基于光通信的飞行器内个人通信系统

摘要

本发明涉及一种基于光通信的飞行器内个人通信系统，其包括通信终端、机载通信设备、通信卫星及地面基站。所述机载通信设备设置在飞行器上，并用于与通信终端及通信卫星进行通信，其中，所述机载通信设备与所述通信终端之间通过光信号进行信号传输；所述地面基站与所述通信卫星及地面通信网络进行通信。本发明通过将所述机载通信设备与所述通信终端之间由光信号进行信号传输，则通信设备的电磁波频率和飞机等飞行器与塔台联系的电磁波频率不相近或叠加，光信号不会被当作是塔台发来的操作信号，因而不会造成误操作，从而实现空中与地面之间的任意通信，飞行器更安全。

说明书

技术领域

本发明涉及一种通信系统，尤其涉及一种基于光通信的飞行器内个人通 信系统。

背景技术

据统计，近年来世界范围内每年都发生20多起因使用移动电话而引起的 飞行事故，因此世界上许多航空公司规定，飞机飞行时禁止使用移动电话。 飞机在高空中是沿着规定的航向飞行的，整个飞行过程都要受到地面航空管 理人员的指挥。在高空中，飞行员一边驾驶飞机，一边用飞机上的通信导航 设备与地面塔台进行联络。飞机上的导航设备是利用无线电波来测向导航的， 它接收到地面塔台不断发射出的电磁波后，就能测出飞机的准确位置。如果 发现飞机偏离了航向，自动驾驶仪就会立即自动“纠正”错误，使飞机正常 飞行。

当移动电话工作时，它会辐射出电磁波，而移动电话使用的电磁波频率 和飞机与塔台联系的电磁波频率有一段是相近甚至叠加的，可能被当作是塔 台发来的操作信号，造成误操作。比如在飞机下降时，塔台要求飞机盘旋或 上升，若其下方还有架飞机，但此时若有移动电话电磁波信号进来，影响或 叠加在飞机操作信号上，使控制室接收到的操作信号变成下降，这样可能就 会发生重大事故。因此，如何在飞机上使用移动电话等通信设备与地面进行 自由通信，已成为当今亟待解决的课题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，针对上述现有技术的不足，提出一种 更安全的基于光通信的飞行器内个人通信系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，提出一种基于光通信的飞 行器内个人通信系统，其包括通信终端、机载通信设备、通信卫星及地面基 站，所述机载通信设备设置在飞行器上，并用于与通信终端及通信卫星进行 通信，其中，所述机载通信设备与所述通信终端之间通过光信号进行信号传 输；所述地面基站与所述通信卫星及地面通信网络进行通信。

进一步地，所述通信终端是便携式移动装置或设置在飞机内的固定电话。

进一步地，所述便携式移动装置是移动电话、笔记本电脑、电子书阅读 器或寻呼机。

进一步地，所述飞行器包括飞机、直升机、滑翔机或飞艇。

进一步地，所述通信终端包括信号处理单元、终端光信号发射单元及终 端光信号接收单元，所述终端光信号发射单元用于将经所述信号处理单元处 理后输出的电信号转换成光信号发射出去，所述终端光信号接收单元用于将 机载通信设备传过来的光信号转换成电信号传输至所述信号处理单元。

进一步地，所述终端光信号发射单元包括调制器、驱动器和发光器件， 所述调制器接收所述信号处理单元的编码数据并将其转换为电平调制信号， 所述驱动器在电平调制信号的控制下驱动发光器件发射含有信息的光信号。

进一步地，所述发光器件是发光二极管或红外线发射管。

进一步地，所述终端光信号接收单元包括光电探测器及信号放大器，所 述光电探测器用于将所述机载通信设备发射出的光信号转换成电信号；所述 信号放大模块用于将所述光电探测器输出的电信号放大，并传送至所述信号 处理单元。

进一步地，所述机载通信设备包括机载光信号接收单元、机载光信号发 射单元、交换机单元、路由器单元及天线，所述机载光信号接收单元用于将 通信终端传过来的光信号转换成电信号传输至所述交换机单元；所述机载光 信号发射单元用于将交换机单元输出的电信号转换成光信号发射出去；所述 交换机单元用于提供数据转发服务；所述路由器单元与所述交换机及天线连 接，并用于提供路由服务；所述天线用于与卫星进行通信。

进一步地，所述天线是超材料天线，所述超材料天线包括天线本体及位 于所述天线本体一侧的超材料面板，所述超材料面板设置有若干层，每一层 由片状的基底和设置在所述基底上的多个人造金属微结构组成。

综上所述，本发明基于光通信的飞行器内个人通信系统通过将所述机载 通信设备与所述通信终端之间由光信号进行信号传输，则通信设备的电磁波 频率和飞机等飞行器与塔台联系的电磁波频率不会相近或叠加，光信号不会 被当作是塔台发来的操作信号，因而不会造成误操作，从而实现空中与地面 之间的任意通信，飞行器更安全。

附图说明

图1是本发明基于光通信的飞行器内个人通信系统一种实施例的原理框 图。

图2是图1所示本发明通信终端的原理框图。

图3是图1所示本发明机载通信设备的原理框图。

图4是图1所示本发明天线的结构示意图。

图5是图4所示本发明天线的超材料面板的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的描述：

请参阅图1，本发明基于光通信的飞行器内个人通信系统包括通信终端 1、机载通信设备2、通信卫星3及地面基站4，其中，所述飞行器可以是飞 机、直升机、滑翔机或飞艇等可在空中飞行的可承载人的设备；所述通信终 端1可以是便携式移动装置或设置在飞飞行器内的固定电话，所述便携式移 动装置可以是移动电话、笔记本电脑、电子书阅读器或寻呼机等。在本实施 例中，所述飞行器是飞机，所述通信终端1是移动电话。

请参阅图2，所述通信终端1包括信号处理单元11、终端光信号发射单 元12及终端光信号接收单元13。所述信号处理单元11用于处理语音及数据 等信号。所述终端光信号发射单元12用于将经所述信号处理单元11处理后 输出的电信号转换成光信号发射出去，其包括调制器121、驱动器122和发 光器件123，所述调制器121接收所述信号处理单元11的编码数据并将其转 换为电平调制信号，所述驱动器122在电平调制信号的控制下驱动发光器件 123发射含有信息的光信号，即所述发光器件123不断闪灭，形成代表0和1 的数字信号。由于所述发光器件123进行高频的不断闪灭，人眼很难感觉得 到，因此对机舱内的乘客不会造成不利影响，此外，还可以提供照明。

所述终端光信号接收单元13用于将机载通信设备2传过来的光信号转换 成电信号传输至所述信号处理单元11，其包括光电探测器131及信号放大器 132，所述光电探测器131用于将所述机载通信设备2发射出的光信号转换成 电信号。所述光电探测器131设置在移动电话的端面，因而便于接收光信号。 所述信号放大模块用于将所述光电探测器131输出的电信号放大，并传送至 所述信号处理单元11。

请参阅图3，所述机载通信设备2设置在飞行器上，并用于与通信终端1 及通信卫星3进行通信，其包括机载光信号接收单元21、机载光信号发射单 元22、交换机单元23、路由器单元24及天线25。所述机载光信号接收单元 21用于将通信终端1传过来的光信号转换成电信号传输至所述交换机单元 23，其包括光电探测器211及信号放大器212，所述光电探测器211用于将 所述通信终端1发射出的光信号转换成电信号；所述信号放大器212用于将 所述光电探测器211输出的电信号放大，并传送至所述交换机单元23。

所述机载光信号发射单元22用于将交换机单元23输出的电信号转换成 光信号发射出去，其包括调制器221、驱动器222和发光器件223，所述调制 器221接收所述交换机单元23的数据电信号并将其转换为电平调制信号，所 述驱动器222在电平调制信号的控制下驱动发光器件223发射含有信息的光 信号。所述发光器件(123，223)可以是发光二极管或红外线发射管，在本 实施例中，所述发光器件(123，223)是发光二极管，所述发光二极管具有 亮度高、工作电压低、功耗小、易于集成、驱动简单、寿命长、耐冲击、性 能稳定及可进行高速调制等优点。所述交换机单元23用于提供数据转发服 务。所述路由器单元24与所述交换机及天线25连接，并用于提供路由服务。

请参阅图4及图5，所述天线25用于与通信卫星3进行通信，其包括天 线本体251及位于所述天线本体251前端一侧的超材料面板252，所述天线 本体251设置有振子2511，所述超材料面板252位于所述振子2511的一侧。 所述超材料面板252设置有若干层，每一层由片状的基底253和设置在所述 基底253上的多个人造金属微结构254组成。所述基底253可以为陶瓷材料、 环氧树脂或聚四氟乙烯、高分子材料、铁电材料、铁氧材料、铁磁材料等。 所述人造金属微结构254由铜或银等材料制成，其通过蚀刻、电镀、钻刻、 光刻、电子刻或离子刻等工艺附着在所述基底253上，由超材料技术可知， 在基材选定的情况下，通过调整人造金属微结构254的图案、尺寸及其在基 材上的空间分布，可以调整超材料上各处的等效介电常数及等效磁导率，进 而改变超材料各处的等效折射率。当人造金属微结构254采用相同的几何形 状时，某处人造金属微结构254的尺寸越大，则该处的等效介电常数及等效 磁导率越大，折射率也越大。

由馈源发出的电磁波经过超材料面板252汇聚后平行传出时，偏折角θ与 折射率的关系为：Sinθ＝q·Δn，其中q是沿轴向排列的人造金属微结构的个 数，Δn表示相邻单元的折射率变化量，且0＜q·Δn＜1，由上述公式可知， 超材料单元上相邻单元的折射率变化量大小相同时，对于传输到该位置的电 磁波的偏折角相同，折射率变化量越大，偏折角越大。材料的折射率与其介 电常数及磁导率存在如下关系：，其中k为比例系数，k取值为正 负1，ε为材料的介电常数，u为材料的磁导率，通过对超材料面板252空间 中每一点的介电常数ε与磁导率μ的精确设计，可以实现由发射源发出的电 磁波经超材料折射后平行射出的汇聚特性。

在本实施例中，采用的人造金属微结构254的图案呈工字形，基底253 上工字形的人造金属微结构254的尺寸从中心向周围逐渐变小，在基底253 中心处，工字形的人造金属微结构254的尺寸最大，并且在距离中心相同半 径处的工字形人造金属微结构254的尺寸相同，因此基底253的等效介电常 数及等效磁导率由中间向四周逐渐变小，中间的等效介电常数及等效磁导率 最大，因而基底253的折射率从中间向四周逐渐变小，中间部分的折射率最 大。通过在天线本体251前端一侧添加所述超材料面板252，从而将辐射振 子产生的大部分电磁波经由超材料面板252折射并向同一方向汇聚，从而大 大减少了辐射波波瓣的宽度，使天线25的增益得以显著提高，大大增强了天 线2525的信号强度，传输可靠性高，信号传送距离长，因而可适应各种恶劣 的环境。

本发明的工作原理是：当乘客欲在飞机内通过移动电话进行通话时，将 所述移动电话设置成“空中通话”模式，即通过光信号进行通信的模式，则 所述终端光信号发射单元12及终端光信号接收单元13工作。乘客通话时所 述移动电话的信号处理模块11将语音信号转换成数字电信号，并传送给所述 终端光信号发射单元12。所述终端光信号发射单元12将所述数字电信号转 换成光信号发射出去。所述机载通信设备2的机载光信号接收单元21接收到 所述光信号后，将所述光信号转换成电信号，依秩经所述交换机单元23及路 由器单元24，最后经所述天线25发射出去，所述天线25发射的频率在L波 段的频率范围。所述通信卫星3接收到所述天线25发射的信号后，将所述信 号转发给地面基站4，所述地面基站4将所述信号传给地面通信网络，通过 所述地面通信网络，从而实现飞机内的通信终端1与地面的通信终端5进行 通信。其中，所述通信卫星3与所述地面基站4之间通信的频率在K_u波段的 频率范围。通过所述通信终端1不仅可实现通话，还可发电子邮件、网上购 物及网上订酒店等，其原理与上述移动电话通信相似，在此不再赘述。

综上所述，本发明基于光通信的飞行器内个人通信系统通过将所述机载 通信设备2与所述通信终端1之间由光信号进行信号传输，则机载通信设备 2的电磁波频率和飞机与塔台联系的电磁波频率不会相近或叠加，光信号不 会被当作是塔台发来的操作信号，因而不会造成误操作，从而实现空中与地 面之间的任意通信，飞行器更安全。

上面结合附图对本发明的较佳实施例进行了描述，但是本发明并不局限 于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制 性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权 利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护 范围之内。