民用客机机场无线通信设备设计

2021-05-21朱恩亮杨启帆马晓晨李文衡

通信电源技术 2021年2期

朱恩亮，杨启帆，马晓晨，李文衡

（航空工业西安航空计算技术研究所，陕西西安 710068）

0 引言

传统民用客机采用移动存储介质进行飞机与地面系统间的数据交换，为了不影响客机过站，该工作一般由专门的维护人员在航后进行，这不仅大大降低了数据交换的实时性，还增加了维护人员的工作量[1-5]。随着信息技术在民用客机的大量应用和空地通信技术的发展，航空公司的传统运营模式面临着改变，可以利用机场无线通信设备实现飞机与地面系统间的通信和数据交换，达到优化航空公司运营流程和降低运营成本的目的。

机场无线通信设备作为机载信息系统的重要组成单元，可以利用成熟的4G蜂窝网络实现客机与航空公司间数据的无线传输[6-8]。当飞机着陆时，通过轮载和舱门信号判断出飞机处于地面状态后，机场无线通信设备开始与地面建立无线连接，随后机载信息系统内的网络服务器发起具体的数据传输操作，以实现飞机与航空公司间的数据交换。机场无线通信设备的出现有效地提高了地勤工作人员的工作效率，缩短了飞机的过站时间，提高了航空公司运营效率。

1 架构设计

1.1 设计考虑

随着移动通信技术的迅猛发展，世界上大部分地区已经实现了4G蜂窝网络的覆盖。设计中采用蜂窝网络作为机场无线通信设备的通信方式可以满足飞机运营场景要求，并可有效降低对机场基础设施的依赖。

由于蜂窝技术涉及的产品属于消费类电子产品，具有价格低和更新速度快等特点，因此在设计中将蜂窝处理电路和射频处理电路部署在射频组件上，将其余功能电路部署在CPU组件上，以此增强设备功能模块间的独立性。当蜂窝处理电路需要更新时，只需要更新射频组件即可，可以降低设备整个生命周期成本。

1.2 CPU组件设计

CPU组件由电源变换电路、处理功能电路、存储器电路、接口功能电路以及辅助功能电路组成。电源变换电路将输入的电源转换为其他功能电路所需的电源，具有输入过压、输出过压及过流保护功能。处理功能电路以NXP公司的I.MX6Q处理器为核心，提供运算资源。存储电路为引导程序、操作系统、应用软件以及用户数据提供存储空间。接口功能电路用于提供以太网、RS232、VGA、GPIO及USB等接口。辅助功能电路包括看门狗、实时时钟、非易失存储器、复位电路以及温度监控电路，用于提供硬件监控。CPU组件硬件架构如图1所示。

图1 CPU组件硬件架构图

1.3 射频组件设计

射频组件由蜂窝处理电路和射频处理电路组成。为降低风险，设计中采用成品蜂窝模块SIM7100C来处理电路。为满足传输带宽要求，设计中采用两路蜂窝模块并行通信[9]。蜂窝模块采用3.3 V供电，通过USB接口与CPU组件进行通信，而CPU组件通过GPIO对其进行复位等控制。

机场无线通信设备的天线安装在飞机机头附近的蒙皮上。设计中为减少天线数量，使用功分器来实现共用天线，可以将天线数量由4个减少为两个，同时在功分器的前端增加高通滤波器来滤除部分干扰[10,11]。射频组件硬件架构如图2所示。

图2 射频组件硬件架构图

2 环境适应性设计

机载电子设备必须要满足DO-160G对于温度、高度、温度变化、电磁兼容以及闪电间接效应等的要求[12]。设计中选用工业档及以上级别器件，关注布局布线，增加屏蔽措施与闪电防护电路等来保证符合要求。此外，设计中使用射频电缆来代替印制板走线，可以有效降低布线难度，最大程度地减少射频干扰。由于所选的成品蜂窝模块上与射频相关的部分元器件没有任何屏蔽措施，因此在设计中需要使用构件对蜂窝模块进行全屏蔽，以减少对外发射的射频干扰。

闪电间接效应通过在机载电子设备电气接口处产生干扰电压或电流的方式来造成设备永久性损坏或功能故障，严重影响飞行安全[13]。因此，闪电防护一直受到飞机设计师的密切关注。闪电防护电路的原理是将串入电子设备对外接口上的瞬态闪电脉冲通过瞬态保护器件来泄放到地，使接口处的钳位电压在设备承受范围内，以此来保护电子设备免遭高电压货大电流损坏[14,15]。蜂窝模块的通信频率范围约为600～2 700 MHz，因此无法使用常用的闪电瞬态保护器件进行防护，如气体放电管、压敏电阻以及瞬变抑制二极管（Transient Voltage Suppressor，TVS）等。此外，设计中使用腔体滤波器来对射频信号进行滤波，能够有效地衰减闪电能量，从而达到保护设备对外射频接口的目的。

3 蜂窝拨号设计

当飞机着陆后，通过轮载和舱门信号判断出飞机处于地面状态，设备内的电源转换电路将为内部的蜂窝模块上电，蜂窝模块在10 s内完成启动并将其USB接口虚拟出ttyUSB0～ttyUSB5串口。拨号软件通过虚拟出的ttyUSB2串口，使用AT命令来查询SIM卡号、网络信号强度及网络注册状态等信息。如果上述3个状态均满足拨号要求，则使用PPPD call GPRS拨号命令进行拨号连接[16]。GPRS是拨号文件，包含了拨号所用的串口号(ttyUSB3串口)、串口波特率、准备接入的网络类型以及拨号号码等。如果拨号成功，则操作系统会生成相应的PPP网络接口，同时蜂窝移动网络的运营商为其分配相应的IP地址和DNS。拨号软件将根据飞机的网络拓扑需要设置相应的路由信息来实现设备的公网接入。