基于共形相控阵天线的前向机载防撞系统及其工作方法与流程

1.本发明涉及机载防撞系统技术领域，具体而言，涉及一种基于共形相控阵天线的前向机载防撞系统及其工作方法。


背景技术：

2.机载防撞系统是基于ssr基础上发展而来，其工作模式为仅c模式、ms，同样采用询问/应答的工作方式，能够探测飞机的方位、高度、速度信息，广泛安装于中、大型飞机，用以避免飞机在空中互相冲撞。
3.现有的机载防撞系统：采用十字型定向天线作为应答信号接收装置，独立安装在机体的顶部和腹部，会导致飞机的气动特性变差，特别是针对速度更快、体积更小的飞机，影响飞机飞行的稳定性和机动性，而且采用十字型定向天线的机载防撞系统采用双通道比幅/比相的方式进行测角，测角性能受干扰信号的影响较大。


技术实现要素：

4.本发明旨在提供一种基于共形相控阵天线的前向机载防撞系统及其工作方法，以解决现有采用十字型定向天线的机载防撞系统存在的问题。
5.本发明提供的一种基于共形相控阵天线的前向机载防撞系统，包括防撞主机以及与防撞主机连接的共形相控阵天线和显控设备；
6.所述共形相控阵天线作为应答信号的接收装置；所述共形相控阵天线包括左翼天线和右翼天线；所述左翼天线和右翼天线用于采用数字相控阵波束形成的方式形成需要的波束；其中，所有波束叠加能够覆盖前向180
°
；
7.所述防撞主机包括ppc控制器和fpga控制器，用于在显控设备控制下，完成询问编码、应答译码、单脉冲测角、目标监视和防撞告警处理，并将得到的目标点航迹和防撞告警信息上报给显控设备；其中，所述单脉冲测角是指基于相控阵形成和/差波束的单脉冲测角；
8.所述显控设备用于向防撞主机下发控制命令以及对防撞主机上报的目标点航迹和防撞告警信息进行显示。
9.进一步的，所述左翼天线和右翼天线的波束分别覆盖前向的左侧90
°
和右侧90
°
。
10.进一步的，所述左翼天线和右翼天线均包含n个全向天线振子。
11.进一步的，所述显控设备包括人机交互界面。
12.上述的基于共形相控阵天线的前向机载防撞系统的工作方法，包括：
13.(1)询问波束调度：由显控设备控制防撞主机开始工作，ppc控制器周期性进行询问波束调度；
14.(2)询问编码：fpga控制器根据ppc控制器进行询问波束调度时下发的命令，进行仅c模式、s模式询问的编码；
15.(3)数字波束形成：在进行询问或没有进行询问时，共形相控阵天线通过数字波束
形成的方式形成发射波束和接收波束、或全向波束，并经过转换输出和/差波束的数字i/q信号；
16.(4)应答译码：fpga控制器接收和/差波束的数字i/q信号，根据询问模式打开对应的应答译码开关，按照c模式、s模式的信号格式进行应答译码，提取目标的c代码、s模式数据、和/差波束的幅度/相位，同时计算出目标距离，形成原始点迹数据上报给ppc控制器处理；
17.(5)单脉冲测角：ppc控制器利用原始点迹数据中的和/差波束的幅度/相位，采用单脉冲测角的相关算法计算出目标方位角；
18.(6)ppc控制器在实时获得目标距离、目标方位角、c代码和s模式数据的基础上，完成目标的点航迹处理，形成目标的航迹并发送给显控设备显示；并且，ppc控制器通过对目标飞行状态的监视，结合本机的飞行状态，完成临近空域飞行态势判断，对目标进行避撞威胁等级分类，并根据避撞威胁等级分类输出相应的防撞告警信息上报给显控设备显示。
19.进一步的，所述ppc控制器周期性进行询问波束调度的过程为：
20.将左翼天线和右翼天线各自覆盖的90
°
范围分别均匀划分为m个波束，得到总共2m个波束；其中，2m个波束的波束中心指向间隔为90
°
/m，波束宽度设计为(90
°
/m)
×
1.5；
21.仅c模式询问时，每个周期内ppc控制器编排小声呼叫序列，按照波束1～波束2m的顺序依次进行波束调度；
22.s模式询问时，每个周期内ppc控制器根据当前s模式目标信息列表，确定每一个需要询问的目标的方位所对应的波束，然后依次编排波束作为s模式询问命令对s模式目标进行点名询问。
23.进一步的，所述进行仅c模式、s模式询问的编码的编码输出信号包括幅度调制编码信号ask、相位调制编码信号dpsk、功放开关编码信号am、收发切换编码信号tr、译码门编码信号ym_gate。
24.进一步的，所述数字波束形成的具体过程包括：
25.在进行仅c模式或s模式询问时，共形相控阵天线根据当前询问调度的波束号，通过数字波束形成的方式形成需要的发射波束和接收波束；在tr＝1时将幅度调制编码信号ask和相位调制编码信号dpsk通过发射波束辐射出去，在tr＝0且ym_gate＝1时通过接收波束将目标响应发射的应答信号接收下来，将接收的应答信号经过转换输出和/差通道的数字i/q信号；
26.在没有进行询问时，即tr＝0且ym_gate＝0时，通过数字波束形成的方式形成全向波束，侦收空中s模式目标发送的断续振荡信号，将侦收的断续振荡信号经过转换输出和/差通道的数字i/q信号。
27.进一步的，所述采用单脉冲测角的相关算法计算出目标方位角的方法为：
28.tm＝tf t
δ
；
29.其中，tm为目标方位角，tf为共性相控阵天线波束中心指向相对与正北的方位角度，t
δ
为在波束主瓣内部目标相对共性相控阵天线波束中心指向的方位偏差。
30.综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
31.本发明采用共形相控阵天线作为应答信号的接收装置，天线与飞机机翼共形一体从而不影响飞机的气动特性，适用于速度更快、体积更小的飞机；同时采用数字相控阵形成
和/差波束的单脉冲测角的方式，相对于传统的双通道比幅/比相的测角方式，能够较大地提升系统对目标的测角精度。
附图说明
32.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
33.图1为本发明实施例的基于共形相控阵天线的前向机载防撞系统的示意图。
34.图2为本发明实施例的天线波束主瓣(局部)和/差方向图。
35.图3为本发明实施例的目标1和目标2与共性相控阵天线波束中心指向的相对位置示意图。
36.图4a为本发明实施例的目标1的和/差波束相位差示意图。
37.图4b为本发明实施例的目标2的和/差波束相位差示意图。
具体实施方式
38.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
39.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
40.实施例
41.如图1所示，本实施例提出一种基于共形相控阵天线的前向机载防撞系统，包括防撞主机以及与防撞主机连接的共形相控阵天线和显控设备；
42.所述共形相控阵天线作为应答信号的接收装置；所述共形相控阵天线包括左翼天线和右翼天线；所述左翼天线和右翼天线包含n个全向天线振子，用于采用数字相控阵波束形成的方式形成需要的波束；其中，所有波束叠加能够覆盖前向180
°
；进一步的，所述左翼天线和右翼天线的波束分别覆盖前向的左侧90
°
和右侧90
°
。
43.所述防撞主机包括ppc控制器和fpga控制器，用于在显控设备控制下，完成询问编码、应答译码、单脉冲测角、目标监视和防撞告警处理，并将得到的目标点航迹和防撞告警信息上报给显控设备；其中，所述单脉冲测角是指基于相控阵形成和/差波束的单脉冲测角；
44.所述显控设备包括人机交互界面，用于向防撞主机下发控制命令以及对防撞主机上报的目标点航迹和防撞告警信息进行显示。
45.由此，本实施例提出的基于共形相控阵天线的前向机载防撞系统中，采用共形相控阵天线作为应答信号的接收装置，天线与飞机机翼共形一体从而不影响飞机的气动特
性，适用于速度更快、体积更小的飞机；同时采用数字相控阵形成和/差波束的单脉冲测角的方式，相对于传统的双通道比幅/比相的测角方式，能够较大地提升系统对目标的测角精度。
46.上述的基于共形相控阵天线的前向机载防撞系统的工作方法，其特征在于，包括：
47.(1)询问波束调度：由显控设备控制防撞主机开始工作，ppc控制器周期性进行询问波束调度。
48.询问波束调度的过程为：
49.将左翼天线和右翼天线各自覆盖的90
°
范围分别均匀划分为m个波束，得到总共2m个波束；其中，2m个波束的波束中心指向间隔为90
°
/m，波束宽度设计为(90
°
/m)
×
1.5；
50.仅c模式询问时，每个周期内ppc控制器编排小声呼叫命令，按照波束1～波束2m的顺序依次进行波束调度；其中，每个波束内询问的步进数按照需要单独确定。
51.s模式询问时，每个周期内ppc控制器根据当前s模式目标信息列表，确定每一个需要询问的目标的方位所对应的波束，然后依次编排波束作为s模式询问命令对s模式目标进行点名询问；
52.(2)询问编码：fpga控制器根据ppc控制器进行询问波束调度时下发的小声呼叫命令和s模式询问命令，进行仅c模式、s模式询问的编码；编码输出信号包括幅度调制编码信号ask、相位调制编码信号dpsk、功放开关编码信号am、收发切换编码信号tr、译码门编码信号ym_gate。
53.(3)数字波束形成：在进行询问或没有进行询问时，共形相控阵天线通过数字波束形成的方式形成发射波束和接收波束、或全向波束，并经过转换输出和/差波束的数字i/q信号；具体过程为：
54.在进行仅c模式或s模式询问时，共形相控阵天线根据当前询问调度的波束号(1～2m)，通过数字波束形成的方式形成需要的发射波束和接收波束；在tr＝1时将幅度调制编码信号ask和相位调制编码信号dpsk通过发射波束辐射出去，在tr＝0且ym_gate＝1时通过接收波束将目标响应发射的应答信号接收下来，将接收的应答信号经过转换输出和/差通道的数字i/q信号；
55.在没有进行询问时，即tr＝0且ym_gate＝0时，通过数字波束形成的方式形成全向波束，侦收空中s模式目标发送的断续振荡信号，将侦收的断续振荡信号经过转换输出和/差通道的数字i/q信号。
56.(4)应答译码：fpga控制器接收和/差波束的数字i/q信号，根据询问模式打开对应的应答译码开关，按照c模式、s模式的信号格式进行应答译码，提取目标的c代码、s模式数据、和/差波束的幅度/相位，同时计算出目标距离，形成原始点迹数据上报给ppc控制器处理；
57.(5)单脉冲测角：ppc控制器利用原始点迹数据中的和/差波束的幅度/相位，采用单脉冲测角的相关算法计算出目标方位角。
58.所述采用单脉冲测角的相关算法计算出目标方位角的方法为：
59.tm＝tf t
δ
；
60.其中，tm为目标方位角，tf为共性相控阵天线波束中心指向(如图2所示的零升位置)相对与正北的方位角度，t
δ
为在波束主瓣内部目标相对共性相控阵天线波束中心指向
的方位偏差。
61.如图2所示，在波束主瓣内部，对于大信号或者小信号，和/差波束的幅度差值|f
σ
(θ)|-|f
δ
(θ)|与方位偏差t
δ
存在相同的固定的关系，可通过比较接收目标的和/差波束的幅度差值，进而得到目标在波束主瓣内部目标相对共性相控阵天线波束中心指向的方位偏差的绝对值|t
δ
|。
62.为了分析目标相对共性相控阵天线波束中心指向左/右的判断条件，如图3所示，假设两个目标分别出现在共性相控阵天线波束中心指向的左边和右边：
63.目标1在共性相控阵天线波束中心指向的左边，如图4a所示，应答信号的和波束e1
σ
相对于差波束e1
δ
的相位滞后90
°
。
64.目标2在共性相控阵天线波束中心指向的右边，如图4b所示，应答信号的和波束e2
σ
相对于差波束e2
δ
的相位超前90
°
。
65.通过和/差波束的幅度和相位信息的比较计算便可得到目标方位角。
66.(6)ppc控制器在实时获得目标距离、目标方位角、c代码和s模式数据的基础上，完成目标的点航迹处理，形成目标的航迹并发送给显控设备显示；并且，ppc控制器通过对目标飞行状态的监视，结合本机的飞行状态，完成临近空域飞行态势判断，对目标进行避撞威胁等级分类，并根据避撞威胁等级分类输出相应的防撞告警信息((ta/ra))上报给显控设备显示。
67.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。