基于超控和群发功能的Delta400研制

朱恩营 李洁 陈美精

摘要：近年来，我国民用航空持续发展，航空流量不断增多，管制运行负荷日益加重，为有效缓解管制运行压力，不断优化空域结构，民航管制扇区优化和调整工作也日趋增多。为做好管制扇区优化和调整工作中两个管制终端间管制区的移交过渡，需设备提供超控和群发功能支持。本文利用现有空管传输设备Delta400，通过研发使用新的语音压缩算法、优化并改进硬件结构等方法不断改进Delta400，使其具备超控和群发功能，为管制扇区优化和调整工作提供技术保障。

关键词：扇区移交  超控功能  群发功能

1.引言

近年来，随着经济的发展和人民生活水平的不断提高，人们在选择出行方式时不再单一考虑经济成本，而是追求时间成本与经济成本的最大性价比，这使人们对民用航空的需求日益增多，我国民航事业得到飞速发展。伴随民航事业的飞速发展，有限空域资源与交通需求之间的矛盾也日益凸显，高流量的管制空域极大增加了管制员的工作负荷，存在潜在的安全隐患。为缓解管制运行压力，合理划分空域指挥，本着民用航空安全、高效、经济的原则，民航空管系统持续开展管制扇区优化和调整工作。每一次管制扇区的优化和调整，均可能涉及两个管制终端单位之间的管制扇区移交工作。一般来说，为保障运行安全，管制扇区移交包含三个运行阶段：第一阶段，由接管管制终端守听被接管管制终端的地空通信频率，指挥由被接管管制终端完成。第二阶段，即接管试运行开始，由接管管制终端全天候指挥被接管管制扇区，被接管管制终端守听接管管制终端的地空通信频率，发现问题及时通过话音超控功能打断并纠正接管管制终端。第三阶段，即正式接管，被接管管制终端不再守听接管管制终端的地空通信频率，接管管制终端全面接管被接管管制终端的管制空域。针对上述管制扇区移交过程，在设备保障上有两个重点需求，一是需设备具备群发功能，即同时将地空通信信号送至两个管制终端;二是需设备具备超控功能，被接管管制终端发现管制扇区指挥有问题时能够及时打断接管管制终端的发射话音。鉴于上述设备需求，考虑通过优化和改进现有空管传输设备Delta400实现，在Delta400原有功能基础上增加超控和群发功能，以实现管制扇区交接过程的技术需求，为管制扇区优化和调整工作提供技术保障。

2. Delta400简介

Delta400是2009年由中国民用航空局正式批准立项，由沈阳空管技术开发有限公司开发的一款多业务接入传输系统，该产品曾获得中国民用航空科技进步一等奖。能够实现民航空管指挥调度系统所需通信、导航、气象、监视、飞行情报等综合数据的自适应接入、远程传输、智能路由分配和全平台数据共享，实现民航空管多业务数据集成处理。平台不但完善了传统传输设备产生的问题，还针对民航空管需求，设计了很多专用功能。具有可靠性高、数据处理容量大、延时小、管理灵活、维护方便等特点。

3.超控和群发功能研制

3.1基于ARM +FPGA架构的功能板卡设计

ARM+FPGA架构设计的数据处理模块具有高速运算能力和高带宽的数据输入输出接口，能够满足超高性能数据处理以及低功耗、可编程行的应用。设计采用STM32F4xx的ARM芯片、Altera公司的FPGA芯片EP4CE15E22C8N、I＼O数据交换模块、以太网模块、AD转换模块、各电平转换模块以及其他电源、时钟和控制逻辑等辅助电路，加上ARM和FPGA等必要的驱动程序和板内控制逻辑，形成一个完成的、一体化的数据系统硬件平台。

ARM通过FSMC总线同时连接两片10M/100M网卡芯片，完成双路网络同时并行传输。ARM通过双路SPI总线连接FPGA。每路SPI总线最大可传输速率40Mbit。双路SPI总线可实现ARM与FPGA之间80Mbit高速数据带宽互联。架构示意如图所示：

3.2数据压缩与控制算法

3.2.1非语音数据采用PPM无损压缩算法

针对非语音数据采用PPM无损压缩算法，算法基于典型的用于数据库信息压缩方法，它是基于概率统计模型的自适应压缩算法。当利用PPM算法编码一个符号的时候，首先需要在当前的上下文中编码这个符号，利用上下文中的统计信息来计算预测概率。如果是匹配，则输出符号的预测概率，然后结束编码。如果是逃逸，则输出逃逸的预测概率，然后退回到低1阶的上下文中，重新开始一轮新的编码。如果符号没有在模型中出现，最终将会退回到-1阶上下文中。在-1阶上下文中所有的符号都有出现，而且频度保持不变。

3.2.2语音压缩采用稀疏编码压缩算法

群发功能发送的语音数据要比点对点发送语音数据占用更多的带宽，一般话音数据的采样使用16bit/8khz，常规编码方法占用带宽较大，進行群发传输时，难以满足空管指挥要求。采用全新的稀疏编码压缩方法，突破了奈奎斯特两倍采样的要求。提高了板卡处理能力和传输的效率，降低了传输延时。

3.2.2.1稀疏编码的基本概念

稀疏编码的概念源于视神经网络的研究，是对只有一小部分神经元同时处于活跃状态的多维数据的神经网络的表示方法。生物学实验表明，视皮层对外界刺激的处理采用神经稀疏表示原则，这既对繁杂冗余的信息提供了简单表示，又利于上层传感神经抽取刺激中最本质的特征。从数学的角度讲，稀疏编码目前被假设为是对多维数据进行线性分解的一种表示方法。假设输入数据X=（x，x，…，x）为n维随机向量，用S=（s，s，…，s）表示线性转换后的m维向量，那么线性转换矩阵则为m×n维，记为W，线性转换表达式如下：S=WX

W又称为稀疏变换矩阵，其每一个行向量类似小波变换中的小波基;S为线性转换后的稀疏分量，满足稀疏（超高斯）分布的要求，并且向量s（i=1，2，…n）尽可能地相互独立。

3.3超控功能

超控功能也叫发射优先级功能，利用Delta400总线机框背板上的拨码开关，八位拨码开关原来都是设置板卡地址的，现在分出来四位，前四位设置地址，后四位设置板卡发射优先级，数值越高，优先级别越高。高优先级别的板卡发射可以打断低优先级别板卡的发射，从而实现超控功能。

4.结束语

在Delta400原有传输功能基础上，通过研究新的语音压缩算法，优化并改进硬件结构，为Delta400传输设备增加超控和群发功能，以实现管制扇区移交过程的技术需求，助力空域优化，保障空管运行安全，为管制扇区优化和调整工作提供技术支持。