基于ADS-B和RTL-SDR的空中交通監(jiān)視系統(tǒng)

王偉瑋，涂　榫

(78009部隊(duì)，四川 成都 610000)

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基于ADS-B和RTL-SDR的空中交通監(jiān)視系統(tǒng)

王偉瑋，涂榫

(78009部隊(duì)，四川 成都 610000)

介紹了ADS-B技術(shù)和1090ES數(shù)據(jù)鏈并分析了其報(bào)文格式，繼而介紹了軟件無(wú)線電技術(shù)和RTL-SDR技術(shù)。將ADS-B和RTL-SDR技術(shù)相結(jié)合，搭建了一個(gè)涵蓋硬件和軟件的監(jiān)控系統(tǒng)，詳細(xì)描述了系統(tǒng)的組成和實(shí)現(xiàn)，并對(duì)系統(tǒng)的接收天線進(jìn)行了設(shè)計(jì)和改進(jìn)，用大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了改進(jìn)的效果。該監(jiān)控系統(tǒng)可以較好地達(dá)到監(jiān)控目的，實(shí)現(xiàn)成本低，可以作為相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)研究的試驗(yàn)及測(cè)試系統(tǒng)，如果加以完善，甚至可以應(yīng)用到專業(yè)領(lǐng)域。

ADS-B；1090ES數(shù)據(jù)鏈；RTL-SDR；監(jiān)控系統(tǒng)

引用格式：王偉瑋，涂榫. 基于ADS-B和RTL-SDR的空中交通監(jiān)視系統(tǒng)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(17)：80-83.

0　引言

伴隨我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，民航事業(yè)蓬勃壯大，也導(dǎo)致了空中交通壓力倍增，由此而生的ADS-B技術(shù)[1]成為了今后航空管制技術(shù)的大勢(shì)所趨。

本文基于已有的ADS-B技術(shù)，將軟件無(wú)線電技術(shù)與ADS-B技術(shù)相結(jié)合，在極低的成本下搭建了一個(gè)涵蓋硬件和軟件的監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)。利用RTL-SDR技術(shù)接收ADS-B信號(hào)，并用軟件解調(diào)的方式解調(diào)了原始采樣信號(hào)；利用VC編寫(xiě)代碼解析還原了1090ES數(shù)據(jù)鏈報(bào)文；為了直觀地對(duì)飛機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，將STK(Satellite Tool Kit)和GoogleEarth無(wú)縫集成到系統(tǒng)中作為輸出顯示。系統(tǒng)分為天線、接收器和計(jì)算機(jī)三個(gè)部分，天線和接收器作為硬件，主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的接收和解調(diào)，計(jì)算機(jī)作為軟件部分，以編寫(xiě)軟件代碼的方式實(shí)現(xiàn)報(bào)文的解析還原，最終圖形化顯示給用戶。

1　簡(jiǎn)介

1.1ADS-B簡(jiǎn)介

ADS-B即廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast)，其中Automatic表示自動(dòng)運(yùn)行，無(wú)人值守；Dependent表示相關(guān)，需要借助GPS定位數(shù)據(jù)；Surveillance表示監(jiān)視，獲取飛機(jī)坐標(biāo)、飛行速度和高度、方向、航班代碼及其他信息；Broadcast表示廣播，類似于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸中的廣播，無(wú)需詢問(wèn)，飛機(jī)之間或飛機(jī)與地面站之間互相廣播各自信息。ADS-B系統(tǒng)包括多個(gè)機(jī)載站和多個(gè)地面站，系統(tǒng)組網(wǎng)方式可以是網(wǎng)狀或者是多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)方式，繼而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向通信。ADS-B技術(shù)可以在多個(gè)方面發(fā)揮作用，主要包括：空對(duì)空監(jiān)視、地對(duì)空監(jiān)視和場(chǎng)面監(jiān)視[2]。相對(duì)于傳統(tǒng)的雷達(dá)監(jiān)視技術(shù)，ADS-B技術(shù)提高了遠(yuǎn)程信息的獲取能力，簡(jiǎn)化統(tǒng)一了信息格式，從而降低了信息的處理成本，使得共享飛行信息具備了現(xiàn)實(shí)可行性。ADS-B系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1。

圖1　ADS-B系統(tǒng)

目前支持ADS-B技術(shù)的數(shù)據(jù)鏈有三種：1090ES(1 090 MHz擴(kuò)展振蕩)、UAT(通用訪問(wèn)收發(fā)信機(jī))和VDL-4(甚高頻數(shù)據(jù)鏈模式4)。其中1090ES數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)荌CAO(國(guó)際民用航空組織)推薦的用于全球商用航空飛機(jī)、支持ADS-B應(yīng)用的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)，所以本文涉及到的內(nèi)容全部基于該數(shù)據(jù)鏈。

1.21090ES數(shù)據(jù)鏈簡(jiǎn)介及報(bào)文格式解析

數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)是ADS-B技術(shù)的主要組成內(nèi)容，它基于S模式應(yīng)答機(jī)。S模式應(yīng)答機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸能力很強(qiáng)，擁有高達(dá)1 677萬(wàn)個(gè)地址碼，可以滿足全球航空器唯一地址的需求[3]，飛機(jī)通過(guò)標(biāo)識(shí)該編碼來(lái)應(yīng)答地面站的詢問(wèn)信號(hào)。S模式的雙向數(shù)據(jù)鏈可用于飛機(jī)間或地面站同飛機(jī)間的雙向數(shù)據(jù)交流，其詢問(wèn)信號(hào)和應(yīng)答信號(hào)均為56 bit或112 bit的數(shù)據(jù)塊。

下面以實(shí)際的ADS-B數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行說(shuō)明，假設(shè)收到的兩個(gè)數(shù)據(jù)幀如下(十六進(jìn)制)：

8D75804B580FF2CF7E9BA6F701D0

8D75804B580FF6B283EB7A157117

(1)第1個(gè)字節(jié)8D(10001101)。其中，前5個(gè)比特為10001，指示DF=17，表明該幀為S模式的ADS-B消息，后3個(gè)比特為101，指示CA=5，意味著至少有Comm.A或Comm.B的能力。

(2)第2～4個(gè)字節(jié)即75804B給出了ICAO地址。75804B(hex) = 01110101 10000000 01001011(binary)，前9個(gè)比特 ：011101011，根據(jù)ICAO Annex 10 Volume III規(guī)定，指示了該架飛機(jī)屬于菲律賓，制造商是Airbus，Model為A-319-112，Reg / Opr信息為CEB [5J]Cebu Pacific Air。

(3)5～11字節(jié)為ME字段。該字段含有兩種類型，分別為空中和地面位置信息，其中：

1～5比特：類型碼TC=11，指明了該數(shù)據(jù)為空中位置數(shù)據(jù)。

6、7比特：監(jiān)視狀態(tài)標(biāo)識(shí)位，值為0表示無(wú)情景信息。

8比特：天線指示，取0表示使用了單天線，取1表示使用了雙天線。

9～20比特：高度指示域，當(dāng) 9≤TC≤18時(shí)，使用大氣壓高度來(lái)標(biāo)識(shí)高度信息，當(dāng) 20≤TC≤22時(shí)，使用橢球體上的 GNSS 高度(HAE)來(lái)報(bào)告高度信息，本數(shù)據(jù)中TC=11，使用的是大氣壓高度。其中第16比特定義為“Q”比特，Q=1時(shí)，編碼使用25英尺增量的高度報(bào)告，高度指示的比特中除去“Q”比特外其余都用于高度編碼即N=00001111111(二進(jìn)制)=127(10進(jìn)制)。由大氣壓高度公式：H=25×N-1 000±12.5 英尺，得出飛行高度為：H=25×127-1 000±12.5=2 175英尺。Q=0時(shí)，使用100英尺增量高度報(bào)告。

21比特：對(duì)于空中位置，該比特用于指出有效時(shí)間點(diǎn)是否是準(zhǔn)確的 0.2 s UTC 時(shí)間點(diǎn)。

22比特：指示使用了哪種CPR(簡(jiǎn)潔位置報(bào)告)格式來(lái)編碼經(jīng)緯度信息，1為奇格式，0為偶格式，所以第1幀為偶格式，第2幀為奇格式。

23～39比特：編碼后的緯度信息。

40～56比特：編碼后的經(jīng)度信息。

Lat(0) = 10110011110111111 or 92095

Lat(1) = 10101100101000001 or 88385

Lon(0) = 01001101110100110 or 39846

Lon(1)= 11110101101111010 or 125818

解碼經(jīng)緯度信息可分為以下幾步：

①計(jì)算緯度Zone尺寸AirDlat

其中NL為緯度Zone的個(gè)數(shù)，等于15。

②計(jì)算緯度索引值j

j=floor(((59×Lat(0)-60×Lat(1))/131 072)+0.5)=1

其中floor表示向下取整。

③計(jì)算奇偶形式的緯度值rLat

rLat(0)=AirDlat(0)×(mod(j,60)+Lat(0)/131 072)

rLat(1)=AirDlat(1)×(mod(j,59)+Lat(1)/131 072)

其中mod函數(shù)表示取模。

代入步驟①中得到的AirDlat(0)=6和AirDlat(1)=360°/59，得：

rLat(0)=10.21577453613281

rLat(1)=10.21621445478019

④計(jì)算奇偶緯度值所對(duì)應(yīng)的經(jīng)度Zone的數(shù)量NL，利用公式：

NL(rLat(i))=

得：NL(0)=59=NL(1)

如果NL(0)和NL(1)不相等，則丟棄該緯度值。

⑤計(jì)算經(jīng)度Zone的尺寸AirDlon

其中：n(i)=max[NL(rLat(i)-i),1]

⑥計(jì)算經(jīng)度索引M

M=floor((((Lon(0)×(NL(i)-1))-(Lon(1)×NL(i)))/131 072)+0.5)=-39

⑦計(jì)算全球經(jīng)度值rLon

由公式rLon=AirDlon(i)×(mod(M,n(i))+Lon(i)/131 072)

代入上面已求相關(guān)值得：

rLon(0)=123.8888187731727

rLon(1)=123.8891285863416

經(jīng)過(guò)上面的步驟就能還原出飛機(jī)的經(jīng)緯度位置：

1.3SDR和RTL-SDR技術(shù)介紹

軟件定義無(wú)線電實(shí)質(zhì)上就是在個(gè)人電腦或者嵌入式系統(tǒng)中用軟件實(shí)現(xiàn)的方法來(lái)代替典型的硬件功能的無(wú)線電通信系統(tǒng)，例如混頻器、濾波器、放大器，調(diào)制器和解調(diào)器、感應(yīng)器等都可以用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)[4]。一個(gè)基本的軟件無(wú)線電系統(tǒng)可以由一臺(tái)包含了聲卡或者模數(shù)轉(zhuǎn)換器，或一些其他形式的射頻前端的個(gè)人計(jì)算機(jī)組成。其工作原理如圖2。

圖2　軟件無(wú)線電工作原理

RTL-SDR作為軟件無(wú)線電系統(tǒng)的一個(gè)分支，其原理是使用了RTL2382U芯片的電視接收器中未處理的原始基帶采樣信號(hào)可以被直接訪問(wèn)，這樣通過(guò)更新接收器的驅(qū)動(dòng)擴(kuò)展了接收頻率后，將信號(hào)通過(guò)USB傳遞到電腦，就可以將電視接收器變成一個(gè)寬帶軟件無(wú)線電，極大降低了軟件無(wú)線電的研究和開(kāi)發(fā)門檻。

1.4接收天線的設(shè)計(jì)及改進(jìn)

ADS-B采用的是垂直極化信號(hào)，接收到的信號(hào)質(zhì)量不僅取決于接收點(diǎn)到飛機(jī)的距離、天線附近的障礙物和無(wú)線電干擾，還取決于接收天線本身的設(shè)計(jì)，ADS-B信號(hào)的天線設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足以下要求[5]：

(1)當(dāng)天線不接地時(shí)，天線長(zhǎng)度應(yīng)該為目標(biāo)無(wú)線電信號(hào)半波長(zhǎng)的整數(shù)倍；當(dāng)天線接地時(shí)，考慮到地面鏡像效應(yīng)，天線長(zhǎng)度應(yīng)該為目標(biāo)無(wú)線電信號(hào)1/4波長(zhǎng)的整數(shù)倍，利用波長(zhǎng)公式：W=V/f，得出：

L=0.5×27.5 cm×f=11.68 cm(不接地)

L=0.25×27.5 cm×f=5.84 cm(接地)

其中，f為速度因子,同軸電纜一般取0.85。

(2)為了減小信號(hào)傳輸時(shí)的衰減，要盡量保證饋線長(zhǎng)度盡可能短，并使用質(zhì)量好的同軸電纜，或者通過(guò)增加一個(gè)低噪聲放大器(LNA)來(lái)減少信號(hào)衰減。

(3)阻抗匹配。接收器輸入阻抗和饋線阻抗應(yīng)匹配。

電視棒配套的鞭狀天線作為一個(gè)全向天線可以接收DVB-T、DAB、FM信號(hào)，當(dāng)然也包括ADS-B信號(hào)，但是如果作為專用的ADS-B信號(hào)接收天線可能就略顯不足。在參考了部分ADS-B天線的設(shè)計(jì)后，這里提出了兩種改進(jìn)方案：

(1)環(huán)狀天線

該天線由一段帶多個(gè)環(huán)路的銅線和一個(gè)連接頭組成，如圖3。

圖3　環(huán)狀天線示意圖

銅線被環(huán)路分割為長(zhǎng)度不同的三段，第一段長(zhǎng)度為λ/2，第二段為3λ/4，第三段略小于3λ/4，這樣設(shè)計(jì)的目的是為了減少電容效應(yīng)的影響。經(jīng)過(guò)測(cè)試該天線的增益可達(dá)到6 dBi。

(2)多節(jié)天線

如圖4所示，多節(jié)天線主要由一根同軸電纜和連接頭制作而成。

圖4　 多節(jié)天線示意圖

每一節(jié)的長(zhǎng)度L=0.5×λ×f(f為速度因子,同軸電纜一般取0.85)，所以L=0.5×27.5×0.85≈11.6 cm，制作時(shí)每節(jié)之間用膠帶阻隔。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)度超過(guò)12節(jié)時(shí)，接收效果不再有明顯的改善，從體積上考慮，8節(jié)的長(zhǎng)度L=11.6 cm×8=92.8 cm最理想。

為了驗(yàn)證天線改進(jìn)后的效果，連續(xù)5天在同一時(shí)間段(14：50～15：10)進(jìn)行了數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)。選取該時(shí)間段主要是考慮到大部分國(guó)內(nèi)航線飛行時(shí)間相對(duì)固定，選取固定的時(shí)間段進(jìn)行數(shù)據(jù)采集有利于數(shù)據(jù)的橫向比較。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5。

圖5　監(jiān)控?cái)?shù)量對(duì)比圖

由圖5可以看到，改進(jìn)后的天線在接收效果上有了明顯的改善，在同一個(gè)時(shí)間段監(jiān)控到的數(shù)量分別提高了大約36%(環(huán)狀天線)和43%(多節(jié)天線)。

2　系統(tǒng)介紹

2.1系統(tǒng)組成和工作流程

監(jiān)控系統(tǒng)主要由3部分組成：天線、接收器和計(jì)算機(jī)，如圖6所示。

圖6　監(jiān)控系統(tǒng)組成圖

(1)ADS-B信號(hào)經(jīng)天線到達(dá)接收器,在接收器內(nèi)部完成信號(hào)的放大、變頻、濾波及數(shù)字化。

(2)通過(guò)USB接口將數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)，用軟件的方式對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)得到未解碼的ADS-B信息。

(3)根據(jù)天線位置，室內(nèi)如果能保證信號(hào)良好，則可以在本地計(jì)算機(jī)上完成信息的解析還原；如果室內(nèi)信號(hào)較差，那么可以將天線放置于室外，前端完成信號(hào)的接收和解調(diào)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將解調(diào)后的信號(hào)傳輸?shù)胶蠖送瓿山馕龉ぷ鳌?/p>

(4)將還原后的ADS-B信息生成標(biāo)準(zhǔn)的STK信息[6]和KML格式[7]信息，在STK的2D和3D模塊中動(dòng)態(tài)顯示或者導(dǎo)入到Google Earth中顯示。

2.2系統(tǒng)使用

該監(jiān)控系統(tǒng)利用VC2008編寫(xiě)而成，界面如圖7。分為6個(gè)區(qū)域，分別為:

(1)2D顯示區(qū)域。該區(qū)域的作用是在2D圖像中顯示出飛機(jī)的飛行軌跡。

(2)3D顯示區(qū)域。該區(qū)域的作用是在3D圖像中顯示飛機(jī)的飛行軌跡，能夠體現(xiàn)出飛機(jī)的高度信息。3D顯示有兩種模式：GoogleEarth模式和STK模式。

(3)動(dòng)畫(huà)控制區(qū)域。該區(qū)域是實(shí)現(xiàn)對(duì)STK的2D和3D模擬場(chǎng)景的動(dòng)畫(huà)控制，包括播放、暫停、倒退等，還包括2D圖形的放大和縮小功能控制。

(4)場(chǎng)景及對(duì)象設(shè)置區(qū)域。該區(qū)域包括創(chuàng)建、載入模擬場(chǎng)景、保存及關(guān)閉當(dāng)前模擬場(chǎng)景等操作。

(5)本地及遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置區(qū)域。本地模式用來(lái)導(dǎo)入本地?cái)?shù)據(jù)，遠(yuǎn)程模式用來(lái)實(shí)時(shí)地接收遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)。

(6)監(jiān)控飛機(jī)列表區(qū)。用來(lái)列表顯示監(jiān)控到的飛機(jī)信息，包括飛機(jī)的ICAO代碼、航班代號(hào)、飛行速度、飛行高度、經(jīng)度和緯度，所有信息都實(shí)時(shí)更新。

圖7　系統(tǒng)界面圖

3　結(jié)束語(yǔ)

本文基于航空管制中的ADS-B技術(shù)結(jié)合軟件無(wú)線電中的RTL-SDR技術(shù)搭建了一個(gè)涵蓋硬件和軟件的監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)，詳細(xì)描述了該系統(tǒng)的原理及實(shí)現(xiàn)方法。該監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)成本低，能很好地達(dá)到監(jiān)控的目的，可以作為相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)研究的試驗(yàn)系統(tǒng)，加以逐步完善甚至可以應(yīng)用到專業(yè)領(lǐng)域。

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Air traffic surveillance system based on ADS-B and RTL-SDR

Wang Weiwei, Tu Sun

(78009 Troops PLA, Chengdu 610000, China)

This paper introduces the technology of ADS-B and 1090ES datalink including its message format, then gives a brief introduction to the technology of soft-defined radio and RTL-SDR. A surveillance system including hardware and software is built which is based on the technologies of ADS-B and RTL-SDR. The system receiving antenna is designed and improved, then verified effective by lots of experimental data. This system works well on flight surveillance with extremely low cost, it can be used as an experimental system for research purpose. It can even be applied to speciallized field if it is further optimized and improved.

ADS-B; 1090ES datalink; RTL-SDR; surveillance system

V355

ADOI： 10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.17.024

2016-05-06)

王偉瑋(1982-)，男，碩士研究生，主要研究方向：信號(hào)處理理論與技術(shù)。

涂榫(1982-)，男，碩士研究生，主要研究方向：通信信號(hào)處理。