一種ADS-B地面站自動測試系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

四川九洲空管科技有限責任公司 段 煜 海 灝

1.概述

新航行系統(tǒng)是一個以衛(wèi)星全球通信、導航、監(jiān)視加上自動化的空中交通管理的系統(tǒng)，其中監(jiān)視系統(tǒng)新增的技術手段有自動相關監(jiān)視（ADS）技術手段，并計劃在空中交通管理領域普遍使用。

ADS-B（Automatic Dependent Surveillance–Broadcast）即廣播式自動相關監(jiān)視技術，是自動相關監(jiān)視中的重要組成部分。“自動”即不需要飛行員或外部驅動，“相關”即數(shù)據(jù)來源于飛機導航系統(tǒng)的。飛行器通過衛(wèi)星導航確定其位置信息（經(jīng)緯度、幾何高度），結合飛行器自身的信息（S模式地址、航班號、發(fā)射機類型、大氣壓高度、模式A代碼、飛機運行狀態(tài)等）組成不同類型的報文，對空間進行周期廣播，空中交通管制地面站或機載端可以接收這些信息，從而對飛行器進行監(jiān)視。

ADS-B從信號物理鏈路來說分為兩種技術體制：

1）UAT（universal access transceiver），即通用訪問收發(fā)機，是一種數(shù)據(jù)鏈通信技術，主要用于通用航空領域。

2）1090MHz ES（extended squitter），即1090兆赫擴展斷續(xù)振蕩器，是與擴展型S模式信號格式一致的數(shù)據(jù)鏈通信技術，主要用于軍民航領域。

ADS-B從功能上分為OUT和IN兩種功能：

1）ADS-B OUT功能是飛行器實時周期廣播本機相關信息，物理載體為機載端設備。

2）ADS-B IN功能主要是接收飛行器“ADS-B OUT”信息，有部分ADS-B接收設備具有額外接收S模式信號的功能（如九洲空管科技的1090ES地面站），物理載體為機載端設備和地面接收設備。

本文只討論為1090MHz ES地面站（后文簡稱“地面站”）設計自動測試系統(tǒng)。

2.現(xiàn)狀及需求分析

國際上，多個發(fā)達國家已經(jīng)實現(xiàn)國內主要空域的ADS-B信號監(jiān)視的全覆蓋，中國也于2017年內大面積加裝地面站，一共300多個站點，地面站700余套，覆蓋國內主要航路和終端區(qū)。

由于地面站的大量使用，其研制、生產(chǎn)、驗收、日常維護、定期巡檢工作中面臨大量的測試檢驗工作。地面站屬于接收設備，需要對其功能及性能進行測試，由于ADS-B信號自身的復雜性，使得對其開展一次詳細的測試需要搭建比較復雜的環(huán)境，開發(fā)大量的測試用例，耗費大量時間測試、記錄被測件數(shù)據(jù)輸出以及結果分析比對。

為了滿足地面站的詳細功能性能測試需求，同時考慮便捷測試環(huán)境的搭建以及測試工作的高效性、準確性、可重復性，決定研制地面站自動測試系統(tǒng)。

3.設計原理

3.1 設計依據(jù)

地面站測試系統(tǒng)設計的依據(jù)分別美標DO-260B[1]、歐標ED-129[2]、中國民航MH/T 4036-2012[4]標準要求進行設計。其中DO-260B為機載ADS-B設備最低性能標準，用于參考ADS-B標準信號和測試信號的定義，以及部分測試方法；ED-129為ADS-B地面站最低性能標準，用于參考地面站的功能性能標準及部分測試方法；MH/T 4036-2012為中國民航制定的ADS-B地面站性能標準，用于確定地面站功能性能指標定義及測試項目。

3.2 自動化測試

ADS-B地面站屬于被動響應設備，根據(jù)目標信號輸入進行響應，輸出相應的數(shù)據(jù)，在工作中無需人為控制或參與。因此，所有的測試過程中也不需要人為對地面站進行操作或配置，只需將設計好的測試用例按照順序一一輸入地面站，接收并分析對應輸出的目標數(shù)據(jù)，便可實現(xiàn)全程自動化測試。

3.3 測試原理

ADS-B地面站測試系統(tǒng)用于對地面站進行系統(tǒng)級功能性能測試，即對其進行黑盒測試，測試系統(tǒng)作為測試床，地面站作為被測件。測試系統(tǒng)為地面站提供特定的測試激勵輸入，使其工作在相應的狀態(tài)，并輸出響應數(shù)據(jù)。通過對地面站輸出響應數(shù)據(jù)與期望數(shù)據(jù)的比較，計算分析出地面站的功能性能指標，從而評估地面站的功能及性能的標準符合性。

其中測試激勵為射頻信號，從地面站的天線端口進行注入，正常情況下為1090MHz的ADS-B報文。響應數(shù)據(jù)為網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，是地面站輸出的CAT021報文[3]或原始報文。功能基本測試模型如圖1所示。采用該測試模型可完成地面站主要功能和性能的測試，需要注意統(tǒng)計型測試用例，根據(jù)DO-260B的要求注入的測試用例樣本量應不小于1000個。

在測試過程中需要注意的是地面站有兩種報文輸出驅動模式，一種是周期驅動（Periodic Driven），另一種是事件驅動（Event Driven）。地面站工作于周期驅動模式時，周期輸出收到的目標數(shù)據(jù)。地面站工作于事件驅動模式時，當接收到有效的目標射頻信號后，立即輸出CAT021數(shù)據(jù)。而測試地面站時需要地面站實時響應測試激勵，否則無法判斷接收數(shù)據(jù)的正確性以及地面站的處理延遲，因此在地面站進行測試時，需要將地面站設置為事件驅動工作模式。

圖1 功能基本測試模型

抗干擾能力是地面站的重要指標之一，考量地面站的譯碼能力，即在正常ADS-B射頻信號被其他信號干擾的情況下，通常是指同頻干擾，地面站應具有一定的目標接收能力。干擾主要分為同步干擾和異步干擾兩種：同步干擾是指與正常ADS-B信號具有同步時間關系的干擾信號，同步干擾可能在正常信號之前、之后或疊加；異步干擾是指在時間上位置隨機出現(xiàn)或者與正常信號相對位置隨機的干擾信號。同頻干擾信號的類型主要有連續(xù)波、單脈沖、模式A/C、模式S及DME信號，這些干擾均會對地面站的接收處理造成一定的影響，其測試模型如圖2所示。

圖2 地面站抗干擾能力測試模型

在模擬同步干擾時，需要ADS-B信號源與干擾信號源發(fā)射的信號在時間上具有同步關系，兩個信號源應具有同步接口，而模擬異步干擾時則需要干擾信號源與ADS-B信號源具有隨機關系。

4.設計實現(xiàn)

結合地面站的測試需求、測試模型以及用戶實際需求，選用如下硬件組成測試系統(tǒng)，其組成見表1。

表1 測試系統(tǒng)組成

為實現(xiàn)自動化測試，需要開發(fā)基于計算機的顯示控制軟件，控制硬件進行自動測試。計算機用于顯示控制軟件運行，采用基于總線控制的技術，控制兩種信號源模擬測試激勵信號，注入地面站。計算機通過以太網(wǎng)接收地面站輸出的CAT021報文，進行記錄和分析，得出測試結果。

測試系統(tǒng)軟件具體工作原理如圖3所示。

圖3 測試系統(tǒng)軟件工作原理圖

用戶通過人機接口（測試系統(tǒng)顯控軟件）配置測試系統(tǒng)，選擇相應的測試項目。系統(tǒng)軟件根據(jù)用戶的測試選項，生成相應的測試用例數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)的射頻硬件分別生成ADS-B目標信號及干擾信號，合成為測試射頻信號，通過地面站天線接口注入。地面站收到測試射頻信號后，做出響應，產(chǎn)生目標數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡輸出。系統(tǒng)接收到目標信息后，將數(shù)據(jù)記錄，通過統(tǒng)計并解析數(shù)據(jù)，解析后跟期望的結果進行比較，然后生成測試報告。對功能指標，得出“通過”或者“未通過”的測試結果，對性能指標，得出測試數(shù)據(jù)，與合格判據(jù)對比，并判斷“通過”或者“未通過”。

5.總結

筆者已完成一套測試系統(tǒng)的設計，現(xiàn)已交付用戶使用。用戶采用該測試系統(tǒng)后，大大提高了地面站測試的效率和便捷性，全測試過程一鍵完成，自動生成文本測試報告，將以往數(shù)天的測試工作縮短為1小時內完成，獲得了用戶的肯定和好評。