廣播式自動相關(guān)監(jiān)視機(jī)載接收組件設(shè)計與實現(xiàn)

賀星，王濤

（中電科現(xiàn)代導(dǎo)航（西安）科技有限公司，西安 710068）

0 引言

自動相關(guān)監(jiān)視（ADS）技術(shù)，是基于衛(wèi)星定位和地/空數(shù)據(jù)鏈通信的航空器運行監(jiān)視技術(shù)，最初，ADS技術(shù)是為越洋飛行的航空器在無法進(jìn)行雷達(dá)監(jiān)視的情況下，利用衛(wèi)星實施監(jiān)視所提出的解決方案。在ADS概念下衍生的ADS-B廣播式自動相關(guān)監(jiān)視技術(shù)，不僅成功應(yīng)用于無雷達(dá)地區(qū)的遠(yuǎn)程航空器監(jiān)視，而且與傳統(tǒng)的雷達(dá)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(qiáng)等明顯優(yōu)勢，對于高密度飛行區(qū)域的空中交通服務(wù)也有著廣泛的應(yīng)用前景。世界各國普遍加快了對ADS-B技術(shù)的研究和推廣應(yīng)用。

ADS-B 機(jī)載設(shè)備可以分為ADS-B機(jī)載接收組件（ADS-B IN）和機(jī)載發(fā)射組件（ADS-B OUT）。ADS-B OUT是ADS-B機(jī)載設(shè)備的基本功能，即以一定的周期發(fā)送航空器的各種信息，包括：航空器識別信息（ID）、位置、高度、速度、方向和爬升率等信息。OUT是機(jī)載ADS-B設(shè)備的基本功能。地面系統(tǒng)通過接收機(jī)載設(shè)備發(fā)送的ADS-B OUT信息，監(jiān)視空中交通狀況，起到類似于二次雷達(dá)的作用。ADS-B 發(fā)送的航空器水平位置一般源于GPS/BD系統(tǒng)，高度源于氣壓高度表。GPS/BD的定位決定著ADS-B的定位精度。

ADS-B IN是提供下一代空-空監(jiān)視的新型機(jī)載飛行空域監(jiān)視和飛行防撞預(yù)警的技術(shù)。ADS-B IN機(jī)載系統(tǒng)，能夠接收其他航空器發(fā)送的 S模式1090ES ADS-B OUT信息和ADS-B地面站發(fā)送的上行廣播信息，其中S模式ADS-B體制的地面站上行廣播數(shù)據(jù)包括交通信息服務(wù)廣播（TIS-B）和自動相關(guān)監(jiān)視轉(zhuǎn)播（ADS-R），TIS-B的數(shù)據(jù)來源主要是地基一次雷達(dá)和二次雷達(dá)，ADS-R數(shù)據(jù)是地面臺站格式化后的 UAT數(shù)據(jù)信息。這兩種上行的交通服務(wù)廣播信息可實現(xiàn)監(jiān)視目標(biāo)覆蓋未裝備ADS-B設(shè)備的飛行器以及裝備UAT模式ADS-B設(shè)備的飛行器，是機(jī)載ADS-B IN設(shè)備的實現(xiàn)空-空監(jiān)視的完備性保障。

ADS-B IN技術(shù)可使機(jī)組在駕駛艙交通信息顯示設(shè)備(CDTI:Cockpit Display of Traffic Information)上實時監(jiān)視周圍空域的空情態(tài)勢，從而提高機(jī)組的空中交通情景意識。另外，安裝了ADS-OUT設(shè)備的機(jī)場場面車輛的交通信息也可以顯示在機(jī)載CDTI設(shè)備上。

1 S模式ADS-B IN系統(tǒng)架構(gòu)

1090 MHz ES（1090MHz Extended Squitter，1090 MHz S模式擴(kuò)展電文數(shù)據(jù)鏈）是一種基于S模式應(yīng)答機(jī)的技術(shù)。1090ES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(dǎo)和一個數(shù)據(jù)塊，采用隨機(jī)的方式接入1090 MHz鏈路。

ADS-B IN技術(shù)實現(xiàn)空-空監(jiān)視和空情告警的主要途徑是不依賴地面設(shè)備提供空情服務(wù)，而是實現(xiàn)對自身航空器周圍空域交通態(tài)勢進(jìn)行實時自主監(jiān)視和碰撞預(yù)警，如圖1所示。

圖1 1090ES ADS-B空-空監(jiān)視

1090 MHz ADS-B接收子系統(tǒng)(ADS-B IN)主要由消息接收解碼單元和報告生成單元組成，如圖 2所示。ADS-B接收子系統(tǒng)接收S模式擴(kuò)展斷續(xù)振蕩信號，完成信號的對數(shù)檢波、解碼、數(shù)據(jù)處理和最終CAT 021報告生成和輸出。客戶端利用ADS-B IN設(shè)備輸出的空情數(shù)據(jù)可實現(xiàn)空情監(jiān)視、飛行計劃應(yīng)急更改、自由飛行線路優(yōu)化和防碰撞預(yù)警等功能。

1090ES采用擴(kuò)展型斷續(xù)振蕩的方式，一個完整的消息報長度是120bit（1bit為1μs），其中前導(dǎo)位8bit，數(shù)據(jù)位112bit，112bit數(shù)據(jù)位的前5位為消息類型識別位（DF位），用于數(shù)據(jù)包的類型確認(rèn)和識別驗證）；中間83位為ADS-B信息位，包含目標(biāo)類型、ID號、航班號、經(jīng)度、維度、速度、航向等信息；最后24位為CRC校驗位。

2 ADS-B IN組件系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 ADS-B IN組件硬件架構(gòu)設(shè)計

2.1.1 ADS-B 機(jī)載接收組件主機(jī)

ADS-B機(jī)載接收組件主機(jī)如圖2所示，作為核心設(shè)備主要由8個子模塊組成，分別為高頻通道、ADS-B IN射頻通道A、ADS-B射頻通道B、ADS-B IN信號處理模塊、GNSS接收模塊、自檢模塊、頻率源模塊和電源模塊。

ADS-B、TIS-B和ADS-R空間信號經(jīng)過上、下兩路天線送入機(jī)載端主機(jī)，機(jī)載端主機(jī)通過接收、解調(diào)、解析兩路射頻信號并進(jìn)行綜合數(shù)據(jù)分析和處理，最終生成標(biāo)準(zhǔn) CAT021和 CAT023報文，以ARINC429、高速以太網(wǎng)（或其他專用串行接口）總線輸出ADS-B、TIS-B和ADS-R報文。

2.1.2 高頻通道

高頻通道是預(yù)留ADS-B IN和ADS-B OUT同時裝機(jī)時的前端通道，主要由天線選擇開關(guān)、環(huán)形器、限幅器組成，主要用途是收/發(fā)隔離。

2.1.3 ADS-B IN射頻前端

接收采用分集接收方式，由兩路完全相同的接收模塊組成，同時接收上、下天線的信號。單路接收模塊原理框圖如圖3所示。工作原理為接收天線接口模塊的射頻信號經(jīng)大信號限幅、收發(fā)開關(guān)后，送到帶通濾波器，送低噪放放大，再經(jīng)過帶通濾波器，送到混頻器下變頻，輸出110 MHz中頻信號，經(jīng)IF濾波，濾除中頻高次諧波及本振信號的干擾，再經(jīng)中頻放大、多極對數(shù)放大和中頻濾波最終輸出多級檢波求和信號，輸出給后端信號處理模塊FPFA，同時110 MHz中頻信號輸出用于中頻狀態(tài)監(jiān)測。

圖2 S模式 ADS-B機(jī)載接收組件組成框圖

圖3 ADS-B機(jī)載接收組件射頻前端

2.1.4 ADS-B IN信號處理模塊

數(shù)字處理后端的功能是接收射頻前端的檢波信號，在FPGA中完成消息驗證、解碼、置信度判決和數(shù)據(jù)位輸出功能，在DSP中完成數(shù)據(jù)解包、暴力糾錯、報文生成串口輸出、以太網(wǎng)輸出和設(shè)備自檢等功能

（1）信號驗證和解碼（FPGA）

FPGA接收來自射頻處理前端的對數(shù)檢波信號，完成前導(dǎo)頭檢測，前導(dǎo)頭功率驗證、DF為驗證、數(shù)據(jù)位置信度計算、數(shù)據(jù)位和置信度輸出、解交織譯碼和自檢狀態(tài)生成、并通道雙口 RAM 與DSP進(jìn)行通信。

（2）數(shù)據(jù)處理與報文重組（DSP）

DSP處理單元將S模式下行數(shù)據(jù)鏈報文解碼，提取DF17、DF18等格式的報文，將來自同一目標(biāo)的報文信息根據(jù)目標(biāo)的屬性進(jìn)行相關(guān)處理，并從同一個目標(biāo)的多個消息中提取各種類型報告所需的各個參數(shù)，組合成標(biāo)準(zhǔn)的CAT021報文。

數(shù)字處理后端主要由驗證解碼、置信度生成、數(shù)據(jù)為輸出、自檢、接口控制、數(shù)據(jù)處理和報文生成等模塊組成。如圖4所示。

2.2 ADS-B IN解碼和數(shù)據(jù)處理算法設(shè)計

信號處理模塊主要由FPGA和DSP兩個部分組成處理單元，F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)完成除CRC校驗，暴力糾錯、報文解包和新報文打包以外的所有包括獵取、解碼、驗證、置信度計算和數(shù)據(jù)位接收的所有工作，在很大程度上充分利用了FPGA的高效、穩(wěn)定的特性，同時大大減少將數(shù)據(jù)頻繁送往DSP時的中斷通信，F(xiàn)PGA只有在報文前導(dǎo)頭完全通過驗證后，才將置信度判決結(jié)果和數(shù)據(jù)位通過雙口 RAM 傳給DSP處理，DSP只有接收到FPGA的是讀信號和時鐘信號，才開始從雙RAM中，按地址為順序讀取寫好的數(shù)據(jù)。這種機(jī)制使接收機(jī)的信號處理和交疊處理更加高效、準(zhǔn)確，是硬件成本降低。

增強(qiáng)型接收算法主要分3個大部分：接口配置和通信模塊（FPGA）、前導(dǎo)脈沖檢測和判決模塊（FPGA）、數(shù)據(jù)處理模塊（FPGA）。

圖4 ADS-B IN數(shù)字處理后端組成框圖

圖5 強(qiáng)型接收算法FPGA解碼實現(xiàn)總框圖

其中前導(dǎo)脈沖檢測和判決模塊是解碼核心部分，主要為8個子模塊：參考功率生成子模塊、交疊測試子模塊、功率一致性驗證子模塊、DF驗證子模塊、交疊測試疊加子模塊、功率一致性驗證疊加子模塊、DF驗證疊加子模塊和數(shù)據(jù)位接收模塊。各模塊完成的基本功能符合DO-260標(biāo)準(zhǔn)要求，同時設(shè)計加入了擴(kuò)展優(yōu)化算法。各模塊執(zhí)行邏輯框圖如圖5所示。

接口配置和通信模塊整個算法的頂層模塊，此模塊的功能主要包括整機(jī)上電后的Reset信號設(shè)置（所有進(jìn)程在上電時全部以Reset信號為條件進(jìn)行強(qiáng)制初始化賦值），最終數(shù)據(jù)在雙口RAM寫控制操作，向DSP發(fā)送讀RAM的中斷信號，產(chǎn)生UART芯片的控制信號等。

前導(dǎo)脈沖檢測和判決模塊是次頂層模塊，其主要功能是從繁雜的脈沖中找出符合位置要求前導(dǎo)頭并對其進(jìn)行初步驗證，同時也是整個接收機(jī)算法的中樞模塊，這一層模塊負(fù)責(zé)發(fā)送通過了初步檢測的前導(dǎo)脈沖，同時匯總后端的驗證標(biāo)志和計算結(jié)果，綜合處理結(jié)果或標(biāo)志，并將處理結(jié)果和新標(biāo)志為下發(fā)到各個子模塊。

參考功率生成子模塊的主要功能是計算前導(dǎo)脈沖的相關(guān)電平，并在計算完畢后將計算結(jié)果和完成標(biāo)志一起回傳給前導(dǎo)脈沖檢測和判決模塊；

3個并行驗證模塊：交疊測試子模塊、功率一致性驗證子模塊和DF驗證子模塊，主要功能室完成前導(dǎo)脈沖交疊狀態(tài)判斷，前導(dǎo)脈沖各脈沖功率關(guān)系判定和DF位脈沖的功率判定。如果參考功率計算成功，則前導(dǎo)脈沖數(shù)據(jù)和DF位數(shù)據(jù)傳給3個驗證模塊并行做相應(yīng)驗證，驗證結(jié)果會回傳給前導(dǎo)脈沖檢測和判決模塊做綜合處理。

另外，3個交疊信號并行驗證模塊：交疊測試疊加子模塊、功率一致性驗證疊加子模塊和DF驗證疊加子模塊，主要功能是當(dāng)前導(dǎo)脈沖出現(xiàn)信號疊加時，在舊信號保持處理狀態(tài)時，并行的完成新信號的驗證工作。

數(shù)據(jù)位接收子模塊主要包括將包括DF位在內(nèi)的112位或56位數(shù)據(jù)位按PPM解碼為2進(jìn)制數(shù)據(jù)位，同時分析每一位數(shù)據(jù)位的置信度值，最終將數(shù)據(jù)位值和置信度置回傳給前導(dǎo)脈沖檢測和判決模塊做綜合處理。

3 ADS-B接收性能測試

3.1 實驗室環(huán)境測試

3.1.1 測試環(huán)境

實驗室環(huán)境測試架構(gòu)如圖6所示，模擬信號源采用R&S公司的SMB-100A（定制脈沖調(diào)制組件），采用自研基帶產(chǎn)生器板給脈沖信號源輸入基帶信號，脈沖信號源已1090 MHz載波實現(xiàn)幅度調(diào)制和功率放大，將模擬的標(biāo)準(zhǔn)S模式1090 MHz信號輸出給ADS-B IN組件，ADS-B組件的DSP將最終收到的完整數(shù)據(jù)包和解碼正確的數(shù)據(jù)包作為最終數(shù)據(jù)誤碼率的判斷基準(zhǔn)。

3.1.2 測試結(jié)果

輸出功率范圍在-87dBm～-81dBm，正確解包率≥80 %；

輸出功率范圍在-81dBm～-16dBm，正確解包率≥ 99%。

超過RTCA DO-260對ADS-B接收設(shè)備的指標(biāo)要求。

圖6 實驗室測試環(huán)境

3.2 實際環(huán)境測試

3.2.1 測試環(huán)境

天線：10 dBi全向天線；

前放：30 dB增益、＜1dB噪聲系數(shù)低噪聲放大器；

射頻電纜：插損0.1dB/米電纜，20 m；

天線位置：測試場樓頂。

顯示軟件：多路數(shù)據(jù)融合顯示軟件。

圖7 實際環(huán)境測試接收效果

通信方式：高速以太網(wǎng)。

3.2.2 測試結(jié)果

如圖7所示，為16分鐘連續(xù)數(shù)據(jù)記錄，其中，淺色軌跡為某進(jìn)口 ADS-B接收設(shè)備解算輸出的軌跡記錄，深色軌跡為自主研制 ADS-B接收設(shè)備解算輸出的軌跡記錄，可以看出，自主研制 ADS-B接收設(shè)備在作用距離上遠(yuǎn)超過該套進(jìn)口設(shè)備，實際連續(xù)穩(wěn)定跟蹤的作用距離超過370 km。

4 總結(jié)

本設(shè)計基于的 ADS-B擴(kuò)展報文信號的接收技術(shù)包括1090MHz的S模式同步頭的檢測、各個比特位的數(shù)值及置信度的判斷、CRC校驗和比特錯誤糾正等一系列技術(shù)。采用FPGA集成解碼技術(shù)，在FPGA中集中完成信號處理算法、抗干擾算法和數(shù)據(jù)位置信度分析算法，免去了大量與DSP在解碼期間的中斷控制和數(shù)據(jù)交換，系統(tǒng)具備運行效率高、解碼穩(wěn)定性高的特點。并完成了大量實驗室指標(biāo)測試和實際環(huán)境性能測試，技術(shù)較為成熟，設(shè)備性能較為穩(wěn)定。

[1]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(biāo)準(zhǔn)[S].

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

[3]S模式ADS- B系統(tǒng)[J].航空電子技術(shù),1999,(4):6-9.

[4]周其煥.空中慧眼—ADS-B[J].空中交通管理,2001,(10):62-63.

[5]Krozel,Jimmy etc.Aircraft ADS-B data integrity check[C].4th Aviation Technology,2004.

[6]呂小平.ADS-B技術(shù)介紹[J].空中交通管理,2005,(4):24-25.

[7]朱蕓.S應(yīng)答接收機(jī)數(shù)字處理系統(tǒng)設(shè)計[D].電子科技大學(xué)碩士論文,2006.

[8]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(yīng)用[J].中國民航飛行學(xué)院學(xué)報,2008,(9):11-1.