一種S模式ADS-B前導(dǎo)脈沖檢測方法

王永利，姚旺君，陳嚴(yán)君，張 鵬

(中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司第六研究所，北京 100083)

0 引言

廣播式自動相關(guān)監(jiān)視技術(shù)(Automatic Dependent Surveillance - Broadcast，ADS-B)是一種現(xiàn)代集成先進(jìn)的無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)、衛(wèi)星定位導(dǎo)航信息傳輸技術(shù)和自動監(jiān)視技術(shù)等相關(guān)技術(shù)于一體，并通過空-地、空-空數(shù)據(jù)鏈通信完成交通監(jiān)視和信息傳遞的新興空中交通管制技術(shù)。國際民航組織(International Civil Aviation Organization，ICAO)正在積極推廣這項(xiàng)航行監(jiān)視技術(shù)，將其確定為未來監(jiān)視技術(shù)發(fā)展的主要方向[1-2]。

1090ES(1090 MHz Extended Squitter)ADS-B系統(tǒng)是基于S模式數(shù)據(jù)鏈的一種ADS-B技術(shù)。該系統(tǒng)通過GNSS機(jī)載設(shè)備的支持，發(fā)射機(jī)以ADS-B消息形式，周期性地通過空-空、空-地數(shù)據(jù)鏈廣播方式向外傳播自己的位置、高度、速度等狀態(tài)信息。

現(xiàn)有的1090ES ADS-B消息接收技術(shù)主要采用脈沖位置檢測方法進(jìn)行前導(dǎo)脈沖檢測，即通過每個脈沖信號的上升沿標(biāo)志、有效脈沖位置標(biāo)志和下降沿標(biāo)志相結(jié)合的檢測方法，采取相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)提取出前導(dǎo)脈沖位置[1-5]。該種檢測方法在信噪比較高時，具有較好的檢測性能。然而當(dāng)信噪比相對較低時，尤其對于微弱信號，因噪音干擾，很容易造成脈沖位置判斷錯誤，從而導(dǎo)致前導(dǎo)脈沖檢測失效漏檢，丟失報文信息[3-5]。針對該技術(shù)存在的缺陷，本文提出了一種S模式ADS-B前導(dǎo)脈沖檢測方法，可有效解決上述問題。

1 1090ES ADS-B消息信號結(jié)構(gòu)

圖1所示為1090ES ADS-B消息信號格式圖[6-7]，包括前導(dǎo)部分和其后的數(shù)據(jù)塊。其中，前導(dǎo)部分的長度為8 μs，包含4個前導(dǎo)脈沖，分別記為：第1前導(dǎo)脈沖、第2前導(dǎo)脈沖、第3前導(dǎo)脈沖和第4前導(dǎo)脈沖；每個前導(dǎo)脈沖的標(biāo)準(zhǔn)寬度均為0.5 μs；第1前導(dǎo)脈沖、第2前導(dǎo)脈沖、第3前導(dǎo)脈沖和第4前導(dǎo)脈沖的標(biāo)準(zhǔn)相對位置依次為：0.0～0.5 μs、1.0 μs～1.5 μs、3.5 μs～4.0 μs、4.5 μs～5.0 μs；其后的數(shù)據(jù)塊長度為56 μs(56 bit)或者112 μs(112 bit)，采用曼切斯特編碼調(diào)制，即每一bit時間長度為1 μs，有前/后半部分組成，依次用bit 1，bit 2，…，bitN表示。

圖1 1090ES ADS-B消息信號格式圖

對于1090ES ADS-B接收設(shè)備，在進(jìn)行消息解算時，首先需要完成的操作是前導(dǎo)脈沖檢測，這是一切后續(xù)報文處理的前提和基礎(chǔ)。

2 1090ES ADS-B前導(dǎo)脈沖檢測方法

由圖1可知，8 μs前導(dǎo)部分包括0～5 μs時間段和5 μs～8 μs時間段，而DF字段位于8 μs～13 μs時間段。本文提出的前導(dǎo)脈沖檢測方法主要通過檢測0～5 μs 時間段內(nèi)脈沖能量是否動態(tài)匹配1090ES ADS-B消息標(biāo)準(zhǔn)脈沖能量，以及通過5 μs～8 μs 時間段和8 μs～13 μs時間段內(nèi)的DF字段的能量驗(yàn)證，驗(yàn)證檢測結(jié)果是否正確，確定前導(dǎo)脈沖有效。圖2所示為1090ES ADS-B消息前導(dǎo)脈沖檢測功能結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 1090ES ADS-B消息前導(dǎo)脈沖檢測功能結(jié)構(gòu)框圖

圖2中各功能模塊說明如下。

S1：數(shù)據(jù)采樣與求和。

采樣1090ES ADS-B數(shù)字基帶信號，依次存入5 μs長度窗口的移位寄存器中，同時求解匹配4個前導(dǎo)脈沖位置內(nèi)的所有采樣點(diǎn)的功率和值，并將結(jié)果存入“和值”移位寄存器中。

S2：前導(dǎo)部分前5 μs內(nèi)脈沖能量比較。

從5 μs長度窗口的移位寄存器中分別抽取4個前導(dǎo)脈沖位置，即0.0 μs～0.5 μs、1.0 μs～1.5 μs、3.5 μs～4.0 μs、4.5 μs～5.0 μs內(nèi)的所有采樣點(diǎn)，并計算各前導(dǎo)脈沖的平均功率值；另抽取沒有前導(dǎo)脈沖位置，即0.5 μs～1.0 μs、1.5 μs～2.0 μs、3.0 μs～3.5 μs、4.0 μs～4.5 μs內(nèi)的所有采樣點(diǎn)，并計算各時間段內(nèi)的平均功率值；然后依據(jù)1090ES ADS-B消息信號能量分布特點(diǎn)，做相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)能量比較。

S3：前導(dǎo)脈沖位置檢測

前導(dǎo)脈沖位置檢測包括三部分內(nèi)容，具體步驟如下：

S31. 初次前導(dǎo)脈沖位置檢測。

在采樣時刻，檢測到“和值”移位寄存器中存儲的數(shù)值遞增，且前導(dǎo)部分前5 μs內(nèi)脈沖能量比較結(jié)果符合1090ES ADS-B消息前導(dǎo)脈沖位置信號能量分布，則輸出初次前導(dǎo)脈沖位置標(biāo)志。

S32：二次前導(dǎo)脈沖位置檢測。

在初次前導(dǎo)脈沖位置標(biāo)志時間內(nèi)，檢測到“和值”移位寄存器中存儲的數(shù)值由大到小變化，則輸出二次前導(dǎo)脈沖位置標(biāo)志。

S33：最終前導(dǎo)脈沖位置檢測。

當(dāng)匹配4個前導(dǎo)脈沖位置采樣點(diǎn)的信號能量幅度“和值”最大時，則檢測到符合1090ES ADS-B消息標(biāo)準(zhǔn)的5 μs前導(dǎo)脈沖，輸出最終前導(dǎo)脈沖位置標(biāo)志。即二次前導(dǎo)脈沖位置標(biāo)志的脈沖上升沿，可定為有效前導(dǎo)脈沖位置標(biāo)志。圖3所示為1090ES ADS-B消息前導(dǎo)脈沖位置檢測流程圖。

S4：前導(dǎo)脈沖參考功率的次大值和次小值。

圖4所示為前導(dǎo)脈沖參考功率次大值和次小值計算流程圖。

圖4 前導(dǎo)脈沖參考功率次大值和次小值計算流程圖

當(dāng)檢測到最終前導(dǎo)脈沖位置標(biāo)志時，分別求4個前導(dǎo)脈沖內(nèi)信號能量幅度的平均值，即脈沖的平均功率值。去除4個前導(dǎo)脈沖中平均功率值最大的和最小的，將剩余的2個平均功率值作為前導(dǎo)脈沖參考功率的次大值和次小值。

S5：前導(dǎo)脈沖位置驗(yàn)證。

驗(yàn)證檢測前導(dǎo)脈沖位置標(biāo)志有效性，分為以下三部分：

S51：前導(dǎo)脈沖功率一致性驗(yàn)證。

分別將前導(dǎo)脈沖參考功率的次大值和次小值按一定比例放大和縮小作為參考比較門限，與檢測到的4個前導(dǎo)脈沖的平均功率值做比較。若符合1090ES ADS-B消息標(biāo)準(zhǔn)前導(dǎo)脈沖位置信號能量分布要求，則進(jìn)行S52部分驗(yàn)證；否則驗(yàn)證錯誤，前導(dǎo)脈沖位置標(biāo)志無效。

S52：前導(dǎo)部分后3 μs能量驗(yàn)證。

分別將前導(dǎo)脈沖第3.5 μs和4.5 μs處的脈沖平均功率值和5.0 μs至8.0 μs內(nèi)的能量進(jìn)行比較。若符合1090ES ADS-B消息標(biāo)準(zhǔn)前導(dǎo)脈沖位置信號能量分布要求，則進(jìn)行S53部分驗(yàn)證；否則驗(yàn)證錯誤，前導(dǎo)脈沖位置標(biāo)志無效。

S53：DF字段脈沖功率一致性驗(yàn)證。

將1090ES ADS-B消息數(shù)據(jù)部分中DF字段內(nèi)各脈沖平均功率值和S51中的兩個參考門限做比較。若符合1090ES ADS-B消息標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)部分信號能量分布要求，則通過驗(yàn)證，前導(dǎo)脈沖位置標(biāo)志有效，否則無效。

S6：交織后再觸發(fā)。

實(shí)際應(yīng)用中會存在信號交織的現(xiàn)象[8-9]，即后一幀1090ES ADS-B前導(dǎo)脈沖交疊于前一幀，使得前后幀的信號幅度相互干擾，從而影響前后幀的接收處理。若前后幀的各脈沖信號能量相近，則很難提取有效的數(shù)據(jù)塊信息。本文只針對后一幀強(qiáng)信號交織于前一幀弱信號交織后再觸發(fā)的情況，而后一幀弱交織于前一幀強(qiáng)的情況無需再觸發(fā)。

假設(shè)后強(qiáng)信號幀B的前導(dǎo)脈沖交織于前弱信號幀A內(nèi)部時，本文采用交織后前導(dǎo)脈沖位置再觸發(fā)檢測方法，具體步驟如下：

S61：交織后前導(dǎo)脈沖位置標(biāo)志檢測。

重復(fù)S1到S3步驟，和前面所述完全相同，使用相同的功能模塊處理，從而確定再觸發(fā)后有效前導(dǎo)脈沖位置。

S62：交織后前導(dǎo)脈沖參考功率的次大值和次小值。

交織后4個前導(dǎo)脈沖能量的提取與比較，與S4提取策略相同。區(qū)別之處在于選用一組再觸發(fā)寄存器分別存儲后一幀前導(dǎo)脈沖參考功率的次大值和次小值。

S63：交織后再觸發(fā)判斷取舍。

判斷幀B有效前導(dǎo)脈沖的參考功率次小值是否大于2.5倍的幀A有效前導(dǎo)脈沖參考功率次大值，如果是，則得出幀B為強(qiáng)信號，交織于弱信號幀A，舍棄幀A的有效前導(dǎo)脈沖，保留幀B的有效前導(dǎo)脈沖；否則，舍棄幀B的有效前導(dǎo)脈沖，保留幀A的有效前導(dǎo)脈沖。

S64：交織后前導(dǎo)脈沖位置驗(yàn)證。

重復(fù)步驟S5，選擇交織后前導(dǎo)脈沖參考功率的次大值和次小值按一定比例放大和縮小作為參考比較門限驗(yàn)證。

本文提出的交織后再觸發(fā)檢測方法適合于強(qiáng)弱信號相互交織情況，而能量相近的交織情況，在經(jīng)過S3檢測后，直接丟棄相互交織的前后幀?？梢钥闯霰疚奶岢龅慕豢椇笤儆|發(fā)檢測方法，當(dāng)后一幀B信號能量足夠強(qiáng)時，可以檢測出圖5所示的三種完全重疊交織情況[1-2]。

從上述分步說明可知，本文提供的前導(dǎo)脈沖檢測方法，其核心步驟為：有效前導(dǎo)脈沖位置的確認(rèn)、前導(dǎo)脈沖參考功率次大值和報文參考功率次小值的計算、前導(dǎo)脈沖位置驗(yàn)證和交織情況判斷及取舍。

3 功能測試和仿真

1090ES ADS-B接收機(jī)平臺選用了Altera公司的FPGA芯片，型號為EP3C40F484。采用Quartus II軟件對程序做板級調(diào)試，通過Signal Tap II抓取實(shí)際1090ES ADS-B消息信號，生成仿真工具調(diào)用的數(shù)據(jù)源文件。采用Mentor 公司的ModelSim SE 6.5軟件對數(shù)據(jù)源文件做功能驗(yàn)證仿真。

3.1 Signal Tap II信號提取

通過Signal Tap II觸發(fā)，提取了一幀1090ES ADS-B消息，如圖6所示。其中，信號“①”和“②”為兩路信道提取的同一幀70 MHz ADS-B消息已調(diào)制信號；信號“③”和“④”為兩路信道解調(diào)出的1090ES ADS-B數(shù)字基帶信號。從該圖可以看出，通過前導(dǎo)脈沖位置驗(yàn)證觸發(fā)，可有效提取1090ES ADS-B消息。

圖5 1090ES ADS-B前導(dǎo)脈沖完全交織情況

圖6 Signal Tap II提取1090ES ADS-B消息信號

3.2 ModelSim SE 6.5仿真源

在ModelSim中調(diào)用數(shù)據(jù)源文件，生成1090ES ADS-B消息信號，如圖7所示?？梢钥闯觯捎谑艿酵饨缧盘柛蓴_，解調(diào)出的前導(dǎo)脈沖信號幅度上下波動顯著，因此很容易影響前導(dǎo)脈沖上升沿標(biāo)志、有效脈沖位置標(biāo)志和下降沿標(biāo)志的有效提取，從而引起漏檢問題。

圖7 ModelSim SE 6.5生成的1090ES ADS-B消息信號

3.3 前導(dǎo)脈沖位置檢測標(biāo)志

圖8所示為經(jīng)過前導(dǎo)脈沖位置檢測生成的標(biāo)志信號圖。其中，801為一幀1090ES ADS-B消息前導(dǎo)部分，802為初次前導(dǎo)脈沖位置標(biāo)志，803為二次前導(dǎo)脈沖位置標(biāo)志，804為有效前導(dǎo)脈沖位置標(biāo)志。

圖8 前導(dǎo)脈沖位置檢測各標(biāo)志

3.4 交織時前導(dǎo)脈沖位置檢測標(biāo)志

圖9所示為交織時前導(dǎo)脈沖位置檢測標(biāo)志圖。其中，I處為前一幀弱信號前導(dǎo)脈沖的有效脈沖位置，II處為后一幀強(qiáng)信號前導(dǎo)脈沖的有效脈沖位置。從圖中可以看出，該檢測方法有效地檢測到交織后前導(dǎo)脈沖，并生成相應(yīng)的標(biāo)志。

圖9 交織時前導(dǎo)脈沖位置檢測各標(biāo)志

4 結(jié)論

本文提出的檢測方法為一種能量動態(tài)匹配檢測方法，具有更高檢測概率，有效減少因信噪比降低而引起漏檢率上升問題；檢測交織的時間范圍大，從檢測到前一幀消息的前導(dǎo)脈沖位置后就開始交織點(diǎn)檢測，直到前一幀信號所有數(shù)據(jù)位結(jié)束。該檢測方法既適用于不存在交織時的前導(dǎo)脈沖檢測，也適用于存在交織時的前導(dǎo)脈沖檢測，適用范圍廣。