星基ADS-B系统模拟软件设计与实现

杜松涛 刘海涛 李保国

摘 要：星基ADS-B系统是一种覆盖全球的新型空中交通监视系统。为了评估星基ADS-B系统的监视性能，本文给出了星基ADS-B系统等模型，并以此为基础设计了星基ADS-B系统模拟软件，利用计算机模拟得到了不同空中交通流量场景下的ADS-B消息正确接收概率和95%空中位置消息更新间隔等性能参数。结果表明：共信道干扰会影响系统监视性能，导致ADS-B消息正确接收概率降低和95%位置消息更新间隔增加。

关键词： 星基ADS-B系统;模拟;软件设计;性能评估

文章编号： 2095-2163（2019）03-0023-07 中图分类号： TP391.9 文献标志码： A

0 引 言

星基ADS-B系统是新一代空中交通管制中一种快速、高效的监视系统，由机载设备、低轨道通信卫星、地面站组成，依靠飞机周期性地播发的状态矢量和身份标识信息实现对飞机的监视和追踪功能[1-3]。与陆基ADS-B系统相比，星基ADS-B系统将高灵敏度ADS-B接收机安装在低轨道卫星上，使得该系统能够在陆基监视无法覆盖的地区，如沙漠、海洋、山地、极地等地区，实现连续不间断的航路监视与场面监视，有效提高了航空飞行效率和安全水平。

星基ADS-B系统的研究主要集中在星基ADS-B技术可行性验证[4-6]、星基ADS-B系统建设方案设计[7-8]和星基ADS-B系统性能评估[9-11]三个方面。在星基ADS-B技术可行性方面，文献[4-6]通过发射低轨道试验卫星构建简化的星基ADS-B系统，实现了卫星对ADS-B信号的接收，验证了星基ADS-B技术的可行性。在星基ADS-B系统建设方面，文献[7-8]分别提出了基于“铱星”和基于“全球星”的2种低轨道卫星通信系统方案。在星基ADS-B系统性能评估方面，文献[9]采用基于Aloha协议建立了星基ADS-B系统模型，并仿真研究了航空器数量对信号冲突概率的影响;文献[10]建立了航空器-卫星的传输链路模型，并仿真研究了传输距离对接收信号强度的影响;文献[11]建立了1090ES共信道干扰模型，并仿真验证了共信道干扰下航空器数量对ADS-B消息更新间隔的影响。

针对星基ADS-B系统的性能评估与分析，本文设计了星基ADS-B系统模拟软件，通过统计分析ADS-B消息的播发数与接收数等模拟数据，得到了ADS-B消息正确接收概率和95%位置消息更新间隔等性能参数。与其他相关工作相比，本文采用计算机动态模拟ADS-B系统的方法代替硬件仿真方法。计算机模拟可以构建更复杂的系统模型，提高性能评估工作的准确性，还可以反映系统内各个空间对象的位置关系及其变化过程，产生具有真实地理位置信息的ADS-B模拟消息。

1 系统模型

1.1 低轨道卫星系统模型

本文参照铱星二代系统的体系结构，采用66/11/1的Walker星座构型[12-13]，将6个轨道面的卫星分别命名为101～111、201～211、301～311、401～411、501～511、601～611，根据卫星星下点来描述卫星的运动轨迹，其表达式为[14]：

其中，λ、φ表示卫星星下点的地理经、纬度;λ0表示升交点经度;i表示轨道倾角;θ表示卫星在轨道平面内相对于右升交点的角距;ωe表示地球自转角速度;±分别用于顺行和逆行轨道。

1.2 飞机运动模型

假设飞机是一个质量为常数且均匀分布的刚体，飞行过程中速率不变，高度恒定，同时忽略飞机飞行过程中受到气流干扰等因素而产生扰动运动，根据飞机在地面坐标系上的投影来描述飞机的位置和航迹。地面坐标系取地理北极为Y轴正方向，正东方向为X轴正方向，4个象限从Y轴正半轴开始顺时针排列[15]。在t-Δt时刻飞机位置（xt-Δt，yt-Δt，zt-Δt）已知的条件下，根据飞机飞行速率和航向角即可求得t时刻飞机的位置（xt，yt，zt），其表达式为：

1.3 星基ADS-B系统模型

在飞机飞行过程中，飞机通过卫星导航等系统获取地理位置与状态信息，并在1 090 MHz频率上周期性播发DF-17格式的位置消息（message）、速度消息、标识消息及飞机状态消息等;搭载于卫星上的ADS-B接收机正确接收ADS-B消息后，通过星间网络将ADS-B消息传输至关口卫星，再由关口卫星传输到星基ADS-B地面站并通过地面网络分发到ADS-B应用子系统[16]。本文主要研究ADS-B消息从飞机播发至卫星接收之间的过程，因此星基ADS-B系统模型分为ADS-B消息信号飞机播发、ADS-B消息信号链路传输、ADS-B消息信号卫星接收三个过程分段模拟。

在模拟开始之前，系统为每一架飞机在[ΔTmin，ΔTmax]的区间内随机生成各个类型消息的初始播发时刻，其中ΔTmin和ΔTmax分别为该类型消息的最小播发周期和最大播发周期。模拟开始之后，每一架飞机依据纯Aloha协议播发消息，并在此基础上做出以下假设：

（1）ADS-B消息和其他1 090 MHz共信道消息都具有相同的帧时（Frame Time）;

（2）接收机无需进行应答，检测到该消息发生冲突也无需重发。飞机播发ADS-B消息的同时根据消息的播发间隔计算下一次该类型消息的播发时刻，定义一架飞机的第i-1条消息和第i条消息的播发间隔为ΔTi，则其在[0，ΔTmax-ΔTmin]的区间内服从均匀分布。ADS-B消息的帧时和播发周期见表1。

ADS-B消息在飞机-卫星通信链路的传输过程中，造成信号功率衰减的主要因素包括自由空间传输损耗、电离层闪烁损耗、极化误差损耗、馈线损耗和大气吸收损耗[10，18-21]。因此卫星接收信号功率Pr可表示為：

其中，Pt表示机载ADS-B发射机发射功率;Gt和Gr分别表示飞机发射天线增益和卫星接收天线增益;L表示链路传输对信号功率造成的衰耗。

ADS-B消息信号达到卫星接收机后，接收机首先根据自身灵敏度要求，对接收信号功率进行门限判定。若接收信号功率低于能够被接收机检测到的最低信号功率，即最低触发电平，则判定消息接收失败，接收机将无法探测到该条消息。卫星接收机灵敏度根据消息探测解码率来设定。定义接收机正确解码ADS-B消息信号的概率为消息探测解码率，用EP表示，与卫星接收信号功率S之间满足[22]：

其中，S0表示EP=0时ADS-B消息的信号功率。在信号没有重叠和干扰的情况下，最低触发电平SMTL为探测解码率为90%时接收信号功率S的值[17] 即EP（SMTL）=0.9。

卫星接收机成功探测并解码ADS-B消息信号后，将对探测到的消息信号进行冲突检测，检测接收信号之间的接收时刻间隔，若接收时刻间隔小于ADS-B消息的帧时，则判定产生冲突[9]，丢弃产生冲突的消息。

2 软件设计

本文根据第1节所给出的系统模型与模拟方法设计了星基ADS-B系统模拟软件，利用计算机模拟飞机航路飞行、卫星运动、ADS-B消息播发、传输、接收等过程，统计ADS-B消息的播发数量与接收数量等数据，最后分析统计数据得到ADS-B消息正确接收概率和95%位置消息更新间隔。软件基于Microsoft Visual Studio 2010开发环境，使用C语言编写完成。

图1显示给出了基于Gane-Sarson表示法的星基ADS-B系统模拟软件数据流模型图。在图1中，正方形框表示外部实体，是软件系统与外部环境的接口;圆角矩形框表示数据加工处理过程、开口矩形表示数据存储，是系统收集与保存的数据集合;箭头表示数据流，是系统与外部实体之间或者系统内部数据加工处理过程之间的通信形式，箭头中的文字表示数据流的内容。各个处理过程按编号进行说明：

1.读取用户设定的场景配置参数，初始化模拟场景，建立飞机信息表;

2.根据当前模拟时刻和消息播发周期计算下一次播发消息的时刻;

3.根据飞机运动模型更新飞机信息表中所有飞机的位置信息;

4.根据低轨道卫星系统模型更新卫星信息表中所有卫星的位置信息;

5.根据卫星上行链路预算分析，计算ADS-B消息到达接收机的信号功率和接收时刻;

6.根据消息的信号功率和接收时刻，对ADS-B消息信息表中的所有消息进行正确接收判定，将接收失败的消息从表中移除;

7.将ADS-B消息信息表中ADS-B消息转换为DF-17格式的报文;

8.利用以太网将DF-17报文发送至指定端口;

9.将DF-17报文以二进制数据文件的形式存入计算机硬盘等外部存储设备中;

10.统计ADS-B消息的播发数量、正确接收数量等数据，计算ADS-B消息正确接收概率和95%位置消息更新间隔;

11.在软件主界面上显示并实时更新飞机位置、卫星波束覆盖范围和统计分析数据。

根据图1描述的系统逻辑功能，软件的架构设计如图2所示。在图2中，虚线框表示数据处理模块、实线框表示模块的主要功能、箭头表示模块的数据输入与输出。其中，卫星数据处理模块负责根据低轨道卫星系统模型计算卫星的位置和覆盖范围，飞机数据处理模块负责根据飞机运动模型和ADS-B消息产生方法计算飞机的位置和消息播发时刻，1090ES数据处理模块负责计算ADS-B、Mode S等1090ES消息信号的传输损耗和传输时延并判定ADS-B消息是否被正确接收，数据存储与网络转发模块负责将ADS-B消息数据按照DF-17格式編码之后存入硬盘或通过网络发送到指定端口，图形显示模块负责实时显示飞机信息及其运动轨迹和卫星信息及其运动轨迹。

3 模拟结果

3.1 软件界面与模拟参数

图3显示给出了星基ADS-B系统模拟软件的主界面。主界面左侧为地理信息显示区，黄色箭头图形表示发射ADS-B信号的飞机，白色透明箭头图形表示发射Mode A/C信号和发射Mode S信号的飞机，虚线圆形表示卫星波束覆盖范围，紫色三角形及其连接线表示导航点和航路，绿色靶心图形表示机场。主界面右侧为飞机信息、卫星信息、统计显示区。

为了度量星基ADS-B系统的性能，需要通过场景模拟来获得ADS-B消息正确接收概率和95%位置消息更新间隔。模拟参数见表2。

3.2 ADS-B消息正确接收概率

ADS-B消息正确接收概率是指模拟时间段内接收机正确接收的ADS-B消息占所有播发的ADS-B消息的比例。

图4显示给出了ADS-B消息正确接收概率与发射ADS-B信号的飞机数量的关系曲线，其中横坐标表示发送ADS-B信号的飞机数量，纵坐标表示ADS-B消息正确接收概率，标注“□”的蓝色曲线表示信道中仅存在ADS-B信号时ADS-B消息冲突概率的实验结果，标注“◇”的黑色曲线表示信道中存在ADS-B信号、Mode S信号和Mode A/C信号时ADS-B消息冲突概率的实验结果。结果表明：

（1）ADS-B消息正确接收概率随着发射ADS-B信号的飞机数量的增加而降低;

（2）加入Mode S信号和Mode A/C信号会降低ADS-B消息正确接收概率。

3.3 空中位置消息更新间隔

图5显示给出了发射ADS-B信号的飞机数量为500架时，模拟时间段内ADS-B位置消息更新间隔频率分布直方图，其中横坐标表示空中位置消息更新间隔，纵坐标表示该更新间隔的频率，图5（a）表示信道中仅存在ADS-B信号时空中位置消息更新间隔的频率分布直方图，图5（b）表示信道中存在ADS-B信号、Mode S信号和Mode A/C信号时空中位置消息更新间隔的频率分布直方图。为了分析ADS-B位置消息更新间隔的散布程度，定义95%位置消息更新间隔为ΔT95%，表示位置消息的更新间隔ΔT以0.95的概率低于ΔT95%，即P（ΔT≤ΔT95%）=0.95。