技术领域
[0001] 本
发明涉及民航空管系统技术领域，尤其涉及空管导航设备空间信号测量系统、方法、电子设备及介质。
背景技术
[0002] 在我国民航空管系统中，导航设备正常与否取决于发射到空中
电磁波形成的
辐射场形是否正确，其中具有代表性的设备就是仪表着陆系统ILS(Instrument Landing System)，在国际、国内各机场广泛使用。它为飞机提供对准跑道的航向信号和指导飞机下降的下滑信号，再加上适当的距离指示信号，使飞机能在低的能见度和恶劣天气条件下借助这些仪表提供的信号指示就可以安全着陆。
[0003] 目前，导航设备信号的测量主要使用导航设备厂家购买的进口外场测试仪设备，该设备主要使用模拟原器件实现信号傅里叶变换、滤波等处理过程，最终计算得到参数测量结果。外场测试仪存在以下缺点：
[0004] 1)重量大：目前已有产品重量在6.5kg左右，不便于携带，尤其是无法安装于无人机等小型飞行装置上使用；
[0005] 2)体积大：目前已有产品体积在200mm*200mm*150mm左右，难以安装于无人机等小型飞行装置上适用；
[0006] 3)无法实现自定义的功能：无法实现处理结果、图形显示等扩展功能；
[0007] 4)无法显示解调后信号
波形：无法显示空管导航设备空间信号
频谱波形及解调后的信号波形。
发明内容
[0008] 为了克服
现有技术的不足，本发明的目的在于提供空管导航设备空间信号测量系统，解决了外场测试仪设备测量导航设备信号时存在重量大、体积大、无法实现自定义的功能、无法显示解调后信号波形的问题。
[0009] 本发明提供空管导航设备空间信号测量系统，包括信号接收装置、
软件无线电架构、GPS接收机、无线路由器、地面客户端、工控机，所述信号接收装置与所述软件无线电架构、所述GPS接收机、所述无线路由器连接，所述工控机与所述软件无线电架构、所述GPS接收机、所述无线路由器、所述地面客户端连接；其中，所述工控机包括软件无线电结构平台、自动增益
控制器、GPS
数据处理器，所述软件无线电结构平台包括接收器、混频与射频比较器、第一低通
滤波器、
带通滤波器、第二
低通滤波器、
整流器、第三低通滤波器、计算装置、校准器、UDP接收器、快速傅里叶变换器，所述接收器与所述软件无线电架构、所述混频与射频比较器、所述第一低通滤波器、所述快速傅里叶变换器连接，所述第一低通滤波器与所述第二低通滤波器、所述带通滤波器连接，所述带通滤波器与所述整流器连接，所述整流器与第三低通滤波器连接，所述第三低通滤波器与所述计算装置连接，所述第二低通滤波器与所述校准器连接，所述校准器、所述计算装置与所述UDP接收器连接，所述UDP接收器与所述自动增益控制器、所述地面客户端连接，所述自动增益控制器与所述软件无线电结构平台、所述软件无线电架构连接，所述GPS数据处理器与所述GPS接收机、所述地面客户端连接。
[0010] 进一步地，所述信号接收装置为接收天线、SMA串口。
[0011] 进一步地，所述接收天线为110MHZ频段天线。
[0012] 进一步地，所述软件无线电架构采用HackRF One
硬件平台，所述HackRF One硬件平台采用软件无线电
正交调制解调
采样结构，所述软件无线电正交调制解调采样结构包括线性射频
放大器、中频带通滤波器、射频部分、中频部分、复杂
可编程逻辑器件、
微控制器、计算机，所述射频部分采用RFFC5072芯片，所述中频部分采用MAX2837芯片，所述线性
射频放大器与所述信号接收装置连接，所述中频带通滤波器与所述线性射频放大器连接，所述RFFC5072芯片与所述中频带通滤波器连接，所述MAX2837芯片与所述RFFC5072芯片连接，所述复杂可编程逻辑器件、所述微控制器与所述MAX2837芯片连接，所述计算机与所述微控制器连接。
[0013] 进一步地，所述工控机采用QM9600工控
主板，所述QM9600工控主板搭载Ubuntu系统。
[0014] 空管导航设备空间信号测量方法，包括以下步骤：
[0015]
信号处理，对接收的空间中连续的
模拟信号进行采样、量化与编码处理；
[0016] 接收数据流，接收采样、量化与编码处理后的
射频信号的同相/正交数据流；
[0017]
数字信号处理，滤出所述同相/正交数据流中的低频信号，滤出所述低频信号中的第一
频率信号、第二频率信号、射频电平，对所述第一频率信号和所述第二频率信号进行整流低频滤波，得到第一电平和第二电平；
[0018] 计算参数，通过所述射频电平、所述第一电平和所述第二电平计算第一调制度和第二调制度，通过所述第一调制度和所述第二调制度计算调制度差和调制度和；
[0019] 发送信号，将所述射频电平通过校准，得到参考射频，对所述参考射频进行处理，得到
控制信号，将所述控制信号发送至软件无线电架构控制接收信号的增益，将所述调制度差和所述调制度和发送至地面客户端；
[0020] 生成信号频谱，将所述同相/正交数据流经过快速
傅立叶变换得到信号频谱；
[0021] 精确
定位，接收并处理CPS接收机发送的数据，将处理结果发送至地面客户端，得到测试点的厘米级精确定位。
[0022] 进一步地，所述接收数据流步骤中，所述射频信号的同相/正交数据流包括航道信号，将所述同相/正交数据流通过混频与射频比较，得到余隙信号。
[0023] 进一步地，所述数字信号处理步骤中，所述第一频率信号为90Hz信号，所述第二频率信号为150Hz信号，所述第一电平为90Hz电平，所述第二电平为150Hz电平；所述计算参数步骤中，所述第一调制度为90Hz调制度，所述第二调制度为150Hz调制度。
[0024] 一种电子设备，包括：处理器；
[0025]
存储器；以及程序，其中所述程序被存储在所述存储器中，并且被配置成由处理器执行，所述程序包括用于执行上述空管导航设备空间信号测量方法。
[0026] 一种计算机可读存储介质，其上存储有
计算机程序，所述计算机程序被处理器执行上述空管导航设备空间信号测量方法。
[0027] 相比现有技术，本发明的有益效果在于：
[0028] 本发明提供空管导航设备空间信号测量系统，包括信号接收装置、软件无线电架构、GPS接收机、无线路由器、地面客户端、工控机。本发明涉及空管导航设备空间信号测量方法。本发明还涉及电子设备与可读存储介质，用于执行空管导航设备空间信号测量方法。本发明使用数字化的处理方式，将空间信号转换为数字格式，再经处理得到测量结果，解决了目前已有产品存在的
缺陷，本发明主要优势体现在：重量轻，目前已有外场测试产品重量在6.5kg左右，本发明因使用数字方法进行信号处理，模拟元器件使用较少，总重量不超过
1kg；体积小，目前已有产品体积在200mm*200mm*150mm左右，本发明因使用数字方法进行信号处理，总体积小，仅为200mm*150mm*100mm；数据后期处理方便，目前已有产品为国外进口，数据输出不开源，数据采用加密技术，难以实现后期处理，本发明的数据输出开源，方便用于后续信号处理的其他扩展应用，如做图、测量结果与
位置数据结合等应用；本发明具有测试空间信号波形的能
力，已有产品无法在空间中测量信号解调后的波形，本发明能在获取信号同时，显示信号频谱，并对信号进行处理、解调，输出解调后的信号波形；本发明为空管导航设备空间信号评估提供了一种重量轻、体积小、成本低、
精度好、高效率的技术手段。
[0029] 上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照
说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳
实施例并配合
附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
[0030] 此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本
申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0031] 图1为本发明的空管导航设备空间信号测量系统
框图；
[0032] 图2为本发明实施例的射频信号
数字滤波器频谱图；
[0033] 图3为本发明实施例的仪表着陆系统载频信号频谱图；
[0034] 图4为本发明实施例的自动增益实现
流程图；
[0035] 图5为本发明的空管导航设备空间信号测量方法流程图。
具体实施方式
[0036] 下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
[0037] 空管导航设备空间信号测量系统，主要用于无人机等轻型装置携带进行空间信号测试，如采用
汽车等大型机械，进口的空管导航信号外场测试仪也可完成类似参数测量功能，但无法进行解调后波形显示。如图1所示，包括信号接收装置、软件无线电架构(图1中的SDR板(1))、GPS接收机、无线路由器、地面客户端、工控机，信号接收装置与软件无线电架构、GPS接收机、无线路由器连接，工控机与软件无线电架构、GPS接收机、无线路由器、地面客户端连接；其中，工控机包括软件无线电结构平台、自动增益控制器(15)、GPS数据处理器(16)，本实施例中，软件无线电结构平台可以是程序，如GNU Radio程序，自动增益控制器可以是自动增益控制程序，GPS数据处理器可以是GPS数据处理程序，工控机采用QM9600工控主板，QM9600工控主板搭载Ubuntu系统来运行GNU Radio程序、自动增益控制程序，使用GNU Radio程序设计的导航设备信号测量系统能实现数字信号的处理分析，得到导航设备重要参数射频电平、调制度差(DDM)、调制度和(SDM)。具体的，软件无线电结构平台包括接收器(2)、混频与射频比较器(3)、第一低通滤波器(4)、带通滤波器(5)、(7)、第二低通滤波器(6)、整流器(8)、第三低通滤波器(10)、计算装置(11)、(12)、校准器(9)、UDP接收器(UDP Sink(13)、(14))、快速傅里叶变换器(17)，本实施例中，接收器、混频与射频比较器、快速傅里叶变换器、整流器、计算装置、校准器可以是程序。接收器与软件无线电架构、混频与射频比较器、第一低通滤波器、快速傅里叶变换器连接，第一低通滤波器与第二低通滤波器、带通滤波器连接，带通滤波器与整流器连接，整流器与第三低通滤波器连接，第三低通滤波器与计算装置连接，第二低通滤波器与校准器连接，校准器、计算装置与UDP接收器连接，UDP接收器与自动增益控制器、地面客户端连接，自动增益控制器与软件无线电结构平台、软件无线电架构连接，GPS数据处理器与GPS接收机、地面客户端连接。
[0038] 因数字滤波器具有处理精度高、稳定、体积小、重量轻、灵活及不存在阻抗匹配问题的特点，适用于本系统内数字信号的分析处理。首先，信号需通过软件无线电结构平台中的第一低通滤波器(4)进行低通滤波，得到信号分析所需的准确频带中的载频信号，以111.7MHZ航向信号为例，系统使用±25KHZ数字滤波器对信号进行滤波，得到111.675MHZ至
111.725MHZ频带内的载频信号。所使用载频滤波器频谱分析如图2所示，滤波器允许频率为
111.675MHZ至111.725MHZ的信号通过，并将该频带范围以外的信号截止。
[0039] 软件无线电结构平台的快速傅里叶变换器(17)对信号进行快速傅里叶变换，对信号在频域内进行分析，将经过离散信号傅里叶变换处理后的信号进行频域内的显示，并将显示结果进行输出，得到如图3所示的信号频谱。
[0040] 通常情况下，对于空管设备双频仪表着陆系统，空间中存在频率不同的航道与余隙两个射频信号，对空间信号进行分析之前，必须先将两个信号分别识别，并根据捕获效应原理，只分析幅值较大的信号，滤除幅值较小的信号。本系统应用捕获效应原理，通过软件无线电结构平台的混频与射频比较器(3)同时接收并测量航道及余隙信号强度，并通过对比二者信号强度，忽略强度较小的信号，只处理强度较大的信号，以提高系统运算效率，减小载频信号间的干扰。
[0041] 调制度差(DDM)与调制度和(SDM)参数为仪表着陆系统信号中最为关键的参数之一，也是本系统实现的难点，飞机通过获得的调制度差与调制度和的数值来确定自身的位置与标准航向道/下滑道的偏移量，从而飞机能够沿着一条虚拟的DDM为0的航道线实现平稳着陆。通过将载频数字信号进行复数域到实数域的转换：
[0042]
[0043] 其中，RE为复数的
实部，IM为复数的
虚部，MAG为复数的模。
[0044] 射频信号首先使用数字滤波器进行解调，得到低频的信号分量，其中滤波器带宽根据信号频率与需求进行调整。仪表着陆系统低频信号为幅度调制，故对其解调可采用包络解调的方法，与模拟信号包络解调不同，数字信号中，信号包络是由各个幅值点
支撑起来的，因此该
算法通
过采样得到幅值点来获得信号包络。为得到90HZ与150HZ信号幅度与波形，系统分别对解调的低频合成信号进行不同频带范围的带通滤波，其中为了使解调信号满足精度要求，缩窄滤波器过渡带宽，使过度带宽更为陡峭以滤除其他低频干扰，保持解调信号的
稳定性。本系统使用5HZ带宽滤波器得到90HZ与150HZ信号波形。
[0045] 工控机的自动增益控制器(15)根据当前接收到的射频信号强度反馈，调整硬件放大器的增益，使信号强度满足测量精度的要求。整体处理流程如图4所示，判断是否调整增益：系统根据当前接收的射频信号的强度，计算自动增益的参考值，并根据参考值判断当前是否需要调整增益；增益分配：根据参考值，计算两个
低噪声放大器以及
可变增益放大器需要调整的比例；增益计算：分别计算低噪声放大器以及可变增益放大器的增益值，并根据硬件步进做相应的调整；增益平衡：对调整低噪声放大器以及可变增益放大器的增益值做平衡，避免单一放大器增益过大或过小；调整：根据计算的结果对放大器增益做调整。
[0046] 软件无线电结构平台的校准器(9)通过对波形进行幅值计算，并与载频信号幅值进行对比，将对比结果分别进行实验室测算修正，修正得到双音频(90HZ与150HZ)信号调制度。为使系统测算结果误差与信号发生器产生的标准信号误差保持在0.1％范围内，修正值测算需针对所有频点进行，且所有修正参数需精确到小数点后8位，如表1所示。
[0047] 表1航向与下滑信号测试系统修正系数
[0048]
[0049] 在一实施例中，优选的，信号接收装置为接收天线、SMA串口。接收天线与软件无线电架构通过同轴
电缆连接，软件无线电架构与工控机之间用USB线连接。优选的，接收天线为轻量化的110MHZ频段天线，能够满足甚高频信号的接收增益，作用是接收空间信号。
[0050] 软件无线电架构采用HackRF One硬件平台对空间中连续的模拟信号进行采样、量化与编码处理，HackRF One硬件平台采用软件无线电正交调制解调采样结构，软件无线电正交调制解调采样结构包括线性射频放大器、中频带通滤波器、射频部分、中频部分、复杂可编程逻辑器件、微控制器、计算机，射频部分采用RFFC5072芯片(宽频合成器)，包括放大器、
混频器和
带阻滤波器，中频部分采用MAX2837芯片，
电路包括线性射频放大器、中频带通滤波器和模拟混频正交变换器，A/D或D/A采用MAX5864。线性射频放大器与信号接收装置连接，中频带通滤波器与线性射频放大器连接，RFFC5072芯片与中频带通滤波器连接，MAX2837芯片与RFFC5072芯片连接，复杂可编程逻辑器件(CPLD)、微控制器与MAX2837芯片连接，计算机与微控制器连接。以接收过程为例，信号由天线进入后流程如下：由射频
开关决定是否经由14dB的放大器进行放大，经过镜像抑制滤波器对信号进行高通或低通滤波，信号进行RFFC5072芯片混频到2.6GHz固定中频，最新的
固件支持可变中频的选项，中频范围2.150GHz-2.750GHz，信号送入MAX2873芯片混频到基带，输出差分的IQ信号，其间MAX2873芯片可以对信号进行带宽限制，MAX5864芯片对基带信号进行数字化后送入CPLD和
单片机，LPC4320/4330处理器将采样数据通过USB送至计算机。
[0051] 空管导航设备空间信号测量方法，如图5所示，包括以下步骤：
[0052] 接收信号，通过信号接收装置接收空间信号；
[0053] 信号处理，通过软件无线电架构(SDR板(1))对接收的空间中连续的模拟信号进行采样、量化与编码处理；
[0054] 接收数据流，通过软件无线电结构平台的接收器(2)接收采样、量化与编码处理后的射频信号的同相/正交数据流(I/Q数据流)；射频信号的同相/正交数据流包括航道信号，将同相/正交数据流通过混频与射频比较器(3)得到余隙信号，余隙信号和航道信号处理流程相同，下文主要介绍航道信号处理流程。
[0055] 数字信号处理，I/Q数据流经第一低通滤波器(4)滤出同相/正交数据流中的90Hz和150Hz等低频信号，低频信号经第二低通滤波器(6)滤出射频电平，低频信号经带通滤波器(5)、带通滤波器(7)分别滤出低频信号中的90Hz信号和150Hz信号，通过整流器(8)、第三低通滤波器(10)对90Hz信号和150Hz信号进行整流低频滤波处理，得到90Hz电平和150Hz电平；
[0056] 计算参数，计算装置(11)通过射频电平、第一电平和第二电平计算90Hz调制度和150Hz调制度，计算装置(12)通过90Hz调制度和150Hz调制度计算调制度差(DDM)和调制度和(SDM)；
[0057] 发送信号，将射频电平通过校准器(9)，得到参考射频，参考射频通过UDP接收器(UDP Sink(13))发送至自动增益控制器(15)，调制度差(DDM)和调制度和(SDM)通过UDP接收器(UDP Sink(14))发送至地面客户端，自动增益控制器(15)接收软件无线电结构平台的参考射频，经处理发送控制信号给软件无线电架构(SDR板(1))控制接收信号的增益；
[0058] 生成信号频谱，将接收器(2)接收的同相/正交数据流经过
快速傅立叶变换器(17)得到信号频谱；
[0059] 精确定位，GPS数据处理器(16)接收并处理CPS接收机发送的数据，将处理结果发送至地面客户端，得到测试点的厘米级精确定位。
[0060] 一种电子设备，包括：处理器；
[0061] 存储器；以及程序，其中程序被存储在存储器中，并且被配置成由处理器执行，程序包括用于执行上述空管导航设备空间信号测量方法。
[0062] 一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行上述空管导航设备空间信号测量方法。
[0063] 本发明提供空管导航设备空间信号测量系统，包括信号接收装置、软件无线电架构、GPS接收机、无线路由器、地面客户端、工控机。本发明涉及空管导航设备空间信号测量方法。本发明还涉及电子设备与可读存储介质，用于执行空管导航设备空间信号测量方法。本发明使用数字化的处理方式，将空间信号转换为数字格式，再经处理得到测量结果，解决了目前已有产品存在的缺陷，本发明主要优势体现在：重量轻，目前已有外场测试产品重量在6.5kg左右，本发明因使用数字方法进行信号处理，模拟元器件使用较少，总重量不超过
1kg；体积小，目前已有产品体积在200mm*200mm*150mm左右，本发明因使用数字方法进行信号处理，总体积小，仅为200mm*150mm*100mm；数据后期处理方便，目前已有产品为国外进口，数据输出不开源，数据采用加密技术，难以实现后期处理，本发明的数据输出开源，方便用于后续信号处理的其他扩展应用，如做图、测量结果与位置数据结合等应用；本发明具有测试空间信号波形的能力，已有产品无法在空间中测量信号解调后的波形，本发明能在获取信号同时，显示信号频谱，并对信号进行处理、解调，输出解调后的信号波形；本发明为空管导航设备空间信号评估提供了一种重量轻、体积小、成本低、精度好、高效率的技术手段。
[0064] 以上，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上而顺畅地实施本发明；但是,凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时,凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。
