基于USRP教學(xué)平臺(tái)的ADS-B接收實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

陳翔 陳志浩 農(nóng)姍珊

[摘 要] 隨著軟件無(wú)線電技術(shù)的成熟與普及，依托軟件編程實(shí)現(xiàn)通信原理實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)教學(xué)已成為高校通信工程類(lèi)專業(yè)相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不二選擇。依托通用軟件無(wú)線電硬件平臺(tái)（Universal Software Radio Peripheral，USRP）為基礎(chǔ)的教學(xué)平臺(tái)，圍繞系統(tǒng)性通信原理教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)新與案例設(shè)計(jì)需求，引入當(dāng)今航空界主流的空中交通管制監(jiān)視技術(shù)——廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視（Automatic Dependent Surveillance Broadcast，ADS-B）技術(shù)為學(xué)習(xí)與實(shí)踐目標(biāo)，完成了ADS-B航空通信收發(fā)技術(shù)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。在實(shí)驗(yàn)案例中，重點(diǎn)討論了多普勒頻偏和設(shè)備頻率穩(wěn)定度對(duì)系統(tǒng)性能的影響，完成了涵蓋航空器ADS-B數(shù)據(jù)采集、報(bào)文解析、數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)定位、航跡展示等完整的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)。通過(guò)教學(xué)案例的設(shè)計(jì)，滿足了“通信原理實(shí)驗(yàn)”擴(kuò)展性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要，為基于USRP平臺(tái)的教學(xué)實(shí)踐提供了一個(gè)鮮活的應(yīng)用案例。

[關(guān)鍵詞] 通信原理實(shí)驗(yàn);廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視;軟件無(wú)線電外設(shè);航空器定位

[基金項(xiàng)目] 2019年度教育部——NI產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目“基于USRP的ADS-B數(shù)據(jù)接收與分析研究”（201902219023）

[作者簡(jiǎn)介] 陳 翔（1980—），男，湖南長(zhǎng)沙人，博士，中山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院副教授，主要從事無(wú)線與移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信、物聯(lián)網(wǎng)研究;陳志浩（1999—），男，廣東梅州人，中山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院2017級(jí)通信工程專業(yè)本科生，研究方向?yàn)闊o(wú)線通信;農(nóng)姍珊（1995—），女，廣西百色人，中山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院2017級(jí)微電子學(xué)與固體電子學(xué)專業(yè)碩士研究生，中山大學(xué)助理實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)閿?shù)字集成電路設(shè)計(jì)。

[中圖分類(lèi)號(hào)] TN911.72 ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2021）52-0065-04 ?[收稿日期] 2021-04-27

一、引言

實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)[1]是通信工程學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容建設(shè)的核心載體，是學(xué)科和信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物。恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)平臺(tái)選擇，將激發(fā)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)進(jìn)行實(shí)際探索的極大好奇心，也為培養(yǎng)通信工程類(lèi)專業(yè)學(xué)生綜合素質(zhì)提供極大支撐。

傳統(tǒng)基于硬件模塊的集成化實(shí)驗(yàn)箱固化了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，限制了學(xué)生的思維。而軟件無(wú)線電思想的提出，為通信工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來(lái)了新的思路[2]。在引入通用軟件無(wú)線電外設(shè)（Universal Software Radio Peripheral，USRP）后，以USRP為基礎(chǔ)的通信工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)得到了不斷的發(fā)展。在如何牽引更多學(xué)生在系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)階段做更多嘗試的思路指引下，前期已經(jīng)有了在AIS、RFID、MIMO信道測(cè)量上的有效探索。為進(jìn)一步豐富系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，牽引更多專業(yè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探索興趣，本文嘗試在USRP平臺(tái)中嵌入當(dāng)今航空界主流的空中交通管制監(jiān)視技術(shù)——廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視（Automatic Dependent Surveillance Broadcast，ADS-B）技術(shù)[3]實(shí)驗(yàn)作為教學(xué)目標(biāo)，設(shè)計(jì)了2周共計(jì)8學(xué)時(shí)的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，在已有的通信接收機(jī)框架下，完成ADS-B信號(hào)解調(diào)、報(bào)文解析與應(yīng)用呈現(xiàn)[4]，并提煉了教學(xué)中的難點(diǎn)，深化了學(xué)生的通信系統(tǒng)觀念。

二、實(shí)驗(yàn)案例設(shè)計(jì)牽引

（一）ADS-B介紹

早期航空界使用二次雷達(dá)作為空中交通管制的主要監(jiān)視手段，但隨著航空業(yè)的發(fā)展，二次雷達(dá)的缺陷也愈發(fā)嚴(yán)重。為了更好地維護(hù)空中秩序，ADS-B技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。ADS-B技術(shù)是一種精度更高、價(jià)格更低、適用范圍更廣且監(jiān)視能力更強(qiáng)的技術(shù)，逐漸得到各國(guó)的廣泛應(yīng)用[5]。

ADS-B技術(shù)在我國(guó)也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展和應(yīng)用。飛常準(zhǔn)（VariFlight）航班出行服務(wù)App便使用了ADS-B實(shí)時(shí)跟蹤技術(shù)。此外，由于ADS-B信號(hào)是廣播式信號(hào)，USB dongle模塊配合相關(guān)軟件即可對(duì)航空ADS-B信號(hào)進(jìn)行接收，監(jiān)測(cè)航班的飛行情況。因此，利用航空器天然的吸引力，以及USB dongle的業(yè)務(wù)展示能力，我們?cè)谡n堂向?qū)W生演示接收效果，并講述ADS-B系統(tǒng)基本原理，從而引導(dǎo)學(xué)生自主完成相關(guān)核心模塊的搭建。

三、實(shí)驗(yàn)案例內(nèi)容設(shè)計(jì)

（一）ADS-B信號(hào)原理性講解

ADS-B信息格式依據(jù)RTCA DO-260B[6]標(biāo)準(zhǔn)射頻標(biāo)準(zhǔn)頻率為1090MHz，帶寬2MHz，廣播總長(zhǎng)120μs，包含8μs的幀頭和112μs的數(shù)據(jù)位。數(shù)據(jù)位由DF、CA、AA、ME和PI共5個(gè)字段組成，如表1所示。

（二）ADS-B信號(hào)的產(chǎn)生與接收驗(yàn)證

1.ADS-B信號(hào)的產(chǎn)生。機(jī)載設(shè)備獲取要廣播的除PI字段外的數(shù)據(jù)位后，進(jìn)行CRC生成校驗(yàn)碼和PPM編碼，加上幀頭，經(jīng)由2ASK調(diào)制后將信號(hào)向外廣播[7]。通過(guò)上述對(duì)信號(hào)產(chǎn)生過(guò)程的講解，將使學(xué)生對(duì)該通信協(xié)議有一定的理解。

2.USB dongle接收驗(yàn)證。在牽引學(xué)生興趣的基礎(chǔ)上，我們將USB dongle作為驗(yàn)證的方式，從而對(duì)自主設(shè)計(jì)接收機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定的預(yù)期。以圖1為例，我們?cè)诮虒W(xué)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)接收了若干航空器ADS-B信號(hào)。學(xué)生通過(guò)自主設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)ADS-B的信號(hào)接收，將結(jié)果與圖1進(jìn)行比對(duì)，將有效驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性。

（三）ADS-B接收機(jī)的設(shè)計(jì)

1.接收機(jī)設(shè)計(jì)原理。接著，將依托USRP+LabVIEW架構(gòu)，設(shè)置1090MHz為中心頻點(diǎn)對(duì)空中信號(hào)進(jìn)行接收，并送至上位機(jī)獲取采樣數(shù)據(jù)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行幀同步、解調(diào)、解碼等處理，得到原始報(bào)文并解析，建立數(shù)據(jù)庫(kù)，最后完成航跡展示功能。

2.核心模塊。該接收機(jī)核心模塊包括：幀同步、CRC校驗(yàn)、報(bào)文解析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等模塊。學(xué)生通過(guò)給出的接收機(jī)基本框架，完成核心模塊內(nèi)部邏輯和接口的設(shè)計(jì)，即可搭建完整的ADS-B接收機(jī)，如圖2所示。

3.報(bào)文解析過(guò)程。報(bào)文解析模塊是最為核心的模塊，它包含了對(duì)于各種類(lèi)型信息的解析過(guò)程，決定了在獲取原始報(bào)文后能否解析出正確結(jié)果。

在數(shù)據(jù)位中，ME字段的前5位為T(mén)YPE位，決定了ME字段包含信息的類(lèi)型。主要類(lèi)型包括“航班號(hào)、空中位置、速度、飛行器狀態(tài)”等[7，8]。根據(jù)不同的信息類(lèi)型，通過(guò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)中的定義，學(xué)生可以學(xué)習(xí)不同信息類(lèi)型的編解碼算法并動(dòng)手實(shí)現(xiàn)，完成報(bào)文解析。表2為教學(xué)實(shí)驗(yàn)室本地解析報(bào)文示例。

4.擴(kuò)展應(yīng)用設(shè)計(jì)。為更直觀、準(zhǔn)確地驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性，達(dá)到與商用軟件類(lèi)似的效果，我們通過(guò)API接口在LabVIEW中嵌入開(kāi)源地圖，可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的航跡顯示UI。對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的接收、解析和航跡展示，可以讓學(xué)生從引發(fā)興趣到親自實(shí)踐完成，不僅在實(shí)踐中更充分地掌握理論知識(shí)，積累在USRP和LabVIEW上的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，更能引導(dǎo)學(xué)生對(duì)通信學(xué)科有更深的理解。圖3展示了實(shí)際接收的ADS-B信號(hào)中包含的經(jīng)緯度變化信息。

四、本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容難點(diǎn)解析

（一）頻偏矯正

信號(hào)在航空器高速運(yùn)行的情況下會(huì)出現(xiàn)多普勒效應(yīng)[9]，同時(shí)，USRP平臺(tái)存在時(shí)鐘源的晶振頻率偏差為2.5ppm。針對(duì)這些特點(diǎn)，需要考慮ADS-B信號(hào)的頻偏問(wèn)題。一幀ADS-B信號(hào)的最大頻偏為：

（二）UI的友好性設(shè)計(jì)

在搭建完整的ADS-B接收機(jī)鏈路的前提下，如何更好地展示實(shí)驗(yàn)成果對(duì)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的作用也是一個(gè)重要方面。對(duì)于UI設(shè)計(jì)而言，需要做到的是：整體美觀、操作簡(jiǎn)單、重點(diǎn)信息突出等。友好的UI設(shè)計(jì)，能夠體現(xiàn)學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)思路的充分理解和系統(tǒng)性認(rèn)知，培養(yǎng)學(xué)生綜合性的實(shí)操能力。

五、實(shí)驗(yàn)案例效果和展望

（一）實(shí)驗(yàn)案例效果

本文以系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為中心目標(biāo)，在基于USRP的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)上，重點(diǎn)規(guī)劃了ADS-B接收系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容方案，設(shè)計(jì)了完整的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并給出了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)，通過(guò)對(duì)比分析商用模塊與自主設(shè)計(jì)接收機(jī)實(shí)現(xiàn)結(jié)果，引發(fā)學(xué)生思考，拓寬了學(xué)生的通信系統(tǒng)和協(xié)議知識(shí)面，鍛煉了學(xué)生的系統(tǒng)實(shí)踐能力。

本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容已嵌入筆者所在學(xué)院2018級(jí)學(xué)生課堂教學(xué)環(huán)節(jié)中。在120人的教學(xué)班級(jí)中，超過(guò)10%的學(xué)生選擇將此實(shí)驗(yàn)內(nèi)容作為擴(kuò)展系統(tǒng)設(shè)計(jì)部分選題，雖然難度較大，但在教師和助教的協(xié)助指導(dǎo)下，達(dá)到了總體完成度90%的良好結(jié)果。

（二）未來(lái)展望

ADS-B接收實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證通過(guò)鮮活的例子，起到了牽引學(xué)生系統(tǒng)實(shí)踐興趣的作用。但受限于外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)條件和硬件設(shè)備的限制，如何與線上“虛擬化”仿真結(jié)合將是我們未來(lái)嘗試的方向。事實(shí)上，基于USRP教學(xué)平臺(tái)的教學(xué)案例，目前已經(jīng)覆蓋了無(wú)線通信的“空—天—地—海”多種場(chǎng)景，而圍繞無(wú)線通信信道的虛擬仿真項(xiàng)目也通過(guò)我們的前期建設(shè)上線。未來(lái)，我們將把ADS-B接收實(shí)驗(yàn)與無(wú)線信道虛擬仿真結(jié)合，突破“時(shí)空限制”，讓學(xué)生“虛實(shí)結(jié)合”地感受無(wú)線通信的魅力。

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