CN103376448A

CN103376448A - 适于工作于多无线电测高设备中的无线电系统

Info

Publication number: CN103376448A
Application number: CN2013101417258A
Authority: CN
Inventors: 塞巴斯蒂安·利斯; 让-雅克·安德烈
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2012-04-20
Filing date: 2013-04-22
Publication date: 2013-10-30
Also published as: FR2989782A1; EP2653887B1; EP2653887A1; FR2989782B1

Abstract

本发明涉及一种无线电测高系统，其可以被固定到飞行器并提供该飞行器至一表面的距离，该无线电测高系统能够工作于包括至少两个这种无线电测高系统的多无线电测高设备中，所述无线电测高系统包括调频无线电波发生器，该调频无线电波发生器使用包括重复的频率变化序列的调制信号，两个相继的序列由可变持续时间等待平台分隔。根据本发明的无线电测高系统包括：用于获取能够将所述无线电测高系统与所述多设备中的任何其他无线电测高系统进行区分的标识符的装置(26)，以及用于根据所获取到的标识符对所述等待平台的用于所述调制信号的形式进行选择的装置(30)。本发明还涉及一种包括至少两个这种无线电测高系统的多无线电测高设备。

Description

适于工作于多无线电测高设备中的无线电系统

技术领域

本发明涉及一种设计为固定到飞行器并提供所述飞行器至一表面的距离的无线电测高系统，该无线电测高系统能够工作于包括至少两个这种无线电测高系统的多无线电测高设备(multiple radio altimetry installation)中。

背景技术

用于民用或军用航空领域中的无线电测高系统通常被称为无线电测高仪(radio altimeter)。

无线电测高仪是随载安装在飞行器上并且能够提供该飞行器相对于正被飞越过的地面或表面的高度的仪器。无线电测高仪尤其被用在自动飞行阶段或关键飞行阶段(critical flight phase)(诸如，接近、降落和起飞)期间。由无线电测高仪提供的高度测量还可以被用于由随载计算机执行的各种计算应用，例如重新标定飞行器相对于所飞越地形的预先建立的地图的位置。

现有技术中已知有不同类型的无线电测高仪，这种仪器的一般原理是通过测量被发射以及经地面反射后被接收的无线电信号的传播时间来测量高度。

具体地，为人们所熟悉的是根据频率摆动或斜率δF，通过包括斜坡(ramp)(所述斜坡具有基本线性的斜率)的调制信号使用调频连续波的连续发射，这通常被称为调频连续波(FMCW，frequency-modulated continuous wave)调制。在民用领域中，使用的频段是从4.2到4.4GHz。在地面上反射之后，反射无线电波在持续时间τ(该持续时间τ依赖于飞行器的高度)之后作为回波被接收，并因此使得能够计算所述高度。

尤其对于客运而言，为了确保在关键飞行阶段或自动飞行阶段期间的安全，以及正常的操作，通常在飞行器上布置多个无线电测高仪。对于某些应用，使用三个无线电测高仪以确保在故障情况下的安全。

在飞行器上布置多个无线电测高仪可能造成干扰，由一个无线电测高仪发射的无线电波能够被另一无线电测高仪当作反射的无线电波拾取。在测量飞行器的高度时，尤其在来自第一无线电测高仪的反射的无线电波与由另一第二无线电测高仪发射的无线电波同步时，两个无线电测高系统之间的这种类型的干扰可潜在地造成测量误差。

为了减少这些困扰，现有技术中已知的一种解决方案是例如由标准ARINC707所建议的那样，根据距离建议来布置无线电测高系统(尤其是其发射/接收天线)，使得能够确保发射的无线电波和反射的无线电波完全分开。然而，这些建议难以在小型飞行器(例如，无人机)上遵守。此外，即便符合这些建议，但是对于所飞越的地形的某些形式而言，仍可能遭遇干扰。

可替代地，已知在现有技术中，提供这样的无线电测高仪，其以固定斜率调制信号操作，但是对于这些固定斜率调制信号而言，斜坡的重复频率以预定的方式改变，或者，斜坡的持续时间是可变的。这种类型的配置并未彻底地消除由干扰造成的误差，这些误差可能循环地出现。此外，这些不同的操作模式是预先定义的，调制信号的配置必须在制造期间被设定。因此，这种系统的分化生产(以便所述系统可以被用在多设备中)导致了额外的成本费用。

发明内容

本发明旨在解决现有技术的缺点，使得能够在多设备中提供可靠的无线电测高系统，同时避免用于这种系统的额外的生产成本。

为此，根据第一方面，本发明提出了一种无线电测高系统，其可以被固定到飞行器并提供该飞行器至一表面的距离，该无线电测高系统能够工作于包括至少两个这种无线电测高系统的多无线电测高设备中，所述无线电测高系统包括使用调制信号的调频无线电波发生器，该使用调制信号的包括重复的频率变化序列，两个相继的序列由可变持续时间的等待平台(waiting plateau)分隔。

其特征在于，所述无线电测高系统包括：用于获取标识符的装置(26)，所述标识符能够使所述无线电测高系统区别于所述多设备中的任何其他无线电测高系统，以及用于根据所获取到的标识符选择用于所述调制信号的所述等待平台的配置的装置。

有利地，根据本发明的无线电测高系统是可动态配置的，因为当该无线电测高系统被启动时，所述可变的等待平台的配置是根据所获取的该系统的标识符来选择的。因此，这样的系统可以被单独使用，或者被用在具有多个无线电测高系统的设备中，由于等待平台被预先配置成使由该设备中的无线电测高系统发射的斜坡的同步干扰的风险最小化，因此在这种情况下操作安全被确保。此外，不需要对多设备中的每个无线电测高系统实施分化生产，这降低了生产成本。

根据本发明的无线电测高系统可以具有以下一个或多个特征：

所述等待平台的所述配置定义所述等待平台的可变持续时间，所述持续时间通过应用伪随机数发生器来获取；

所述伪随机数发生器包括应用预定的多项式；

所述多设备包括大于或等于二的预定的最大数N个这种无线电测高系统，并且所述系统包括用于N个伪随机数发生器的存储装置；

所述存储装置能够存储预定的伪随机数发生多项式和N个不同的启动值，一个所述伪随机数发生器通过以所述启动值中的一个启动值应用所述多项式来获取；

所述标识符是在预定的位数上进行编码的一数字，所述数字取决于所述多设备中的无线电测高系统的所述预定的最大数N；

所述无线电测高系统进一步包括：用于接收无线电波的装置，用于使所发射出的无线电波和所接收到的无线电波相减以形成差拍信号(beat signal)的装置，以及用于在预定的频带内对所述差拍信号进行滤波的装置；以及

所述用于获取标识符的装置包括用于读取由操作者通过适当的界面输入的标识符的装置。

根据第二方面，本发明涉及一种包括如以上简单描述的至少两个无线电测高系统的多无线电测高设备。

附图说明

参照附图，以下提供的说明以供参考且非限制性地示出了本发明的其他特征及优点，其中：

图1示意性地示出了配备有具有两个无线电测高系统的设备的飞行器；

图2图形化地示出了由FMCW类型的无线电测高系统发射和接收的无线电波以及提取出的理论的差拍(beat)信号；

图3示出了由三个根据本发明的一个实施例的无线电测高系统发射的无线电波；

图4是根据本发明的一个实施例的无线电测高系统的概观。

具体实施方式

以下特别描述本发明，其中无线电测高系统为无线电测高仪，能够提供离飞行器(例如，飞机或直升机)所飞越的地面或表面的距离测量。

图1示意性地示出了配备有包括两个无线电测高仪3和4的无线电测高设备2的飞行器1，每个无线电测高仪都能够通过发射天线发射以O_E表示的无线电波或所发射的无线电波阵列，每个被发射的无线电波均例如根据信号进行频率调制，该信号包括范围在值F_min和值F_max之间的、根据频率摆动ΔF＝abs(F_max-F_min)的频率变化斜坡，其中abs表示绝对值，如图2中图形示意性所示。无线电波O_E然后在地面5上反射并产生反射波O_R。

图1还示出了可能发生的干扰现象：由无线电测高仪3发射的无线电波O’_E被反射并被无线电测高仪4当作接收波O’_R进行接收，且由无线电测高仪4响应于无线电测高仪4发射的另一无线电波O”_E而被当作反射波进行处理，从而造成了测量误差。

在标称工作条件下，如图2所示，FMCW类型的无线电测高仪发射根据具有频率摆动ΔF的频率斜坡进行调制的无线电波。在图2的示例中，时间-频率图10中所示的频率斜坡是上升斜坡，其具有正斜率以及持续时间为T，通常为50ms左右。

上升斜坡之后为上平台、下降斜坡、具有可变持续时间的下平台，然后重复同样的“上升斜坡-上平台-下降斜坡-下平台”序列(图2中未示出斜坡的重复)，从而形成调制信号。

经地面的反射后，反射波形O_R以τms的时间偏移作为回波被接收。因此，在时间t时刻，发射波和接收波之间的频率差为F_b。该频率差被称为拍频(beatfrequency)。图2的时间-频率图12中示出了差拍信号S_B。

理论上，如果所飞越的表面是平坦的，则在上升斜坡的整个发射持续时间T内，拍频是恒定的。通过测量该拍频，能够计算相对于所飞越表面的高度H，由以下公式给出：

H = \frac{c \times τ}{2}

其中，c为光速。

由此，由拍频F_b推导出高度H的测量：

H = \frac{c}{2} \times \frac{T}{ΔF} \times F_{b}

应理解的是，如果所使用的接收波不是实际上作为发射波的回波被反射的波而是由另一无线电测高系统发射的具有相似形式的波，则所提取的拍频F_b是错误的，而这将导致错误的高度测量值H。

当多于两个无线电测高系统(例如，三个或四个系统)被用在同一设备中时，该问题更为严重，可能导致更多的高度测量误差。

根据图3中所示的本发明的一个实施例，提出充分区分分别由设备2中的每个无线电测高系统发射的波，同时保持这些系统中的每个系统单独使用时性能水平相同。

在图3中，示出了三个无线电测高仪工作于一个设备中的情况，时间-频率图表14、16和18中显示了由这些无线电测高仪中的每个无线电测高仪分别发射的波形

和

每个发射波

(1≤k≤3)由重复的序列组成，每个序列包括对于波

而言由R11表示的斜坡(其是一个上升斜坡)、上平台P11和下降斜坡D11。该序列紧跟着一可变持续时间等待平台A11，然后重复。如图3所示，发射波

的各个等待平台A11和A12具有可变持续时间。

等待平台的配置指分配给相继的等待平台的各个持续时间。

如图3所示，根据本发明的一个实施例，待由各无线电测高系统发射的波的各自的等待平台具有不同的持续时间，对所述持续时间进行选择以确保所发射序列的同步性不会为相继的序列而重现也不会循环出现。这是通过使用伪随机数发生器分配等待平台的持续时间来完成的。

因此，各个发射波

和

的第一序列是同步的，但是等待平台A11、A12和A13的持续时间是不同的，这确保了随后的上升斜坡-上平台-下平台序列等的非同步性。

在优选的实施例中，等待平台持续时间是针对每个无线电测高系统由伪随机数生成多项式Pi产生的。

根据一个实施例，以不同的启动值来使用同一伪随机数生成多项式。

根据一个替代方案，使用具体的多项式来产生等待方位(waiting bearing)的配置，对该具体的多项式进行选择以确保所获得的伪随机数的去相关性。

在具有多个无线电测高仪的设备的启动期间，针对每个无线电测高仪获取一个标识符，以将这些无线电测高仪互相区分开。根据该标识符，选择以前存储的伪随机数生成多项式中的一个伪随机数生成多项式，并且使用该多项式来产生等待平台的持续时间。

优选地，该标识符是一个离散值，该离散值例如在一位上进行编码以区分两个系统，或者在两位上进行编码以区分四个系统。根据一个实施例，该标识符是如在标准ARINC707中所定义的SDI(源目的地标识符)。

有利地，无线电测高仪系统的功能分化仅在其被使用时完成，初始开发是相同的，因为产生相同形式的相继的序列，并预先存储数量N(对应于待用在设备中的无线电测高仪的最大数N)个伪随机数发生器，从而降低了生产成本。

预先选择伪随机数生成生多项式，以确保所使用系统的相继的斜坡具有足够的偏移。此外，限制所生成的伪随机数以确保系统的有效性：随机数的最大值由必须提供高度测量值的节奏限制，并且最小值由无线电测高仪的物理局限性(尤其是重新启动斜坡发射所需的时间)确定。

作为上述实施例的替代方案，附加于或取代下平台的持续时间，上平台的持续时间被配置成是可变的。这些持续时间也被伪随机地产生，以便确保发射的斜坡之间的足够的偏移。

图3的实施例使用由上升斜坡、上平台和下降斜坡所组成的序列来进行描述。这种类型序列的所有替代方案均应用例如包括具有持续时间T的下降斜坡、紧跟着下平台和上升斜坡的序列，或者三角型的调制信号(上升斜坡紧跟着下降斜坡和等待平台，或相反，下降斜坡紧跟着上降斜坡和等待平台)。

图4是根据本发明的一个实施例的无线电测高仪系统22的概述。

无线电测高系统22包括启动界面模块24。

无线电测高系统22还包括用于获取标识符的模块26，该标识符由适当的装置28输入，例如由在该系统的安装期间呈现给操作者的图形界面或者可以由该操作者布置的按钮输入。

在一个实施例中，该标识符是被编码在给定的位数B上的离散数值，数目B与要在设备中使用的无线电测高系统的最大数目直接相关。例如，对于最大值N＝4而言，B＝2，其能够例如通过分配各自的标识符0、1、2和3而对无线电测高系统进行区分。一般而言，N＝2^B。定义给定的无线电测高系统的标识符的该离散数值在安装时被输入，被嵌入到存储在寄存器中的适当的数据结构中，并且在每个系统的启动期间被模块26读取。

所获得的标识符被用于选择等待平台的配置，所述等待平台将在调制信号生成模块30中产生的调制信号的重复序列分隔开来。

优选地，所获得的标识符使得能够选择如以上参照图3所描述的伪随机数序列生成多项式Pi。获取N个伪随机数发生器所必需的数据被预先存储在存储装置31中。在一个实施例中，单个伪随机数生成多项式和N个启动值被存储在存储器31中。

替换地，N个不同的伪随机数生成多项式被存储在存储器31中。

数模转换器32将由模块30获取的调制信号转换成模拟信号或无线电波。

(例如由VCO振荡器构成的)模块34将来自模块32的无线电波转换成频率斜坡波，该频率斜坡波然后由放大器36进行放大。耦合至发射器40的发射天线38发射经频率调制的无线电波O_E。

在接收侧，耦合至接收器天线44的接收器42能够接收反射无线电波O_R。放大器46将所接收到的波进行放大。

产生差拍信号S_B的模块48使发射无线电波O_E和接收无线电波O_R相减，这通常以一种已知的方式由零拍混频器完成。

之后，差拍信号S_B经放大器50进行放大，再经滤波模块52进行滤波。该滤波包括仅保留其频谱被包含在预定频带[f_min，f_max]内的信号，其中abs(f_max-f_min)＝dF。

之后，完成模数转换54，所获得的数字信号被提供给频谱转换模块56，该频谱转换模块56例如应用傅里叶变换(FFT)，然后，该变换的结果被提供给提取拍频的模块58，接着是模块60进行的对估计高度的计算。飞行器离地面的高度或距离的计算结果以及可选的警报和其他信息通过界面62被提供给操作者或提供给用户应用。

有利地，所提出的无线电测高系统易于制造，不需要将它们进行区分，并且所提出的无线电测高系统在单独使用时和用在多无线电测高设备中时都能够实现安全且高效的操作。

Claims

1.一种无线电测高系统，该无线电测高系统能够被固定到飞行器并提供该飞行器至一表面的距离，所述无线电测高系统能够工作于包括至少两个这种无线电测高系统的多无线电测高设备(2)中，所述无线电测高系统包括使用调制信号的调频无线电波发生器，所述调制信号包括重复的频率变化序列，两个相继的序列被可变持续时间等待平台分隔开来，

其特征在于，所述无线电测高系统包括：用于获取标识符的装置(26)，所述标识符能够使所述无线电测高系统区别于所述多设备(2)中的任何其他无线电测高系统，以及

用于根据所获取的标识符选择用于所述调制信号的等待平台的配置的装置(30)。

2.根据权利要求1所述的无线电测高系统，其特征在于，所述等待平台的配置定义所述等待平台的可变持续时间，所述持续时间通过应用伪随机数发生器来获取。

3.根据权利要求2所述的无线电测高系统，其特征在于，所述伪随机数发生器包括应用预定的多项式。

4.根据权利要求2或3所述的无线电测高系统，其特征在于，所述多设备包括预定的最大数N个这种无线电测高系统，N为大于或等于二，并且该系统包括用于N个伪随机数发生器的存储装置(31)。

5.根据权利要求4所述的无线电测高系统，其特征在于，所述存储装置能够存储预定的伪随机数发生多项式和N个不同的启动值，一个所述伪随机数发生器通过以所述启动值中的一个启动值应用所述多项式来获取。

6.根据权利要求4或5所述的无线电测高系统，其特征在于，所述标识符是编码在预定的位数上的数字，该位数取决于所述多设备中的无线电测高系统的所述预定的最大数N。

7.根据前述权利要求中任一项所述的无线电测高系统，其特征在于，所述无线电测高系统进一步包括：用于接收无线电波的装置(42、44)，用于使所发射的无线电波和所接收的无线电波相减以形成差拍信号的装置(48)，以及用于在预定的频带内对所述差拍信号进行滤波的装置(52)。

8.根据前述权利要求中任一项所述的无线电测高系统，其特征在于，用于获取所述标识符的所述装置(26)包括用于读取由操作者通过适当的界面(28)输入的标识符的装置。

9.一种包括至少两个根据权利要求1至8中任一项所述的无线电测高系统的多无线电测高设备。