許 慶，侯興明，劉洪林，關(guān)雪濤

（航天工程大學(xué)，北京 102200）

0 引言

ADS-B（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視技術(shù)），是通過一個(gè)專用的無線數(shù)據(jù)鏈接不斷地廣播民航飛機(jī)的當(dāng)前位置、高度、類別、航速、轉(zhuǎn)向、爬升等狀態(tài)信息的空情監(jiān)視技術(shù)，在民航空情監(jiān)視領(lǐng)域已得到普及。從分析的角度看，ADS-B 民航飛機(jī)空情監(jiān)視系統(tǒng)能夠連續(xù)、實(shí)時(shí)接收ADS-B 數(shù)據(jù)鏈下行的廣播報(bào)文信息，通過分析系統(tǒng)功能需求，在實(shí)現(xiàn)接收系統(tǒng)硬件和應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)上，并進(jìn)行系統(tǒng)硬件測試與軟件聯(lián)機(jī)測試，對(duì)于ADS-B 民航飛機(jī)空情監(jiān)視系統(tǒng)投入實(shí)踐應(yīng)用具有重要意義。

1 系統(tǒng)功能介紹

ADS-B 民航飛機(jī)空情監(jiān)視系統(tǒng)由接收機(jī)硬件與應(yīng)用軟件2部分組成。接收機(jī)硬件主要由電源、天線、射頻放大、檢波電路、FPGA 解碼運(yùn)算、數(shù)據(jù)接口5 部分組成。接收機(jī)的功能是接收國際民航組織推薦的ADS-B 的廣播數(shù)據(jù)鏈1090 MHz Extended Squitter（1090 ES）S 模式長應(yīng)答信號(hào)。該信號(hào)由112個(gè)信息脈沖構(gòu)成，其中前88 位為消息位、后24 位為奇偶校驗(yàn)位，民航飛機(jī)每隔1 s 廣播一次，信息內(nèi)容包括經(jīng)度、緯度、方位和速度等。應(yīng)用軟件的功能是實(shí)現(xiàn)民航飛機(jī)空情顯示與管理，既能在二維GIS 地理信息系統(tǒng)上模擬雷達(dá)A/R 顯示模式在探測范圍內(nèi)民航飛機(jī)航跡的位置、航跡、航班等信息，也能對(duì)各類信息進(jìn)行需求項(xiàng)的篩選、提取、記錄、回放，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)針對(duì)性的民航飛機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。應(yīng)用軟件的界面應(yīng)當(dāng)包括：系統(tǒng)設(shè)置欄、數(shù)據(jù)管理欄、民航飛機(jī)位置信息監(jiān)控區(qū)、民航飛機(jī)高度信息監(jiān)控區(qū)、民航飛機(jī)航班信息顯示區(qū)，登錄用戶可以對(duì)當(dāng)前已完成搜索跟蹤的民航飛機(jī)進(jìn)行篩選和監(jiān)控。在目標(biāo)信息顯示區(qū)中，用戶可以了解飛機(jī)飛行信息參數(shù)列表，并進(jìn)行管理，其具體的顯示列有ICAO 地址編號(hào)、模式S 標(biāo)識(shí)碼、最近數(shù)據(jù)更新時(shí)刻、航空公司、飛機(jī)所處的緯度、經(jīng)度、飛行高度、水平距離、飛行速度和航向等。飛行高度與時(shí)間的關(guān)系，可以動(dòng)態(tài)地看出飛機(jī)的飛行高度變化，橫坐標(biāo)表示飛機(jī)進(jìn)入監(jiān)控區(qū)域的時(shí)間長度，縱坐標(biāo)表示飛機(jī)飛行高度，間隔3000 m 畫一條標(biāo)線，不同飛機(jī)以不同顏色標(biāo)志。

2 系統(tǒng)硬件測試

在系統(tǒng)聯(lián)機(jī)前，需要對(duì)板卡硬件進(jìn)行調(diào)試。通過測量得到板卡的動(dòng)態(tài)范圍、接收機(jī)靈敏度、帶通特性等相關(guān)參數(shù)，在這些參數(shù)滿足接收機(jī)指標(biāo)要求的前提下，才可以進(jìn)行系統(tǒng)的聯(lián)機(jī)測試與運(yùn)用。硬件調(diào)試中所需要的測量儀器設(shè)備包括：多用表、Agilent E8257D 型微波高頻信號(hào)發(fā)生器（250 kHz～20 GHz）、Agilent MSO6102A 型示波器（1 GHz 4 Gsa/s）、IFR 2395 型頻譜分析儀（9 kHz～26.5 GHz）。

2.1 短路測試

為防止ADS-B 接收機(jī)板卡因封裝連接不當(dāng)導(dǎo)致在USB 供電時(shí)燒毀，首先要在供電前對(duì)ADS-B 接收機(jī)板卡進(jìn)行短路測試。通過多用表測試電源對(duì)地電阻的阻值確定板卡連接正確。

2.2 ADS-B 1090 MHz 接收數(shù)據(jù)測試

如圖1 所示，接收機(jī)首先通過一個(gè)30 dBm 增益的全向天線接收微弱的高頻回波信號(hào)，經(jīng)過濾波減小回波中的噪聲干擾，再經(jīng)過信號(hào)放大，并從已調(diào)信號(hào)中檢出調(diào)制信號(hào)，最后解調(diào)出所需要的方波信號(hào)即S 模式長應(yīng)答信號(hào)發(fā)送至接收機(jī)輸出端口。

圖1 板卡調(diào)試流程和信號(hào)變化

采用Agilent E8257D 型微波高頻信號(hào)發(fā)生器作為輸入信號(hào)源，設(shè)置中心頻率為1.09 GHz，調(diào)節(jié)信號(hào)功率值，測試接收機(jī)是否能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)接收與放大，當(dāng)輸入信號(hào)功率為-50 dBm 時(shí)，接收機(jī)輸出端連接Agilent MSO6102A 型示波器能夠觀察到清晰且經(jīng)過放大的脈沖信號(hào)，由此證明了接收機(jī)正常工作（圖2）。

圖2 有效接收脈沖信號(hào)

動(dòng)態(tài)范圍描述了接收機(jī)正常工作時(shí)所允許的輸入信號(hào)強(qiáng)度變化范圍，用接收機(jī)前端最大允許輸入功率與最小可檢測功率之差表示。如圖3 所示，采用Agilent E8257D 型微波高頻信號(hào)發(fā)生器作為輸入信號(hào)源進(jìn)行測試，觀察在輸入不同的信號(hào)功率下，得到射頻前端的線性變化區(qū)域在-33～-89 dBm。當(dāng)輸入信號(hào)功率小于-80 dBm 時(shí)，接收機(jī)射頻前端無法有效接收高頻脈沖信號(hào)；當(dāng)輸入信號(hào)功率在-80～-33 dBm 時(shí)，接收機(jī)可以有效接收脈沖信號(hào)，并隨輸入信號(hào)功率的增加而線性放大；當(dāng)輸入信號(hào)功率大于-33 dBm 時(shí)，接收機(jī)不再線性放大從而進(jìn)入飽和區(qū)。在測試過程中，測量接收機(jī)前端對(duì)輸入最大功率的耐受度，輸入加至24 dBm（信號(hào)源最大可能輸出功率）時(shí)，前端仍未燒毀，但可以看到，接收機(jī)已明顯飽和。

圖3 測量動(dòng)態(tài)范圍

解調(diào)模塊實(shí)現(xiàn)了將脈沖信號(hào)解算調(diào)整為完整形狀的方波過程，如圖4 所示，通過調(diào)整微波高頻信號(hào)發(fā)生器的輸入信號(hào)功率，利用示波器測試經(jīng)解調(diào)后的脈沖信號(hào)，當(dāng)輸入信號(hào)小于-75 dBm時(shí)，解調(diào)模塊的出現(xiàn)明顯的誤碼情況，無法滿足正常需求。

圖4 解調(diào)模塊得到的脈沖信號(hào)

靈敏度表示接收機(jī)接收微弱信號(hào)的能力，通常用射頻末端的最小可檢測信號(hào)功率來描述接收機(jī)實(shí)際的靈敏度。當(dāng)接收機(jī)輸入信號(hào)功率達(dá)到靈敏度時(shí)，接收機(jī)能正常接收。當(dāng)接收機(jī)輸入信號(hào)功率低于靈敏度時(shí)，信號(hào)被淹沒在噪聲中。如圖5所示，通過動(dòng)態(tài)調(diào)整輸入信號(hào)功率來觀察射頻末端的脈沖信號(hào)顯示，從而記錄接收機(jī)射頻模塊可檢測信號(hào)功率。測試發(fā)現(xiàn)，隨著輸入信號(hào)功率的減小，脈沖信號(hào)逐漸模糊，在功率為-82 dBm 時(shí)還能夠觀察到脈沖信號(hào)，而當(dāng)功率為-83 dBm 時(shí)脈沖信號(hào)已經(jīng)完全淹沒在噪聲中，由此得到最小可檢測信號(hào)功率為-82 dBm。

圖5 射頻前端測量接收機(jī)靈敏度

由于沒有矢量網(wǎng)絡(luò)儀，所以利用信號(hào)發(fā)生器掃頻的方式，采用頻譜分析儀觀察板卡的帶通特性。如圖6 所示，測試使用的是IFR 2395 型頻譜分析儀，可以觀察得到接收機(jī)解調(diào)模塊的帶通范圍，通過噪聲頻譜圖可以測量得到帶內(nèi)平坦度約為10 dB。證明在連接接收天線的條件下，接收機(jī)可以有效接收脈沖信號(hào)。

圖6 帶內(nèi)平坦度測試

2.3 編解碼測試

如圖7 所示，在連接接收天線的條件下，利用Agilent MSO6102A 型示波器測試接收機(jī)FPGA 解碼模塊末端。通過示波器所顯示的脈沖信號(hào)與1090ES 數(shù)據(jù)鏈的報(bào)文標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行實(shí)際比對(duì)，前導(dǎo)頭包含4 個(gè)脈沖，每個(gè)脈沖持續(xù)0.50～0.05 μs，第2 個(gè)、第3 個(gè)、第4 個(gè)脈沖與第1 個(gè)傳輸脈沖間隔分別為1.0 μs、3.0 μs、4.5 μs。測試結(jié)果證明，接收機(jī)可以對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行解碼得到正確的ADS-B 報(bào)文信息。

圖7 接收脈沖測試

3 系統(tǒng)聯(lián)機(jī)測試

對(duì)基于ADS-B 的空情檢測系統(tǒng)工作性能及穩(wěn)定性進(jìn)行測試，該系統(tǒng)主要由接收天線、ADS-B 接收機(jī)卡板、上位機(jī)組成，天線與接收機(jī)卡板是通過ARINC 429 接口連接，接收機(jī)卡板與上位機(jī)是通過USB 接口相連接，將已提供出的端口驅(qū)動(dòng)ADS-B Receiver，安裝在上位機(jī)設(shè)備管理器中作為默認(rèn)啟用的端口驅(qū)動(dòng)，這樣，當(dāng)板卡通過串口與上位機(jī)連接后就可以實(shí)現(xiàn)軟件平臺(tái)通信設(shè)備的啟動(dòng)，接收機(jī)連接上位機(jī)后運(yùn)行ADS-B 民航飛機(jī)空情監(jiān)視系統(tǒng)應(yīng)用軟件。由于ADS-B 接收機(jī)中沒有配置GNSS 自動(dòng)接收模塊，由此需要在上位機(jī)進(jìn)行手動(dòng)的大地極坐標(biāo)設(shè)置，輸入當(dāng)前系統(tǒng)的經(jīng)度與維度坐標(biāo)參數(shù)，從而確定民航飛機(jī)位置信息監(jiān)控區(qū)的原點(diǎn)中心。在坐標(biāo)參數(shù)設(shè)置后，點(diǎn)擊系統(tǒng)設(shè)置欄的設(shè)備開啟鍵，應(yīng)用軟件會(huì)進(jìn)行空域范圍內(nèi)民航飛機(jī)搜索并持續(xù)獲取對(duì)應(yīng)的ADS-B 的廣播數(shù)據(jù)鏈1090ES 模式長應(yīng)答信號(hào)。通過手動(dòng)篩選所需要的航班，得到與之對(duì)應(yīng)的目標(biāo)航跡、當(dāng)前實(shí)時(shí)的緯度、經(jīng)度等位置信息，在監(jiān)控界面的數(shù)據(jù)管理欄實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示，飛機(jī)高度在民航飛機(jī)高度信息監(jiān)控區(qū)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)。2021 年5 月25 日在石家莊正定機(jī)場進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)機(jī)測試，在圖中成功連續(xù)跟蹤到了機(jī)場方向的民航航班3 架，并進(jìn)行了錄像和圖片收集（圖8）。

圖8 ADS-B 接收系統(tǒng)運(yùn)行中

4 結(jié)論

結(jié)合系統(tǒng)研制的目的，對(duì)ADS-B 民航飛機(jī)空情監(jiān)視系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)硬件調(diào)試以及聯(lián)機(jī)測試。通過接收機(jī)模塊測試，分析終端應(yīng)用軟件，介紹了硬件測試和軟件聯(lián)機(jī)測試項(xiàng)目。從結(jié)果上看，ADSB 民航飛機(jī)空情監(jiān)視系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)、連續(xù)地跟蹤飛行目標(biāo)。