ADS—B改進解析算法的設(shè)計與實現(xiàn)

摘 要：根據(jù)當(dāng)前廣播式自動相關(guān)（ADS-B）的工作特點，淺析了ADS-B的工作技術(shù)原理，并探討A/C模式干擾下和S模式重疊下的ADS-B信號解析算法的改進，最終通過C#軟件設(shè)計與仿真。

關(guān)鍵詞：ADS-B；空管；解析算法；仿真；C#

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.09.128

1 引言

廣播式自動相關(guān)（ADS-B）是民航當(dāng)前主推的空中交通管制監(jiān)視重要技術(shù)，是基于衛(wèi)星導(dǎo)航和數(shù)據(jù)鏈技術(shù)的監(jiān)視手段，在民航空管全天候監(jiān)視中的作用越來越突出。本文從實際出發(fā)，針對ADS-B在民航汕頭空管站的投產(chǎn)情況，設(shè)計一個能夠滿足實際需求的干擾條件下的算法及仿真設(shè)計軟件，該算法及軟件在技術(shù)保障工作中作用明顯。

2 ADS-B技術(shù)原理淺析

當(dāng)前ADS-B主要有1090ES、UAT和VDL-4三種數(shù)據(jù)鏈路傳輸方式，而國內(nèi)主要的航空公司的運輸飛機都裝備了S模式應(yīng)答機，若采用S模式1090ES技術(shù)，ADS-B的整體部署的投入會較少，通過簡單升級應(yīng)答機軟件和加裝GPS即可。因此，國內(nèi)ADS-B多數(shù)利用1090MHZ的S模式信號和脈沖位置調(diào)制編碼實現(xiàn)技術(shù)要求。

ADS-B的消息前導(dǎo)脈沖總時長為8us，由四個脈沖組成，每個脈沖持續(xù)時間在0.5us左右，起始時間分別為0、1us、3.5us、4.5us，第四個脈沖結(jié)束3us后數(shù)據(jù)脈沖開始傳輸。ADS-B的報文格式為：采用112位數(shù)據(jù)長報格式，前5個比特位是下行數(shù)據(jù)鏈格式，用于判斷數(shù)據(jù)是否為1090ES數(shù)據(jù)鏈信息，如該格式解析為17則適用于S模式應(yīng)答機發(fā)射的ADS-B消息。再之，112個1us間隔被分配給每一個ADS-B消息，每個脈沖寬度為0.5us，其傳輸被定義在每個間隔的前半部分和后半部分，前者在設(shè)計上被編碼為“1”，后者被編碼“0”。相鄰間隔被傳輸?shù)拿}沖連續(xù)在一起合并為1us。并且其幅度之差不大于2dB。

考慮經(jīng)濟性和技術(shù)實現(xiàn)難度，這種方法雖然能夠?qū)崿F(xiàn)簡單快捷，但是不可避免帶來一系列問題，由于S模式和A/C模式采用同一個頻段，因此，此方案不可避免會出現(xiàn)A/C模式的干擾，在相關(guān)航路繁忙階段，容易出現(xiàn)S模式信號重疊現(xiàn)象。

3 改進解析算法的設(shè)計與實現(xiàn)

若A/C模式的信號強度不大，對于前導(dǎo)脈沖檢測和脈沖位置調(diào)制編碼的影響不大，可以采用濾波進行濾除。若A/C應(yīng)答信號較強，則對ADS-B信號預(yù)處理造成的影響較大，這種情況較為復(fù)雜：首先，對于只干擾前導(dǎo)脈沖，A/C模式應(yīng)答信號格式只包含一個起始脈沖，一個結(jié)束脈沖及數(shù)據(jù)脈沖。如果干擾出現(xiàn)在第一個脈沖上升沿前，則根據(jù)A/C模式信號格式特點存在兩個以上的脈沖對ADS-B信號前導(dǎo)脈沖判斷造成干擾。因此，對于前導(dǎo)脈沖的判斷，必須滿足四個前導(dǎo)脈沖位置和兩個以上的上升沿，并且根據(jù)沒有干擾情況下的信號確定相應(yīng)的信號起始位置和計算功率。另一方面，數(shù)據(jù)位的解碼有兩個必須關(guān)注的，一是要判斷數(shù)據(jù)位的起始位，判斷兩個CHIP高低電平進行脈沖位置調(diào)制編碼，并且采用上升和下降沿來判斷解析數(shù)據(jù)部分。高電平段數(shù)據(jù)，A/C模式的干擾會影響數(shù)據(jù)的判斷。對于低電平數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)若干擾不大，高電平數(shù)據(jù)仍然存在一個上升沿過程。若干擾較大則超出的高電平數(shù)據(jù)段下降沿會變?yōu)樯仙?，而反過來上升沿會變?yōu)橄陆笛亍Ｔ谂袛嗌仙貢r首先定位到上升沿的中心處，低電平收到的干擾將會在50個時鐘周期內(nèi)無法定位，因此算法可以定義其為數(shù)據(jù)“0”，并且設(shè)定好低置信度，根據(jù)差值對可信度進行定級，CRC校驗將優(yōu)先考慮低置信度。

針對S模式信號交疊下的情況，也是ADS-B信號干擾處理的一個重要方面。兩個S模式信號的交疊是ADS-B信號接收的常見情況，此時必須丟棄弱信號，對強信號進行處理。因此，必須判斷較強后來信號是否符合S模式的前導(dǎo)脈沖格式，如果正常則丟棄前者一個脈沖進行信號處理。以1us交疊情況，當(dāng)檢測到信號A時又檢測到有信號B，兩個信號A、B交疊到一起，信號B的幅度比信號A的幅度大，如果A的參考功率大則容易對后續(xù)功率再觸發(fā)造成影響。同時如果兩者之間的時間差為3.5us和4.5us也會出現(xiàn)這種情況。因此算法設(shè)計上可以由以下改進：設(shè)置相應(yīng)的脈沖參考功率計算采樣點，分別位于信號脈沖開始后的1us、2us、4.5us、5.5us位置處。一是，在1us處，將脈沖開始時間記為0，并以周期1us、2us、4.5us、5.5us進行采樣計算，選出最小值和最大值，如果兩者之間的差大于或等于3dB則丟棄信號A，反之則進行下一步操作；二是，承上所述，在3.5us處，周期定義為3.5us、4.5us、5.5us、7us，在8us處采樣并定義為最小值，0和1us處定義為最大值，兩者之間差大于3dB則丟棄信號A，反之繼續(xù)下一步操作；三是，承上所述，在4.5us處，周期定義為4.5us、5.5us、8us、9us，對采樣最小值，并定義0、1us、3.5us三者之間的最大值為本輪的最大值，如果與最小值的差大于3dB，則丟棄信號A。

4 算法仿真及結(jié)果

根據(jù)上述的算法設(shè)計，用C#設(shè)計一款能夠適用于算法的模擬軟件，該軟件能夠自動隨機生成目標(biāo)信號，并且加入A/C模式信號以及采用易重疊的S模式傳輸。數(shù)據(jù)庫采用SQL SERVER2011，其與visual2010編譯平臺有較好的數(shù)據(jù)交互接口，為開發(fā)節(jié)省了不少時間成本，軟件通過數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)，并在后臺實現(xiàn)對比作業(yè)，并加以統(tǒng)計和分析。系統(tǒng)每秒生成1個數(shù)據(jù)包，大量隨機的數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)按照CAT021格式自動生成。

另一方面，軟件提供良好的用戶交互接口，通過自動隨機生成ADS-B信號與接收處理后的信號對比，例如生成信號為8D7800BC58B027CBBA65F31CE2Eh，通過上述處理能夠通過CRC校驗，說明算法性能較為良好。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合實際工作經(jīng)驗，針對A/C模式干擾和S模式重疊對ADS-B的解析影響，提出對應(yīng)的方案算法，并在C#軟件設(shè)計上加以仿真實現(xiàn)，為相關(guān)研究提供一種思路。

參考文獻：

[1]鐘建華，劉衛(wèi)東，王冬冬，王子龍.ADS-B監(jiān)視數(shù)據(jù)質(zhì)量分析研究[J].西安航空學(xué)院學(xué)報，2013（03）.

作者簡介：洪偉佳（1993-），男，本科，學(xué)士，助理工程師，研究方向：民航通信導(dǎo)航。