星基ADS-B系統(tǒng)模擬軟件設(shè)計與實現(xiàn)

杜松濤 劉海濤 李保國

摘 要：星基ADS-B系統(tǒng)是一種覆蓋全球的新型空中交通監(jiān)視系統(tǒng)。為了評估星基ADS-B系統(tǒng)的監(jiān)視性能，本文給出了星基ADS-B系統(tǒng)等模型，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計了星基ADS-B系統(tǒng)模擬軟件，利用計算機(jī)模擬得到了不同空中交通流量場景下的ADS-B消息正確接收概率和95%空中位置消息更新間隔等性能參數(shù)。結(jié)果表明：共信道干擾會影響系統(tǒng)監(jiān)視性能，導(dǎo)致ADS-B消息正確接收概率降低和95%位置消息更新間隔增加。

關(guān)鍵詞： 星基ADS-B系統(tǒng);模擬;軟件設(shè)計;性能評估

文章編號： 2095-2163（2019）03-0023-07?中圖分類號： TP391.9?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

0?引?言

星基ADS-B系統(tǒng)是新一代空中交通管制中一種快速、高效的監(jiān)視系統(tǒng)，由機(jī)載設(shè)備、低軌道通信衛(wèi)星、地面站組成，依靠飛機(jī)周期性地播發(fā)的狀態(tài)矢量和身份標(biāo)識信息實現(xiàn)對飛機(jī)的監(jiān)視和追蹤功能[1-3]。與陸基ADS-B系統(tǒng)相比，星基ADS-B系統(tǒng)將高靈敏度ADS-B接收機(jī)安裝在低軌道衛(wèi)星上，使得該系統(tǒng)能夠在陸基監(jiān)視無法覆蓋的地區(qū)，如沙漠、海洋、山地、極地等地區(qū)，實現(xiàn)連續(xù)不間斷的航路監(jiān)視與場面監(jiān)視，有效提高了航空飛行效率和安全水平。

星基ADS-B系統(tǒng)的研究主要集中在星基ADS-B技術(shù)可行性驗證[4-6]、星基ADS-B系統(tǒng)建設(shè)方案設(shè)計[7-8]和星基ADS-B系統(tǒng)性能評估[9-11]三個方面。在星基ADS-B技術(shù)可行性方面，文獻(xiàn)[4-6]通過發(fā)射低軌道試驗衛(wèi)星構(gòu)建簡化的星基ADS-B系統(tǒng)，實現(xiàn)了衛(wèi)星對ADS-B信號的接收，驗證了星基ADS-B技術(shù)的可行性。在星基ADS-B系統(tǒng)建設(shè)方面，文獻(xiàn)[7-8]分別提出了基于“銥星”和基于“全球星”的2種低軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)方案。在星基ADS-B系統(tǒng)性能評估方面，文獻(xiàn)[9]采用基于Aloha協(xié)議建立了星基ADS-B系統(tǒng)模型，并仿真研究了航空器數(shù)量對信號沖突概率的影響;文獻(xiàn)[10]建立了航空器-衛(wèi)星的傳輸鏈路模型，并仿真研究了傳輸距離對接收信號強(qiáng)度的影響;文獻(xiàn)[11]建立了1090ES共信道干擾模型，并仿真驗證了共信道干擾下航空器數(shù)量對ADS-B消息更新間隔的影響。

針對星基ADS-B系統(tǒng)的性能評估與分析，本文設(shè)計了星基ADS-B系統(tǒng)模擬軟件，通過統(tǒng)計分析ADS-B消息的播發(fā)數(shù)與接收數(shù)等模擬數(shù)據(jù)，得到了ADS-B消息正確接收概率和95%位置消息更新間隔等性能參數(shù)。與其他相關(guān)工作相比，本文采用計算機(jī)動態(tài)模擬ADS-B系統(tǒng)的方法代替硬件仿真方法。計算機(jī)模擬可以構(gòu)建更復(fù)雜的系統(tǒng)模型，提高性能評估工作的準(zhǔn)確性，還可以反映系統(tǒng)內(nèi)各個空間對象的位置關(guān)系及其變化過程，產(chǎn)生具有真實地理位置信息的ADS-B模擬消息。

1?系統(tǒng)模型

1.1?低軌道衛(wèi)星系統(tǒng)模型

本文參照銥星二代系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，采用66/11/1的Walker星座構(gòu)型[12-13]，將6個軌道面的衛(wèi)星分別命名為101～111、201～211、301～311、401～411、501～511、601～611，根據(jù)衛(wèi)星星下點來描述衛(wèi)星的運動軌跡，其表達(dá)式為[14]：

其中，λ、φ表示衛(wèi)星星下點的地理經(jīng)、緯度;λ0表示升交點經(jīng)度;i表示軌道傾角;θ表示衛(wèi)星在軌道平面內(nèi)相對于右升交點的角距;ωe表示地球自轉(zhuǎn)角速度;±分別用于順行和逆行軌道。

1.2?飛機(jī)運動模型

假設(shè)飛機(jī)是一個質(zhì)量為常數(shù)且均勻分布的剛體，飛行過程中速率不變，高度恒定，同時忽略飛機(jī)飛行過程中受到氣流干擾等因素而產(chǎn)生擾動運動，根據(jù)飛機(jī)在地面坐標(biāo)系上的投影來描述飛機(jī)的位置和航跡。地面坐標(biāo)系取地理北極為Y軸正方向，正東方向為X軸正方向，4個象限從Y軸正半軸開始順時針排列[15]。在t-Δt時刻飛機(jī)位置（xt-Δt，yt-Δt，zt-Δt）已知的條件下，根據(jù)飛機(jī)飛行速率和航向角即可求得t時刻飛機(jī)的位置（xt，yt，zt），其表達(dá)式為：

1.3?星基ADS-B系統(tǒng)模型

在飛機(jī)飛行過程中，飛機(jī)通過衛(wèi)星導(dǎo)航等系統(tǒng)獲取地理位置與狀態(tài)信息，并在1 090 MHz頻率上周期性播發(fā)DF-17格式的位置消息（message）、速度消息、標(biāo)識消息及飛機(jī)狀態(tài)消息等;搭載于衛(wèi)星上的ADS-B接收機(jī)正確接收ADS-B消息后，通過星間網(wǎng)絡(luò)將ADS-B消息傳輸至關(guān)口衛(wèi)星，再由關(guān)口衛(wèi)星傳輸?shù)叫腔鵄DS-B地面站并通過地面網(wǎng)絡(luò)分發(fā)到ADS-B應(yīng)用子系統(tǒng)[16]。本文主要研究ADS-B消息從飛機(jī)播發(fā)至衛(wèi)星接收之間的過程，因此星基ADS-B系統(tǒng)模型分為ADS-B消息信號飛機(jī)播發(fā)、ADS-B消息信號鏈路傳輸、ADS-B消息信號衛(wèi)星接收三個過程分段模擬。

在模擬開始之前，系統(tǒng)為每一架飛機(jī)在[ΔTmin，ΔTmax]的區(qū)間內(nèi)隨機(jī)生成各個類型消息的初始播發(fā)時刻，其中ΔTmin和ΔTmax分別為該類型消息的最小播發(fā)周期和最大播發(fā)周期。模擬開始之后，每一架飛機(jī)依據(jù)純Aloha協(xié)議播發(fā)消息，并在此基礎(chǔ)上做出以下假設(shè)：

（1）ADS-B消息和其他1 090 MHz共信道消息都具有相同的幀時（Frame Time）;

（2）接收機(jī)無需進(jìn)行應(yīng)答，檢測到該消息發(fā)生沖突也無需重發(fā)。飛機(jī)播發(fā)ADS-B消息的同時根據(jù)消息的播發(fā)間隔計算下一次該類型消息的播發(fā)時刻，定義一架飛機(jī)的第i-1條消息和第i條消息的播發(fā)間隔為ΔTi，則其在[0，ΔTmax-ΔTmin]的區(qū)間內(nèi)服從均勻分布。ADS-B消息的幀時和播發(fā)周期見表1。

ADS-B消息在飛機(jī)-衛(wèi)星通信鏈路的傳輸過程中，造成信號功率衰減的主要因素包括自由空間傳輸損耗、電離層閃爍損耗、極化誤差損耗、饋線損耗和大氣吸收損耗[10，18-21]。因此衛(wèi)星接收信號功率Pr可表示為：

其中，Pt表示機(jī)載ADS-B發(fā)射機(jī)發(fā)射功率;Gt和Gr分別表示飛機(jī)發(fā)射天線增益和衛(wèi)星接收天線增益;L表示鏈路傳輸對信號功率造成的衰耗。

ADS-B消息信號達(dá)到衛(wèi)星接收機(jī)后，接收機(jī)首先根據(jù)自身靈敏度要求，對接收信號功率進(jìn)行門限判定。若接收信號功率低于能夠被接收機(jī)檢測到的最低信號功率，即最低觸發(fā)電平，則判定消息接收失敗，接收機(jī)將無法探測到該條消息。衛(wèi)星接收機(jī)靈敏度根據(jù)消息探測解碼率來設(shè)定。定義接收機(jī)正確解碼ADS-B消息信號的概率為消息探測解碼率，用EP表示，與衛(wèi)星接收信號功率S之間滿足[22]：

其中，S0表示EP=0時ADS-B消息的信號功率。在信號沒有重疊和干擾的情況下，最低觸發(fā)電平SMTL為探測解碼率為90%時接收信號功率S的值[17] 即EP（SMTL）=0.9。

衛(wèi)星接收機(jī)成功探測并解碼ADS-B消息信號后，將對探測到的消息信號進(jìn)行沖突檢測，檢測接收信號之間的接收時刻間隔，若接收時刻間隔小于ADS-B消息的幀時，則判定產(chǎn)生沖突[9]，丟棄產(chǎn)生沖突的消息。

2?軟件設(shè)計

本文根據(jù)第1節(jié)所給出的系統(tǒng)模型與模擬方法設(shè)計了星基ADS-B系統(tǒng)模擬軟件，利用計算機(jī)模擬飛機(jī)航路飛行、衛(wèi)星運動、ADS-B消息播發(fā)、傳輸、接收等過程，統(tǒng)計ADS-B消息的播發(fā)數(shù)量與接收數(shù)量等數(shù)據(jù)，最后分析統(tǒng)計數(shù)據(jù)得到ADS-B消息正確接收概率和95%位置消息更新間隔。軟件基于Microsoft Visual Studio 2010開發(fā)環(huán)境，使用C語言編寫完成。

圖1顯示給出了基于Gane-Sarson表示法的星基ADS-B系統(tǒng)模擬軟件數(shù)據(jù)流模型圖。在圖1中，正方形框表示外部實體，是軟件系統(tǒng)與外部環(huán)境的接口;圓角矩形框表示數(shù)據(jù)加工處理過程、開口矩形表示數(shù)據(jù)存儲，是系統(tǒng)收集與保存的數(shù)據(jù)集合;箭頭表示數(shù)據(jù)流，是系統(tǒng)與外部實體之間或者系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)加工處理過程之間的通信形式，箭頭中的文字表示數(shù)據(jù)流的內(nèi)容。各個處理過程按編號進(jìn)行說明：

1.讀取用戶設(shè)定的場景配置參數(shù)，初始化模擬場景，建立飛機(jī)信息表;

2.根據(jù)當(dāng)前模擬時刻和消息播發(fā)周期計算下一次播發(fā)消息的時刻;

3.根據(jù)飛機(jī)運動模型更新飛機(jī)信息表中所有飛機(jī)的位置信息;

4.根據(jù)低軌道衛(wèi)星系統(tǒng)模型更新衛(wèi)星信息表中所有衛(wèi)星的位置信息;

5.根據(jù)衛(wèi)星上行鏈路預(yù)算分析，計算ADS-B消息到達(dá)接收機(jī)的信號功率和接收時刻;

6.根據(jù)消息的信號功率和接收時刻，對ADS-B消息信息表中的所有消息進(jìn)行正確接收判定，將接收失敗的消息從表中移除;

7.將ADS-B消息信息表中ADS-B消息轉(zhuǎn)換為DF-17格式的報文;

8.利用以太網(wǎng)將DF-17報文發(fā)送至指定端口;

9.將DF-17報文以二進(jìn)制數(shù)據(jù)文件的形式存入計算機(jī)硬盤等外部存儲設(shè)備中;

10.統(tǒng)計ADS-B消息的播發(fā)數(shù)量、正確接收數(shù)量等數(shù)據(jù)，計算ADS-B消息正確接收概率和95%位置消息更新間隔;

11.在軟件主界面上顯示并實時更新飛機(jī)位置、衛(wèi)星波束覆蓋范圍和統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)。

根據(jù)圖1描述的系統(tǒng)邏輯功能，軟件的架構(gòu)設(shè)計如圖2所示。在圖2中，虛線框表示數(shù)據(jù)處理模塊、實線框表示模塊的主要功能、箭頭表示模塊的數(shù)據(jù)輸入與輸出。其中，衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)根據(jù)低軌道衛(wèi)星系統(tǒng)模型計算衛(wèi)星的位置和覆蓋范圍，飛機(jī)數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)根據(jù)飛機(jī)運動模型和ADS-B消息產(chǎn)生方法計算飛機(jī)的位置和消息播發(fā)時刻，1090ES數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)計算ADS-B、Mode S等1090ES消息信號的傳輸損耗和傳輸時延并判定ADS-B消息是否被正確接收，數(shù)據(jù)存儲與網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)模塊負(fù)責(zé)將ADS-B消息數(shù)據(jù)按照DF-17格式編碼之后存入硬盤或通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到指定端口，圖形顯示模塊負(fù)責(zé)實時顯示飛機(jī)信息及其運動軌跡和衛(wèi)星信息及其運動軌跡。

3?模擬結(jié)果

3.1?軟件界面與模擬參數(shù)

圖3顯示給出了星基ADS-B系統(tǒng)模擬軟件的主界面。主界面左側(cè)為地理信息顯示區(qū)，黃色箭頭圖形表示發(fā)射ADS-B信號的飛機(jī)，白色透明箭頭圖形表示發(fā)射Mode A/C信號和發(fā)射Mode S信號的飛機(jī)，虛線圓形表示衛(wèi)星波束覆蓋范圍，紫色三角形及其連接線表示導(dǎo)航點和航路，綠色靶心圖形表示機(jī)場。主界面右側(cè)為飛機(jī)信息、衛(wèi)星信息、統(tǒng)計顯示區(qū)。

為了度量星基ADS-B系統(tǒng)的性能，需要通過場景模擬來獲得ADS-B消息正確接收概率和95%位置消息更新間隔。模擬參數(shù)見表2。

3.2?ADS-B消息正確接收概率

ADS-B消息正確接收概率是指模擬時間段內(nèi)接收機(jī)正確接收的ADS-B消息占所有播發(fā)的ADS-B消息的比例。

圖4顯示給出了ADS-B消息正確接收概率與發(fā)射ADS-B信號的飛機(jī)數(shù)量的關(guān)系曲線，其中橫坐標(biāo)表示發(fā)送ADS-B信號的飛機(jī)數(shù)量，縱坐標(biāo)表示ADS-B消息正確接收概率，標(biāo)注“□”的藍(lán)色曲線表示信道中僅存在ADS-B信號時ADS-B消息沖突概率的實驗結(jié)果，標(biāo)注“◇”的黑色曲線表示信道中存在ADS-B信號、Mode S信號和Mode A/C信號時ADS-B消息沖突概率的實驗結(jié)果。結(jié)果表明：

（1）ADS-B消息正確接收概率隨著發(fā)射ADS-B信號的飛機(jī)數(shù)量的增加而降低;

（2）加入Mode S信號和Mode A/C信號會降低ADS-B消息正確接收概率。

3.3?空中位置消息更新間隔

圖5顯示給出了發(fā)射ADS-B信號的飛機(jī)數(shù)量為500架時，模擬時間段內(nèi)ADS-B位置消息更新間隔頻率分布直方圖，其中橫坐標(biāo)表示空中位置消息更新間隔，縱坐標(biāo)表示該更新間隔的頻率，圖5（a）表示信道中僅存在ADS-B信號時空中位置消息更新間隔的頻率分布直方圖，圖5（b）表示信道中存在ADS-B信號、Mode S信號和Mode A/C信號時空中位置消息更新間隔的頻率分布直方圖。為了分析ADS-B位置消息更新間隔的散布程度，定義95%位置消息更新間隔為ΔT95%，表示位置消息的更新間隔ΔT以0.95的概率低于ΔT95%，即P（ΔT≤ΔT95%）=0.95。