ADS-B民航飞机实时参数信息的提取及验证

李永津，李景春，谭海峰，杨文翰

（1.河北工业大学电子与信息工程学院，天津 300400；2.国家无线电监测中心，北京 100037；3.北京邮电大学，北京 100876）

电波卫士

ADS-B民航飞机实时参数信息的提取及验证

李永津1,2，李景春2，谭海峰3，杨文翰2

（1.河北工业大学电子与信息工程学院，天津 300400；2.国家无线电监测中心，北京 100037；3.北京邮电大学，北京 100876）

采用软件定义无线电（SDR）技术提取ADS-B信息。首先运用软件无线电技术和射频前端从飞机的ADS-B信号中获得I/Q数据；然后结合CPR全球解码算法解调出飞机的ICAO、高度、坐标、速度等信息；最后通过飞机高速运动产生的多普勒效应来对解调信息进行分析和验证。由SDR技术开发的ADS-B信息解码系统具有解码准确、廉价的开发成本和灵活性好等特点。

软件定义无线电；广播式自动相关监视；I/Q数据；多普勒频移效应

1 引言

利用民航飞机散射信号的多普勒频移定位地面干扰源是国家无线电监测中心于2004年提出的一种干扰源定位方法（专利号ZL.2005 1 0127597.7）。基于多普勒频移的核心定位算法需要通过飞机的高度、坐标和速度等信息以及监测站坐标信息来对干扰源进行定位。

广播式自动相关监视（ADS-B）是空中和场面航空器或车辆的一项监视功能，依托精确的全球卫星定位系统（GPS）和航空器的自我测算力对外发送自身的状态参数[1-2]。通过软件定义无线电（SDR）技术[3]和射频前端获得ADS-B信号的I/Q数据，对信号进行解调得到飞机的信息。

相对于其他ADS-B解码系统，运用SDR技术对ADS-B解码系统的开发，具有开发成本廉价、灵活性好、可移植性等特点。主要工作是运用射频前端，在Linux系统上进行程序的开发，对ADS-B信号进行实时的解码。本文首先介绍了ADS-B信号提取及解码系统的设计，然后对测试结果进行了展示，最后对测试结果进行了分析及验证。

2 ADS-B信号提及解码系统设计

ADS-B的消息传输波形如图1所示，一个脉冲周期为1μs，在一个脉冲周期中有5μs有脉冲信息，所以所用的射频接收前端的采样率为2Ms/s，在每个5μs时间内都有一个采样点[4]。

对于ADS-B信号检测的处理而言，如图2所示，大致的处理过程可以分为以下模块：消息报头检测、数据位判定、数据检错和纠错和CPR解码。

图1 ADS-B消息传输波形

射频接收前端接收无线信号，经过模数转换和下变频，得到基带信号的I/Q数据。用I/Q数据计算每个采样点的幅度值：

式中，m是计算得到的采样点的幅度值。

这里用m0，m1，…，m9分别表示0μs～5μs时间段内的10个采样点的幅度值，利用公式（2）连续判断10个点的幅度值是否符合条件。

式中，&&表示与。

如果符合条件则可以判定此时检测到一个ADS-B信号的一个报头信息。根据此报头信息设定检测信息的阈值：

然后用m11，m12，m13，m14分别表示在5.5μs～7.5μs的范围内采样点的幅度值，用（4）式来判定该时间段内的信号是否符合要求。若符合要求，则进行下一步判定。

同理，检测其余数据位采样点的幅度值是否符合要求。若符合要求，则判定为一条可用信息。利用可用信息的PI校验位进行循环冗余纠错[5]。然后，判别此消息中的ICAO地址和消息类型，将其存储并等待下一条可用信息，最后通过CPR解码对ADS-B信息解码[6-7]，得到飞机的有用信息（见图2）。

CPR解码分为全球解码和本地解码，如果接收到奇编码和偶编码两个消息，则进行全球解码。如果只收到一个奇编码或者偶编码，则进行本地解码[8]。

本文采用的是全球解码。本地解码在程序每次运行时，如果在不同的地点，则需要输入本地经纬度坐标；全球解码则不用，直接解码就可以得到飞机的坐标等信息。

图2 ADS-B信号检测及解码框图

3 测试结果

为了检验基于SDR的民用航空飞机实时参数信息提取技术的准确性，我们进行了多次测试。表1和表2为河北省霸州市得到的测试结果中所截取的四个时间点上的飞机信息，其中包括ICAO地址、高度、经度、纬度和速度等信息。由于Mode S下行数据链的ADS-B信息中不包含时间信息，所以为了判定ADS-B信号的时间点信息，这里采用的时间戳是PC端的时间。图3为北京市大兴区上空飞机的航迹。该航迹是将解调出的飞机信息写到KML文件中，在Google-earth上画出的。

表1 霸州市飞机坐标信息

表2 霸州市飞机速度信息

其中，东西向速度：“+”表示向东，“-”表示向西；南北向速度：“+”表示向北，“-”表示向南；垂直速度：“+”表示向上，“-”表示向下。

图3 北京市大兴区飞机航线

4 测试结果验证分析

本文的硬件采用某公司的RTL2832U芯片，在不失真的情况下，最大采样率能达到 。高频信号通过RTL2832U之后下变频到基带信号，通过模数转换，输出交错8bit的 数据（I,Q）。采用的调谐器是某公司的R820T，其能够拾取的频率范是 ，包含了ADS-B的Mode S模式下行数据链路的频点[9]。

Linux系统可以支持多任务、多线程；C语言具有很强的数据处理能力，其编写的程序可以不依赖计算机硬件，可以移植到不同的平台上。故该解码系统采用C语言在Linux开发平台进行[10]。

我们采用飞机的多普勒频移来检验测试结果的准确性。采用飞机多普勒频移的原理：飞机在接近和远离监测站的过程中，可以从飞机产生的散射信号中提取飞机高速运动产生的多普勒频移信息。建立图4所示的坐标系。飞机航线平行于x轴。设第i次采样所用的监测站位置坐标为（xmi，ymi），xy平面为地面；飞机高度为h，速度为v，航线在地面投影与监测站的偏离量为yp，第i时刻飞机的坐标为（xi，yp），干扰源的坐标为（xg，yg）；图中角度αi为第i时刻飞机和干扰源连线与飞行方向的夹角；βi为第i时刻飞机和监测站连线与飞行方向的夹角。

图4 坐标系的建立

基于图4的坐标系，对于频率为fg的干扰源，在第j时刻经过飞机散射后到达地面时的接收频率为：

式中，fgetj为第j时刻（tj）在地面接收到干扰源散射信号的频率；j=1，2，3…，n；fg为干扰源产生信号的频率；（xg，yg）为干扰源坐标，（xj，yp）为第j时刻飞机的坐标，（xmsj，ymsj）为接收散射信号的监测站坐标；h为飞行高度；c为电磁波在空气中传播的速度[11-12]。

式（5）中，干扰源和检测站的坐标已知，结合解码ADS-B报文后获得的飞机坐标和速度信息，可以算出j时刻监测站收到的散射信号频率，得到多普勒频移信息，从而拟合出多普勒频移曲线。在监测站通过频谱仪实际采集散射信号的数据，从实际数据中可以提取飞机高速运动产生的多普勒频移信息。

频谱仪接收飞机散射信号，同时对ADS-B信号进行实时解调。从实际接收的散射信号中提取多普勒频移信息，画出多普勒频移曲线；再在相同的时间段内筛选飞机信息，拟合出一条多普勒频移曲线。如图5所示，散射信号中提取的多普勒频移曲线和ADS-B报文拟合的多普勒频移曲线基本重合，可以证明，通过SDR技术解调ADS-B信号得到的飞机信息的方法具有较高的准确性和较好的实时性。

图5 多普勒频移曲线

5 结束语

在实际测试中发现，该系统对基于Mode S 1090ES的ADS-B信号的解调具有比较理想的效果。通过多普勒效应的验证表明，运用SDR技术对ADS-B信号进行解调得到的飞机信息具有较高的准确性和较好的实时性，并且此系统还具有成本廉价、灵活性好、可移植等优点。

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[12] 李景春，黄嘉，刘斌等．飞机干扰源查找新方法初探[J]．中国无线电，2004, (7):43-44

科达智能门店点亮第16届中国连锁店展览会

2014年11月6日，科达智能门店管理系统亮相第16届中国连锁店展览会，以人脸分析、商品点检、战略沙盘等一系列智能应用，引领门店管理进入商业智能时代。2012年，科达推出智能门店管理系统，通过视频巡店、客流统计、热点分析三大核心模块，为整个连锁门店行业带来管理方式的变革。大数据时代的到来，使得连锁店管理者能够从分散在各个门店的大量数据中挖掘出有用的信息。为此，科达将视频与大数据关联起来，通过在智能门店管理系统中引入人脸分析、商品点检以及战略沙盘功能，实现了门店管理的商业智能。目前，科达智能门店管理系统已帮助联合利华、柒牌男装、老百姓大药房等连锁企业实现了远程巡店、客流分析、热点统计等商业智能应用。

ADS-B Civil Aircraft in Real-Time Parameter Extraction and Validation of Information

Li Yongjin1,2, Li Jingchun2, Tan Haifeng3, Yang Wenhan2
(1.School of Electronic Information Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China; 2. The State Radio Monitoring Center, Beijing 100037, China; 3.Beijing University of Posts and Telecommunications，Beijing 100037, China)

Extract ADS-B information by software-defined radio (SDR) technology. First, obtain I/Q data from the ADS-B signal of the aircraft using the SDR technology and a simple RF front-end; and then, demodulate the aircraft’s ICAO, height, coordinates, speed and other information in combining with the CPR global decoding algorithm; finally, to analyze and verify the demodulate information through Doppler Effect of high-speed movement of aircraft. ADS-B decoding system developed by SDR technology has advantages of decoding accuracy, cheap development costs and good fexible.

Software Defne Radio; ADS-B; I/Q data; Doppler Effect

10.3969/j.issn.1672-7274.2014.12.012

TN99

B

1672-7274（2014）12-0055-04

李永津，男，汉族，1988年生，河北工业大学电子与信息工程学院硕士研究生，主要研究方向为无线电通信、信号处理。

李景春，男，1966年生，教授级高级工程师，主要研究方向为无线电通信，信号处理。