王怡翔 谷 力 李 斌

（1.中国电子科技集团公司第二十研究所 陕西 西安 710068；2.北京环球信息应用开发中心 中国 北京 100000）

0 引言

随着我国经济飞速发展，航班量猛增。 近10 年增长率平均为17%，预计2020 年将新增2400 架飞机。 目前我国民用机场主要以ILS(Instrument Landing System，ILS)系统为飞机进近着陆手段， 但ILS 系统的一些先天弊端逐渐成为限制航班量增长的瓶颈。 近年随着卫星导航技术的发展，地基增强系统已逐渐完善，目前可以达到CATI 进近要求，大力发展地基增强系统已成为着陆技术的趋势。 地基增强系统主要包括三部分，即：GPS 卫星子系统、LAAS 地面子系统和机载子系统，结构如图1 所示。 本文主要考虑的是LAAS 地面子系统与机载子系统之间广播传输的信号，也被称作甚高频数据广播。

图1 地基增强系统

地基增强系统数据链子系统包括数据链地面设备和数据链机载设备两部分。 数据链地面设备主要是VDB 发射电台，VDB 发射电台接收地基增强系统综合处理的数据， 将数据进行编码、调制，通过VDB 发射天线进行广播。 数据链机载设备主要是VDB 接收电台，VDB 接收电台通过机载VDB天线接收地面广播的VDB 信号， 在VDB 接收电台对接收到的VDB 信号进行解调、解码，并对解码后的数据进行有效性验证，将验证正确的数据传输给机载设备。

2 VDB 数据链技术原理

甚高频数据链（VHF Data Link，VDL）通信是航空电信网（Aeronautical Telecommunication Network，ATN） 空地通信子网的主要实现方式，系统工作在108.000MHz～117.950MHz 范围内， 以25.0kHz 为间隔的载波频带上。 采用的调制方式为D8PSK（Differential Eight-Phase Shift Keying, D8PSK）。D8PSK将二进制数据组合成为字符，每个字符由3 个连续的二进制位组成。目前写入《国际民用航空公约》的VDL 通信方案有四种， 分别是VDL Mode1、VDL Mode2、VDL Mode3 和VDL Mode4，VDL Mode1 的介质访问使用的是载波侦听多路访问(Carry Sense Multiple Access，CSMA)方式，数据的传输速率是2.4kbps，对于VDL Mode1 只提出了概念，国际上没有实质性的研究和开发。 VDL Mode2 也使用的是CSMA 介质访问方式，数据的传输速率是31.5kbps。 VDL Mode3 使用的是时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）的介质访问方式，数据的传输速率是31.5kbps。 VDL Mode4 使用的是自组织时分多址 （Self -Organizing Time Division Multiple Access,STDMA）方式，数据传输速率是19.2kbps。

VDL 主要由物理层、数据链路层和子网层组成，基本构成如图2 所示。

图2 VDL 协议结构

其中数据链路层由介质访问控制（Media Access Control,MAC）子层、数据链路服务（Data Link Service, DLS）子层和甚高频管理实体（VHF Management Entity,VME）子层组成。VME子层负责为飞机和地面的收发信息建立和保持连接。 DLS 子层提供链路间传送数据包的方法。MAC 子层决定何时数据包可以在介质中传输。

VDL Mode 2 的数据传输速率是31.5kbps 使用差分8 相相位键控（Differential 8 Phase Shift Keying, D8PSK）的调制方式。 MAC 子层利用的是非适应性的CSMA 算法。 VDL Mode 2 的DLS 提供面向连接的点到点服务和无连接的广播服务。VDL Mode 3 的数据传输率和调制方式与VDL Mode 2 相同，使用的是TDMA 的介质访问方式。 VDL Mode 3 可以提供7种时隙配置方式。 VDL Mode 4 的数据传输率为19.2kbps，使用带高斯滤波的频移键控 （Gaussian filtered Frequency Shift Keying, GFSK） 调制方式。 介质访问方式是STDMA。 VDL Mode 3 是美国联邦航空局（FAA）提出的下一代甚高频地空数据链通信系统方案。 在GNSS 地基增强系统数据链子系统中采用VDL Mode 3 进行设计。

3 VDB 接收电台系统组成及总体设计

VDB 接收电台主要包括射频模块、处理模块、电源模块、数据接口、维护/控制接口、数据测试接口、射频测试接口等，如图3 所示。射频模块用来接收VDB 射频信号。 处理模块用来对射频模块采样得到的数据进行解码。电源模块提供VDB发射电台内部板卡需要提供的各种电源。 数据接口主要用于与机载设备进行通信， 输出VDB 接收电台接收到的地面广播数据。维护/控制接口主要用于VDB 接收电台的本地维护、远程维护/控制和监视。 数据测试接口主要用于测试VDB 发射电台对数据的处理情况。 射频测试接口用来测试VDB 接收电台的射频模块功能。

图3 VDB 接收电台

3.1 VDB 接收电台数据处理模块的设计

处理模块主要由译码单元、处理单元、自检单元和接口控制单元组成， 如图4 所示。 译码单元主要由FPGA（Field Programmable Gate Array，FPGA） 实现。 FPGA 接收来自A/D的采样信号，完成脉冲生成、幅度相关、前导头检测，解交织译码，得到经过纠错处理的有效S 模式DF 格式报文，并且通过高速数据总线送到处理单元。 在处理单元控制下，译码单元产生相应的环路自检编码信号，经过接收机调制，耦合，形成一个闭合回路，实现整机环路自检。

自检单元主要实时对电台的工作情况进行检测，并将收集到的信息送给处理单元。

接口控制单元完成电台的本地维护和远程监视/控制。

图4 接收电台数据处理模块

3.2 VDB 接收电台射频模块的设计

射频模块主要完成的功能是将地面VDB 发射电台广播的VDB 射频信号进行频率变换， 并将基带信号的幅度采样信号和同步时钟送到处理模块供后续处理，同时将基带射频信号送到检测口供检测。 射频模块主要由限幅器、滤波器、高增益放大器、本振、混频、中频带通滤波、自检信号发生器、天线自检电路等部分组成，如图5 所示。

图5 VDB 接收电台射频模块组成

天线接收的信号经过耦合器送到接收机，首先通过隔离器和限幅器，送入信号放大器放大。 限幅器起保护低噪声放大器的作用，隔离器的作用是隔离限幅器的反射。 放大后的信号进入滤波器滤除杂波。 经过滤波后的高频信号经过射频衰减器后与本振信号混频、滤波，得到中频信号。 中频信号经过放大滤波处理后，放大后送入数字处理部分。 最终将基带信号A/D 采样数据送入处理模块。

3.3 VDB 接收电台电源模块的设计

电源模块用来向VDB 接收电台中的各个模块提供所需电压。使用两种方式的电源作为输入，一种是24V 直流电源，一种是220V 交流电源。 输入的24V 直流电源通过DC/DC 变换得到内部各个模块需要的电压。 输入的220V 交流电源先进行整流滤波，再进行DC/DC 变换，得到24V 直流电压，然后再经过DC/DC 变换，得到内的各个模块需要的电压。

3.4 VDB 接收电台各接口的设计

根据地基增强系统数据链子系统VDB 接收电台的功能要求，VDB 接收电台需要包括射频测试接口、数据接口、数据测试接口、维护/控制接口。

VDB 接收电台的射频测试接口从射频模块后端引出，主要用于对VDB 接收电台的射频模块工作状态进行检测。

VDB 接收电台数据接口采用RS485 异步传输通信接口，用来实现VDB 接收电台和机载设备之间的通信。 数据接口的波特率设计为可设置， 可设置的波特率为9600、19200、38400、57600、115200。 具体数据格式为DO-246D 标准中规定的格式。

VDB 接收电台数据测试接口直接从处理模块后端接出，用以检测处理模块解算出的数据是否正确。

VDB 接收电台远程维护/控制接口用来维护和控制电台， 该接口采用RS485 串口， 串口的波特率设置范围为1200-19200。

4 结束语

地基增强系统作为一种新兴的进近着陆技术已逐渐成为着陆技术的主导，对未来空中交通管制的发展产生着重大的影响。 中国发展和实施地基增强系统已经势在必行，并已经有计划地开展了一系列的研究与建设。VDB 接收电台是地基增强系统数据链的重要组成部分，是机载设备接收地面站数据的根本。 本文以设计一个面向地基增强系统的VDB 接收电台为目标，从系统硬件方面着手，初步阐述了地基增强系统中VDB 接收电台的理论实现方法， 为地基增强系统的建设提供了有力的支持。

［1］REED J H.软件无线电-无线电工程的现代方法[M].陈强，译.北京：人民邮电出版社，2004.

［2］张敬堂.现代通信技术[M].2 版.北京：国防工业出版社，2008.

［3］Annabel Z.Dodd.通信技术导论[M].北京：清华大学出版社，2006.