一种改进的ADS-B信号前导脉冲检测算法

许 哲，康 永

(中国电子科技集团公司第20研究所技术部，陕西西安 710068)

随着我国“民航强国”战略的实施，我国航空交通运输业呈现蓬勃发展的趋势，民用航空新技术、新装备也得到大力、快速地应用。但由于航空运输系统的现有容量无法满足快速增长的航空运输业需求。因此，尽快开发具有自主知识产权的航空交通管理系统具有重大的社会和经济价值。

广播式自动相关监视(ADS-B)技术是利用空地、空空数据链通信完成交通监视和信息传递的一种航行新技术［1］。ADS-B技术不仅可以用于无雷达地区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技术还具有使用成本低、精度误差小、监视能力强等明显优点，对于高密度飞行区域空中交通管理具有广泛的应用前景。国际民航组织(ICAO)将其确定为未来监视技术发展的主要方向，国际航空界正在积极推进该项技术的应用。

1 ADS-B技术概述

ADS-B系统按设备可分为机载设备和地面设备，按信号传递方向可分为上行链路和下行链路［2］。目前的ADS-B设备有3种数据链模式:基于模式S的1090ES模式、UAT模式和VDL-4模式。3种模式各有优缺点且互不兼容，其中1090ES为ICAO组织推荐，采用选择性询问、双向数据通信，不足之处是已经出现频谱过度使用的问题;UAT模式在美国较为流行，采用二进制连续相依键控(CP-FSK)，主要问题是和DME地面设备相互干扰严重;VDL-4在欧洲较为流行，其核心是SOTDMA协议，主要问题是VHF频段资源紧张。3种数据链技术比较如表1所示。

表1 3种ADS-B数据链性能比较

文中主要介绍了基于1090ES数据链的ADS-B系统，系统框图如图1所示。

图1 ADS-B系统组成框图

图1中加装ADS-B设备的飞机通过一台发射机以周期方式向外发射自己的位置，同时还有身份、高度、速度和其它数据信息。ADS-B消息由ADS-B报文构成，通过空-空、空-地数据链广播式传播。1090ES数据链是通过机载S模式ADS-B应答机传输信号，由112个信息脉冲构成的S模式ADS-B长应答信号格式如图2所示。

图2 ADS-B信号格式图

ADS-B消息的应答报头(前导脉冲)为4个，每个脉冲持续时间为0.5±0.05 μs，相对于第1个脉冲，第 2、3、4 个脉冲分别出现在 1.0 μs、3.5 μs 和 4.5 μs处，定时误差的相对精确位置不能超过 ±0.05 μs［3］。应答数据(数据脉冲)在4个应答报头之后的数据单元中，数据脉冲的第1 bit位出现在8.0 μs处。每条ADS-B消息的数据域长度均为112 bit，与Mode S消息不同，Mode S消息有长短码之分，长码的数据域为112 bit，短码则为 56 bit［4］。消息脉冲宽度为 0.5 ±0.05 μs，与前导脉冲相同，每个消息的脉冲定时误差相对于精确位置不得超过±0.05 μs。

ADS-B消息脉冲的形状要求全部为方形脉冲，同一消息中的任何两个脉冲幅度差不得超过2 dB，脉冲的上升时间为0.05 ms≤脉冲上升时间≤0.1 ms，脉冲的下降时间同样需要满足0.05 ms≤脉冲下降时间≤0.1 ms。

2 ADS-B前导脉冲检测算法

在ADS-B信号检测和分析算法中，主要研究领域均集中在时域。对于有效信号的判别主要依据3个重要标志:有效脉冲位置标志(Valid Pulse Position，VPP)、每个比特位信号的上升沿位置标志(Leading Edge Position，LEP)和每个比特位信号的下降沿位置标志(Falling Edge Position，FEP)。

如果一个采样点的幅度值高于一个门限值(Threshold)，并假设这个采样点为S。当S点之后的不间断N个采样点的值都在门限值以上，那么S的位置可以看作是一个VPP，对于系统采样频率为10 MHz的情况，每个脉冲周期内的采样点数为10，则门限值的调整一般以N＞3或N＞4，即有效脉冲至少需要维持 0.3 ms或0.4 ms以上［5］。

在上升沿标志检测算法中，VPP对应某个采样点(假设采样点为S，把S点的前一个采样点和后一个采样点分别记为S1、S0)。当S与S1之间的差值小于S与S0之间的差值时，可判定在采样点S处有一个上升沿，上升沿标志检测示意图如图3所示。

图3 上升沿标志检测示意图

同理，在有效脉冲位置内的某一个采样点，如果某个样点是一个有效脉冲位置，且与前一个样点之间差值小于门限，与后一样点之间差值大于门限，那么此样点可以判定为一个下降沿PLE。下降沿标志检测示意图如图4所示。

图4 下降沿标志检测示意图

ADS-B报头有效脉冲检测完成后需要进行有效报头检测，其检测标准是:

(1)具有 0 μs、1 μs、3.5 μs 和 4.5 μs 时序的 4个脉冲。(2)4个脉冲中必须有≥2个上升沿标志。(3)其余为有效脉冲位置。(4)采样容错能力:±1个采样点。

3 改进的ADS-B前导脉冲检测算法

目前主流的ADS-B前导脉冲有效性检测主要依靠上升沿标志(ALE)和脉冲有效位置标志(VPP)两个标志进行检测，只有当两种检测全部通过相应标准后才能判定一个有效脉冲报头。传统检测方法的数学模型为

这种检测方法在信噪比较高时具有较好的性能，但是在信噪比相对较低时，传统的检测方法的报头漏检率较高。如果考虑ALE检测和VPP检测的相关性，由一个检测函数检测ALE与VPP的相关性，并通过两者的相关性来确定4个报头脉冲的检测结果，即

该检测方法可以提供相比传统检测方法更高的检测概率，有效减少因信噪比降低而引起的漏检率上升问题。其检测流程如图5所示。

图5 4报头脉冲检测流程图

为简化起见，考虑在高斯噪声环境中，不同信噪比条件下新检测方式与老检测方式的4报头脉冲检测漏检率性能比较如图6所示。

如图6所示，不同SNR条件下，4报头脉冲检测的漏检率新检测算法具有明显的性能提升，其增益在SNR为1～8 dB区间内约有1～1.3 dB的增益。

图6 不同检测方式4报头脉冲漏检率比较

4 结束语

随着地空空域的逐渐开放，ADS-B技术在今后将成为通航领域内一项重要的空中交通监视和信息传递技术。ADS-B设备与技术的研发也将成为重要研究方向。本文讨论了ADS-B报头检测的方法，在此基础上提出的新检测方式可以有效降低ADS-B4报头脉冲检测的漏检率。

［1］中国民用航空局飞行标准司.广播式自动相关监视在飞行运行中的应用(AC-91-07)［S］.北京:中国民用航空局飞行标准司，2007.

［2］王菲.基于1090MHz ES数据链ADS-B关键技术研究［D］.成都:电子科技大学，2009.

［3］RTCA Inc.DO-260A DC 20036-5133［P］.USA Washington:RTCA Inc，2003.

［4］GARLOCH J L.Flight testing of a prototype cockpit display of traffic information for approach spacing applications ［C］.DASC，the 20th Conference on Digital Avionics Systems，2001.

［5］刘晓斌.基于模式S的ADS-B接收机系统算法研究［D］.成都:电子科技大学，2008.