太阳能供电的机场目视助航灯光系统研究与实现

杨 灏，蒋 李，杨小龙，杨建红

（中国民用航空总局第二研究所 科研开发中心，成都610041）

机场目视助航灯光系统为飞机驾驶员昼夜提供起飞、进近、着陆和滑行的引导信号，是机场保障正常运行的重要环节之一，必须始终保持系统处于正常工作状态。 机场目前广泛使用的基于恒流调光器供电的目视助航灯光系统供电体系，在实际运行过程中，存在线缆老化引起的多点接地的安全隐患、一次缆串联回路线缆损耗能源利用率不高、升级改造不停航施工成本高，以及供电体系不适用于节能型LED 灯具使用等诸多问题。 基于此，国外一些研究机构和公司已经进行了相关研究，采用太阳能供电方式替代现行恒流调光器供电方式来降低电能的损耗，提升能源利用率[1]，并成功研发出符合ICAO 国际民航组织附录14 标准的系列化太阳能助航灯具相关产品，在全球机场安装使用，节能效果明显，安全系数高[2]。

根据民航局关于行业节能减排的指导意见以及推进四型机场建设的行动纲要，从助航灯光回路组成出发，讨论了基于太阳能光伏技术的目视助航灯光供电系统的方案和各个功能环节的实现，完成系统架构及软硬件设计， 实现助航灯具的供电、系统长时间运行、亮灭控制及工作状态实时监测。

1 系统总体结构及设计

基于太阳能供电方式的助航灯光系统是集计算机技术、太阳能光伏技术、数据采集技术及通信技术为一体的综合系统。 其主要组成部分如下：

1）灯光监控单元 灯光监控单元实现灯光管理和数据存储，一方面对每个助航灯具工作状态的管理，实现单个灯具的亮灭控制及工作电源实时监测，另一方面机场工作人员通过系统查询灯光状态和实时监控。

2）供电单元 太阳能供电单元一方面将太阳能转化成电能，另一方面将多余的能量通过电储能单元进行存储， 以保证在日照条件不充足或夜间时，助航灯具都有足够的电能进行工作。

3）助航灯具 助航灯具可看作分布式的监控节点，由太阳能电池供电，根据灯光监控单元的光级控制指令或供电单元输出的功率大小，输出指定满足相关标准规范的光强，同时接收灯光监控单元的查询指令，上报灯具的工作状态或当灯具故障时立即上报故障信息。

4）汇聚中心 通过有线网络与监控计算机连接，实现与监控中心之间的数据交互，以及灯具的入网许可管理。

5）无线基站 通过光纤与汇聚中心连接，实现监控中心与助航灯具之间的数据交互，实现控制指令和状态数据的发送与中转， 接收监控节点的数据，最终将整合的数据发送至灯光监控中心[3]。

系统总体结构如图1 所示。 当进行开关灯控制时，监控单元首先通过基站将开关指令发送到各个助航灯具，然后各个灯具执行相应的动作后，向监控单元返回灯具当前的工作状态信息，监控单元对接收到的数据进行解析处理并存储。 用户可实时查看助航灯具的亮灭状态、故障状态和电池电量的使用情况，从而采取对应的措施进行灯光系统维护[4]。

图1 太阳能供电的机场目视助航灯光系统Fig.1 Solar powered airport visual navigation lights system

2 系统硬件实现

助航灯光因其灯具安装位置不同分类较多，且不同灯具之间输出对应的光强所需的功率要求也不尽相同，故在此拟选用双向出光、白色光源的跑道边灯为例，对系统展开硬件设计。

2.1 需求分析

按照系统设计需求，需要太阳能提供电能的设备有跑道边灯和无线基站。设系统需求总功能为P，跑道边灯、无线基站分别对应的功耗为PL和PS：

1）跑道边灯（PL） 由灯具驱动和通信控制单元组成，按照跑道滑行道助航灯具技术要求，跑道边灯所需的光强为10000 cd[5]，灯具驱动设计采用LED灯珠，通信控制单元接收并解码系统控制命令，实现灯具的亮灭控制，同时实时监控灯具工作状态，一旦出现故障立即上报故障信息。

2）无线基站（PS） 提供通信服务，主要完成无线接入功能，包括管理空中接口、接入控制、用户资源分配等无线资源管理功能。

按照系统每天需要工作时间TD，如遇到没有日光照射的阴雨天气，系统需满足连续供电时间TN，系统转换效率为η，则需要的电量为

2.2 电源设计

电源设计是本系统的设计难点，机场目视助航灯光在连续的极端天气条件下，即要求在较长的时间段内没有充足日照的情况下，也必须始终保持系统处于正常工作状态，因此电源系统的好坏直接关系到系统能否正常使用。

2.2.1 太阳能光伏板选型设计

太阳光伏系统是利用光伏半导体材料的光生伏打效应而将太阳能转化为直流电能的设施，其核心是太阳能电池板。 太阳能板平均每天发电量为

式中：W 为太阳能板发电量，W·h；PPV，max为太阳能板最大发电功率；K1为转换效率；K2为温度影响系数；K3为组件3a 内发电量衰减系数；K4为遮挡系数；TPV为最差日照月平均日照峰值小时数；ηb为蓄电池在太阳能系统能量综合转换系数。 根据机场的地理经纬度坐标位置，从NASA 网站可以查询得到机场的光照条件， 最差日照月平均日照峰值时间，结合系统的最大需求功率，对应选出适合系统需求的太阳能光伏板，在保证负载用电之余，仍有足够的能量可用于锂电池充电。

为保证系统全天候可靠安全的运行，需要考虑到日照不充足的应用场景， 即当日照条件好的时候， 太阳能板正常向助航灯具提供所需的工作，同时还需要将多余的能量通过储能单元存储起来，当日照不充分或夜间时，通过存储系统为助航灯具提供能量。

2.2.2 储能系统设计

考虑到机场实际使用环境，储能电池组大多安装在飞行区内， 因此必须考虑储能系统的易安装性、防水且易折等问题。 储能系统在日照不充分的时候，代替太阳能板，为系统各个组件提供能量，储能系统设计时需要考虑最大消耗功率和放电时间2个关键指标，其对应关系为

式中：T 为电池备电时间，h；C 为电池容量，A·h；Vb为电池额定电压，V；Kc为电池老化系数；DD为电池放电深度；Pmax为系统负载最大功耗。 设计需选用具有耐高温、寿命长、DD大、循环寿命次数多的储能单元，为系统提供备电并参与循环。

2.3 通信单元设计

基于LTE（long term evolution）的宽带集群系统，作为新一代宽带无线移动通讯技术在移动宽带的广泛应用，其覆盖广、连接可靠高、抗干扰能力强、数据传输速率高、时延低和全IP 的技术特性[6]，逐渐被业界认可。 现有运行机场大多建造了机场场区的专业宽带多媒体数字集群网，具备同时传输大容量的下行和上行数据的能力，通过强大的宽带数据接入功能，可以通过无线网络实现远端数据快速查询、现场采集信息便捷上报、工作电子流现场处理等业务。 因此，本文系统依托机场现有宽带无线专网，充分利用无线专网资源，来展开通信传输单元的设计。

2.3.1 无线模组选型设计

考虑到机场无线物联网通信的组网架构，设计拟选定4G 通信频段， 在此基础上展开无线基站子系统、网络子系统和核心网架构研究与设计，解决系统布站选址、网络覆盖设计、系统抗干扰、数据实时传输、高并发处理等技术难点，实现灯光引导系统与现场助航灯光端到端的数据交互连接、业务管理和数据承载。 目前，市面上均有较为成熟的通信模块解决方案，支持标准的AT 指令集，如：华为基于TD-LTE 制式Mini PCI-E 接口的eM680-950 模组；鼎桥TDD eMTC 的EM610 模组；SIMCom 可支持GSM，TD-SCDMA，CDMA，WCDMA，LTE-FDD 和LTE-TDD 的SIM7600 模组。结合灯具内部的空间大小和实际运行功耗情况，选用了SIM7600 作为灯具状态在线实时监控的数据传输模块。

2.3.2 接口电路设计

SIM7600 模组的外形尺寸为30 mm×30 mm×2.9 mm，工作电压为直流3.8 V，休眠模式下耗流小于5 mA，选用LTE-TDD 工作模式，提供一路全功能串口，波特率支持从300 b/s～4 Mb/s，可以通过串口发送AT 命令和数据，工作温度范围为-40～85 ℃[7]。在接口硬件电路设计时，需要重点注意以下几个方面：

1）供电输入 当模块在GSM 模式下以最大功率发射时，电流峰值瞬间最高可达到2 A 左右，从而导致在VBAT 上有较大的电压跌落。 为保证电压跌落小于300 mV，必须保证外部电源供电能力不小于2 A。

2）SIM7600 串口电平为1.8 V，如果需要接3.3 V电平的串口，需要增加一颗电平转换芯片。

3）不支持软SIM 工作方式，需要外接USIM 卡，PCB 布局时一定要将USIM 卡座远离主天线，在USIM 卡座和模块之间串联22 Ω 电阻可以增强ESD 防护性能。

4）模块和天线之间的走线必须保证50 Ω 走线阻抗，且其插入损耗必须小于0.9 dB。

3 系统软件设计

3.1 灯具控制单元程序设计

助航灯具的控制软件功能主要是接收监控中心的开关灯命令或者光级切换命令，通过解码后控制灯具驱动的输出，从而达到开关灯和光级切换的目的。

程序采用模块化设计方式，系统程序主要包含无线模组初始化模块、 供电电源电压采集模块、通信模块和灯具控制模块等。 助航灯具上电后，首先完成对时钟、中断、外设等硬件和协议栈的初始化，然后判断网络的连接状态，待与远程控制软件的成功连接后， 启动数据采集子函数采集电压和电流值，并调用数据上传函数周期性向远程控制软件发送实时数据。 利用中断方式实时响应计算机发出的开关灯命令，程序流程如图2 所示。

3.2 监控中心软件设计

监控中心由系统管理平台软件、系统控制平台和后台数据库软件三部分组成。 ①系统管理平台软件采用C/S 模式开发，由系统管理模块、人员/部门管理模块、设备材料管理模块组成，可实现对整个软件平台的管理工作，具体包含系统设置、权限管理、设备管理、人员管理、数据查询、电池管理等功能；②系统控制平台由灯具控制模块、灯具状态查询模块和查询统计模块组成，通过以太网方式连接到控制服务器上，实现灯具与控制平台之间的数据交互转发功能， 通过软件平台向灯具发送控制命令，同时实现接收灯具发送的状态信息；③后台数据库软件主要用于存储系统配置数据、 操作数据、控制数据、消息处理等。 监控中心系统处理流程如图3 所示。

图3 监控中心软件流程Fig.3 Monitoring center software flow chart

4 功能及性能测试

为进一步验证系统性能，在华南某国际机场模拟机坪安装了26 个太阳能跑道边灯、2 个无线基站、28 块太阳能电池板及28 套锂电池储能单元，进行了为期3 个月的可靠性和稳定性测试。 同时，在灯光站部署了1 套助航灯光单灯监控系统客户端、1 套LTE 局端核心通信处理单元和1 台交换机。 现场实际运行环境下设备消耗的功率见表1。

表1 测试环境下设备消耗功率Tab.1 Power consumption of equipment under test environment

在数据传输方面，通过远程控制软件下发控制指令对现场灯具进行单灯控制、回路控制等操作，灯具控制单元均能正确响应控制命令，同时在监控中心系统客户端实时显示。 其控制结果如图4 所示。

图4 灯具点亮和熄灭的控制结果Fig.4 Control results of light on and light off lamp

在太阳能供电方面，系统经过连续3 个月的测试运行，对为单个灯具供电的太阳能板的总发电情况和实际系统耗电情况进行了统计，结果如图5 所示。 系统3 个月连续运行平均月消耗2760.2 W，太阳能板所转换的电能平均值为4341.6 W。 测试结果表明，各项技术指标都在预期设计范围内，证明了系统的可实现性和系统的可靠性。

图5 太阳能板产生能量和灯具耗能的统计Fig.5 Statistics of energy generated by solar panels and energy consumption of lights

5 结语

通过对太阳能机场目视助航灯光系统的组成及供电的实现进行研究，并讨论储能及数据传输等关键技术，给出了有效的解决办法，完成了助航灯具的供电、 实时工作状态信息采集和数据传输，搭建了基于太阳能供电的目视助航灯光系统。 由于无需进行一次缆管道及通讯线缆敷设，也避免了基于调光器供电方案的一次缆主回路多点接地造成的灯段不亮的问题。 经过机场设备安装与系统测试验证，达到了预期效果。 该系统可以提高机场助航灯光的运行保障能力，保障机场安全运行，具有十分重要的意义，同时为今后系统特别是滑行道边灯及停止排灯的升级改造，尤其滑行道边灯及停止排灯的升级改造，提供了新的方法和途径。