达115.2Kbps;从外部接收北斗收发数据;机载惯导信号;气压高度信号;座舱显示器数据以 及加载及检测数据；
[0096]所述电源保护模块，通过统一的插头引出，配置电源滤波器、电源板上的对外插头 全部用带锁紧机构的插头插座，以保证接插头牢固可靠。
[0097]根据本实用新型的一个优选实施方式，电源滤波器选择可以接受+16V~+36V输 入，电流值为大于IA的直流电源滤波器。电源滤波器直接固联在结构上，通过螺钉直接固 紧。
[0098]系统采用单+5V供电，板卡大部分器件工作电压为+5V，核心电压1.25V，I/O电压为 3.3V，因此，需要对电源部分进行认真细致的规划。该系统中，采用DC-DC转换器，稳定输出 1.25V，2.5V与3.3V，确保系统电源能在规定的条件下，稳定、正常的工作。
[0099]根据本实用新型的一个【具体实施方式】，机载航行信息处理机对外接口包括：
[0100] 与北斗机载用户机进行数据交联的RS-422接口；与座舱交通显示器交联的RS-422 接口；用于数据加载及检测的RS-232接口；载机电源接口；备用RS-422接口：组合处理机载 导航数据源。
[0101] 如图5所示，所述座舱交通信息显示器包括显示模块、处理模块、存储器模块、接口 处理模块和电源模块。
[0102] 座舱交通信息显示器通过航行信息处理机供电，上电CPU模块启动后，经过一系列 的BIOS、内存及外围接口等自检流程进入操作系统，应用程序通过RS-422接口与机载航行 信息处理机进行交联，将接收到的数据解析后进行显示。座舱交通信息显示器具有USB、RS-232和RS-422三个对外接口，通过RS-232进行数据加载和输出、通过RS-422接口与机载航行 信息处理机进行交联。座舱交通显示器与机载航行信息处理机交联，接收机载航行信息处 理机传来的数据，为飞行员和地勤人员提供CPDLC应用的人机交互界面。
[0103] 所述座舱交通信息显示器接收机载航行信息处理机发送的状态信息和CPDLC报文 信息并进行显示，为飞行员提供了与地面系统进行CPDLC报文交互的人机交互界面，可以实 现：
[0104] (I)CPDLC报文显示及发送请求功能
[0105]座舱交通信息显示器负责对机载信息处理机转发的CPDLC报文信息进行解析显 示，同时负责为飞行员提供用于CPDLC报文编辑和应答的操作界面。
[0106] (2)系统维护功能
[0107] 座舱交通信息显示器接收机载航行信息处理机发来的状态信息，然后结合自身状 态信息，在应用界面上实时给出北斗机载型用户机、机载航行信息处理机和座舱交通显示 器的工作状态提示。同时座舱交通信息显示器还具有参数设置管理功能，包括:管理信息注 入、预制自由报文、数据导出等。
[0108] 北斗通信导航一体化机载终端的加装，能够解决空管应急救援条件下的地面空管 系统监控能力不足的问题。
[0109] 根据本实用新型的一个【具体实施方式】，地面空管系统根据需要通过北斗通信功能 向任务航空器发送合约报告，北斗机载用户机接收到地面空管系统发来的合约报告后，通 过数据接口将合约报告信息透传给机载航行信息处理机，机载航行信息处理机按照合约格 式解析合约报告，并根据当前的实际情况自动编辑打包应答报告信息，通过数据接口将应 答报告信息传送给北斗机载用户机，再由北斗机载用户机利用北斗一代短报文通信功能将 应答报告发送给地面空管系统。
[0110] 根据本实用新型的一个【具体实施方式】，管制员与飞行员数据链通信分为上行链和 下行链两大类。地面空管系统可以根据需要通过北斗一代短报文通信功能向任务航空器发 送CPDLC上行命令，北斗机载用户机接收到地面空管系统发来的命令后，通过数据接口，将 接收到的信息透传给机载航行信息处理机，机载航行信息处理机对上行命令进行解析，并 将解析后的信息送座舱交通信息显示器显示。飞行员看到命令后，通过座舱交通信息显示 器将应答信息发送到机载航行信息处理机，机载航行信息处理机将应答信息编辑打包，并 发送给北斗机载用户机，由北斗机载用户机将应答信息发送给地面空管系统，同样飞行员 也可主动向地面空管系统发送请求信息，并等待地面空管系统的应答。
[0111] 如图6所示，所述地面监控设备包括:北斗指挥用户机、信息处理接入设备、传输复 接设备和北斗监控工作站；
[0112] 所述北斗指挥用户机，用于定位以及接收和发送北斗通信信息；设置下属用户组 并监视下属用户组下传报文和指挥报文的上传广播；
[0113]所述信息处理接入设备，用于将空中下传的ADS报文转换为北斗地面监控工作站 所需的报文格式，并将来自北斗地面监控工作站地面指挥报文转换成上行报文送至北斗指 挥用户机上传至北斗通信导航一体化机载终端；
[0114]所述传输复接设备，用于在信息处理接入设备和北斗监控工作站之间信息转发；
[0115] 所述北斗地面监控工作站，用于监视空情态势、指挥以及分发空情报文。
[0116] 通过在北斗指挥用户机设置下属用户组并监视下属用户组下传报文和指挥报文 的上传广播，便于在应急救援条件下开展移动式地面监控系统的架设。北斗地面监控工作 站利用先进的数字地理信息系统实现基于数字地图的空情态势监视，并将空情态势分发至 其他地面空管系统。
[0117] 根据本实用新型的一个【具体实施方式】，所述地面监控设备进一步包括:北斗指挥 用户机A和北斗指挥用户机B，互为热备份。
[0118] 根据本实用新型的一个【具体实施方式】，所述地面监控设备开机后，北斗指挥用户 机A和北斗指挥用户机B通过上电自检，每秒向数据处理接入设备报告一次自身状态，包括 设备状态以及是否到达规定的发射时刻等信息，经传输复接设备接入北斗监控工作站实时 显示。北斗指挥用户机A为主用通信设备，北斗指挥用户机B为备用通信设备，所述地面监控 设备具有热备份自动切换能力：当北斗指挥用户机A正常时，仅使用北斗指挥用户机A发送 短报文信息；当北斗指挥用户机A出现故障、而北斗指挥用户机B正常时，系统自动切换至北 斗指挥用户机B发送上行短报文信息。由于采用热备份工作配置，两台北斗指挥用户机将同 时接收到航空器下传的位置报告与短信代码，经信息冗余处理选择正确的信息，进一步提 高系统的传输可靠性。
[0119] 为了实现北斗通信导航一体化机载终端一体化、小型化以及低功耗的机载使用要 求，需要对收发信道采用一体化设计。
[0120] 如图7所示，根据本实用新型的一个【具体实施方式】，对于北斗通信导航一体化机载 终端的接收通道，其中接收天线接收到来自卫星的射频信号，经预选器滤出带外干扰，低噪 声放大器提供约30dB的增益，进一步滤波后进入第一混频，完成信号的第一次变频、放大、 滤波，再放大后信号被放大约40dB，进入第二混频，经二中放45dB放大后，输出OdBm的中频 信号去信号处理模块。对于北斗通信导航一体化机载终端的发射通道，由信号处理模块来 的4.08MHz扩频数据流经成形滤波，进入调相器完成BPSK调制，输出IOdBm 1615.68MHz调相 信号，经预选放大，推动功率放大器，最后输出大于40dBm的射频信号，由发射天线发射出 去。
[0121] 由于接收通道增益大于110dB，因此容易受到干扰，特别是在很小的体积内还集成 有大功率的发射机，收发隔离需要进行特别处理。在保证整机噪声的前提下，需要对发射信 号进行足够的滤波，对调制数据进行成形处理，减小发射信号的带外辐射;需要对接收电源 及发送电源采取隔离措施，抑制通过电源可能产生的干扰，三者缺一不可。
[0122] 根据本实用新型的一个【具体实施方式】，对于北斗通信导航一体化机载终端的射频 电路，在芯片选择上广泛采用高集成度的芯片代替原有的分立器件;在材料选择上选用更 高介电常数的材料;在信号线的分布上，多采用器件地下布线方式。通过多层PCB、贴片工 艺、烧结工艺小型化，具体措施如下：
[0123] 1)天线振子小型化
[0124] 选用高介电常数材料和最小辐射面积，制造新型小型化天线振子，减去天线外部 结构和高频连接器(例如SM)，将天线振子嵌入整机结构设计内。
[0125] 2)收发隔离度
[0126] 收发天线采用平面布局减小收发天线的直接影响（空域重叠）；提高天线的收发隔 离度(小面积辐射面）；最大可能的加大收发天线的间距减小天线的互藕;在发射功放设计 输出端和低噪放输入滤波器，实现直接收发隔离度提高。
[0127] 3)发射调制相位平衡及载波抑制
[0128] 选用双端平衡输入调制，在基带信号中加入整形及差分放大电路，减小调制信号 的相位偏差。采用空间隔离技术和相位补偿技术解决载波抑制问题。
[0129] 4) IOW功率放大器小型化
[0130] 采用A类放大器设计方法，达到更好的线性度;通过电源控制发射减小整机待机功 耗;采用嵌入式设计，节省IOW功率放大器体积。
[0131] 5)低噪声放大器小型化
[0132] 采用嵌入式设计，节省低噪声放大器体积，并保证整机接收门限指标。
[0133] 6)滤波器小型化
[0134] 在射频前端采用小型化介质滤波器，在发射前端采用微带线滤波器代替腔体滤波 器，在高中频设计中采用小型声表面波滤波器，在中频部分采用小封装贴片LC带通滤波器。
[0135] 7)上下变频器和频综小型化
[0136] 选用或设计专用收发射频专用1C，采用集成VCO和环路滤波器的双路频率综合器 1C，将接收通道第一本振和发射通道的本振公用，减小体积降低功耗。
[0137] 8)频率交调和镜像抑制
[0138] 减少本振数量，提高本振频率，选用最佳的本振频率和选用合适的组合设计方案。 将各部分本振和时钟电路做好屏蔽。
[0139] 9)双模系统电磁干扰控制
[0140] 采用电源控制技术和电源隔离技术:将接近同频干扰的信号采用分时处理，将发 射部分电源与接收部分电源单独控制。采用合理的腔体和微带设计，减少信号间的干扰。 [0141]为使北斗通信导航一体化机载终端具备一定的抗衰落能力，根据本实用新型的一 个【具体实施方式】，对于中频信号经由模数转换、预滤波后输出的数字信号进行二次自适应 量化，并剔除无效数据，使设备在衰落环境下能够正常工作，并具备一定的抗单音干扰的能 力，同时，也使得信号处理的运算量降低，从而达到低功耗效果。
[0142] 图8-1至8-3分别示出了采用3比特、2比特和1.5比特动态量化的量化阈值与信噪 比损失的仿真图形;通过对比可以看出，对于2bit情况，当采用最佳量化值时，量化损失不 足0.6dB;同又使得后续信号处理的bit宽度大大降低了。另外，当采用动态量化后，接收机 不会受到接收信号电平波动的影响，在将近40dB的范围都有着良好的抗衰落能力以及最小 的量化损失。这对于复杂环境的应用是极为有利的。因此，优选地，选择采用2比特进行动态 量化。
[0143] 如图9所示，来自射频模块的低中频信号经过ADC以及预滤波模块，变换为离散时 间信号并去除了带外噪声（即干扰信号）。随后，根据信号信噪比的变化以及后处理单元估 计的噪声电平，计算出二次量化的阈值，并根据阈值进行二次量化的处理。将信号变换为 2bit宽度，以降低后处理模块的硬件规模(进而降低处理功耗）。同时，能够适应信号前端动 态变化并具有一定的抗单音干扰的能力。
[0144] 由于输入卫星信号以及干扰信号的电平波动，若采用固定阈值，则很难兼顾高低 电平动态的变化，根据本实用新型的一个【具体实施方式】，采用动态阈值;优选地可通过对噪 声电平的估计、输入信号电平的估计以及解调后信噪比的估计获得最优动态阈值。
[0145] 当卫星出站信号锁定后，根据本实用新型的一个【具体实施方式】，可根据如图10所 示的信号流程获得解调后信噪比；
[0146] 相关器的输出为有用信号与噪声功率的叠加，并可视为宽带信号，其带宽为1/T，T 为预检测积分带宽。对其功率进行M次累加，可得到为：
[0147]
[0148] 经解扩后，相关器输出的信号为窄带信号，功率可表示为：
[0149]
[0150]
[0151]
[0152]
[0153]
[0154]
[0155]
[0156] 表1示出了采用Sbit量化以及2bit二次自适应量化这两种不同量化方式时，硬件 平台消耗资源对比表：
[0159] 表1
[0160] 通过对比可见，本实用新型中虽然采用了二次自适应量化，但是由于将信号变换 为2bit宽度，降低了后需处理模块的硬件规模(进而降低处理功耗)各种资源都能够节省 30%以上。
[0161] 在北斗机载用户机主机与天线的连接方式上，若采取多根电缆的组合方式，则需 要五根线，即两根射频电缆分别用于传输收发两路北斗射频信号，两根电源线传送功率放 大器所需的电源，一根控制功放发射的控制线。这种高低频混装的连接方式，连线多，加工 装配复杂，可靠性低，成本高，且在空中高速运动的高振动环境下的连接可靠性更是大打折 扣。
[0162] 根据本实用新型的一个【具体实施方式】，采用单电缆多信号传输方式，利用一根射 频电缆，传输所有需要传输的信号，使得主机与天线头之间的连接简便，极大地提高了连接 的可靠性及可维修性。
[0163] 如图11所示，利用通信中的收发双工的工作原理，利用双工器实现收发隔离，通过 电缆芯线完成内馈电，同时检测射频小信号，充当功放的开关控制，达到全双工通信定位的 目的。
[0164] 根据本实用新型的一个【具体实施方式】，
[0165] 空管应急救援北斗通信导航一体化系统报文种类包括以下五类：
[0166] (1)航空器下传信息报文
[0167] 1)当机载定位信息有效，且北斗机载用户机发送时刻到来时，机载终端自动生成 航空器位置报告，同时将飞行员选择的短信代码填入相应字段后一并送给北斗机载用户机 下传。
[0168] 2)当机载定位信息无效，且北斗机载用户机发送时刻到来时有飞行员选定的短消 息发送任务，机载终端将飞行员选定的短信代码填入下传飞行员短消息报文中的相应字段 后送给北斗机载用户机下传。
[0169] 3)当机载定位信息无效，且北斗机载用户机发送时刻到来时机载终端没有短消息 发送任务，机载终端向北斗机载用户机发送有源定位控制指令，启动北斗机载用户机有源 定位申请。
[0170] (2)机载设备之间控制与状态报文
[0171] 1)机载终端为系统的机载端控制设备。根据系统工作需要，可自动或人工干预产 生对北斗机载用户机的控制报文。
[0172] 2)正常工作时，北斗机载用户机每秒向机载终端报告一次自身状态信息，当收到 机载终端发送的控制报文后，在下一个状态报文中进行应答。
[0173] (3)地面上传信息报文
[0174] 系统地面上传报文包括地面点对点上传信息报文、地面通播(或组播)上传信息报 文和地面上传控制报文。
[0175] (4)地面上传系统控制报文(如静默、通信/有源定位控制等）
[0176] 地面上传系统控制报文用于控制机载设备的工作模式/状态，如通信/有源定位选 择、无线电静默控制等。
[0177] (5)地面设备之间控制与状态报文
[0178] 地面设备之间控制与状态报文用于地面北斗监控工作站对地面北斗指挥用户机 的工作模式进行控制和状态获取。
[0179] 以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上 的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟 悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内 容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案的内 容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍 属于本实用新型技术方案的范围内。
【主权项】
1. 一种低功耗北斗通信导航机载终端，包括： 北斗机载用户机，机载航行信息处理机及座舱交通信息显示器； 所述北斗机载用户机，用于接收和发送北斗通信信息； 所述机载航行信息处理机，用于完成航空器北斗信息的编解码任务和组合处理机载导 航信息数据； 所述座舱交通信息显示器，用于信息显示与控制，为飞行员提供人机交互界面； 所述北斗机载用户机包括天线和主机； 所述主机进一步包括变频器模块、信号处理模块信号、信息处理模块以及电源模块； 所述变频器模块包括发射信道和接收信道，用于完成上/下变频、增益平衡、中频滤波； 信号处理模块，用于对变频器模块送来的模拟低中频信号的进行采样，将模拟低中频 信号变换为时间离散数字信号;完成对接收信号的捕获、跟踪、导航电文解调、时差测量;对 信息处理模块送来的发送基带数据进行扩频处理，将扩频后的数据送变频器模块，产生调 制扩频信号； 所述信息处理模块用于处理接收数据;所述处理包括对广播、公用、通信信息的提取， 实现用户授权； 所述电源模块，用于供电； 所述信号处理模块进一步将已变换为时间离散数字信号进行二次量化的处理； 所述机载航行信息处理机进一步包括报文处理模块、存储器模块、接口处理模块、电源 保护模块； 所述报文处理模块进一步包括： ADS-C报文解析模块，用于从北斗机载用户机接收地面空管系统发送的ADS-C合约式报 文，对报文进行解析，并按照固定的合约格式进行自动应答； ADS-C报文组装模块，用于从北斗机载用户机接收位置数据，并对数据进行解析计算， 然后打包成ADS-C合约式报文，按照设定频度发送给北斗机载用户机从而实现ADS-C报文 的下传； CPDLC报文解析模块，用于接收来自北斗机载用户机的CPDLC报文信息，并对报文进行 解析处理，然后送座舱交通信息显示器进行显示； CPDLC报文组装模块，用于接收来自座舱交通信息显示器的飞行员应答或主动下传信 息，并将该信息按照规定格式组装成CPDLC下行报文，然后将报文发送到北斗机载用户机， 从而实现CPDLC报文下传； 所述存储器模块，用于存放信息处理过程需要用到的各种数据； 所述接口处理模块，包含5个串口，拥有64Bytes的FIFO，串口波特率可调；从外部接收 北斗收发数据;机载惯导信号;气压高度信号;座舱显示器数据以及加载及检测数据； 所述电源保护模块，通过统一的插头引出，配置电源滤波器、电源板上的对外插头全部 用带锁紧机构的插头插座，以保证接插头牢固可靠。2. 根据权利要求1所述的低功耗北斗通信导航机载终端，其特征在于:所述信号处理模 块根据信号信噪比的变化以及后处理单元估计的噪声电平，计算出二次量化阈值，并根据 二次量化阈值进行二次量化的处理。3. 根据权利要求1或2所述的低功耗北斗通信导航机载终端，其特征在于： 所述天线进一步包括： 功率放大器，用于在发射频率上将低电平信号放大到远距离传输所需要的高功率电 平； 发射滤波器，用于滤除功率放大器的输出信号中的带外杂散信号； 收发双工器，进一步包括北斗接收低噪放单元、发射控制单元和合路处理单元； 所述北斗接收低噪放单元，用于对北斗接收小信号做射频前端处理； 发射控制单元，用于对北斗发射功率放大器控制； 所述合路处理单元，用于对北斗接收小信号和北斗发射信号进行合成。4. 根据权利要求3所述的低功耗北斗通信导航机载终端，其特征在于： 所述信息处理模块还负责对外部接口状态进行实时检测，检测到有效命令后对接收到 的命令进行解释，执行相应的操作。5. 根据权利要求4所述的低功耗北斗通信导航机载终端，其特征在于： 所述检测到有效命令后对接收到的命令进行解释，执行相应的操作，具体为:如果是发 射的相关命令，则根据入站信号格式成帧，经身份认证后送给信号处理模块。6. 根据权利要求5所述的低功耗北斗通信导航机载终端，其特征在于： 电源模块还包含有ΕΜΓ滤波器。7. 根据权利要求6所述的低功耗北斗通信导航机载终端，其特征在于： 机载航行信息处理机对外接口包括： 与北斗机载用户机进行数据交联的RS-422接口；与座舱交通显示器交联的RS-422接 口；用于数据加载及检测的RS-232接口；载机电源接口；备用RS-422接口：组合处理机载导 航数据源。8. 根据权利要求7所述的低功耗北斗通信导航机载终端，其特征在于： 所述座舱交通信息显示器具有USB、RS-232和RS-422三个对外接口，通过RS-232进行数 据加载和输出、通过RS-422接口与机载航行信息处理机进行交联;座舱交通显示器与机载 航行信息处理机交联，接收机载航行信息处理机传来的数据，为飞行员和地勤人员提供 CPDLC应用的人机交互界面。9. 根据权利要求8所述的低功耗北斗通信导航机载终端，其特征在于： 所述座舱交通信息显示器接收机载航行信息处理机发送的状态信息和CPDLC报文信息 并进行显示，为飞行员提供了与地面系统进行CPDLC报文交互的人机交互界面，用于解析并 显示机载信息处理机转发的CPDLC报文信息，为飞行员提供用于CPDLC报文编辑和应答的操 作界面;接收机载航行信息处理机发来的状态信息，然后结合自身状态信息，在应用界面上 实时给出北斗机载型用户机、机载航行信息处理机和座舱交通显示器的工作状态提示。
【文档编号】G01S19/13GK205665399SQ201620160754
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年3月2日
【发明人】张劲松, 李亚慧, 姚翔
【申请人】北京盈想东方科技股份有限公司