四川九洲空管科技有限責(zé)任公司 段 煜 海 灝

1.概述

新航行系統(tǒng)是一個(gè)以衛(wèi)星全球通信、導(dǎo)航、監(jiān)視加上自動(dòng)化的空中交通管理的系統(tǒng)，其中監(jiān)視系統(tǒng)新增的技術(shù)手段有自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視（ADS）技術(shù)手段，并計(jì)劃在空中交通管理領(lǐng)域普遍使用。

ADS-B（Automatic Dependent Surveillance–Broadcast）即廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視技術(shù)，是自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視中的重要組成部分?！白詣?dòng)”即不需要飛行員或外部驅(qū)動(dòng)，“相關(guān)”即數(shù)據(jù)來(lái)源于飛機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)的。飛行器通過(guò)衛(wèi)星導(dǎo)航確定其位置信息（經(jīng)緯度、幾何高度），結(jié)合飛行器自身的信息（S模式地址、航班號(hào)、發(fā)射機(jī)類(lèi)型、大氣壓高度、模式A代碼、飛機(jī)運(yùn)行狀態(tài)等）組成不同類(lèi)型的報(bào)文，對(duì)空間進(jìn)行周期廣播，空中交通管制地面站或機(jī)載端可以接收這些信息，從而對(duì)飛行器進(jìn)行監(jiān)視。

ADS-B從信號(hào)物理鏈路來(lái)說(shuō)分為兩種技術(shù)體制：

1）UAT（universal access transceiver），即通用訪問(wèn)收發(fā)機(jī)，是一種數(shù)據(jù)鏈通信技術(shù)，主要用于通用航空領(lǐng)域。

2）1090MHz ES（extended squitter），即1090兆赫擴(kuò)展斷續(xù)振蕩器，是與擴(kuò)展型S模式信號(hào)格式一致的數(shù)據(jù)鏈通信技術(shù)，主要用于軍民航領(lǐng)域。

ADS-B從功能上分為OUT和IN兩種功能：

1）ADS-B OUT功能是飛行器實(shí)時(shí)周期廣播本機(jī)相關(guān)信息，物理載體為機(jī)載端設(shè)備。

2）ADS-B IN功能主要是接收飛行器“ADS-B OUT”信息，有部分ADS-B接收設(shè)備具有額外接收S模式信號(hào)的功能（如九洲空管科技的1090ES地面站），物理載體為機(jī)載端設(shè)備和地面接收設(shè)備。

本文只討論為1090MHz ES地面站（后文簡(jiǎn)稱(chēng)“地面站”）設(shè)計(jì)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。

2.現(xiàn)狀及需求分析

國(guó)際上，多個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)主要空域的ADS-B信號(hào)監(jiān)視的全覆蓋，中國(guó)也于2017年內(nèi)大面積加裝地面站，一共300多個(gè)站點(diǎn)，地面站700余套，覆蓋國(guó)內(nèi)主要航路和終端區(qū)。

由于地面站的大量使用，其研制、生產(chǎn)、驗(yàn)收、日常維護(hù)、定期巡檢工作中面臨大量的測(cè)試檢驗(yàn)工作。地面站屬于接收設(shè)備，需要對(duì)其功能及性能進(jìn)行測(cè)試，由于ADS-B信號(hào)自身的復(fù)雜性，使得對(duì)其開(kāi)展一次詳細(xì)的測(cè)試需要搭建比較復(fù)雜的環(huán)境，開(kāi)發(fā)大量的測(cè)試用例，耗費(fèi)大量時(shí)間測(cè)試、記錄被測(cè)件數(shù)據(jù)輸出以及結(jié)果分析比對(duì)。

為了滿足地面站的詳細(xì)功能性能測(cè)試需求，同時(shí)考慮便捷測(cè)試環(huán)境的搭建以及測(cè)試工作的高效性、準(zhǔn)確性、可重復(fù)性，決定研制地面站自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。

3.設(shè)計(jì)原理

3.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

地面站測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的依據(jù)分別美標(biāo)DO-260B[1]、歐標(biāo)ED-129[2]、中國(guó)民航MH/T 4036-2012[4]標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。其中DO-260B為機(jī)載ADS-B設(shè)備最低性能標(biāo)準(zhǔn)，用于參考ADS-B標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)和測(cè)試信號(hào)的定義，以及部分測(cè)試方法；ED-129為ADS-B地面站最低性能標(biāo)準(zhǔn)，用于參考地面站的功能性能標(biāo)準(zhǔn)及部分測(cè)試方法；MH/T 4036-2012為中國(guó)民航制定的ADS-B地面站性能標(biāo)準(zhǔn)，用于確定地面站功能性能指標(biāo)定義及測(cè)試項(xiàng)目。

3.2 自動(dòng)化測(cè)試

ADS-B地面站屬于被動(dòng)響應(yīng)設(shè)備，根據(jù)目標(biāo)信號(hào)輸入進(jìn)行響應(yīng)，輸出相應(yīng)的數(shù)據(jù)，在工作中無(wú)需人為控制或參與。因此，所有的測(cè)試過(guò)程中也不需要人為對(duì)地面站進(jìn)行操作或配置，只需將設(shè)計(jì)好的測(cè)試用例按照順序一一輸入地面站，接收并分析對(duì)應(yīng)輸出的目標(biāo)數(shù)據(jù)，便可實(shí)現(xiàn)全程自動(dòng)化測(cè)試。

3.3 測(cè)試原理

ADS-B地面站測(cè)試系統(tǒng)用于對(duì)地面站進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)功能性能測(cè)試，即對(duì)其進(jìn)行黑盒測(cè)試，測(cè)試系統(tǒng)作為測(cè)試床，地面站作為被測(cè)件。測(cè)試系統(tǒng)為地面站提供特定的測(cè)試激勵(lì)輸入，使其工作在相應(yīng)的狀態(tài)，并輸出響應(yīng)數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)地面站輸出響應(yīng)數(shù)據(jù)與期望數(shù)據(jù)的比較，計(jì)算分析出地面站的功能性能指標(biāo)，從而評(píng)估地面站的功能及性能的標(biāo)準(zhǔn)符合性。

其中測(cè)試激勵(lì)為射頻信號(hào)，從地面站的天線端口進(jìn)行注入，正常情況下為1090MHz的ADS-B報(bào)文。響應(yīng)數(shù)據(jù)為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，是地面站輸出的CAT021報(bào)文[3]或原始報(bào)文。功能基本測(cè)試模型如圖1所示。采用該測(cè)試模型可完成地面站主要功能和性能的測(cè)試，需要注意統(tǒng)計(jì)型測(cè)試用例，根據(jù)DO-260B的要求注入的測(cè)試用例樣本量應(yīng)不小于1000個(gè)。

在測(cè)試過(guò)程中需要注意的是地面站有兩種報(bào)文輸出驅(qū)動(dòng)模式，一種是周期驅(qū)動(dòng)（Periodic Driven），另一種是事件驅(qū)動(dòng)（Event Driven）。地面站工作于周期驅(qū)動(dòng)模式時(shí)，周期輸出收到的目標(biāo)數(shù)據(jù)。地面站工作于事件驅(qū)動(dòng)模式時(shí)，當(dāng)接收到有效的目標(biāo)射頻信號(hào)后，立即輸出CAT021數(shù)據(jù)。而測(cè)試地面站時(shí)需要地面站實(shí)時(shí)響應(yīng)測(cè)試激勵(lì)，否則無(wú)法判斷接收數(shù)據(jù)的正確性以及地面站的處理延遲，因此在地面站進(jìn)行測(cè)試時(shí)，需要將地面站設(shè)置為事件驅(qū)動(dòng)工作模式。

圖1 功能基本測(cè)試模型

抗干擾能力是地面站的重要指標(biāo)之一，考量地面站的譯碼能力，即在正常ADS-B射頻信號(hào)被其他信號(hào)干擾的情況下，通常是指同頻干擾，地面站應(yīng)具有一定的目標(biāo)接收能力。干擾主要分為同步干擾和異步干擾兩種：同步干擾是指與正常ADS-B信號(hào)具有同步時(shí)間關(guān)系的干擾信號(hào)，同步干擾可能在正常信號(hào)之前、之后或疊加；異步干擾是指在時(shí)間上位置隨機(jī)出現(xiàn)或者與正常信號(hào)相對(duì)位置隨機(jī)的干擾信號(hào)。同頻干擾信號(hào)的類(lèi)型主要有連續(xù)波、單脈沖、模式A/C、模式S及DME信號(hào)，這些干擾均會(huì)對(duì)地面站的接收處理造成一定的影響，其測(cè)試模型如圖2所示。

圖2 地面站抗干擾能力測(cè)試模型

在模擬同步干擾時(shí)，需要ADS-B信號(hào)源與干擾信號(hào)源發(fā)射的信號(hào)在時(shí)間上具有同步關(guān)系，兩個(gè)信號(hào)源應(yīng)具有同步接口，而模擬異步干擾時(shí)則需要干擾信號(hào)源與ADS-B信號(hào)源具有隨機(jī)關(guān)系。

4.設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

結(jié)合地面站的測(cè)試需求、測(cè)試模型以及用戶實(shí)際需求，選用如下硬件組成測(cè)試系統(tǒng)，其組成見(jiàn)表1。

表1 測(cè)試系統(tǒng)組成

為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)試，需要開(kāi)發(fā)基于計(jì)算機(jī)的顯示控制軟件，控制硬件進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試。計(jì)算機(jī)用于顯示控制軟件運(yùn)行，采用基于總線控制的技術(shù)，控制兩種信號(hào)源模擬測(cè)試激勵(lì)信號(hào)，注入地面站。計(jì)算機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)接收地面站輸出的CAT021報(bào)文，進(jìn)行記錄和分析，得出測(cè)試結(jié)果。

測(cè)試系統(tǒng)軟件具體工作原理如圖3所示。

圖3 測(cè)試系統(tǒng)軟件工作原理圖

用戶通過(guò)人機(jī)接口（測(cè)試系統(tǒng)顯控軟件）配置測(cè)試系統(tǒng)，選擇相應(yīng)的測(cè)試項(xiàng)目。系統(tǒng)軟件根據(jù)用戶的測(cè)試選項(xiàng)，生成相應(yīng)的測(cè)試用例數(shù)據(jù)，通過(guò)系統(tǒng)的射頻硬件分別生成ADS-B目標(biāo)信號(hào)及干擾信號(hào)，合成為測(cè)試射頻信號(hào)，通過(guò)地面站天線接口注入。地面站收到測(cè)試射頻信號(hào)后，做出響應(yīng)，產(chǎn)生目標(biāo)數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)輸出。系統(tǒng)接收到目標(biāo)信息后，將數(shù)據(jù)記錄，通過(guò)統(tǒng)計(jì)并解析數(shù)據(jù)，解析后跟期望的結(jié)果進(jìn)行比較，然后生成測(cè)試報(bào)告。對(duì)功能指標(biāo)，得出“通過(guò)”或者“未通過(guò)”的測(cè)試結(jié)果，對(duì)性能指標(biāo)，得出測(cè)試數(shù)據(jù)，與合格判據(jù)對(duì)比，并判斷“通過(guò)”或者“未通過(guò)”。

5.總結(jié)

筆者已完成一套測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，現(xiàn)已交付用戶使用。用戶采用該測(cè)試系統(tǒng)后，大大提高了地面站測(cè)試的效率和便捷性，全測(cè)試過(guò)程一鍵完成，自動(dòng)生成文本測(cè)試報(bào)告，將以往數(shù)天的測(cè)試工作縮短為1小時(shí)內(nèi)完成，獲得了用戶的肯定和好評(píng)。