一种ADS-B空间信息采集系统的设计

吴小丹 黄奕 徐贺明 张建军 宋卫

摘要：本文對一种ADS-B空间信息采集系统进行了研究，阐述了该系统的工作原理，并对ADS-B全域空间信息在线系统的软硬件架构进行了详细论述。该系统通过软件无线电（SDR）和异面构型天线解决了小型化多通道大容量接收的硬件难题，主要面向民航飞机ADS-B报文接收与应用领域。

关键词：ADS-B;软件无线电;数据采集

中图分类号：TP311.1     文献标识码：A    文章编号：1007-9416（2020）04-0000-00

0 引言

ADS-B的全称是广播式自动相关（Automatic Dependent Surveillance –Broadcast，ADS-B），是无线电技术在航空监视上的新应用，即基于GPS等导航卫星定位和空地、空空数据链的航空器运行监视系统。作为一种在空管监视领域被正式采用的新技术，与传统的地面雷达系统相比，ADS-B系统能跳过传统航空监视领域的应答步骤，提供更加实时和准确的航空器身份信息和三维位置信息，增加对偏远地区如森林、远海、沙漠的监视范围，同时减少有雷达区域对雷达多重覆盖的需求。ADS-B还可通过TIS-B和FIS-B应用程序提供交通和官方生成的图形天气、地形、空域限制等飞行信息，并向其它装载了ADS-B设备的飞机提供本飞机的位置和速度方向等信息，提高机组的空域情景意识，增强飞机的安全性，并可用于航空公司的运行监控和管理，为高效、安全地飞行奠定基础。因此，国际民航组织（International Civil Aviation Organization，ICAO）确定将其作为未来场面和空中监视系统的主流技术。

由于所有装配ADS-B系统的飞机随机、自动、周期性的广播ADS-B信号，本文研究的ADS-B空间信息系统，旨在利用卫星平台的高空优势实现对飞机飞行状态进行大范围的、近实时的连续跟踪与监视，尤其是对地面空管系统覆盖的薄弱地区，如大洋、北极、沙漠和地面系统投资费用高的偏远山区等空域进行全天候监视，大大提高飞机的飞行安全、飞行效率和空域利用率。

1 ADS-B空间信息采集系统的原理

ADS-B的工作原理如图1所示。首先机载ADS-B设备收集本机GNSS设备产生的定位信号（如GPS信号），对飞机进行实时定位，然后综合机身上搭载的惯性陀螺仪、高度计等设备产生的飞行相关信息，把本机身份、位置、高度、速度、航迹（爬升率、飞行方向）等数据组装后以一定的时间间隔向外广播，这样飞机和地面基站可同时看到空域内其它飞机的方位与状态，更好的对航线内飞机的间隔和密度进行规划，从而有效提高机组的空中交通情景意识，使飞行任务更加安全与高效。

由于传统的地基ADS-B系统通信时未规定通信协议，属于突发通信系统，所有的机载ADS-B设备都采用同频广播的方式随机发送ADS-B消息，因此，存在2个或多个ADS-B消息冲突的现象。当从卫星平台上接收飞机ADS-B信号时，由于视场远大于机载ADS-B的通信距离，飞机数量更多，视场内的飞机在同一时刻广播ADS-B，或者不同时刻广播的ADS-B消息因为传播时延不同而同时到达星载ADS-B接收机，因而ADS-B消息产生碰撞的概率会更高[1]。ADS-B信号冲突产生的原理如图2所示。

1090ES体制并未采用任何通信协议，所有机载ADS-B OUT设备都是随机发射PPM调制信号，传统的ADS-B基站主要依靠接收各信号的幅度差来进行碰撞信号的分离，因此，重点是要对到达天线接收端的信号功率进行精确估计。而在卫星上对地面的ADS-B进行接收时，由于接收范围扩大，无疑会放大卫星视场内信号碰撞的概率。因此，需要通过使用多个天线波束对视场内的空域进行分割，人工制造“小区”，使得各小区的信号功率差满足信号解算要求，达到对碰撞信号分离解算的目的。

2 ADS-B空间信息采集系统的设计与实现

2.1 系统组成及原理

ADS-B空间信息采集系统由ADS-B信号接收天线和ADS-B信号接收处理机组成，如图3所示。ADS-B信号接收天线为六棱台锥天线，共有7个天线单元，将接收到的L波段信号经过滤波放大后进行频点分离，形成UAT、1090ES各7路，共14路ADS-B射频信号送给接收机。ADS-B信号接收处理机由3个模块组成，分别是射频处理前端、信号处理模块和电源变换及参考时钟。

系统的工作原理如下：

1个多通道ADS-B天线接收覆盖范围内的ADS-B信号，形成7路ADS-B射频信号送给接收机; 接收处理机接收天线送来的7路ADS-B射频信号，并对其进行功分成14路信号，进行混频、采样、信号检测、噪声剔除、解信号冲突、解调、解码等处理，获取ADS-B的原始数据信息与解算信息;接收处理机通过总线通讯，传输遥测信息，同时可以进行太网高速总线通讯，实现解算数据的实时高速传输。

2.2 系统的硬件设计与实现

2.2.1接收天线

由于ADS-B信号带宽较宽，因此，接收灵敏度较低，对天线增益提出了较高的要求。同时，为了尽可能地发挥单个载荷的接收效能，需要在保证天线增益的情况下尽可能地扩大天线的波束角。经过仿真分析，结合卫星平台的约束条件，采用7个螺旋天线组成阵列天线，每个螺旋天线具有一定的安装指向，使得7个波束实现对空域±64°的的覆盖。天线的结构外形如图4所示。

六棱锥台结构以铝合金板材为原材料，其中隔板采取镂空设计以实现减重效果，镂空圆孔的尺寸远小于天线工作波长，对电性能无影响。

为了固定螺旋天线的螺距，以保证天线电性能，传统的螺旋天线一般将柔软的金属线缠绕在刻有螺旋线走向的全高支撑柱上，或者直接对弹性很差而刚度很强的金属线材料做定型处理，并依附于支撑柱上。

所設计的螺旋天线单元本身全高约350mm，为了适应小型化需求，必须压缩天线的高度。采取了对天线进行压紧释放的处理，避免使用全高支撑柱，然而加工工艺无法保证弹性螺旋线（铍青铜材料）经过热处理定型并且脱离模具后的螺距以及刚度。采用了张紧绳并行分段固接的形式，如图5所示。

为了满足接收天线的电性能需求，螺旋天线的螺距设计值应为65mm，但是为了保证天线本身的刚度，缩短冲击力矩，防止天线释放后造成螺线长时间抖动的问题，在结构设计中，将螺旋天线自然状态下的螺距设计为85mm，并采用三根均匀排布的张紧绳依次压紧绑定，实现螺旋天线的非完全释放。采用这种螺距设计的方式还可以精确控制螺距，极大补偿螺距不准造成的电性能的下降。

ADS-B天线的7副单元天线各指向不同方向，最终设计在每副天线的底部安装高度100mm（全高为350mm）的介质导向环以引导螺旋线的展开释放方向。压缩状态的ADS-B天线尺寸较展开状态的空间压缩比例达到77%。整个锥台结构采用中空设计，方便将后端的接收机和低噪放置于锥台内部，缩小系统整体包络。

2.2.2接收处理机

在ADS-B空间信息采集系统中，接收机内部各模块的原理连接如图6所示。

由图可知， ADS-B接收处理机由射频前端、信号处理器和二次电源组成。

射频前端功能是接收ADS-B合成网络输出的七通道L波段射频信号，经滤波放大，频率分离后输出共计十四路信号给信号处理器，并可根据指令要求分别调整各个输入通道的信号功率。

信号处理器采用FPGA+DSP的SDR架构，通过配置在外围的接口电路和存储芯片，以及接收前端的基于软件无线电的通用数字化射频前端，可以灵活的根据任务需求在线进行软件模块的载入和更新。信号处理器首先经ADC芯片接收包含的路信号，分别进行采样、滤波、放大、下变频等处理，输出零中频信号给FPGA芯片进行解时隙冲突、解调、打时标、组帧、信息提取等处理，精简信息通过CAN总线接口发送至综合电子分系统，普通信息通过网络接口输出至数据服务器[2]。

2.3 系统的软件算法

ADS-B空间信息采集系统采用七个独立通道进行数据的独立获取，在兼顾运算量和平台资源情况下，采用了基于极大似然相关解调方式的信号提取与解算算法[3]。

2.3.1报头框架初始检测算法

通过检测4个连续的模式S报头时间间隔的脉冲，开始进行脉冲报头的初始检测。检测的标准是：（1）4个脉冲报头和数据块第一个脉冲遵循0？s，1？s，3.5？s，4.5？s的时序关系;（2）4个报头脉冲里上升沿个数≥2;（3）其余为有效脉冲位置（VPP）;（4）由于设备内外部噪声等干扰的影响，为了防止脉冲位置偏移，采样容差可以+1（即后延一个样点）或-1（前推一个样点）。

2.3.2碰撞情况判断及解交织算法

碰撞情况判断：通过报头框架检测算法，在120us内检测到多个报头，则判断出现碰撞状况。

重构法：对于两重信号碰撞的情况，如果碰撞在一起的两个ADS-B信号功率值相差较大，则可以先提取较大功率的信号并进行噪声重构，再与碰撞在一起的原消息进行比较，剔除后得到功率较小的报文。

2.3.3比特位及置信度的判定

通过采用基线多样点技术利用每个模式S比特位（chip）的10个样点值来对0/1及置信度进行判定，算法流程如图7所示。利用AD采样出来的每个比特位的10个样点判断该比特位是1还是0;而置信度则是对比特位可能落入的0/1区域可能性大小的一种度量，置信度将会被用于后续的纠错模块。

3 应用领域与意义

ADS-B空间信息采集系统利用异面构型天线技术、综合数字化前端、新一代高速基带处理系统等技术，在降低系统重量和成本的同时，兼容世界主流的1090ES和UAT两种ADS-B信号制式，提高信号的接收范围和处理效率，可以全天时全天候采集全球民航、通航飞机发射的ADS-B信号，进行实时处理后在地面站应用端将空域内飞机的飞行状态实时显示出来。主要用于飞机航线安全监控及空管指挥，包括：绘制长期的空中态势图，帮助进行飞机航线规划，以低成本高性能的优势填补偏远地区、远海等缺乏传统空管雷达覆盖的区域，在中小机场替代空管雷达进行空域管理指挥，提高空难救援效率等。

4 结语

本文介绍了一种ADS-B空间信息采集系统的设计，该系统利用SDR（软件无线电技术）平台及异面天线构型技术，兼容1090ES和UAT两种ADS-B制式信号，同时解决了在设备小型化的同时，保留高性能数据处理能力的难题。

参考文献

[1] 吴小丹.一种全域数据采集与交换载荷技术的研究[J].空间电子技术，2018.

[2]赵民建.多波段、多速率、多模式软件无线电接收技术研究[D].杭州：浙江大学，2003年.

[3]吴骏.星载高灵敏度ADS-B接收机信号解算算法和研究[D].成都：电子科技大学，2016年.

收稿日期：2020-03-09

作者简介：吴小丹（1984—），男，贵州六盘水人，通信工程硕士，工程师，研究方向：数据收集载荷的融合技术，航空监视技术等。

The Design of ADS-B Space Data Collect System

WU Xiao-dan，HUANG Yi，XU He-ming，ZHANG Jian-jun，SONG Wei

（Shanghai Aerospace Electronic Technology Institute， Zhongchun Rd 1777， Shanghai  201109）

Abstract：This paper illuminates the working principle of an ADS-B space data collect system， and expounds the system design and its soft-hardware structure. The system resolves the hardware problems of miniaturization of multi-channel and large-capacity reception by applying software radio technology and different-planes-structure antenna， and is mainly oriented to the field of ADS-B message reception and application of civil aviation aircraft.

Key words： ADS-B;software radio;data acquisition