广播式自动相关监视机载接收组件设计与实现

贺星，王涛

（中电科现代导航（西安）科技有限公司，西安 710068）

0 引言

自动相关监视（ADS）技术，是基于卫星定位和地/空数据链通信的航空器运行监视技术，最初，ADS技术是为越洋飞行的航空器在无法进行雷达监视的情况下，利用卫星实施监视所提出的解决方案。在ADS概念下衍生的ADS-B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。世界各国普遍加快了对ADS-B技术的研究和推广应用。

ADS-B 机载设备可以分为ADS-B机载接收组件（ADS-B IN）和机载发射组件（ADS-B OUT）。ADS-B OUT是ADS-B机载设备的基本功能，即以一定的周期发送航空器的各种信息，包括：航空器识别信息（ID）、位置、高度、速度、方向和爬升率等信息。OUT是机载ADS-B设备的基本功能。地面系统通过接收机载设备发送的ADS-B OUT信息，监视空中交通状况，起到类似于二次雷达的作用。ADS-B 发送的航空器水平位置一般源于GPS/BD系统，高度源于气压高度表。GPS/BD的定位决定着ADS-B的定位精度。

ADS-B IN是提供下一代空-空监视的新型机载飞行空域监视和飞行防撞预警的技术。ADS-B IN机载系统，能够接收其他航空器发送的 S模式1090ES ADS-B OUT信息和ADS-B地面站发送的上行广播信息，其中S模式ADS-B体制的地面站上行广播数据包括交通信息服务广播（TIS-B）和自动相关监视转播（ADS-R），TIS-B的数据来源主要是地基一次雷达和二次雷达，ADS-R数据是地面台站格式化后的 UAT数据信息。这两种上行的交通服务广播信息可实现监视目标覆盖未装备ADS-B设备的飞行器以及装备UAT模式ADS-B设备的飞行器，是机载ADS-B IN设备的实现空-空监视的完备性保障。

ADS-B IN技术可使机组在驾驶舱交通信息显示设备(CDTI:Cockpit Display of Traffic Information)上实时监视周围空域的空情态势，从而提高机组的空中交通情景意识。另外，安装了ADS-OUT设备的机场场面车辆的交通信息也可以显示在机载CDTI设备上。

1 S模式ADS-B IN系统架构

1090 MHz ES（1090MHz Extended Squitter，1090 MHz S模式扩展电文数据链）是一种基于S模式应答机的技术。1090ES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1090 MHz链路。

ADS-B IN技术实现空-空监视和空情告警的主要途径是不依赖地面设备提供空情服务，而是实现对自身航空器周围空域交通态势进行实时自主监视和碰撞预警，如图1所示。

图1 1090ES ADS-B空-空监视

1090 MHz ADS-B接收子系统(ADS-B IN)主要由消息接收解码单元和报告生成单元组成，如图 2所示。ADS-B接收子系统接收S模式扩展断续振荡信号，完成信号的对数检波、解码、数据处理和最终CAT 021报告生成和输出。客户端利用ADS-B IN设备输出的空情数据可实现空情监视、飞行计划应急更改、自由飞行线路优化和防碰撞预警等功能。

1090ES采用扩展型断续振荡的方式，一个完整的消息报长度是120bit（1bit为1μs），其中前导位8bit，数据位112bit，112bit数据位的前5位为消息类型识别位（DF位），用于数据包的类型确认和识别验证）；中间83位为ADS-B信息位，包含目标类型、ID号、航班号、经度、维度、速度、航向等信息；最后24位为CRC校验位。

2 ADS-B IN组件系统设计与实现

2.1 ADS-B IN组件硬件架构设计

2.1.1 ADS-B 机载接收组件主机

ADS-B机载接收组件主机如图2所示，作为核心设备主要由8个子模块组成，分别为高频通道、ADS-B IN射频通道A、ADS-B射频通道B、ADS-B IN信号处理模块、GNSS接收模块、自检模块、频率源模块和电源模块。

ADS-B、TIS-B和ADS-R空间信号经过上、下两路天线送入机载端主机，机载端主机通过接收、解调、解析两路射频信号并进行综合数据分析和处理，最终生成标准 CAT021和 CAT023报文，以ARINC429、高速以太网（或其他专用串行接口）总线输出ADS-B、TIS-B和ADS-R报文。

2.1.2 高频通道

高频通道是预留ADS-B IN和ADS-B OUT同时装机时的前端通道，主要由天线选择开关、环形器、限幅器组成，主要用途是收/发隔离。

2.1.3 ADS-B IN射频前端

接收采用分集接收方式，由两路完全相同的接收模块组成，同时接收上、下天线的信号。单路接收模块原理框图如图3所示。工作原理为接收天线接口模块的射频信号经大信号限幅、收发开关后，送到带通滤波器，送低噪放放大，再经过带通滤波器，送到混频器下变频，输出110 MHz中频信号，经IF滤波，滤除中频高次谐波及本振信号的干扰，再经中频放大、多极对数放大和中频滤波最终输出多级检波求和信号，输出给后端信号处理模块FPFA，同时110 MHz中频信号输出用于中频状态监测。

图2 S模式 ADS-B机载接收组件组成框图

图3 ADS-B机载接收组件射频前端

2.1.4 ADS-B IN信号处理模块

数字处理后端的功能是接收射频前端的检波信号，在FPGA中完成消息验证、解码、置信度判决和数据位输出功能，在DSP中完成数据解包、暴力纠错、报文生成串口输出、以太网输出和设备自检等功能

（1）信号验证和解码（FPGA）

FPGA接收来自射频处理前端的对数检波信号，完成前导头检测，前导头功率验证、DF为验证、数据位置信度计算、数据位和置信度输出、解交织译码和自检状态生成、并通道双口 RAM 与DSP进行通信。

（2）数据处理与报文重组（DSP）

DSP处理单元将S模式下行数据链报文解码，提取DF17、DF18等格式的报文，将来自同一目标的报文信息根据目标的属性进行相关处理，并从同一个目标的多个消息中提取各种类型报告所需的各个参数，组合成标准的CAT021报文。

数字处理后端主要由验证解码、置信度生成、数据为输出、自检、接口控制、数据处理和报文生成等模块组成。如图4所示。

2.2 ADS-B IN解码和数据处理算法设计

信号处理模块主要由FPGA和DSP两个部分组成处理单元，FPGA负责完成除CRC校验，暴力纠错、报文解包和新报文打包以外的所有包括猎取、解码、验证、置信度计算和数据位接收的所有工作，在很大程度上充分利用了FPGA的高效、稳定的特性，同时大大减少将数据频繁送往DSP时的中断通信，FPGA只有在报文前导头完全通过验证后，才将置信度判决结果和数据位通过双口 RAM 传给DSP处理，DSP只有接收到FPGA的是读信号和时钟信号，才开始从双RAM中，按地址为顺序读取写好的数据。这种机制使接收机的信号处理和交叠处理更加高效、准确，是硬件成本降低。

增强型接收算法主要分3个大部分：接口配置和通信模块（FPGA）、前导脉冲检测和判决模块（FPGA）、数据处理模块（FPGA）。

图4 ADS-B IN数字处理后端组成框图

图5 强型接收算法FPGA解码实现总框图

其中前导脉冲检测和判决模块是解码核心部分，主要为8个子模块：参考功率生成子模块、交叠测试子模块、功率一致性验证子模块、DF验证子模块、交叠测试叠加子模块、功率一致性验证叠加子模块、DF验证叠加子模块和数据位接收模块。各模块完成的基本功能符合DO-260标准要求，同时设计加入了扩展优化算法。各模块执行逻辑框图如图5所示。

接口配置和通信模块整个算法的顶层模块，此模块的功能主要包括整机上电后的Reset信号设置（所有进程在上电时全部以Reset信号为条件进行强制初始化赋值），最终数据在双口RAM写控制操作，向DSP发送读RAM的中断信号，产生UART芯片的控制信号等。

前导脉冲检测和判决模块是次顶层模块，其主要功能是从繁杂的脉冲中找出符合位置要求前导头并对其进行初步验证，同时也是整个接收机算法的中枢模块，这一层模块负责发送通过了初步检测的前导脉冲，同时汇总后端的验证标志和计算结果，综合处理结果或标志，并将处理结果和新标志为下发到各个子模块。

参考功率生成子模块的主要功能是计算前导脉冲的相关电平，并在计算完毕后将计算结果和完成标志一起回传给前导脉冲检测和判决模块；

3个并行验证模块：交叠测试子模块、功率一致性验证子模块和DF验证子模块，主要功能室完成前导脉冲交叠状态判断，前导脉冲各脉冲功率关系判定和DF位脉冲的功率判定。如果参考功率计算成功，则前导脉冲数据和DF位数据传给3个验证模块并行做相应验证，验证结果会回传给前导脉冲检测和判决模块做综合处理。

另外，3个交叠信号并行验证模块：交叠测试叠加子模块、功率一致性验证叠加子模块和DF验证叠加子模块，主要功能是当前导脉冲出现信号叠加时，在旧信号保持处理状态时，并行的完成新信号的验证工作。

数据位接收子模块主要包括将包括DF位在内的112位或56位数据位按PPM解码为2进制数据位，同时分析每一位数据位的置信度值，最终将数据位值和置信度置回传给前导脉冲检测和判决模块做综合处理。

3 ADS-B接收性能测试

3.1 实验室环境测试

3.1.1 测试环境

实验室环境测试架构如图6所示，模拟信号源采用R&S公司的SMB-100A（定制脉冲调制组件），采用自研基带产生器板给脉冲信号源输入基带信号，脉冲信号源已1090 MHz载波实现幅度调制和功率放大，将模拟的标准S模式1090 MHz信号输出给ADS-B IN组件，ADS-B组件的DSP将最终收到的完整数据包和解码正确的数据包作为最终数据误码率的判断基准。

3.1.2 测试结果

输出功率范围在-87dBm～-81dBm，正确解包率≥80 %；

输出功率范围在-81dBm～-16dBm，正确解包率≥ 99%。

超过RTCA DO-260对ADS-B接收设备的指标要求。

图6 实验室测试环境

3.2 实际环境测试

3.2.1 测试环境

天线：10 dBi全向天线；

前放：30 dB增益、＜1dB噪声系数低噪声放大器；

射频电缆：插损0.1dB/米电缆，20 m；

天线位置：测试场楼顶。

显示软件：多路数据融合显示软件。

图7 实际环境测试接收效果

通信方式：高速以太网。

3.2.2 测试结果

如图7所示，为16分钟连续数据记录，其中，浅色轨迹为某进口 ADS-B接收设备解算输出的轨迹记录，深色轨迹为自主研制 ADS-B接收设备解算输出的轨迹记录，可以看出，自主研制 ADS-B接收设备在作用距离上远超过该套进口设备，实际连续稳定跟踪的作用距离超过370 km。

4 总结

本设计基于的 ADS-B扩展报文信号的接收技术包括1090MHz的S模式同步头的检测、各个比特位的数值及置信度的判断、CRC校验和比特错误纠正等一系列技术。采用FPGA集成解码技术，在FPGA中集中完成信号处理算法、抗干扰算法和数据位置信度分析算法，免去了大量与DSP在解码期间的中断控制和数据交换，系统具备运行效率高、解码稳定性高的特点。并完成了大量实验室指标测试和实际环境性能测试，技术较为成熟，设备性能较为稳定。

[1]DO-242A,广播式自动相关监视（ADS-B）的最低航空系统性能标准[S].

[2]DO-260A,基于1090ES数据链的ADS-B和TIS-B最低运行性能标准[S].

[3]S模式ADS- B系统[J].航空电子技术,1999,(4):6-9.

[4]周其焕.空中慧眼—ADS-B[J].空中交通管理,2001,(10):62-63.

[5]Krozel,Jimmy etc.Aircraft ADS-B data integrity check[C].4th Aviation Technology,2004.

[6]吕小平.ADS-B技术介绍[J].空中交通管理,2005,(4):24-25.

[7]朱芸.S应答接收机数字处理系统设计[D].电子科技大学硕士论文,2006.

[8]李自俊.ADS_B广播式自动相关监视原理及未来的发展和应用[J].中国民航飞行学院学报,2008,(9):11-1.