李永津，李景春，譚海峰，楊文翰

（1.河北工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，天津 300400；2.國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心，北京 100037；3.北京郵電大學(xué)，北京 100876）

電波衛(wèi)士

ADS-B民航飛機(jī)實(shí)時(shí)參數(shù)信息的提取及驗(yàn)證

李永津1,2，李景春2，譚海峰3，楊文翰2

（1.河北工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，天津 300400；2.國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心，北京 100037；3.北京郵電大學(xué)，北京 100876）

采用軟件定義無(wú)線電（SDR）技術(shù)提取ADS-B信息。首先運(yùn)用軟件無(wú)線電技術(shù)和射頻前端從飛機(jī)的ADS-B信號(hào)中獲得I/Q數(shù)據(jù)；然后結(jié)合CPR全球解碼算法解調(diào)出飛機(jī)的ICAO、高度、坐標(biāo)、速度等信息；最后通過(guò)飛機(jī)高速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)來(lái)對(duì)解調(diào)信息進(jìn)行分析和驗(yàn)證。由SDR技術(shù)開(kāi)發(fā)的ADS-B信息解碼系統(tǒng)具有解碼準(zhǔn)確、廉價(jià)的開(kāi)發(fā)成本和靈活性好等特點(diǎn)。

軟件定義無(wú)線電；廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視；I/Q數(shù)據(jù)；多普勒頻移效應(yīng)

1 引言

利用民航飛機(jī)散射信號(hào)的多普勒頻移定位地面干擾源是國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心于2004年提出的一種干擾源定位方法（專利號(hào)ZL.2005 1 0127597.7）?；诙嗥绽疹l移的核心定位算法需要通過(guò)飛機(jī)的高度、坐標(biāo)和速度等信息以及監(jiān)測(cè)站坐標(biāo)信息來(lái)對(duì)干擾源進(jìn)行定位。

廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）是空中和場(chǎng)面航空器或車輛的一項(xiàng)監(jiān)視功能，依托精確的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）和航空器的自我測(cè)算力對(duì)外發(fā)送自身的狀態(tài)參數(shù)[1-2]。通過(guò)軟件定義無(wú)線電（SDR）技術(shù)[3]和射頻前端獲得ADS-B信號(hào)的I/Q數(shù)據(jù)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)得到飛機(jī)的信息。

相對(duì)于其他ADS-B解碼系統(tǒng)，運(yùn)用SDR技術(shù)對(duì)ADS-B解碼系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，具有開(kāi)發(fā)成本廉價(jià)、靈活性好、可移植性等特點(diǎn)。主要工作是運(yùn)用射頻前端，在Linux系統(tǒng)上進(jìn)行程序的開(kāi)發(fā)，對(duì)ADS-B信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)的解碼。本文首先介紹了ADS-B信號(hào)提取及解碼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，然后對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了展示，最后對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析及驗(yàn)證。

2 ADS-B信號(hào)提及解碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)

ADS-B的消息傳輸波形如圖1所示，一個(gè)脈沖周期為1μs，在一個(gè)脈沖周期中有5μs有脈沖信息，所以所用的射頻接收前端的采樣率為2Ms/s，在每個(gè)5μs時(shí)間內(nèi)都有一個(gè)采樣點(diǎn)[4]。

對(duì)于ADS-B信號(hào)檢測(cè)的處理而言，如圖2所示，大致的處理過(guò)程可以分為以下模塊：消息報(bào)頭檢測(cè)、數(shù)據(jù)位判定、數(shù)據(jù)檢錯(cuò)和糾錯(cuò)和CPR解碼。

圖1 ADS-B消息傳輸波形

射頻接收前端接收無(wú)線信號(hào)，經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換和下變頻，得到基帶信號(hào)的I/Q數(shù)據(jù)。用I/Q數(shù)據(jù)計(jì)算每個(gè)采樣點(diǎn)的幅度值：

式中，m是計(jì)算得到的采樣點(diǎn)的幅度值。

這里用m0，m1，…，m9分別表示0μs～5μs時(shí)間段內(nèi)的10個(gè)采樣點(diǎn)的幅度值，利用公式（2）連續(xù)判斷10個(gè)點(diǎn)的幅度值是否符合條件。

式中，&&表示與。

如果符合條件則可以判定此時(shí)檢測(cè)到一個(gè)ADS-B信號(hào)的一個(gè)報(bào)頭信息。根據(jù)此報(bào)頭信息設(shè)定檢測(cè)信息的閾值：

然后用m11，m12，m13，m14分別表示在5.5μs～7.5μs的范圍內(nèi)采樣點(diǎn)的幅度值，用（4）式來(lái)判定該時(shí)間段內(nèi)的信號(hào)是否符合要求。若符合要求，則進(jìn)行下一步判定。

同理，檢測(cè)其余數(shù)據(jù)位采樣點(diǎn)的幅度值是否符合要求。若符合要求，則判定為一條可用信息。利用可用信息的PI校驗(yàn)位進(jìn)行循環(huán)冗余糾錯(cuò)[5]。然后，判別此消息中的ICAO地址和消息類型，將其存儲(chǔ)并等待下一條可用信息，最后通過(guò)CPR解碼對(duì)ADS-B信息解碼[6-7]，得到飛機(jī)的有用信息（見(jiàn)圖2）。

CPR解碼分為全球解碼和本地解碼，如果接收到奇編碼和偶編碼兩個(gè)消息，則進(jìn)行全球解碼。如果只收到一個(gè)奇編碼或者偶編碼，則進(jìn)行本地解碼[8]。

本文采用的是全球解碼。本地解碼在程序每次運(yùn)行時(shí)，如果在不同的地點(diǎn)，則需要輸入本地經(jīng)緯度坐標(biāo)；全球解碼則不用，直接解碼就可以得到飛機(jī)的坐標(biāo)等信息。

圖2 ADS-B信號(hào)檢測(cè)及解碼框圖

3 測(cè)試結(jié)果

為了檢驗(yàn)基于SDR的民用航空飛機(jī)實(shí)時(shí)參數(shù)信息提取技術(shù)的準(zhǔn)確性，我們進(jìn)行了多次測(cè)試。表1和表2為河北省霸州市得到的測(cè)試結(jié)果中所截取的四個(gè)時(shí)間點(diǎn)上的飛機(jī)信息，其中包括ICAO地址、高度、經(jīng)度、緯度和速度等信息。由于Mode S下行數(shù)據(jù)鏈的ADS-B信息中不包含時(shí)間信息，所以為了判定ADS-B信號(hào)的時(shí)間點(diǎn)信息，這里采用的時(shí)間戳是PC端的時(shí)間。圖3為北京市大興區(qū)上空飛機(jī)的航跡。該航跡是將解調(diào)出的飛機(jī)信息寫到KML文件中，在Google-earth上畫出的。

表1 霸州市飛機(jī)坐標(biāo)信息

表2 霸州市飛機(jī)速度信息

其中，東西向速度：“+”表示向東，“-”表示向西；南北向速度：“+”表示向北，“-”表示向南；垂直速度：“+”表示向上，“-”表示向下。

圖3 北京市大興區(qū)飛機(jī)航線

4 測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證分析

本文的硬件采用某公司的RTL2832U芯片，在不失真的情況下，最大采樣率能達(dá)到 。高頻信號(hào)通過(guò)RTL2832U之后下變頻到基帶信號(hào)，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出交錯(cuò)8bit的 數(shù)據(jù)（I,Q）。采用的調(diào)諧器是某公司的R820T，其能夠拾取的頻率范是 ，包含了ADS-B的Mode S模式下行數(shù)據(jù)鏈路的頻點(diǎn)[9]。

Linux系統(tǒng)可以支持多任務(wù)、多線程；C語(yǔ)言具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，其編寫的程序可以不依賴計(jì)算機(jī)硬件，可以移植到不同的平臺(tái)上。故該解碼系統(tǒng)采用C語(yǔ)言在Linux開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行[10]。

我們采用飛機(jī)的多普勒頻移來(lái)檢驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。采用飛機(jī)多普勒頻移的原理：飛機(jī)在接近和遠(yuǎn)離監(jiān)測(cè)站的過(guò)程中，可以從飛機(jī)產(chǎn)生的散射信號(hào)中提取飛機(jī)高速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多普勒頻移信息。建立圖4所示的坐標(biāo)系。飛機(jī)航線平行于x軸。設(shè)第i次采樣所用的監(jiān)測(cè)站位置坐標(biāo)為（xmi，ymi），xy平面為地面；飛機(jī)高度為h，速度為v，航線在地面投影與監(jiān)測(cè)站的偏離量為yp，第i時(shí)刻飛機(jī)的坐標(biāo)為（xi，yp），干擾源的坐標(biāo)為（xg，yg）；圖中角度αi為第i時(shí)刻飛機(jī)和干擾源連線與飛行方向的夾角；βi為第i時(shí)刻飛機(jī)和監(jiān)測(cè)站連線與飛行方向的夾角。

圖4 坐標(biāo)系的建立

基于圖4的坐標(biāo)系，對(duì)于頻率為fg的干擾源，在第j時(shí)刻經(jīng)過(guò)飛機(jī)散射后到達(dá)地面時(shí)的接收頻率為：

式中，fgetj為第j時(shí)刻（tj）在地面接收到干擾源散射信號(hào)的頻率；j=1，2，3…，n；fg為干擾源產(chǎn)生信號(hào)的頻率；（xg，yg）為干擾源坐標(biāo)，（xj，yp）為第j時(shí)刻飛機(jī)的坐標(biāo)，（xmsj，ymsj）為接收散射信號(hào)的監(jiān)測(cè)站坐標(biāo)；h為飛行高度；c為電磁波在空氣中傳播的速度[11-12]。

式（5）中，干擾源和檢測(cè)站的坐標(biāo)已知，結(jié)合解碼ADS-B報(bào)文后獲得的飛機(jī)坐標(biāo)和速度信息，可以算出j時(shí)刻監(jiān)測(cè)站收到的散射信號(hào)頻率，得到多普勒頻移信息，從而擬合出多普勒頻移曲線。在監(jiān)測(cè)站通過(guò)頻譜儀實(shí)際采集散射信號(hào)的數(shù)據(jù)，從實(shí)際數(shù)據(jù)中可以提取飛機(jī)高速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多普勒頻移信息。

頻譜儀接收飛機(jī)散射信號(hào)，同時(shí)對(duì)ADS-B信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)解調(diào)。從實(shí)際接收的散射信號(hào)中提取多普勒頻移信息，畫出多普勒頻移曲線；再在相同的時(shí)間段內(nèi)篩選飛機(jī)信息，擬合出一條多普勒頻移曲線。如圖5所示，散射信號(hào)中提取的多普勒頻移曲線和ADS-B報(bào)文擬合的多普勒頻移曲線基本重合，可以證明，通過(guò)SDR技術(shù)解調(diào)ADS-B信號(hào)得到的飛機(jī)信息的方法具有較高的準(zhǔn)確性和較好的實(shí)時(shí)性。

圖5 多普勒頻移曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

在實(shí)際測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)對(duì)基于Mode S 1090ES的ADS-B信號(hào)的解調(diào)具有比較理想的效果。通過(guò)多普勒效應(yīng)的驗(yàn)證表明，運(yùn)用SDR技術(shù)對(duì)ADS-B信號(hào)進(jìn)行解調(diào)得到的飛機(jī)信息具有較高的準(zhǔn)確性和較好的實(shí)時(shí)性，并且此系統(tǒng)還具有成本廉價(jià)、靈活性好、可移植等優(yōu)點(diǎn)。

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科達(dá)智能門店點(diǎn)亮第16屆中國(guó)連鎖店展覽會(huì)

2014年11月6日，科達(dá)智能門店管理系統(tǒng)亮相第16屆中國(guó)連鎖店展覽會(huì)，以人臉?lè)治?、商品點(diǎn)檢、戰(zhàn)略沙盤等一系列智能應(yīng)用，引領(lǐng)門店管理進(jìn)入商業(yè)智能時(shí)代。2012年，科達(dá)推出智能門店管理系統(tǒng)，通過(guò)視頻巡店、客流統(tǒng)計(jì)、熱點(diǎn)分析三大核心模塊，為整個(gè)連鎖門店行業(yè)帶來(lái)管理方式的變革。大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，使得連鎖店管理者能夠從分散在各個(gè)門店的大量數(shù)據(jù)中挖掘出有用的信息。為此，科達(dá)將視頻與大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來(lái)，通過(guò)在智能門店管理系統(tǒng)中引入人臉?lè)治?、商品點(diǎn)檢以及戰(zhàn)略沙盤功能，實(shí)現(xiàn)了門店管理的商業(yè)智能。目前，科達(dá)智能門店管理系統(tǒng)已幫助聯(lián)合利華、柒牌男裝、老百姓大藥房等連鎖企業(yè)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程巡店、客流分析、熱點(diǎn)統(tǒng)計(jì)等商業(yè)智能應(yīng)用。

ADS-B Civil Aircraft in Real-Time Parameter Extraction and Validation of Information

Li Yongjin1,2, Li Jingchun2, Tan Haifeng3, Yang Wenhan2
(1.School of Electronic Information Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China; 2. The State Radio Monitoring Center, Beijing 100037, China; 3.Beijing University of Posts and Telecommunications，Beijing 100037, China)

Extract ADS-B information by software-defined radio (SDR) technology. First, obtain I/Q data from the ADS-B signal of the aircraft using the SDR technology and a simple RF front-end; and then, demodulate the aircraft’s ICAO, height, coordinates, speed and other information in combining with the CPR global decoding algorithm; finally, to analyze and verify the demodulate information through Doppler Effect of high-speed movement of aircraft. ADS-B decoding system developed by SDR technology has advantages of decoding accuracy, cheap development costs and good fexible.

Software Defne Radio; ADS-B; I/Q data; Doppler Effect

10.3969/j.issn.1672-7274.2014.12.012

TN99

B

1672-7274（2014）12-0055-04

李永津，男，漢族，1988年生，河北工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院碩士研究生，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線電通信、信號(hào)處理。

李景春，男，1966年生，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線電通信，信號(hào)處理。