吳小丹 黃奕 徐賀明 張建軍 宋衛(wèi)

摘要：本文對一種ADS-B空間信息采集系統(tǒng)進(jìn)行了研究，闡述了該系統(tǒng)的工作原理，并對ADS-B全域空間信息在線系統(tǒng)的軟硬件架構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)論述。該系統(tǒng)通過軟件無線電（SDR）和異面構(gòu)型天線解決了小型化多通道大容量接收的硬件難題，主要面向民航飛機(jī)ADS-B報文接收與應(yīng)用領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：ADS-B;軟件無線電;數(shù)據(jù)采集

中圖分類號：TP311.1? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? 文章編號：1007-9416（2020）04-0000-00

0 引言

ADS-B的全稱是廣播式自動相關(guān)（Automatic Dependent Surveillance –Broadcast，ADS-B），是無線電技術(shù)在航空監(jiān)視上的新應(yīng)用，即基于GPS等導(dǎo)航衛(wèi)星定位和空地、空空數(shù)據(jù)鏈的航空器運行監(jiān)視系統(tǒng)。作為一種在空管監(jiān)視領(lǐng)域被正式采用的新技術(shù)，與傳統(tǒng)的地面雷達(dá)系統(tǒng)相比，ADS-B系統(tǒng)能跳過傳統(tǒng)航空監(jiān)視領(lǐng)域的應(yīng)答步驟，提供更加實時和準(zhǔn)確的航空器身份信息和三維位置信息，增加對偏遠(yuǎn)地區(qū)如森林、遠(yuǎn)海、沙漠的監(jiān)視范圍，同時減少有雷達(dá)區(qū)域?qū)走_(dá)多重覆蓋的需求。ADS-B還可通過TIS-B和FIS-B應(yīng)用程序提供交通和官方生成的圖形天氣、地形、空域限制等飛行信息，并向其它裝載了ADS-B設(shè)備的飛機(jī)提供本飛機(jī)的位置和速度方向等信息，提高機(jī)組的空域情景意識，增強(qiáng)飛機(jī)的安全性，并可用于航空公司的運行監(jiān)控和管理，為高效、安全地飛行奠定基礎(chǔ)。因此，國際民航組織（International Civil Aviation Organization，ICAO）確定將其作為未來場面和空中監(jiān)視系統(tǒng)的主流技術(shù)。

由于所有裝配ADS-B系統(tǒng)的飛機(jī)隨機(jī)、自動、周期性的廣播ADS-B信號，本文研究的ADS-B空間信息系統(tǒng)，旨在利用衛(wèi)星平臺的高空優(yōu)勢實現(xiàn)對飛機(jī)飛行狀態(tài)進(jìn)行大范圍的、近實時的連續(xù)跟蹤與監(jiān)視，尤其是對地面空管系統(tǒng)覆蓋的薄弱地區(qū)，如大洋、北極、沙漠和地面系統(tǒng)投資費用高的偏遠(yuǎn)山區(qū)等空域進(jìn)行全天候監(jiān)視，大大提高飛機(jī)的飛行安全、飛行效率和空域利用率。

1 ADS-B空間信息采集系統(tǒng)的原理

ADS-B的工作原理如圖1所示。首先機(jī)載ADS-B設(shè)備收集本機(jī)GNSS設(shè)備產(chǎn)生的定位信號（如GPS信號），對飛機(jī)進(jìn)行實時定位，然后綜合機(jī)身上搭載的慣性陀螺儀、高度計等設(shè)備產(chǎn)生的飛行相關(guān)信息，把本機(jī)身份、位置、高度、速度、航跡（爬升率、飛行方向）等數(shù)據(jù)組裝后以一定的時間間隔向外廣播，這樣飛機(jī)和地面基站可同時看到空域內(nèi)其它飛機(jī)的方位與狀態(tài)，更好的對航線內(nèi)飛機(jī)的間隔和密度進(jìn)行規(guī)劃，從而有效提高機(jī)組的空中交通情景意識，使飛行任務(wù)更加安全與高效。

由于傳統(tǒng)的地基ADS-B系統(tǒng)通信時未規(guī)定通信協(xié)議，屬于突發(fā)通信系統(tǒng)，所有的機(jī)載ADS-B設(shè)備都采用同頻廣播的方式隨機(jī)發(fā)送ADS-B消息，因此，存在2個或多個ADS-B消息沖突的現(xiàn)象。當(dāng)從衛(wèi)星平臺上接收飛機(jī)ADS-B信號時，由于視場遠(yuǎn)大于機(jī)載ADS-B的通信距離，飛機(jī)數(shù)量更多，視場內(nèi)的飛機(jī)在同一時刻廣播ADS-B，或者不同時刻廣播的ADS-B消息因為傳播時延不同而同時到達(dá)星載ADS-B接收機(jī)，因而ADS-B消息產(chǎn)生碰撞的概率會更高[1]。ADS-B信號沖突產(chǎn)生的原理如圖2所示。

1090ES體制并未采用任何通信協(xié)議，所有機(jī)載ADS-B OUT設(shè)備都是隨機(jī)發(fā)射PPM調(diào)制信號，傳統(tǒng)的ADS-B基站主要依靠接收各信號的幅度差來進(jìn)行碰撞信號的分離，因此，重點是要對到達(dá)天線接收端的信號功率進(jìn)行精確估計。而在衛(wèi)星上對地面的ADS-B進(jìn)行接收時，由于接收范圍擴(kuò)大，無疑會放大衛(wèi)星視場內(nèi)信號碰撞的概率。因此，需要通過使用多個天線波束對視場內(nèi)的空域進(jìn)行分割，人工制造“小區(qū)”，使得各小區(qū)的信號功率差滿足信號解算要求，達(dá)到對碰撞信號分離解算的目的。

2 ADS-B空間信息采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)組成及原理

ADS-B空間信息采集系統(tǒng)由ADS-B信號接收天線和ADS-B信號接收處理機(jī)組成，如圖3所示。ADS-B信號接收天線為六棱臺錐天線，共有7個天線單元，將接收到的L波段信號經(jīng)過濾波放大后進(jìn)行頻點分離，形成UAT、1090ES各7路，共14路ADS-B射頻信號送給接收機(jī)。ADS-B信號接收處理機(jī)由3個模塊組成，分別是射頻處理前端、信號處理模塊和電源變換及參考時鐘。

系統(tǒng)的工作原理如下：

1個多通道ADS-B天線接收覆蓋范圍內(nèi)的ADS-B信號，形成7路ADS-B射頻信號送給接收機(jī); 接收處理機(jī)接收天線送來的7路ADS-B射頻信號，并對其進(jìn)行功分成14路信號，進(jìn)行混頻、采樣、信號檢測、噪聲剔除、解信號沖突、解調(diào)、解碼等處理，獲取ADS-B的原始數(shù)據(jù)信息與解算信息;接收處理機(jī)通過總線通訊，傳輸遙測信息，同時可以進(jìn)行太網(wǎng)高速總線通訊，實現(xiàn)解算數(shù)據(jù)的實時高速傳輸。

2.2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計與實現(xiàn)

2.2.1接收天線

由于ADS-B信號帶寬較寬，因此，接收靈敏度較低，對天線增益提出了較高的要求。同時，為了盡可能地發(fā)揮單個載荷的接收效能，需要在保證天線增益的情況下盡可能地擴(kuò)大天線的波束角。經(jīng)過仿真分析，結(jié)合衛(wèi)星平臺的約束條件，采用7個螺旋天線組成陣列天線，每個螺旋天線具有一定的安裝指向，使得7個波束實現(xiàn)對空域±64°的的覆蓋。天線的結(jié)構(gòu)外形如圖4所示。

六棱錐臺結(jié)構(gòu)以鋁合金板材為原材料，其中隔板采取鏤空設(shè)計以實現(xiàn)減重效果，鏤空圓孔的尺寸遠(yuǎn)小于天線工作波長，對電性能無影響。

為了固定螺旋天線的螺距，以保證天線電性能，傳統(tǒng)的螺旋天線一般將柔軟的金屬線纏繞在刻有螺旋線走向的全高支撐柱上，或者直接對彈性很差而剛度很強(qiáng)的金屬線材料做定型處理，并依附于支撐柱上。

所設(shè)計的螺旋天線單元本身全高約350mm，為了適應(yīng)小型化需求，必須壓縮天線的高度。采取了對天線進(jìn)行壓緊釋放的處理，避免使用全高支撐柱，然而加工工藝無法保證彈性螺旋線（鈹青銅材料）經(jīng)過熱處理定型并且脫離模具后的螺距以及剛度。采用了張緊繩并行分段固接的形式，如圖5所示。

為了滿足接收天線的電性能需求，螺旋天線的螺距設(shè)計值應(yīng)為65mm，但是為了保證天線本身的剛度，縮短沖擊力矩，防止天線釋放后造成螺線長時間抖動的問題，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，將螺旋天線自然狀態(tài)下的螺距設(shè)計為85mm，并采用三根均勻排布的張緊繩依次壓緊綁定，實現(xiàn)螺旋天線的非完全釋放。采用這種螺距設(shè)計的方式還可以精確控制螺距，極大補(bǔ)償螺距不準(zhǔn)造成的電性能的下降。

ADS-B天線的7副單元天線各指向不同方向，最終設(shè)計在每副天線的底部安裝高度100mm（全高為350mm）的介質(zhì)導(dǎo)向環(huán)以引導(dǎo)螺旋線的展開釋放方向。壓縮狀態(tài)的ADS-B天線尺寸較展開狀態(tài)的空間壓縮比例達(dá)到77%。整個錐臺結(jié)構(gòu)采用中空設(shè)計，方便將后端的接收機(jī)和低噪放置于錐臺內(nèi)部，縮小系統(tǒng)整體包絡(luò)。

2.2.2接收處理機(jī)

在ADS-B空間信息采集系統(tǒng)中，接收機(jī)內(nèi)部各模塊的原理連接如圖6所示。

由圖可知， ADS-B接收處理機(jī)由射頻前端、信號處理器和二次電源組成。

射頻前端功能是接收ADS-B合成網(wǎng)絡(luò)輸出的七通道L波段射頻信號，經(jīng)濾波放大，頻率分離后輸出共計十四路信號給信號處理器，并可根據(jù)指令要求分別調(diào)整各個輸入通道的信號功率。

信號處理器采用FPGA+DSP的SDR架構(gòu)，通過配置在外圍的接口電路和存儲芯片，以及接收前端的基于軟件無線電的通用數(shù)字化射頻前端，可以靈活的根據(jù)任務(wù)需求在線進(jìn)行軟件模塊的載入和更新。信號處理器首先經(jīng)ADC芯片接收包含的路信號，分別進(jìn)行采樣、濾波、放大、下變頻等處理，輸出零中頻信號給FPGA芯片進(jìn)行解時隙沖突、解調(diào)、打時標(biāo)、組幀、信息提取等處理，精簡信息通過CAN總線接口發(fā)送至綜合電子分系統(tǒng)，普通信息通過網(wǎng)絡(luò)接口輸出至數(shù)據(jù)服務(wù)器[2]。

2.3 系統(tǒng)的軟件算法

ADS-B空間信息采集系統(tǒng)采用七個獨立通道進(jìn)行數(shù)據(jù)的獨立獲取，在兼顧運算量和平臺資源情況下，采用了基于極大似然相關(guān)解調(diào)方式的信號提取與解算算法[3]。

2.3.1報頭框架初始檢測算法

通過檢測4個連續(xù)的模式S報頭時間間隔的脈沖，開始進(jìn)行脈沖報頭的初始檢測。檢測的標(biāo)準(zhǔn)是：（1）4個脈沖報頭和數(shù)據(jù)塊第一個脈沖遵循0？s，1？s，3.5？s，4.5？s的時序關(guān)系;（2）4個報頭脈沖里上升沿個數(shù)≥2;（3）其余為有效脈沖位置（VPP）;（4）由于設(shè)備內(nèi)外部噪聲等干擾的影響，為了防止脈沖位置偏移，采樣容差可以+1（即后延一個樣點）或-1（前推一個樣點）。

2.3.2碰撞情況判斷及解交織算法

碰撞情況判斷：通過報頭框架檢測算法，在120us內(nèi)檢測到多個報頭，則判斷出現(xiàn)碰撞狀況。

重構(gòu)法：對于兩重信號碰撞的情況，如果碰撞在一起的兩個ADS-B信號功率值相差較大，則可以先提取較大功率的信號并進(jìn)行噪聲重構(gòu)，再與碰撞在一起的原消息進(jìn)行比較，剔除后得到功率較小的報文。

2.3.3比特位及置信度的判定

通過采用基線多樣點技術(shù)利用每個模式S比特位（chip）的10個樣點值來對0/1及置信度進(jìn)行判定，算法流程如圖7所示。利用AD采樣出來的每個比特位的10個樣點判斷該比特位是1還是0;而置信度則是對比特位可能落入的0/1區(qū)域可能性大小的一種度量，置信度將會被用于后續(xù)的糾錯模塊。

3 應(yīng)用領(lǐng)域與意義

ADS-B空間信息采集系統(tǒng)利用異面構(gòu)型天線技術(shù)、綜合數(shù)字化前端、新一代高速基帶處理系統(tǒng)等技術(shù)，在降低系統(tǒng)重量和成本的同時，兼容世界主流的1090ES和UAT兩種ADS-B信號制式，提高信號的接收范圍和處理效率，可以全天時全天候采集全球民航、通航飛機(jī)發(fā)射的ADS-B信號，進(jìn)行實時處理后在地面站應(yīng)用端將空域內(nèi)飛機(jī)的飛行狀態(tài)實時顯示出來。主要用于飛機(jī)航線安全監(jiān)控及空管指揮，包括：繪制長期的空中態(tài)勢圖，幫助進(jìn)行飛機(jī)航線規(guī)劃，以低成本高性能的優(yōu)勢填補(bǔ)偏遠(yuǎn)地區(qū)、遠(yuǎn)海等缺乏傳統(tǒng)空管雷達(dá)覆蓋的區(qū)域，在中小機(jī)場替代空管雷達(dá)進(jìn)行空域管理指揮，提高空難救援效率等。

4 結(jié)語

本文介紹了一種ADS-B空間信息采集系統(tǒng)的設(shè)計，該系統(tǒng)利用SDR（軟件無線電技術(shù)）平臺及異面天線構(gòu)型技術(shù)，兼容1090ES和UAT兩種ADS-B制式信號，同時解決了在設(shè)備小型化的同時，保留高性能數(shù)據(jù)處理能力的難題。

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收稿日期：2020-03-09

作者簡介：吳小丹（1984—），男，貴州六盤水人，通信工程碩士，工程師，研究方向：數(shù)據(jù)收集載荷的融合技術(shù)，航空監(jiān)視技術(shù)等。

The Design of ADS-B Space Data Collect System

WU Xiao-dan，HUANG Yi，XU He-ming，ZHANG Jian-jun，SONG Wei

（Shanghai Aerospace Electronic Technology Institute， Zhongchun Rd 1777， Shanghai? 201109）

Abstract：This paper illuminates the working principle of an ADS-B space data collect system， and expounds the system design and its soft-hardware structure. The system resolves the hardware problems of miniaturization of multi-channel and large-capacity reception by applying software radio technology and different-planes-structure antenna， and is mainly oriented to the field of ADS-B message reception and application of civil aviation aircraft.

Key words： ADS-B;software radio;data acquisition