广播式自动相关监视机载发射组件的设计与实现

王涛，贺星

（中电科现代导航（西安）科技有限公司，西安 710068）

0 引言

广播式自动相关监视（ADS-B）系统，一般由机载和地面监视设备组成，是一种基于S模式数据链的自相关监视技术。ADS-B机载设备基于卫星定位模块获取自身的定位数据，以广播的形式向周边发送航空器识别码、位置、高度、速度、方向等信息，地面监视设备通过地/空数据链通信方式获取该航空器的相关信息来监视空中交通状况，为机组人员提供运行支持或周边空域监视，维护飞行安全。

在中国民航的“十二五”规划中提出了ADS-B技术对未来通航领域的空域管理和飞行安全保障的需求。广播式自动相关监视技术应用于空中交通管制，可以在无法部署航管雷达的大陆地区为航空器提供优于雷达间隔标准的虚拟雷达管制服务。广播式自动相关监视技术，不仅成功应用于无雷达地区的远程航空器监视，而且与传统的雷达监视技术相比，ADS-B技术具有使用成本低、精度误差小、监视能力强等明显优势，对于高密度飞行区域的空中交通服务也有着广泛的应用前景。

在通航领域的机载设备应用当中，ADS-B机载设备功能一般以LRU或LRM模块化组件的形式作为机载设备的一部分功能出现，ADS-B机载设备主要分为ADS-B发射组件和ADS-B接收组件，其中发射组件作为机载设备主要功能，能够实现向地面或周边空域以S模式1090MHz数据链形式周期性发送飞行器自身的状态信息，在 ADS-B自相关监视系统当中起到了重要的信息广播功能，周边的监视设备通过获取该定位信息，来达到飞行器的空域监视目的。

1 ADS-B信号的内容及数据格式

1.1 ADS-B信号内容

ADS-B信息数据块是由脉冲位置调制（PPM）编码。发射信息包括一个前导和一个数据块，采用随机的方式接入1090MHz链路。1090ES用发射机和发射天线来传送不同的消息，包括 24比特码、高度、呼号等。

图1 ADS-B消息内容

1090ES采用扩展型断续振荡的方式，由 112个信息脉冲构成的S模式ADS-B长应答信号通过机载设备每隔1s广播一次。112位信息脉冲串的前88位为消息位、后24位为奇偶校验位。具体信息内容包括经度、纬度、方位和速度等信息，如图 1所示。

1.2 ADS-B信号格式

1090ES信号格式与 S模式应答机发射信号格式类同，其脉位调制信号由前同步脉冲和数据脉冲组成，如图2所示。脉冲宽度为0.5±0.05μs，上升沿50～100ns，下降沿50～200ns。前导脉冲由起始的8μs内两组固定位置的脉冲对组成。数据脉冲是脉位调制的，其脉位位置随调制信息的二进制数而变化，所有脉冲幅度和宽度不变。每位1μs间隔的前半周0.5μs内有脉冲时，逻辑电平为1；每位的后半周0.5μs内有脉冲时，逻辑电平为0。

图2 1090ES信号格式

应答数据可以是56比特位的短形式或者是112比特位的长形式（根据应答模式DF不同），其中最后24比特位形成奇偶校验和地址区域。ADS-B的应答信号和格式类似模式 S的全呼应答（DF＝0x11，0x17），通过应答询问器可以判断是否是装备了模式S的飞机及其24位地址。全呼应答时，由于接收机预先不知道飞机地址信息，飞机的应答信息中必须包含地址信息，放在S模式应答报告信息的AA字段中，而不是将地址信息加入到末尾24位中。

2 ADS-B机载发射组件系统设计

2.1 系统组成

ADS-B机载发射组件系统组成包括：GPS/BDS接收模块、数据信息生成模块、射频发射前端、高频通道、发射天线。其组成框图如图3所示。

GPS/BDS接收模块通过接收获取航空器的经度、纬度、高度等定位数据。GPS/BDS接收模块通过串行接口将数据传送给数据信息生成模块。数据信息生成模块是机载发射单元的核心部分，在该模块当中将定位数据打包分解成适合 ADS-B数据格式的信息，并生成 ADS-B基带信号，基带信号传送给射频发射前端进行1090MHZ的调制信号，通过高频通道，由发射天线以广播的形式向周边发送ADS-B的数据信息。

2.2 GPS/BDS接收模块

GPS/BDS接收模块是获取航空器自身定位信息的数据来源，系统采用市场成熟的货架产品，能够满足系统所需的技术指标要求，航空器的经度、纬度、高度等定位数据都通过该模块来获取。GPS/BDS接收模块与数据信息生成模块通过串行接口进行连接并传送定位数据。

图3 ADS-B机载发射组件系统组成

2.3 数据信息生成模块

数据信息生成模块是 ADS-B机载发射单元的重要组成部分，它是整个发射单元的核心。数据信息生成模块是由DSP与FPGA搭建而成。DSP通过232串口接收GPS/BDS接收模块获取的定位数据信息，将定位信息进行整理分解，转换成112位标准数据格式。FPGA与DSP之间的数据交换通过双口 RAM 完成，DSP将数据依次顺序写入双口RAM，写完之后通知FPGA数据写满，FPGA再将数据依次取出，根据1090ES的标准数据格式，按照数据输出的时序要求，将4脉冲前导头首先输出，然后再根据取出的数据，按位依次输出，完成基带信号的产生。基带信号输出到射频发射前端，在射频发射前端模块内部进行混频调制成1090 MHz的ADS-B信号，最后通过高频通道发送到天线进行信息发送。数据生成模块的原理图如图4所示。

图4 数据信息生成模块原理图

2.4 射频前端

ADS-B OUT射频前端原理框图如图5所示，工作原理为终端送来的 42MHz中频信号经放大滤波后，与1048 MHz本振信号混频送出1090 MHz信号放大滤波，经功放保护电路后送给40 W脉冲小功放模块，经隔离送200 W脉冲功放，再隔离送900 W脉冲大功放，后低通滤波经隔离器输出，最大功率可达到54.7 dBm。功放保护电路内含检波电路、单刀单掷开关、脉宽比较器、计数器电路，通过对脉宽、占空比、开路和短路的多重保护，避免了功放的烧毁，提高了发射模块的可靠性和生产性。

3 DSP的软件设计

DSP处理软件主要功能是通过接收 GPS/BDS接收模块获取的定位数据信息，通过速度表获取速度数据，通过气压表获取高程数据，及飞机的航班信息数据，对获取的各种数据按照通信协议进行数据解包，然后按照DO-260A的数据标准转换成112位标准数据格式，依次写入到双口RAM的存储写入单元中，以便FPGA获取该数据并生成基带信号的数据。

图5 ADS-B机载收发机组成框图

图6 DSP数据处理流程

（1）定位数据获取功能单元，完成定位数据的接收和数据管理，接收 GPS/BDS数据，进行数据有效性判断，对正确数据帧按照通信协议进行数据解包，获取当前位置数据，并保存最新的位置数据到数据缓存，更新当前定位数据。

（2）串口通信模块，实现串口数据收发功能，实现串口数据的接收、缓存以及对缓存数据的读取功能。初始化串口，以及串口数据接收和发送缓存。逐字节地返回串口数据接收缓存中的数据，并返回接收缓存中是否有数据。将指定长度的发送数据写入串口，进行通信数据发送。

（3）网络通信模块，实现网络数据收发功能，通过网络功能模块，实现数据的收发，数据缓存管理。

（4）数据协议功能模块，实现数据协议的解包和数据打包功能，提供协议数据的有效性判断，协议数据解析功能，目标数据的管理功能，对目标数据按照通信标准进行数据打包。

（5）中断功能单元，实现系统中断功能，在外部信号触发中断后，执行相应中断功能，完成系统定义的功能调用。初始化系统中断向量表，定义系统中断事件，定义中断触发事件，屏蔽未使用的中断号。

DSP数据处理流程如图6所示。

4 FPGA的程序设计

FPGA的程序设计主要包括两个部分，一个是发射控制模块 es1090txCtl.vhd;另外一个是基带信号产生模块。

4.1 发射控制模块es1090tx_Ctl.vhd

4.1.1 控制信号产生

控制信号包括：组合读信号、组合写信号、片选信号、地址译码信号。根据不同逻辑需求，产生不同的控制信号。

4.1.2 控制寄存器写进程

将代表56位或112位1090ES数据信息的长度标志，以及复位状态标志写入控制寄存器的低两位dataT[1:0]。基带信号产生模块根据控制寄存器的信息位处理基带信号产生过程。

4.1.3 状态寄存器的读进程

基带信号产生模块在基带信号生成结束之后，会产生一个发送完毕标志DtxFlg，该标志将更新状态寄存器的状态位，当DSP准备将获取的定位数据写入双口RAM时，会读取状态寄存器的状态位，DtxFlg=1时，表示上一个的数据基带信号发送完毕，可以写入新的定位数据。

4.2 基带信号产生模块es1090tx_gen.vhd

4.2.1 时钟计数器进程

该模块当中包含两个时钟计数器 Counta和Countb。Counta计数器的作用是保证生成基带信号的一帧信号及每一位脉冲宽度的持续时间长度。Countb计数器的作用是生成读使能信号rden、双口RAM 的地址值增量 rdaddr+1、以及移入缓存区的时间控制。

4.2.2 基带信号控制进程

此进程中，根据Counta计数器的计数值，首先生成4前导脉冲，然后根据从双口RAM中取出的数据，依次将每一位数据按脉冲调制要求生成0、1数据输出到串行端口，直到该帧112位数据信息发送完成为止，该进程结束。

4.2.3 发送结束标志进程

此进程中，根据数据帧标志flag的数值确定是56bit数据帧还是112bit数据帧。然后通过Counta计数器的计数值，按照数据帧的长度决定发送数据结束标志 DtxFlg的数值，Counta计数未完成时，DtxFlg=0；Counta计数完成时，DtxFlg=1。

DSP通过判断 DtxFlg的值来决定是否更新双口RAM单元中数据。

4.2.4 射频模块发送使能进程

此进程中，根据数据帧标志flag的数值确定是56bit数据帧还是112bit数据帧，最终确定生成一帧数据所需的发送时间。然后通过Counta计数器的计数值，按照发送数据的时间长度决定射频模块发送使能Fs_en的数值，Fs_en=1表示允许发送打开射频模块开关；Fs_en=0表示禁止发送关闭射频模块开关。

5 结束语

ADS-B机载发射组件，作为ADS-B监视系统的重要组成部分，通过对外广播自身的定位数据，使地面 ADS-B监视设备感知空中的交通状态，为机组人员提供运行支持或周边空域监视，维护飞行安全。与传统的雷达监视技术相比，ADS-B技术具有使用成本低、精度误差小、监视能力强等明显优势，对于高密度飞行区域的空中交通服务也有着广泛的应用前景。

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