許 哲，康 永

(中國電子科技集團公司第20研究所技術(shù)部，陜西西安 710068)

隨著我國“民航強國”戰(zhàn)略的實施，我國航空交通運輸業(yè)呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的趨勢，民用航空新技術(shù)、新裝備也得到大力、快速地應用。但由于航空運輸系統(tǒng)的現(xiàn)有容量無法滿足快速增長的航空運輸業(yè)需求。因此，盡快開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的航空交通管理系統(tǒng)具有重大的社會和經(jīng)濟價值。

廣播式自動相關(guān)監(jiān)視(ADS-B)技術(shù)是利用空地、空空數(shù)據(jù)鏈通信完成交通監(jiān)視和信息傳遞的一種航行新技術(shù)［1］。ADS-B技術(shù)不僅可以用于無雷達地區(qū)的遠程航空器運行監(jiān)視，而且與傳統(tǒng)雷達監(jiān)視技術(shù)相比，ADS-B技術(shù)還具有使用成本低、精度誤差小、監(jiān)視能力強等明顯優(yōu)點，對于高密度飛行區(qū)域空中交通管理具有廣泛的應用前景。國際民航組織(ICAO)將其確定為未來監(jiān)視技術(shù)發(fā)展的主要方向，國際航空界正在積極推進該項技術(shù)的應用。

1 ADS-B技術(shù)概述

ADS-B系統(tǒng)按設備可分為機載設備和地面設備，按信號傳遞方向可分為上行鏈路和下行鏈路［2］。目前的ADS-B設備有3種數(shù)據(jù)鏈模式:基于模式S的1090ES模式、UAT模式和VDL-4模式。3種模式各有優(yōu)缺點且互不兼容，其中1090ES為ICAO組織推薦，采用選擇性詢問、雙向數(shù)據(jù)通信，不足之處是已經(jīng)出現(xiàn)頻譜過度使用的問題;UAT模式在美國較為流行，采用二進制連續(xù)相依鍵控(CP-FSK)，主要問題是和DME地面設備相互干擾嚴重;VDL-4在歐洲較為流行，其核心是SOTDMA協(xié)議，主要問題是VHF頻段資源緊張。3種數(shù)據(jù)鏈技術(shù)比較如表1所示。

表1 3種ADS-B數(shù)據(jù)鏈性能比較

文中主要介紹了基于1090ES數(shù)據(jù)鏈的ADS-B系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 ADS-B系統(tǒng)組成框圖

圖1中加裝ADS-B設備的飛機通過一臺發(fā)射機以周期方式向外發(fā)射自己的位置，同時還有身份、高度、速度和其它數(shù)據(jù)信息。ADS-B消息由ADS-B報文構(gòu)成，通過空-空、空-地數(shù)據(jù)鏈廣播式傳播。1090ES數(shù)據(jù)鏈是通過機載S模式ADS-B應答機傳輸信號，由112個信息脈沖構(gòu)成的S模式ADS-B長應答信號格式如圖2所示。

圖2 ADS-B信號格式圖

ADS-B消息的應答報頭(前導脈沖)為4個，每個脈沖持續(xù)時間為0.5±0.05 μs，相對于第1個脈沖，第 2、3、4 個脈沖分別出現(xiàn)在 1.0 μs、3.5 μs 和 4.5 μs處，定時誤差的相對精確位置不能超過 ±0.05 μs［3］。應答數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)脈沖)在4個應答報頭之后的數(shù)據(jù)單元中，數(shù)據(jù)脈沖的第1 bit位出現(xiàn)在8.0 μs處。每條ADS-B消息的數(shù)據(jù)域長度均為112 bit，與Mode S消息不同，Mode S消息有長短碼之分，長碼的數(shù)據(jù)域為112 bit，短碼則為 56 bit［4］。消息脈沖寬度為 0.5 ±0.05 μs，與前導脈沖相同，每個消息的脈沖定時誤差相對于精確位置不得超過±0.05 μs。

ADS-B消息脈沖的形狀要求全部為方形脈沖，同一消息中的任何兩個脈沖幅度差不得超過2 dB，脈沖的上升時間為0.05 ms≤脈沖上升時間≤0.1 ms，脈沖的下降時間同樣需要滿足0.05 ms≤脈沖下降時間≤0.1 ms。

2 ADS-B前導脈沖檢測算法

在ADS-B信號檢測和分析算法中，主要研究領域均集中在時域。對于有效信號的判別主要依據(jù)3個重要標志:有效脈沖位置標志(Valid Pulse Position，VPP)、每個比特位信號的上升沿位置標志(Leading Edge Position，LEP)和每個比特位信號的下降沿位置標志(Falling Edge Position，F(xiàn)EP)。

如果一個采樣點的幅度值高于一個門限值(Threshold)，并假設這個采樣點為S。當S點之后的不間斷N個采樣點的值都在門限值以上，那么S的位置可以看作是一個VPP，對于系統(tǒng)采樣頻率為10 MHz的情況，每個脈沖周期內(nèi)的采樣點數(shù)為10，則門限值的調(diào)整一般以N＞3或N＞4，即有效脈沖至少需要維持 0.3 ms或0.4 ms以上［5］。

在上升沿標志檢測算法中，VPP對應某個采樣點(假設采樣點為S，把S點的前一個采樣點和后一個采樣點分別記為S1、S0)。當S與S1之間的差值小于S與S0之間的差值時，可判定在采樣點S處有一個上升沿，上升沿標志檢測示意圖如圖3所示。

圖3 上升沿標志檢測示意圖

同理，在有效脈沖位置內(nèi)的某一個采樣點，如果某個樣點是一個有效脈沖位置，且與前一個樣點之間差值小于門限，與后一樣點之間差值大于門限，那么此樣點可以判定為一個下降沿PLE。下降沿標志檢測示意圖如圖4所示。

圖4 下降沿標志檢測示意圖

ADS-B報頭有效脈沖檢測完成后需要進行有效報頭檢測，其檢測標準是:

(1)具有 0 μs、1 μs、3.5 μs 和 4.5 μs 時序的 4個脈沖。(2)4個脈沖中必須有≥2個上升沿標志。(3)其余為有效脈沖位置。(4)采樣容錯能力:±1個采樣點。

3 改進的ADS-B前導脈沖檢測算法

目前主流的ADS-B前導脈沖有效性檢測主要依靠上升沿標志(ALE)和脈沖有效位置標志(VPP)兩個標志進行檢測，只有當兩種檢測全部通過相應標準后才能判定一個有效脈沖報頭。傳統(tǒng)檢測方法的數(shù)學模型為

這種檢測方法在信噪比較高時具有較好的性能，但是在信噪比相對較低時，傳統(tǒng)的檢測方法的報頭漏檢率較高。如果考慮ALE檢測和VPP檢測的相關(guān)性，由一個檢測函數(shù)檢測ALE與VPP的相關(guān)性，并通過兩者的相關(guān)性來確定4個報頭脈沖的檢測結(jié)果，即

該檢測方法可以提供相比傳統(tǒng)檢測方法更高的檢測概率，有效減少因信噪比降低而引起的漏檢率上升問題。其檢測流程如圖5所示。

圖5 4報頭脈沖檢測流程圖

為簡化起見，考慮在高斯噪聲環(huán)境中，不同信噪比條件下新檢測方式與老檢測方式的4報頭脈沖檢測漏檢率性能比較如圖6所示。

如圖6所示，不同SNR條件下，4報頭脈沖檢測的漏檢率新檢測算法具有明顯的性能提升，其增益在SNR為1～8 dB區(qū)間內(nèi)約有1～1.3 dB的增益。

圖6 不同檢測方式4報頭脈沖漏檢率比較

4 結(jié)束語

隨著地空空域的逐漸開放，ADS-B技術(shù)在今后將成為通航領域內(nèi)一項重要的空中交通監(jiān)視和信息傳遞技術(shù)。ADS-B設備與技術(shù)的研發(fā)也將成為重要研究方向。本文討論了ADS-B報頭檢測的方法，在此基礎上提出的新檢測方式可以有效降低ADS-B4報頭脈沖檢測的漏檢率。

［1］中國民用航空局飛行標準司.廣播式自動相關(guān)監(jiān)視在飛行運行中的應用(AC-91-07)［S］.北京:中國民用航空局飛行標準司，2007.

［2］王菲.基于1090MHz ES數(shù)據(jù)鏈ADS-B關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.成都:電子科技大學，2009.

［3］RTCA Inc.DO-260A DC 20036-5133［P］.USA Washington:RTCA Inc，2003.

［4］GARLOCH J L.Flight testing of a prototype cockpit display of traffic information for approach spacing applications ［C］.DASC，the 20th Conference on Digital Avionics Systems，2001.

［5］劉曉斌.基于模式S的ADS-B接收機系統(tǒng)算法研究［D］.成都:電子科技大學，2008.