基于S模式的ADS-B接收机系统及其实现方法

技术领域

本发明涉及空中交通管制技术领域，特别是一种基于S模式的ADS-B接收机系统及其实现方法。

背景技术

随着我国经济的高速发展，中国民航运输业也在快速增长，航空领域出现前所未有的发展形势，且中国民航有关部门决定在未来几年内开放3000米以内空域范围，越来越多的通用飞行器进入空域。航空运输市场的快速发展带来了机场和航路的拥挤，跑道入侵、场面冲突、机场环境影响时常发生，航空安全、航班正点问题日益突出。

我国民航传统的空管系统主要是基于一次雷达系统和二次监视雷达系统的雷达监管系统。雷达系统造价昂贵，覆盖面积有限，功能有限。广播式自动相关监视系统(ADS-B)是国际民航组织(ICAO)正在推广的集现代最先进的数据通信、卫星导航和监视技术于一体的新一代航行监视技术，可应用于机场附近空域和机场场面的航空器监视，高密度飞行区域的空中交通导航、监视和管理。还可应用于无雷达区域的远程航空器运行监视。而且与传统雷达监视技术相比，ADS-B系统具有使用成本低、精度误差小、监视能力强等优势。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种基于S模式的ADS-B接收机系统及其实现方法，本发明解决了传统雷达监管系统对现场环境要求比较高、同时也存在盲区，不能适应高密度、大容量条件下对航空器进行监视的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于S模式的ADS-B接收机系统的实现方法，包括以下步骤：

步骤1、将从天线接收到的ADS-B信号送入射频前端，然后通过带通滤波器滤掉其它干扰信号，最后经过低噪声放大器进行放大，送入混频器下变频到中频信号；

步骤2、对中频信号进行检波，然后通过A/D转换电路对检波后的信号采样，ADS-B信号由前导脉冲与数据域组成；

步骤3、对基带数字信号进行处理，首先，检测ADS-B信号报头，确定ADS-B信号的存在性；其次，提取ADS-B信号数据位并对其进行置信度判定；最后，检测ADS-B信号数据位，如果检测出有错误的数据位，则纠正错误；

步骤4、把经编码过的数据域消息变换成真实的数据域消息；

步骤5、把经解码后的数据域消息显示到具体物理实体上。

作为本发明的进一步改进，在步骤3中，检测ADS-B信号报头，确定ADS-B信号的存在性具体包括以下步骤：

①有效脉冲位置检测：如果一个采样点S的幅度值大于门限值，且其随后连续的N个采样点或更多采样点的值都在门限值以上，那么将采样点S的位置看做是一个有效脉冲位置；

②上升沿检测：如果某个采样点是一个有效脉冲位置，且跟前一个采样点之间存在真实斜坡，与后一个采样点之间的幅度差异少于真实斜坡，那么此采样点可断定为一个上升沿；

③报头脉冲检测：当检测到多个有模式S报头时间间隔的脉冲时，就开始进行报头检测，检测标准是：多个脉冲具有时序，上升沿个数≥2个，其余为有效脉冲位置；

④计算参考功率值；

⑤功率一致性测试：对ADS-B消息报头更深入地确认，如果消息报头各脉冲的各个功率值之间的差距大于一定阈值，则此侦ADS-B消息脉冲被噪声污染，丢弃该报头，重新处理下一个报头；

⑥通过DF认证对ADS-B消息的可靠性进行进一步的确认，其中DF为ADS-B消息中数据域的前X个比特位；

⑦再触发：检测到一个ADS-B消息报头后，继续由报头检测过程来寻找后续ADS-B消息报头；当检测到有交迭的报头时，则将它的参考功率值与正在处理信号的参考功率值进行比较，如果前者比后者高一定幅度，那么丢弃正在处理的信号，开始处理新检测到的信号；否则丢弃新检测到的报头，继续处理当前信号。

作为本发明的进一步改进，在步骤④中，参考功率值的计算方法具体包括以下步骤：

i、确定计算参考功率值所需要的采样点：首先，在多个前导脉冲采样点中，选择与ADS-B消息报头时序匹配的采样点集合；其次，对符合报头时序的脉冲，在脉冲上升沿后选择M个样点,选择后的采样点集合为Si＝s i(i＝1,2…,3N,N＝2,3,4)；

i i、对采样点集合中的采样点s i(i＝1,2…,3N,N＝2,3,4)，分别找出在一定摆幅内的采样点数目ci(i＝1,2…,3N,N＝2,3,4)，然后从ci(i＝1,2…,3N,N＝2,3,4)中找出某个最大值Cmax，如果Cmax是唯一的，那么产生Cmax的采样点s i的值就作为消息报头参考功率值。

作为本发明的进一步改进，在步骤i i中，如果出现2个或2个以上的采样点的Cmax值相同的情况，则假设产生Cmax值的采样点集合为Smax＝sm(m∈i,＝1,2…,3N,N＝2,3,4)；从集合Smax中找出最小值点sj，再从Smax中去掉比sj大一定摆幅以上的点，最后计算出集合内剩余点的平均值，将平均值作为消息报头的参考功率值。

作为本发明的进一步改进，所述步骤⑥具体包括以下步骤：

I、ADS-B消息数据域的前5个比特位，每个比特位的两个码片chip均持续一定时间，对某一个码片chip的采样点来说，如果在其上升沿或上升沿±1个样点时间内，存在一个有效脉冲位置，则认为检测到一个数据脉冲；检测到有效脉冲位置后进入下一个步骤，否则丢弃；

II、利用每个有效脉冲位置后的3个采样点，分别求出每个代码所用采样点的平均值，然后用所得到的平均值和参考功率值比较；比较方法为：如果有等于大于3个代码的平均值在参考功率值的±3dB以下，则这侦消息通过DF认证，否则丢弃该侦消息。

作为本发明的进一步改进，在步骤3中，提取ADS-B信号数据位并对其进行置信度判定在时域中处理，即对ADS-B数字信息进行形状分析，得出其代码位和代码位置信度，所用的算法是振幅比较法，振幅比较法利用每一个数据位的10个采样点的信息与报头检测中得出的参考功率值之间的关系来确定数据位和数据位的置信度；具体包括以下步骤：

1)假设每个比特位的10个采样值点用s

2)对每个比特位的10个采样点，依次求出采样点幅度值在参考功率值正负3dB范围之内的点集合，CHIP1中点用CHIP1_A表示，CHIP0中点用CHIP0_A表示，用公式表示为：

CHIP1_A＝s

CHIP0_A＝s

3)对同样的采样点集合，求出采样点幅度值比参考功率值小6dB以上的点集合，CHIP1中点用CHIP1_B表示，CHIP0中点用CHIP0_B表示，用公式表示为：

CHIP1_B＝s

CHIP0_B＝s

4)对CHIP1_A、CHIP0_A、CHIP1_B、CHIP0_B这4个集合中的点进行加权运算，其中s

5)计算代码为0或1的可能性值，分别记为score

score

score

6)推断比特位和置信度的大小：比特位推断：比较score

作为本发明的进一步改进，在步骤3中，检测ADS-B信号数据位，如果检测出有错误的数据位，则纠正错误包括：首先采用CRC校验电路对其进行检错处理，如果检出有错，则基于数据位置信度判定结果结合CRC校验结果找出错误的数据位，然后采用一定的纠错技术对其进行纠错；具体包括以下步骤：

a、将每个数据位经过CRC校验电路，通过和模二网络得到一个错误校正子，如果该错误校正子为0，则表示ADS-B消息没有错误；如果不为0，则进行下一步处理；

b、找出所有低置信度数据位并统计其个数，如果低置信度数据位的个数超过一定阈值，则丢弃该ADS-B消息，否则进行下一步处理。

c、尝试组合所有低置信度数据位对应的位校正子，位校正子即是某个位是1，其它位均为0的二进制数字流通过CRC校验电路后的余数，找出与错误校正子匹配的那个组合，然后把这个组合校正子对应的那些低置信度数据位取反即完成纠错。

作为本发明的进一步改进，步骤4具体包括以下步骤：

A、首先开辟内存空间，以存储检错纠错模块输出的ADS-B数据，并判断其数据格式是否符合要求，如果符合要求，则提取ADS-B消息中的ICAO值，并将其处理转换为符合ASTERIX010要求的格式并储存；

B、提取消息格式TYPE值以判断ADS-B消息类型，根据TYPE值分别处理各类消息；

C、空中位置消息解码：首先提取高度信息，将其处理转换为符合ASTERIX010标准的数据格式并储存；接着提取紧凑式位置报告CPR格式和经纬度信息并根据CPR格式判断信息的奇偶性；然后提取一对一奇一偶的相同信息来源的经纬度信息进行解码计算，并判断奇偶经纬度信息的经度区域数值NL是否相等，如不相等，则等待直到相等为止；最后将相等的NL经纬度信息进行极坐标转换处理，并转换为符合ASTERIX010标准的数据格式进行储存；

D、飞机状态及ID信息解码：提取飞机ID信息，使用紧凑编码算法进行解码处理，将处理结果转换为符合ASTERIX010标准的数据格式并进行储存；

E、空中速度信息解码，具体包括：

E1、提取导航精度值NAC，将其转换为符合ASTERIX010标准的数据格式并进行储存；

E2、提取空中信息的子类型SUBTYPE；

E3、根据子类型的值计算航速航向，将结果转换为符合ASTERIX010标准的数据格式并进行储存；

F、判断ASTERIX数据帧是否填充完毕，填充完毕后则进行发送。

作为本发明的进一步改进，在步骤4中，所述数据域消息的子字段包括类型、高度、经度、纬度和速度。

本发明还提供一种基于S模式的ADS-B接收机系统，包括：

天线及L波段接收模块，用于将从天线接收到的ADS-B信号送入射频前端，然后通过带通滤波器滤掉其它干扰信号，最后经过低噪声放大器进行放大，送入混频器下变频到中频信号；

中频检波及A/D转换电路模块，用于对中频信号进行检波，然后通过A/D转换电路对检波后的信号采样；

基带数字信号处理模块，具体包括ADS-B消息报头检测模块、数据位拾取和置信度分析模块以及检错纠错模块，其中，所述ADS-B消息报头检测模块用于检测ADS-B信号报头，确定ADS-B信号的存在性，数据位拾取和置信度分析模块用于提取ADS-B信号数据位并对其进行置信度判定，所述检错纠错模块用于检测ADS-B信号数据位，如果检测出有错误的数据位，则纠正错误；

ADS-B消息解码处理模块，用于把经编码过的数据域消息变换成真实的数据域消息；

消息显示处理模块，用于把经解码后的导航消息显示到具体物理实体上。

本发明的有益效果是：

本发明能有效地改善近距离飞机的分辨率、保证更高的接收数据完整性和可靠性、增强航空器飞行的安全性，更重要的是，系统能有效地在偏远地区或山区的雷达无法覆盖或受限制的地区使用；采用本发明所述的方法，在复杂环境和强电磁干扰下，以及多部ADS-B系统发射信号相互交叠的情况下，该ADS-B接收机系统能够快速高效地去除干扰，保留有效脉冲，并能够正确的接收ADS-B信息，保证正确率在98％以上。

附图说明

图1为本发明实施例中的ADS-B信号格式图；

图2为本发明实施例中的报头检测模块信号处理流程图；

图3为本发明实施例中的ADS-B信号振幅多点采样图；

图4为本发明实施例中的检错纠错模块信号处理流程图；

图5为本发明实施例中的CRC校验电路图；

图6为本发明实施例中的ADS-B消息中的DF信息识别图；

图7为本发明实施例中的ADS-B子信息处理图；

图8为本发明实施例中的空中位置消息提取流程图；

图9为本发明实施例中的空中速度信息提取流程图；

图10为本发明实施例中的终端显示流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

实施例

一种基于S模式1090MHz ES数据链的ADS-B接收机系统，系统主要包括以下几个功能模块：

(1)天线及L波段接收模块：

该模块的功能是接收空中ADS-B信号(1090MHz S模式的应答信息)，输出ADS-B视频信号。

(2)中频检波及A/D转换电路模块：

该模块首先是对中频信号进行检波，然后通过14位A/D转换电路对检波后的信号采样。

(3)基带数字信号处理模块：

该模块的信号处理流程为：首先，检测ADS-B信号报头，确定ADS-B信号的存在性；其次，提取ADS-B信号数据位并对其进行置信度判定；最后，检测ADS-B信号数据位，如果检测出有错误的数据位，则纠正错误。

(4)ADS-B消息解码处理模块：

ADS-B消息框架固定，不同的消息类型由数据域的内容来区别。数据域包含许多子字段，如类型，高度，经度，纬度，速度等。消息解码模块就是把经编码过的数据域消息变换成真实的高度、经度、纬度、速度等消息。

(5)消息显示处理模块：

该模块主要是把经解码后的导航消息显示到具体物理实体上，比如PC机显示器、大屏幕等，以便航管人员对目标航空器进行监视。

本实施例还提供一种基于S模式的ADS-B接收机系统的实现方法，包括以下7个信号处理模块：天线及L波段接收模块、中频检波电路及A/D转换电路模块、ADS-B消息报头检测模块、数据位拾取和置信度分析模块、检错纠错模块、ADS-B消息解码模块、消息显示处理模块。各模块信号具体处理流程如下：

(1)天线及L波段接收模块：

从天线接收到的ADS-B信号进入射频前端，然后通过带通滤波器滤掉其它干扰信号，最后经过低噪声放大器进行放大，送入混频器下变频到中频信号。

(2)中频检波电路及A/D转换电路模块：

中频信号经过中频检波电路与A/D转换电路后输出的ADS-B信号格式如图1所示。ADS-B信号由前导脉冲与数据域组成。前导脉冲由4个脉冲组成，每个脉冲脉宽为0.5±0.05μs，分别位于0μs、1μs、3.5μs、4.5μs位置处；数据域起始于8μs位置处，每比特数据位持续时间为1μs，每帧ADS-B消息的数据域长度为112bit，其中最后24bi t为奇偶校验位。ADS-B信号数据部分是采用脉冲位置调制编码(PPM)的，即对于任一数据比特位，脉冲能量出现在前表示比特位“1”，脉冲能量出现在后表示比特位“0”。

(3)ADS-B消息报头检测模块：

如图2所示，中频信号经过中频检波电路与A/D转换电路的输出作为报头检测模块的输入，报头检测标志ADS-B消息接收处理的开始。这一过程分为以下几个步骤进行：

S1.有效脉冲位置检测：

如果一个采样点S的幅度值(从A/D输出的数字信号的值)大于门限值，且其随后连续的N个采样点或更多采样点的值都在门限值以上，那么采样点S的位置可以看做是一个有效脉冲位置。本发明中A/D采样频率为10MHz,即每个数据比特位的采样点为10点/μs，那么N＝3。这个定义表明至少存在4个连续采样点的值高于门限值。对于其它的采样频率，只需要调整N的大小使得在门限值之上的采样点至少维持0.3μs，才可将其判定为一个有效脉冲位置。

S2.上升沿检测：

如果某个采样点是一个有效脉冲位置，且跟前一个采样点之间存在真实斜坡，与后一个采样点之间的幅度差异少于真实斜坡，那么此采样点可断定为一个上升沿。真实斜坡由两个采样点之间的功率改变值决定。斜坡的门限是48dB/μs。因此，如果采样点的频率是10点/μs，这门限就应该是4.8dB。

S3.报头4-脉冲检测：

当检测到4个有模式S报头时间间隔的脉冲时，就开始进行报头检测。检测标准是：4个脉冲具有0－1.0－3.5－4.5μs的时序，上升沿个数≥2个，其余为有效脉冲位置。

S4.参考功率值计算：

报头检测过程中会产生一个功率参考值，参考功率值在系统数字处理部分有很大的作用，在后续重触发和置信度分析中需要用到该值。这一过程分为以下几个步骤：

f1.确定计算参考功率值所需要的采样点。首先，在4个前导脉冲采样点中，选择与ADS-B消息报头时序匹配的采样点集合；其次，对符合报头时序的脉冲，在脉冲上升沿后选择M个样点。如果采样频率是10点/μs，那么M为3。选择后的采样点集合为Si＝s i(i＝1,2…,3N,N＝2,3,4)。

f2.对采样点集合中的采样点s i(i＝1,2…,3N,N＝2,3,4)，分别找出在2dB摆幅内的采样点数目ci(i＝1,2…,3N,N＝2,3,4)，然后从ci(i＝1,2…,3N,N＝2,3,4)中找出某个最大值Cmax。如果Cmax是唯一的，那么产生Cmax的采样点s i的值就作为消息报头参考功率值。

f3.对出现2个或2个以上的采样点的Cmax值相同的情况。假设产生Cmax值的采样点集合为Smax＝sm(m∈i,＝1,2…,3N,N＝2,3,4)。从集合Smax中找出最小值点sj，再从Smax中去掉比sj大2dB以上的点。最后计算出集合内剩余点的平均值，这个值作为消息报头的参考功率值。

S5.功率一致性测试：

功率一致性测试是用来对ADS-B消息报头更深入地确认。如果消息报头四脉冲的各个功率值之间的差距较大，则可认为此侦ADS-B消息脉冲被噪声污染较严重，由这些脉冲采样值得到的报头参考功率值不可靠，对后面的解码部分影响肯定会比较大，必然会产生大量误码，所以认为这种报头不具备处理意义，应该丢弃该报头，重新处理下一个报头。这一过程分为以下几个步骤：

f1.在报头的4个前导脉冲中，分别计算报头脉冲采样点的功率平均值。这一步得到四个值。

f2.如果至少有2个脉冲的功率值在参考功率值的±3dB之内，那么就可确认这个报头噪声污染不严重或没有被噪声污染，通过一致性检测。否则，丢弃该报头，重新开始报头检测过程。

S6.DF认证：

DF为ADS-B消息中数据域的前五个比特位，进行DF认证本质上还是对ADS-B消息的可靠性进行进一步的确认。这一个过程分为以下几个步骤：

f1.ADS-B消息数据域的前5个比特位，每个比特位的两个chip均持续0.5μs(数据位经过PPM编码)，对某一个chip的采样点来说，如果在其上升沿或上升沿±1个样点时间内，存在一个有效脉冲位置，则可以认为检测到一个数据脉冲。检测到有效脉冲位置后进入下一个步骤，否则丢弃。

f2.利用每个有效脉冲位置后的3个采样点，分别求出每个代码所用采样点的平均值，然后用所得到的平均值和参考功率值比较。比较方法为：如果有等于大于3个代码的平均值在参考功率值的±3dB以下，则这侦消息通过DF认证，否则丢弃该侦消息。

S7.再触发：

检测到一个ADS-B消息报头后，继续由报头检测过程来寻找后续ADS-B消息报头。当检测到有交迭的报头时，则将它的参考功率值与正在处理信号的参考功率值进行比较。如果前者比后者高3dB以上，那么丢弃正在处理的信号，开始处理新检测到的信号；否则丢弃新检测到的报头，继续处理当前信号。

(4)ADS-B数据位提取与置信度判定模块：

本实施例中ADS-B数据位提取与置信度判定主要在时域中处理，即对ADS-B数字信息进行形状分析，得出其代码位和代码位置信度，所用的算法是振幅比较法。如图3所示，该算法充分利用每一个数据位的10个采样点(10MHz采样频率，这样每一个比特CHIP就会有五个采样点)的信息与报头检测中得出的参考功率值之间的关系来确定数据位和数据位的置信度。这一过程信号具体处理流程如下：

f1.假设每个比特位的10个采样值点用s

f2.对每个比特位的十个采样点，依次求出采样点幅度值在参考功率值正负3dB范围之内的点集合，CHIP1中点用CHIP1_A表示，CHIP0中点用CHIP0_A表示。用公式表示为：

CHIP1_A＝s

CHIP0_A＝s

f3.对同样的采样点集合，求出采样点幅度值比参考功率值小6dB以上的点集合，CHIP1中点用CHIP1_B表示，CHIP0中点用CHIP0_B表示。用公式表示为：

CHIP1_B＝s

CHIP0_B＝s

f4.对CHIP1_A、CHIP0_A、CHIP1_B、CHIP0_B这4个集合中的点进行加权运算，其中s

f5.计算代码为0或1的可能性值，分别记为score

score

score

f6.推断比特位和置信度的大小。比特位推断：比较score

(5)检错纠错模块：

就ADS-B系统的接收处理而言，为了最大限度地保证ADS-B消息的完整性，首先采用CRC校验电路对其进行检错处理，如果检出有错，则基于数据位置信度判定结果结合CRC校验结果找出错误的数据位，然后采用一定的纠错技术对其进行纠错。本发明中的信号检错纠错处理流程图如图4所示。具体描述如下：

f1.将数据位拾取和置信度分析模块输出的112个数据位经过CRC校验电路(如图5所示)，通过和模二网络得到一个错误校正子。如果该错误校正子为0，则表示ADS-B消息没有错误；如果不为0，则进行下一步处理。

f2.找出所有低置信度数据位并统计其个数。如果低置信度数据位的个数超过5个，则丢弃该ADS-B消息，否则进行下一步处理。

f3.尝试组合所有低置信度数据位对应的位校正子(位校正子即是某个位是1，其它位均为0的二进制数字流通过CRC校验电路后的余数)，找出与错误校正子匹配的那个组合，然后把这个组合校正子对应的那些低置信度数据位取反即完成纠错。

(6)ADS-B消息解码模块：

消息解码就是从相关的ADS-B消息中提取出各种信息数据。这一过程可分为以下几个步骤：

f1.如图6所示，首先开辟内存空间，以存储检错纠错模块输出的ADS-B数据，并判断其数据格式是否符合要求。如果符合要求，则提取ADS-B消息中的ICAO值，并将其处理转换为符合ASTERIX010要求的格式并储存。

f2.如图7所示，提取消息格式(TYPE)值以判断ADS-B消息类型，根据TYPE值分别处理各类消息。

f3.如图8所示，空中位置消息解码。首先提取高度信息，将其处理转换为符合ASTERIX010标准的数据格式并储存；接着提取紧凑式位置报告(CPR)格式和经纬度信息并根据CPR格式判断信息的奇偶性；然后提取一对(一奇一偶)相同信息来源的经纬度信息进行解码计算，并判断奇偶经纬度信息的经度区域数值(NL)是否相等，如不相等，则等待直到相等为止；最后将相等的NL经纬度信息进行极坐标转换处理，并转换为符合ASTERIX010标准的数据格式进行储存。

f5.飞机状态及ID信息解码。提取飞机ID信息，使用紧凑编码算法进行解码处理，将处理结果转换为符合ASTERIX010标准的数据格式并进行储存。

f6.如图9所示，空中速度信息解码。这一过程分为以下几个步骤：

f6_1.提取导航精度值(NAC)，将其转换为符合ASTERIX010标准的数据格式并进行储存。

f6_2.提取空中信息的子类型(SUBTYPE)。

f6_3.根据子类型的值计算航速航向，将结果转换为符合ASTERIX010标准的数据格式并进行储存。

f7.判断ASTERIX数据帧是否填充完毕，填充完毕后则进行发送。

(7)消息显示处理模块：

如图10所示，该模块主要是显示ADS-B消息解码模块输出的信息。具体处理流程如下：

f1.延时1s。终端显示每秒刷新一次，所以这里添加了1s的延时处理。

f2.查找更新数据。因为在数据链中，存储了很多不同目标的信息，但这些目标的信息不是每个都会在1s时间内收到它们的更新，所以需要找出在延时的1s内有更新的数据。

f3.发送更新数据。将标记有更新的数据发送给终端，进行显示处理。

f4.清除更新标记。清除标记，表示该数据的处理完成，最后判断数据链是否查完。

以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。