廣播式自動相關(guān)監(jiān)視機載發(fā)射組件的設計與實現(xiàn)

王濤，賀星

（中電科現(xiàn)代導航（西安）科技有限公司，西安 710068）

0 引言

廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）系統(tǒng)，一般由機載和地面監(jiān)視設備組成，是一種基于S模式數(shù)據(jù)鏈的自相關(guān)監(jiān)視技術(shù)。ADS-B機載設備基于衛(wèi)星定位模塊獲取自身的定位數(shù)據(jù)，以廣播的形式向周邊發(fā)送航空器識別碼、位置、高度、速度、方向等信息，地面監(jiān)視設備通過地/空數(shù)據(jù)鏈通信方式獲取該航空器的相關(guān)信息來監(jiān)視空中交通狀況，為機組人員提供運行支持或周邊空域監(jiān)視，維護飛行安全。

在中國民航的“十二五”規(guī)劃中提出了ADS-B技術(shù)對未來通航領(lǐng)域的空域管理和飛行安全保障的需求。廣播式自動相關(guān)監(jiān)視技術(shù)應用于空中交通管制，可以在無法部署航管雷達的大陸地區(qū)為航空器提供優(yōu)于雷達間隔標準的虛擬雷達管制服務。廣播式自動相關(guān)監(jiān)視技術(shù)，不僅成功應用于無雷達地區(qū)的遠程航空器監(jiān)視，而且與傳統(tǒng)的雷達監(jiān)視技術(shù)相比，ADS-B技術(shù)具有使用成本低、精度誤差小、監(jiān)視能力強等明顯優(yōu)勢，對于高密度飛行區(qū)域的空中交通服務也有著廣泛的應用前景。

在通航領(lǐng)域的機載設備應用當中，ADS-B機載設備功能一般以LRU或LRM模塊化組件的形式作為機載設備的一部分功能出現(xiàn)，ADS-B機載設備主要分為ADS-B發(fā)射組件和ADS-B接收組件，其中發(fā)射組件作為機載設備主要功能，能夠?qū)崿F(xiàn)向地面或周邊空域以S模式1090MHz數(shù)據(jù)鏈形式周期性發(fā)送飛行器自身的狀態(tài)信息，在 ADS-B自相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)當中起到了重要的信息廣播功能，周邊的監(jiān)視設備通過獲取該定位信息，來達到飛行器的空域監(jiān)視目的。

1 ADS-B信號的內(nèi)容及數(shù)據(jù)格式

1.1 ADS-B信號內(nèi)容

ADS-B信息數(shù)據(jù)塊是由脈沖位置調(diào)制（PPM）編碼。發(fā)射信息包括一個前導和一個數(shù)據(jù)塊，采用隨機的方式接入1090MHz鏈路。1090ES用發(fā)射機和發(fā)射天線來傳送不同的消息，包括 24比特碼、高度、呼號等。

圖1 ADS-B消息內(nèi)容

1090ES采用擴展型斷續(xù)振蕩的方式，由 112個信息脈沖構(gòu)成的S模式ADS-B長應答信號通過機載設備每隔1s廣播一次。112位信息脈沖串的前88位為消息位、后24位為奇偶校驗位。具體信息內(nèi)容包括經(jīng)度、緯度、方位和速度等信息，如圖 1所示。

1.2 ADS-B信號格式

1090ES信號格式與 S模式應答機發(fā)射信號格式類同，其脈位調(diào)制信號由前同步脈沖和數(shù)據(jù)脈沖組成，如圖2所示。脈沖寬度為0.5±0.05μs，上升沿50～100ns，下降沿50～200ns。前導脈沖由起始的8μs內(nèi)兩組固定位置的脈沖對組成。數(shù)據(jù)脈沖是脈位調(diào)制的，其脈位位置隨調(diào)制信息的二進制數(shù)而變化，所有脈沖幅度和寬度不變。每位1μs間隔的前半周0.5μs內(nèi)有脈沖時，邏輯電平為1；每位的后半周0.5μs內(nèi)有脈沖時，邏輯電平為0。

圖2 1090ES信號格式

應答數(shù)據(jù)可以是56比特位的短形式或者是112比特位的長形式（根據(jù)應答模式DF不同），其中最后24比特位形成奇偶校驗和地址區(qū)域。ADS-B的應答信號和格式類似模式 S的全呼應答（DF＝0x11，0x17），通過應答詢問器可以判斷是否是裝備了模式S的飛機及其24位地址。全呼應答時，由于接收機預先不知道飛機地址信息，飛機的應答信息中必須包含地址信息，放在S模式應答報告信息的AA字段中，而不是將地址信息加入到末尾24位中。

2 ADS-B機載發(fā)射組件系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)組成

ADS-B機載發(fā)射組件系統(tǒng)組成包括：GPS/BDS接收模塊、數(shù)據(jù)信息生成模塊、射頻發(fā)射前端、高頻通道、發(fā)射天線。其組成框圖如圖3所示。

GPS/BDS接收模塊通過接收獲取航空器的經(jīng)度、緯度、高度等定位數(shù)據(jù)。GPS/BDS接收模塊通過串行接口將數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)信息生成模塊。數(shù)據(jù)信息生成模塊是機載發(fā)射單元的核心部分，在該模塊當中將定位數(shù)據(jù)打包分解成適合 ADS-B數(shù)據(jù)格式的信息，并生成 ADS-B基帶信號，基帶信號傳送給射頻發(fā)射前端進行1090MHZ的調(diào)制信號，通過高頻通道，由發(fā)射天線以廣播的形式向周邊發(fā)送ADS-B的數(shù)據(jù)信息。

2.2 GPS/BDS接收模塊

GPS/BDS接收模塊是獲取航空器自身定位信息的數(shù)據(jù)來源，系統(tǒng)采用市場成熟的貨架產(chǎn)品，能夠滿足系統(tǒng)所需的技術(shù)指標要求，航空器的經(jīng)度、緯度、高度等定位數(shù)據(jù)都通過該模塊來獲取。GPS/BDS接收模塊與數(shù)據(jù)信息生成模塊通過串行接口進行連接并傳送定位數(shù)據(jù)。

圖3 ADS-B機載發(fā)射組件系統(tǒng)組成

2.3 數(shù)據(jù)信息生成模塊

數(shù)據(jù)信息生成模塊是 ADS-B機載發(fā)射單元的重要組成部分，它是整個發(fā)射單元的核心。數(shù)據(jù)信息生成模塊是由DSP與FPGA搭建而成。DSP通過232串口接收GPS/BDS接收模塊獲取的定位數(shù)據(jù)信息，將定位信息進行整理分解，轉(zhuǎn)換成112位標準數(shù)據(jù)格式。FPGA與DSP之間的數(shù)據(jù)交換通過雙口 RAM 完成，DSP將數(shù)據(jù)依次順序?qū)懭腚p口RAM，寫完之后通知FPGA數(shù)據(jù)寫滿，F(xiàn)PGA再將數(shù)據(jù)依次取出，根據(jù)1090ES的標準數(shù)據(jù)格式，按照數(shù)據(jù)輸出的時序要求，將4脈沖前導頭首先輸出，然后再根據(jù)取出的數(shù)據(jù)，按位依次輸出，完成基帶信號的產(chǎn)生?；鶐盘栞敵龅缴漕l發(fā)射前端，在射頻發(fā)射前端模塊內(nèi)部進行混頻調(diào)制成1090 MHz的ADS-B信號，最后通過高頻通道發(fā)送到天線進行信息發(fā)送。數(shù)據(jù)生成模塊的原理圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)信息生成模塊原理圖

2.4 射頻前端

ADS-B OUT射頻前端原理框圖如圖5所示，工作原理為終端送來的 42MHz中頻信號經(jīng)放大濾波后，與1048 MHz本振信號混頻送出1090 MHz信號放大濾波，經(jīng)功放保護電路后送給40 W脈沖小功放模塊，經(jīng)隔離送200 W脈沖功放，再隔離送900 W脈沖大功放，后低通濾波經(jīng)隔離器輸出，最大功率可達到54.7 dBm。功放保護電路內(nèi)含檢波電路、單刀單擲開關(guān)、脈寬比較器、計數(shù)器電路，通過對脈寬、占空比、開路和短路的多重保護，避免了功放的燒毀，提高了發(fā)射模塊的可靠性和生產(chǎn)性。

3 DSP的軟件設計

DSP處理軟件主要功能是通過接收 GPS/BDS接收模塊獲取的定位數(shù)據(jù)信息，通過速度表獲取速度數(shù)據(jù)，通過氣壓表獲取高程數(shù)據(jù)，及飛機的航班信息數(shù)據(jù)，對獲取的各種數(shù)據(jù)按照通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)解包，然后按照DO-260A的數(shù)據(jù)標準轉(zhuǎn)換成112位標準數(shù)據(jù)格式，依次寫入到雙口RAM的存儲寫入單元中，以便FPGA獲取該數(shù)據(jù)并生成基帶信號的數(shù)據(jù)。

圖5 ADS-B機載收發(fā)機組成框圖

圖6 DSP數(shù)據(jù)處理流程

（1）定位數(shù)據(jù)獲取功能單元，完成定位數(shù)據(jù)的接收和數(shù)據(jù)管理，接收 GPS/BDS數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)有效性判斷，對正確數(shù)據(jù)幀按照通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)解包，獲取當前位置數(shù)據(jù)，并保存最新的位置數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)緩存，更新當前定位數(shù)據(jù)。

（2）串口通信模塊，實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)收發(fā)功能，實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的接收、緩存以及對緩存數(shù)據(jù)的讀取功能。初始化串口，以及串口數(shù)據(jù)接收和發(fā)送緩存。逐字節(jié)地返回串口數(shù)據(jù)接收緩存中的數(shù)據(jù)，并返回接收緩存中是否有數(shù)據(jù)。將指定長度的發(fā)送數(shù)據(jù)寫入串口，進行通信數(shù)據(jù)發(fā)送。

（3）網(wǎng)絡通信模塊，實現(xiàn)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)收發(fā)功能，通過網(wǎng)絡功能模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)，數(shù)據(jù)緩存管理。

（4）數(shù)據(jù)協(xié)議功能模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)協(xié)議的解包和數(shù)據(jù)打包功能，提供協(xié)議數(shù)據(jù)的有效性判斷，協(xié)議數(shù)據(jù)解析功能，目標數(shù)據(jù)的管理功能，對目標數(shù)據(jù)按照通信標準進行數(shù)據(jù)打包。

（5）中斷功能單元，實現(xiàn)系統(tǒng)中斷功能，在外部信號觸發(fā)中斷后，執(zhí)行相應中斷功能，完成系統(tǒng)定義的功能調(diào)用。初始化系統(tǒng)中斷向量表，定義系統(tǒng)中斷事件，定義中斷觸發(fā)事件，屏蔽未使用的中斷號。

DSP數(shù)據(jù)處理流程如圖6所示。

4 FPGA的程序設計

FPGA的程序設計主要包括兩個部分，一個是發(fā)射控制模塊 es1090txCtl.vhd;另外一個是基帶信號產(chǎn)生模塊。

4.1 發(fā)射控制模塊es1090tx_Ctl.vhd

4.1.1 控制信號產(chǎn)生

控制信號包括：組合讀信號、組合寫信號、片選信號、地址譯碼信號。根據(jù)不同邏輯需求，產(chǎn)生不同的控制信號。

4.1.2 控制寄存器寫進程

將代表56位或112位1090ES數(shù)據(jù)信息的長度標志，以及復位狀態(tài)標志寫入控制寄存器的低兩位dataT[1:0]?；鶐盘柈a(chǎn)生模塊根據(jù)控制寄存器的信息位處理基帶信號產(chǎn)生過程。

4.1.3 狀態(tài)寄存器的讀進程

基帶信號產(chǎn)生模塊在基帶信號生成結(jié)束之后，會產(chǎn)生一個發(fā)送完畢標志DtxFlg，該標志將更新狀態(tài)寄存器的狀態(tài)位，當DSP準備將獲取的定位數(shù)據(jù)寫入雙口RAM時，會讀取狀態(tài)寄存器的狀態(tài)位，DtxFlg=1時，表示上一個的數(shù)據(jù)基帶信號發(fā)送完畢，可以寫入新的定位數(shù)據(jù)。

4.2 基帶信號產(chǎn)生模塊es1090tx_gen.vhd

4.2.1 時鐘計數(shù)器進程

該模塊當中包含兩個時鐘計數(shù)器 Counta和Countb。Counta計數(shù)器的作用是保證生成基帶信號的一幀信號及每一位脈沖寬度的持續(xù)時間長度。Countb計數(shù)器的作用是生成讀使能信號rden、雙口RAM 的地址值增量 rdaddr+1、以及移入緩存區(qū)的時間控制。

4.2.2 基帶信號控制進程

此進程中，根據(jù)Counta計數(shù)器的計數(shù)值，首先生成4前導脈沖，然后根據(jù)從雙口RAM中取出的數(shù)據(jù)，依次將每一位數(shù)據(jù)按脈沖調(diào)制要求生成0、1數(shù)據(jù)輸出到串行端口，直到該幀112位數(shù)據(jù)信息發(fā)送完成為止，該進程結(jié)束。

4.2.3 發(fā)送結(jié)束標志進程

此進程中，根據(jù)數(shù)據(jù)幀標志flag的數(shù)值確定是56bit數(shù)據(jù)幀還是112bit數(shù)據(jù)幀。然后通過Counta計數(shù)器的計數(shù)值，按照數(shù)據(jù)幀的長度決定發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)束標志 DtxFlg的數(shù)值，Counta計數(shù)未完成時，DtxFlg=0；Counta計數(shù)完成時，DtxFlg=1。

DSP通過判斷 DtxFlg的值來決定是否更新雙口RAM單元中數(shù)據(jù)。

4.2.4 射頻模塊發(fā)送使能進程

此進程中，根據(jù)數(shù)據(jù)幀標志flag的數(shù)值確定是56bit數(shù)據(jù)幀還是112bit數(shù)據(jù)幀，最終確定生成一幀數(shù)據(jù)所需的發(fā)送時間。然后通過Counta計數(shù)器的計數(shù)值，按照發(fā)送數(shù)據(jù)的時間長度決定射頻模塊發(fā)送使能Fs_en的數(shù)值，F(xiàn)s_en=1表示允許發(fā)送打開射頻模塊開關(guān)；Fs_en=0表示禁止發(fā)送關(guān)閉射頻模塊開關(guān)。

5 結(jié)束語

ADS-B機載發(fā)射組件，作為ADS-B監(jiān)視系統(tǒng)的重要組成部分，通過對外廣播自身的定位數(shù)據(jù)，使地面 ADS-B監(jiān)視設備感知空中的交通狀態(tài)，為機組人員提供運行支持或周邊空域監(jiān)視，維護飛行安全。與傳統(tǒng)的雷達監(jiān)視技術(shù)相比，ADS-B技術(shù)具有使用成本低、精度誤差小、監(jiān)視能力強等明顯優(yōu)勢，對于高密度飛行區(qū)域的空中交通服務也有著廣泛的應用前景。

[1]盧伯英.新型自動相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng) ADS-B[J].空中交通管理,1997,(1):24-2.

[2]張軍.現(xiàn)代空中交通管理[M].北京:北京航空航天大學出版社,2005.

[3]李自俊.ADS_B廣播式自動相關(guān)監(jiān)視原理及未來的發(fā)展和應用[J].中國民航飛行學院學報,2008,(9):11-1.

[4]鄭超,劉志剛,王玉章.基于 1090ES 的 ADSB+OUT系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].航空維修與工程,2010:56-58.

[5]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.

[6]DO-242A,廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）的最低航空系統(tǒng)性能標準[S].

[7]DO-260A,基于1090ES數(shù)據(jù)鏈的ADS-B和TIS-B最低運行性能標準[S].