一种用于控制机场导航灯系统的方法与流程

本发明涉及一种用于控制机场导航灯系统的方法，包括(a)用于产生ac电流的电源，该ac电流具有周期；(b)多个灯具单元，由电源经由电缆供电，并包括接收器和至少一个航空地面灯；以及(c)控制单元，该控制单元连接到电缆并被布置用于向灯具单元发送消息并经由电缆从灯具单元接收消息。根据第二方面，本发明涉及这种机场导航灯系统。

背景技术：

从fr2865871a1和wo95/24820a1中已知这种机场导航灯系统，并且该系统用于照亮机场的交通道路例如它的跑道或滑行道。必须定期检查机场导航灯系统的灯，也可称为航空地面灯，以确保它们正常工作。此外，能够与这些灯中的每一个通信以使它们可以用作飞行员的信号是有利的。

一些机场导航灯系统使用非屏蔽电缆为灯具单元供电，其中每个灯具单元控制至少一个航空地面灯。能够升级这些现有系统以与灯具单元通信。但是，能够被这些系统单独编址的航空地面灯的数量相当有限。

可以将所有航空地面灯和所有灯具单元连接到屏蔽数据电缆的网络。这将导致安全、可靠和多功能的系统，但需要全新的通信系统。

技术实现要素：

本发明旨在改进机场导航灯系统，特别地，现有的机场导航灯系统。

本发明通过具有权利要求1的特征的方法解决了该问题。具体地，该方法包括以下步骤：(i)确定沿ac电流(i)的周期的多个时隙(s)的噪声水平；(ii)确定低噪声时隙，在所述低噪声时隙期间噪声水平低于例如预定的噪声阈值；(iii)经由电缆发送低信息消息(mlow)，所述低信息消息编码相对于所述周期的所述低噪声时隙的至少一些、特别地所有时隙的定时；以及(iv)在这些低噪声时隙期间发送编码控制命令的高信息消息。

根据第二方面，本发明通过如上所述的机场导航灯系统解决了该问题，其中控制单元被设置为自动执行根据本发明的方法的步骤。

本发明的一个优点是能够控制许多航空地面灯。测试已表明能够每可用频率信道在不到5秒的时间内处理超过500个且最多990个灯。作为结果，可以改装相对较大机场的机场导航灯系统。

另一个优点是错误率低。由于仅使用低噪声时隙，频率复用是可能的，并且数据传输中的错误是不太可能的。

另一个优点是通常不需要中继器。由于可以使用多个时隙，能够将最大频率选择为低于例如30千赫兹。发明人已发现较高频率处信号衰减特别高。由于能够使用较低的频率，衰减合理地低，因此通常不需要中继器。

作为结果，电缆不需要屏蔽。本发明适用于几乎所有现有的机场导航灯系统。

本系统的另一个优点是它是鲁棒的。由于灯具单元和/或控制单元仅使用低噪声时间信道，根据优选实施例，通信电子设备能够被关闭或设置为在高噪声时隙期间自动关闭。因此，它们不受可能的电压峰值影响。

在本说明书中，噪声水平特别地旨在表示不期望的电流和/或电压波动的量。

噪声阈值特别地旨在表示使得低于该阈值的噪声不会干扰数据传输的已经选择的固定值。可以预定噪声阈值。换句话说，噪声阈值可以在确定噪声水平之前存储在例如数字存储器中。该噪声阈值选择尽可能地高，但足够低以确保可靠的通信。

可替换地，噪声阈值可以是隐含的。例如，方法可以包括步骤：(a)确定所需时隙的数量na以便能够在例如2秒或5秒的预设时间间隔内从航空地面灯获得状态信息，和(b)选择具有最低噪声水平的第一个。在这种情况下，噪声阈值高于具有最低噪声水平的第na时隙的噪声水平和具有(na+1)最低噪声水平的时隙。

短语“沿着周期”旨在表示相对于ac电流的重复模式的位置。代替短语“沿着周期”，可以使用短语“沿着ac电流的波形”或“相对于ac电流的波形”。ac电流能够被描述为换句话说，ac电流是时间t的周期性函数。短语“沿着周期”指时间模2π。

时隙旨在表示时刻表中的定义的时间间隔，即相对于ac电流的时间间隔。换句话说，时隙是具有确定的持续时间的时间间隔，在该时间间隔期间可以使用资源(在当前情况下：电缆的传输容量)并且其中该时间间隔周期性地发生(在当前情况下：在ac电流的周期或半周期内)。

每个灯具单元连接到至少一个航空地面灯。对于所有灯具单元，灯具单元所连接的航空地面灯的数量恒定是可能的，但不是必需的。

优选地，低信息消息每半周期编码少于两个比特，例如每半周期一个比特。如此低的数据速率使得数据传输非常鲁棒并且很不容易出错。

优选地，高信息消息每半周期包含至少12比特，例如每半周期17、18或19比特。

时隙的宽度优选地为至少300微秒和/或至多600微秒。每周期可以存在至少20个时隙，特别地，至少30个时隙。优选地，每周期存在少于60个时隙，特别地，少于50个时隙。每个活动低噪声时隙的比特数量优选地至少为1，但是多个频率信道是可能的并且有利的。特别地，能够使用多于两个、三个或四个频率信道。事实证明，超过9个频率信道是可能的，但通常不需要。

优选地，电缆是非屏蔽的。当然，本发明也可用于屏蔽电缆。但是，它也可以与非屏蔽电缆一起使用是有利的。

步骤(iii)可以包括发送低噪声时隙掩码。这是连续比特序列，其中每个比特对时隙是否是低噪声和是否活动进行编码。可以以不同的方式对低噪声时隙的时隙编码，但这是一种非常有效的做这件事的方法。应该注意，也能够通过编码非活动的或高噪声时隙例如那些或者是低噪声但未使用的、或者不是低噪声的时隙，来实现编码低噪声时隙。在这种情况下，通信仅发生在未标记为非活动的或高噪声的那些时隙中。

用于发送高信息消息的低噪声时隙称为活动时隙。所有低噪声时隙都是活动时隙是可能的，但不是必须的。如果并非所有低噪声时隙对于与灯具单元的通信都是必需的，则将最少的嘈杂时隙用作活动时隙是有利的。

根据优选实施例，每个时隙和每个频率信道的比特值是频率编码或相位编码。如果比特值是频率编码，则比特值0由第一频率表示，并且比特值1由与第一频率不同的第二频率表示。如果比特值是相位编码，则比特值0由频率的第一相位表示，比特值1由相对于频率的第一相位的第二相位表示。特别地，第二相位是180°。

第一信道可以用于编码时间关键信息，例如，灯具是否是可操作的、不活动的或缺陷。第二信道可以用于编码非时间关键信息，例如，灯具单元的电参数，诸如电压或电流。优选地，第一信道使用具有比其他信道更低的衰减和/或噪声水平的频率。

如果比特值是频率编码，则优选地在每个时隙的中间，例如通过控制单元和/或灯具单元对频率进行采样。短语“在时隙的中间”特别地旨在表示在时隙中心附近的时间间隔，其中该间隔具有不超过时隙宽度的十分之一的间隔长度。

优选地，频率不超过30千赫兹。如上所指出的，较高的频率能够引起大量衰减，因此需要中继器。

根据优选实施例，对于每个时隙，使用至少四个、特别地至少六个频率信道。事实证明，对于大多数机场导航灯系统，至少达到十个频率信道是可能的，这引起高数据速率。

根据优选实施例，至少一些高信息消息编码用于选择性地接通或断开至少一个灯具单元的开关信息。开关信息可以包含相应的灯具单元不得不接通或断开的时间点。该时间点可以指由控制单元分配的内部时间或系统时间例如，经由如下所述的参考点设置信号。

步骤(i)至(iv)优选地由控制单元自动执行。优选地，至少大多数灯具单元自动执行包括以下步骤的方法：(i)接收编码低噪声时隙的定时的低信息消息，以及(ii)在至少一个低噪声时隙中发送至少一个状态消息。当然，灯具单元通常定期接收和发送这些类型的消息。

步骤(i)至(iv)可以在机场导航灯系统启动之后执行。这些步骤也可以在预定的时间间隔之后进行，例如，一天一次。

优选地，权利要求1的步骤(i)和(ii)在预设的时间间隔之后重复执行，并且如果一个低噪声时隙中的噪声水平超过噪声阈值和该低噪声时隙是用于发送高信息消息的活动低噪声时隙，发送编码相对于周期的所述低噪声时隙的至少一些的定时的新的低信息消息。如果高噪声时隙中的一个的噪声水平低于噪声阈值，并且活动低噪声时隙具有比该(前面的高噪声)时隙更高的噪声水平，则可以发送编码相对于周期的所述低噪声时隙的至少一些的定时的新的低信息消息。换句话说，如果必要和/或有利，将改变活动低噪声时隙。

ac电流的波形可以是相切正弦波(phase-cutsinewave)或正弦波，即完整的正弦波，并且每个周期具有至少一个电流沿，特别地，恰好两个电流沿，其中时隙的定时是相对于电流沿确定的。时隙的这种定时由灯具单元和/或控制单元执行。电流沿可以是沿着ac电流的周期的时间点，该ac电流能够以最高精度检测。因此，控制单元和灯具单元之间或两个灯具单元之间的定时未命中匹配很小。因此，能够使用相对小的时隙。

如果ac电流的波形是相切正弦波，则当相切结束时电流沿是急剧上升，并且当相切开始时电流沿急剧下降。如果ac电流的波形是正弦波，则当相对于时间的一阶导数具有其最大值或最小值时，发生电流沿。

作为替代方案，ac电流的波形是正弦波。当然，余弦波等于正弦波，因为它们仅相位不同。可以相对于正弦波的相位确定时隙的定时。

该方法可以包括步骤：借助于灯具单元的时钟，通过发送参考点设置信号例如借助控制单元；和通过基于参考点设置信号使时钟与ac电流的相位同步，来确定时隙的定时。该参考点设置信号可以包括(i)第一值的至少一个比特的第一集合(例如0)，紧接着跟随(ii)非第一值的一个标记比特(例如1)，和(iii)是第一值的至少一个比特的第二集合(例如0)。灯具单元优选地相对于标记比特的标记比特时间点确定时隙的采样时间点。换句话说，灯具单元接收标记比特的时间点被认为是用于使灯具单元的内部时钟与ac电流同步的重要时间点。第一集合优选地包括至少两个连续的相等比特。第二集合优选地包括是第一值的至少两个连续的相等比特。

基于参考点设置信号将时钟与ac电流的相位同步的短语特别地旨在表示接收参考点设置信号的时间点被用于计算灯具单元的时钟和ac电流之间的时移，其中时钟的频率稳定到ac电流的频率。

本发明的一个独立方面是一种用于控制机场导航灯系统的方法，该机场导航灯系统包括(a)用于产生ac电流的电源，该ac电流具有周期；(b)多个灯具单元，多个灯具单元由电源通过电缆供电，并且包括接收器和时钟；(c)控制单元，其连接到电缆并用于经由电缆向灯具单元发送消息并从灯具单元接收消息，该方法包括以下步骤：(i)通过至少一个灯具单元在时隙中发送消息；通过时钟确定时隙的定时；(ii)(例如，通过控制单元)发送参考点设置信号并基于参考点设置信号使时钟与ac电流同步。

本发明的一个独立方面还是一种机场导航灯系统，其包括(a)用于产生ac电流的电源，该ac电流具有周期；(b)多个灯具单元，多个灯具单元由电源通过电缆供电，并且包括接收器和时钟；(c)控制单元，其连接到电缆并用于经由电缆向灯具单元发送消息并从灯具单元接收消息，其中(d)灯具单元被设置为在时隙中自动发送消息，其中时隙的定时通过时钟确定；并且其中(e)控制单元被设置为自动发送参考点设置信号；并且其中(f)灯具单元被设置为基于参考点设置信号自动地使时钟与ac电流(i)同步。

该方法和可以是机场的一部分的该机场导航灯系统可以具有或不具有关于本发明的其他方面描述的特征，反之亦然。

机场导航灯系统可包括在电源和灯具单元之间的滤波单元。该滤波单元被设置为，对于第一截止频率例如32khz和高于第二截止频率(其低于第一频率，例如2khz)的频率，该滤波器单元用作短路。该滤波单元还可以被设置为使得防止高于第二截止频率的频率进入电源。

电源的电压优选地至少为4千伏，优选地不超过8千伏。

每个灯具单元可以包括变压器、接收器、发送器和处理器。

根据优选实施例，灯具单元经由隔离变压器连接到电缆。一个灯泡单元的故障不会中断整个系统。防止非常高的频率进入灯具单元。如果其中一个灯泡单元接地短路，这不会影响其他灯泡单元。

优选地，每个灯具单元有一个时钟。时钟包括与ac电流同步的频率发生器。每个灯具单元具有其自己的时钟是有利的，但不是必需的。作为替代方案，两个或更多灯具单元可以共享一个时钟。

时钟可以包括具有低通滤波器特性的锁相环，例如，pi(比例和积分项)控制器。电流沿的定时通常示出关于ac电流的正弦包络的抖动。低通滤波器特性可以具有截止频率，选择该截止频率以消除抖动，但是以允许时钟跟随关于频率发生器的ac电流的电流沿的漂移。换句话说，时钟同步地跟随电流沿的漂移，但不是其抖动。例如，可以通过确定ac电流随时间(即电流的一阶导数)的增加超过预设阈值的时间点来确定当前沿。锁相环中的低通滤波器具有如果ac电流的频率增加则时钟将更快地运行的效果。截止频率可以是10赫兹，特别地低于1赫兹。

根据优选实施例，机场导航灯系统具有被选择得足够小的航空地面灯的数量使得所有灯具单元的状态在两秒内检索。机场可以包括根据本发明的多于一个的机场导航灯系统，使得能够在两秒内检查的航空地面灯的总数能够更大。

本发明还通过包括如上所述的机场导航灯系统、滑行道和跑道的机场解决了该问题，其中航空地面灯安装在滑行道和/或跑道中。根据优选实施例，该机场包括如上所述的第二机场导航灯系统，其中第一机场导航灯系统中的频率信道的频率与第二机场导航灯系统中的频率信道中的频率不同，使得两个机场导航灯系统之间的串扰最小化。

应注意，机场可以包括两组灯具单元。第一组可能是安全相关的，并且可能需要在例如两秒内检查，第二组可能不是安全相关的，并且可以仅在更长的时间段例如五秒钟内检查。

机场可以包括(i)根据本发明的第二机场导航灯系统；其中(ii)第一机场导航灯系统的控制单元与第二机场导航灯系统的第二控制单元同步。第一机场导航灯系统中的频率信道中的一个的至少一个频率对应于第二机场导航灯系统中的频率信道中的一个的频率中的一个。因此，可能会发生串扰。为了避免串扰，每个灯具单元具有数字存储器，其中存储发送时间帧的定时，其中第一机场导航灯系统和第二机场导航灯系统的所有灯具单元的发送时间帧是不同的。因此，即使第一机场导航灯系统的电缆与第二机场导航灯系统的电缆之间存在串扰，通信也不受干扰。

附图说明

现在将参考附图更详细地描述本发明，其中，

图1示出了根据本发明的机场的示意图；

图2描绘了是根据图1的机场的一部分的机场导航灯系统的电路图；

图3是用于发送高信息消息的时隙的示意图；以及

图4示出了用于说明活动低噪声时隙和参考点设置信号的定时的编码的图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的机场10。机场10包括跑道12和多个航空地面灯14.1、14.2等，所述多个航空地面灯可用于跑道或滑行道16或机场基础设施的另一部分。机场10还可以包括塔18和至少一个终端20。

图2示出了机场导航灯系统22，其包括用于产生ac电流的电源24，该ac电流经由电缆25为灯具单元26.1,26.2,…,26.n供电。电压u是例如5kv并且频率fac＝50hz或fac＝60hz。滤波器28布置在电源24和灯具单元26.i(＝1、2、...、n)之间。

对于第一截止频率fco1＝32khz且高于第二截止频率fco2＝2khz的频率，滤波器单元28在电缆25的第一端e1和第二端e2之间用作短路。滤波器单元28在高于fco1的频率强烈地衰减。低于fco2的频率几乎不能从第一端e1到第二端e2通过滤波器。滤波器单元28还防止高于fco2的频率进入电源24。

机场导航灯系统22还包括控制单元30，控制单元30经由隔离变压器32连接到电缆25。控制单元30可以有终端或另一人机界面，使得操作人员能够使用控制单元30与灯具单元26通信。

每个灯具单元26.i通过隔离变压器34.i连接到电缆25并连接到至少一个航空地面灯14.i，例如，14.1。没有航空地面灯14.i连接到多于一个的灯具单元26。图2示出了i＝1的这些元件。所有灯具单元26.i具有相同的结构。每个灯具单元26.i和连接到灯具单元26.i的至少一个航空地面灯14.i是灯具系统36.i的一部分。

灯具单元26.i包括第一频率滤波器f1，其用于滤除低于第一频率f1.1和高于第二频率f1.2(其中f1.1<f1.2)的所有频率。灯具单元26.i可以包括进一步的频率滤波器fj(j＝2,…,n)，其用于滤除低于第三频率fj.1和高于第二频率fj.2(其中fj.1<fj.2)的所有频率。对于每个频率滤波器fj，其相应的输入连接到接收器39.i。接收器39.i连接到相应的隔离变压器34.i。频率滤波器fj的输出连接到解调器demj(j＝1,…,nc)。nc是能够使用的频率信道的数量。

解调器demj被设置用于确定是否存在第一频率fj.1(其可以等于比特值0)或第二频率fj.2(其可以等于比特值1)。

接收器39.i经由至少一个频率滤波器fj连接到时钟41.i(图2中：41.1)。时钟包括频率发生器或振荡器38.i，例如，石英振荡器和锁相环(pll)40.i。因此，时钟41.i接收电缆25.ia中的ac电流的频率fac。因此，振荡器38.i与ac频率fac同步。

所有解调器dem1、...、demnc连接到处理器42.1(图2中：42.1)。处理器42.i可以包含fpga设备(fpga，现场可编程门阵列)。处理器42.i连接到相应的航空地面灯14.i(在当前情况下：航空地面灯14.1)例如用于接通和断开它。

处理器42.i还用于检查通过航空地面灯14.i的电压和电流，以便检查航空地面灯14.i是否正常工作。

处理器42被编程以便自动解码由控制单元30发送的消息。例如，控制单元30可以发送高信息消息mhigh，其编码相应的航空地面灯14.i的地址和编码航空地面灯14.i不得不执行的相应的命令。例如，高信息消息mhigh中的一个可以编码特定航空地面灯14.i被接通或断开的信息。替选地或附加地，高信息消息可以编码由相应控制器发送的特定航空地面灯14.i的状态的命令。为此目的，处理器连接到发送器44来经由电缆25发送消息。高信息消息mhigh还可以编码不得不用于mhigh的应答的时隙。

图2示出了机场可以包括第二机场导航灯系统22'。应注意的是，机场10可以包括两个、三个或更多航空地面灯系统，其中在给定时间处没有航空地面灯连接到两个或更多机场导航灯系统。

开关43.1连接到处理器42.1，处理器42.1能够断开和闭合开关43.1。

图3是用于说明根据本发明的方法的示意图。图3a示出了来自电源24(参见图2)的ac电流i。在该示例中，ac频率fac是50hz。图3a示出了ac电流i(t)的波形是相切正弦波。它包括沿ac电流周期的时间点tedge1的电流沿46。

图3b示出了噪声水平噪声ieff(t)，其可以以噪声电流的有效值ieff的形式测量。可以看出，在tedge1的电流沿之后，噪声水平立即超过噪声阈值ieff,thr。电流沿46和第二电流沿46'之间的时间间隔可以被称为帧或时间帧，并且被分成例如20个时隙。时隙是相对于关于周期的电流沿时间点tedgei的时间间隔。在这种情况下，所有时隙具有相同的宽度即持续时间。这是有利的，但不是必需的。

在本示例中，在时隙s1、s10和s11中噪声ieff超过噪声阈值ieff.thr。因此，它们不用于通信。

图3c示意性地示出了在一个时隙例如时隙s2内，多个频率能够用于编码比特值。这是众所周知的频率复用。

如图3b所示，因为噪声水平低于噪声阈值ieff,thr，时隙s2、s3、...、s9、s12和s20可以用于通信。这里，没有使用时隙s20。确定噪声水平和确定噪声水平低于噪声阈值的时隙sj的步骤由控制单元30完成。

图4示出了由控制单元30(参见图2)发送的低信息消息mlow的结构。低信息消息mlow包括可以有13比特的码字。可以看出，低信息消息mlow为每个帧或每个半周期编码一个比特，其等于每周期两个比特。码字对发送的消息是低信息消息的事实进行编码。

码字后跟随有活动时隙掩码。这是指示时隙sj是否是活动的比特值序列。活动时隙是用于通信的低噪声时隙。通常，所有低噪声时隙是活动时隙。由于，在本示例中，s1是高噪声时隙，相应的比特值为0。由于s2是低噪声时隙，比特值为1。当然，也可以反过来分配比特值。

在本示例中，仅使用20个时隙sj中的19个。因此，活动时隙掩码具有19比特。在20个可能的时隙中只有19个被使用的事实被存储在例如处理器42(参见图2)的数字存储器21.i和相应的控制单元30的数字存储器中。

在数字存储器21.i中，存储数字地址。该数字地址将用于灯具单元26的发送时间帧代码化。发送时间帧是其中仅相应的灯具单元26.i被允许(并且将会)发送数据的时间帧。

在活动时隙掩码之后，发送参考点设置信号。该参考点设置信号使用如图3所示的时隙。参考点设置信号包括第一集合r1，其包括至少1比特，在本示例中，4比特的连续相等比特，例如0。第一集合r1后紧跟着标记比特b。这里，b由值1表示。标记比特b后紧跟着第一值的至少1比特的第二集合r2，即在该示例中为0。可以预定第一集合中和第二集合中的比特数量。作为替代，低信息消息可以包括在活动时隙掩码之后立即发送的、并且编码将在其中发送标记比特的时隙的进一步的成分。

由于标记比特具有与第一集合和第二集合不同的比特值，相应信号的峰值高准确度地确定沿着ac信号的周期的时隙(在该示例中：s6)的时间位置。处理器42(参见图2)测量处理器检测到相对于其内部时钟38的标记比特的时间，并计算时钟38的时间和接收标记比特的时间点之间的时移δt。处理器42通过由时钟时间和时移组成的时间来计算每个时隙sj的中间位置。

图2示出了机场可以包括第二机场导航灯系统22'，其具有与第一机场导航灯系统22相同的结构。

其控制单元30'与控制单元30同步。第二机场导航灯系统22'中使用的频率与第一机场导航灯系统22中的频率相同。换句话说，第一机场导航灯系统22中的所有频率信道对应于第二机场导航灯系统22'中的频率信道的相应频率。

第一机场导航灯系统22的所有灯具单元26.i和第二机场导航灯系统22'的所有灯具单元26.i'具有不同的发送时间帧。这确保了在任何给定时间最多一个灯具单元26.i发送数据。

图1示出了第一机场导航灯系统22的航空地面灯14.i和第二机场导航灯系统22'的航空地面灯14.i'以互补的方式布置。换句话说，它们被布置使得即使机场导航灯系统22、22'中的一个发生故障，仍然能够使用例如跑道12和/或滑行道。

附图标记列表

10机场facac频率

12跑道f1第一频率滤波器

14航空地面灯f2第二频率滤波器

16滑行道f3第三频率滤波器

18塔

i,j运行索引

20终端iac电流

21数字存储器ieff噪声电流的有效值

22机场导航灯系统ieff,thr噪声阈值

24电源matsm活动时隙掩码

25电缆

26灯具单元mrpss参考点设置信号

28滤波器mhigh高信息消息

mlow低信息消息

30控制单元n灯具单元的数量

32隔离变压器nc频率信道的数量

34隔离变压器

36灯具系统r1第一集合

38频率发生器、振荡器r2第二集合

39接收器s时隙

t时间

40plltb标记比特时间点

41时钟uac电压

42处理器

43开关pl/ne-be

44发送器

46电流沿

b标记比特

dem解调器

e1电缆的第一端

e2电缆的第二端

fl.1第一频率

fl.2第二频率