基于超控和群發(fā)功能的Delta400研制

朱恩營 李潔 陳美精

摘要：近年來，我國民用航空持續(xù)發(fā)展，航空流量不斷增多，管制運(yùn)行負(fù)荷日益加重，為有效緩解管制運(yùn)行壓力，不斷優(yōu)化空域結(jié)構(gòu)，民航管制扇區(qū)優(yōu)化和調(diào)整工作也日趨增多。為做好管制扇區(qū)優(yōu)化和調(diào)整工作中兩個(gè)管制終端間管制區(qū)的移交過渡，需設(shè)備提供超控和群發(fā)功能支持。本文利用現(xiàn)有空管傳輸設(shè)備Delta400，通過研發(fā)使用新的語音壓縮算法、優(yōu)化并改進(jìn)硬件結(jié)構(gòu)等方法不斷改進(jìn)Delta400，使其具備超控和群發(fā)功能，為管制扇區(qū)優(yōu)化和調(diào)整工作提供技術(shù)保障。

關(guān)鍵詞：扇區(qū)移交? 超控功能? 群發(fā)功能

1.引言

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，人們?cè)谶x擇出行方式時(shí)不再單一考慮經(jīng)濟(jì)成本，而是追求時(shí)間成本與經(jīng)濟(jì)成本的最大性價(jià)比，這使人們對(duì)民用航空的需求日益增多，我國民航事業(yè)得到飛速發(fā)展。伴隨民航事業(yè)的飛速發(fā)展，有限空域資源與交通需求之間的矛盾也日益凸顯，高流量的管制空域極大增加了管制員的工作負(fù)荷，存在潛在的安全隱患。為緩解管制運(yùn)行壓力，合理劃分空域指揮，本著民用航空安全、高效、經(jīng)濟(jì)的原則，民航空管系統(tǒng)持續(xù)開展管制扇區(qū)優(yōu)化和調(diào)整工作。每一次管制扇區(qū)的優(yōu)化和調(diào)整，均可能涉及兩個(gè)管制終端單位之間的管制扇區(qū)移交工作。一般來說，為保障運(yùn)行安全，管制扇區(qū)移交包含三個(gè)運(yùn)行階段：第一階段，由接管管制終端守聽被接管管制終端的地空通信頻率，指揮由被接管管制終端完成。第二階段，即接管試運(yùn)行開始，由接管管制終端全天候指揮被接管管制扇區(qū)，被接管管制終端守聽接管管制終端的地空通信頻率，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)通過話音超控功能打斷并糾正接管管制終端。第三階段，即正式接管，被接管管制終端不再守聽接管管制終端的地空通信頻率，接管管制終端全面接管被接管管制終端的管制空域。針對(duì)上述管制扇區(qū)移交過程，在設(shè)備保障上有兩個(gè)重點(diǎn)需求，一是需設(shè)備具備群發(fā)功能，即同時(shí)將地空通信信號(hào)送至兩個(gè)管制終端;二是需設(shè)備具備超控功能，被接管管制終端發(fā)現(xiàn)管制扇區(qū)指揮有問題時(shí)能夠及時(shí)打斷接管管制終端的發(fā)射話音。鑒于上述設(shè)備需求，考慮通過優(yōu)化和改進(jìn)現(xiàn)有空管傳輸設(shè)備Delta400實(shí)現(xiàn)，在Delta400原有功能基礎(chǔ)上增加超控和群發(fā)功能，以實(shí)現(xiàn)管制扇區(qū)交接過程的技術(shù)需求，為管制扇區(qū)優(yōu)化和調(diào)整工作提供技術(shù)保障。

2. Delta400簡介

Delta400是2009年由中國民用航空局正式批準(zhǔn)立項(xiàng)，由沈陽空管技術(shù)開發(fā)有限公司開發(fā)的一款多業(yè)務(wù)接入傳輸系統(tǒng)，該產(chǎn)品曾獲得中國民用航空科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。能夠?qū)崿F(xiàn)民航空管指揮調(diào)度系統(tǒng)所需通信、導(dǎo)航、氣象、監(jiān)視、飛行情報(bào)等綜合數(shù)據(jù)的自適應(yīng)接入、遠(yuǎn)程傳輸、智能路由分配和全平臺(tái)數(shù)據(jù)共享，實(shí)現(xiàn)民航空管多業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)集成處理。平臺(tái)不但完善了傳統(tǒng)傳輸設(shè)備產(chǎn)生的問題，還針對(duì)民航空管需求，設(shè)計(jì)了很多專用功能。具有可靠性高、數(shù)據(jù)處理容量大、延時(shí)小、管理靈活、維護(hù)方便等特點(diǎn)。

3.超控和群發(fā)功能研制

3.1基于ARM +FPGA架構(gòu)的功能板卡設(shè)計(jì)

ARM+FPGA架構(gòu)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)處理模塊具有高速運(yùn)算能力和高帶寬的數(shù)據(jù)輸入輸出接口，能夠滿足超高性能數(shù)據(jù)處理以及低功耗、可編程行的應(yīng)用。設(shè)計(jì)采用STM32F4xx的ARM芯片、Altera公司的FPGA芯片EP4CE15E22C8N、I＼O數(shù)據(jù)交換模塊、以太網(wǎng)模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、各電平轉(zhuǎn)換模塊以及其他電源、時(shí)鐘和控制邏輯等輔助電路，加上ARM和FPGA等必要的驅(qū)動(dòng)程序和板內(nèi)控制邏輯，形成一個(gè)完成的、一體化的數(shù)據(jù)系統(tǒng)硬件平臺(tái)。

ARM通過FSMC總線同時(shí)連接兩片10M/100M網(wǎng)卡芯片，完成雙路網(wǎng)絡(luò)同時(shí)并行傳輸。ARM通過雙路SPI總線連接FPGA。每路SPI總線最大可傳輸速率40Mbit。雙路SPI總線可實(shí)現(xiàn)ARM與FPGA之間80Mbit高速數(shù)據(jù)帶寬互聯(lián)。架構(gòu)示意如圖所示：

3.2數(shù)據(jù)壓縮與控制算法

3.2.1非語音數(shù)據(jù)采用PPM無損壓縮算法

針對(duì)非語音數(shù)據(jù)采用PPM無損壓縮算法，算法基于典型的用于數(shù)據(jù)庫信息壓縮方法，它是基于概率統(tǒng)計(jì)模型的自適應(yīng)壓縮算法。當(dāng)利用PPM算法編碼一個(gè)符號(hào)的時(shí)候，首先需要在當(dāng)前的上下文中編碼這個(gè)符號(hào)，利用上下文中的統(tǒng)計(jì)信息來計(jì)算預(yù)測概率。如果是匹配，則輸出符號(hào)的預(yù)測概率，然后結(jié)束編碼。如果是逃逸，則輸出逃逸的預(yù)測概率，然后退回到低1階的上下文中，重新開始一輪新的編碼。如果符號(hào)沒有在模型中出現(xiàn)，最終將會(huì)退回到-1階上下文中。在-1階上下文中所有的符號(hào)都有出現(xiàn)，而且頻度保持不變。

3.2.2語音壓縮采用稀疏編碼壓縮算法

群發(fā)功能發(fā)送的語音數(shù)據(jù)要比點(diǎn)對(duì)點(diǎn)發(fā)送語音數(shù)據(jù)占用更多的帶寬，一般話音數(shù)據(jù)的采樣使用16bit/8khz，常規(guī)編碼方法占用帶寬較大，進(jìn)行群發(fā)傳輸時(shí)，難以滿足空管指揮要求。采用全新的稀疏編碼壓縮方法，突破了奈奎斯特兩倍采樣的要求。提高了板卡處理能力和傳輸?shù)男剩档土藗鬏斞訒r(shí)。

3.2.2.1稀疏編碼的基本概念

稀疏編碼的概念源于視神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究，是對(duì)只有一小部分神經(jīng)元同時(shí)處于活躍狀態(tài)的多維數(shù)據(jù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的表示方法。生物學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，視皮層對(duì)外界刺激的處理采用神經(jīng)稀疏表示原則，這既對(duì)繁雜冗余的信息提供了簡單表示，又利于上層傳感神經(jīng)抽取刺激中最本質(zhì)的特征。從數(shù)學(xué)的角度講，稀疏編碼目前被假設(shè)為是對(duì)多維數(shù)據(jù)進(jìn)行線性分解的一種表示方法。假設(shè)輸入數(shù)據(jù)X=（x，x，…，x）為n維隨機(jī)向量，用S=（s，s，…，s）表示線性轉(zhuǎn)換后的m維向量，那么線性轉(zhuǎn)換矩陣則為m×n維，記為W，線性轉(zhuǎn)換表達(dá)式如下：S=WX

W又稱為稀疏變換矩陣，其每一個(gè)行向量類似小波變換中的小波基;S為線性轉(zhuǎn)換后的稀疏分量，滿足稀疏（超高斯）分布的要求，并且向量s（i=1，2，…n）盡可能地相互獨(dú)立。

3.3超控功能

超控功能也叫發(fā)射優(yōu)先級(jí)功能，利用Delta400總線機(jī)框背板上的撥碼開關(guān)，八位撥碼開關(guān)原來都是設(shè)置板卡地址的，現(xiàn)在分出來四位，前四位設(shè)置地址，后四位設(shè)置板卡發(fā)射優(yōu)先級(jí)，數(shù)值越高，優(yōu)先級(jí)別越高。高優(yōu)先級(jí)別的板卡發(fā)射可以打斷低優(yōu)先級(jí)別板卡的發(fā)射，從而實(shí)現(xiàn)超控功能。

4.結(jié)束語

在Delta400原有傳輸功能基礎(chǔ)上，通過研究新的語音壓縮算法，優(yōu)化并改進(jìn)硬件結(jié)構(gòu)，為Delta400傳輸設(shè)備增加超控和群發(fā)功能，以實(shí)現(xiàn)管制扇區(qū)移交過程的技術(shù)需求，助力空域優(yōu)化，保障空管運(yùn)行安全，為管制扇區(qū)優(yōu)化和調(diào)整工作提供技術(shù)支持。