一種改進(jìn)的ADS-B信號(hào)前導(dǎo)脈沖檢測(cè)算法

許 哲，康 永

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第20研究所技術(shù)部，陜西西安 710068)

隨著我國(guó)“民航強(qiáng)國(guó)”戰(zhàn)略的實(shí)施，我國(guó)航空交通運(yùn)輸業(yè)呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的趨勢(shì)，民用航空新技術(shù)、新裝備也得到大力、快速地應(yīng)用。但由于航空運(yùn)輸系統(tǒng)的現(xiàn)有容量無(wú)法滿足快速增長(zhǎng)的航空運(yùn)輸業(yè)需求。因此，盡快開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的航空交通管理系統(tǒng)具有重大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視(ADS-B)技術(shù)是利用空地、空空數(shù)據(jù)鏈通信完成交通監(jiān)視和信息傳遞的一種航行新技術(shù)［1］。ADS-B技術(shù)不僅可以用于無(wú)雷達(dá)地區(qū)的遠(yuǎn)程航空器運(yùn)行監(jiān)視，而且與傳統(tǒng)雷達(dá)監(jiān)視技術(shù)相比，ADS-B技術(shù)還具有使用成本低、精度誤差小、監(jiān)視能力強(qiáng)等明顯優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于高密度飛行區(qū)域空中交通管理具有廣泛的應(yīng)用前景。國(guó)際民航組織(ICAO)將其確定為未來(lái)監(jiān)視技術(shù)發(fā)展的主要方向，國(guó)際航空界正在積極推進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用。

1 ADS-B技術(shù)概述

ADS-B系統(tǒng)按設(shè)備可分為機(jī)載設(shè)備和地面設(shè)備，按信號(hào)傳遞方向可分為上行鏈路和下行鏈路［2］。目前的ADS-B設(shè)備有3種數(shù)據(jù)鏈模式:基于模式S的1090ES模式、UAT模式和VDL-4模式。3種模式各有優(yōu)缺點(diǎn)且互不兼容，其中1090ES為ICAO組織推薦，采用選擇性詢問(wèn)、雙向數(shù)據(jù)通信，不足之處是已經(jīng)出現(xiàn)頻譜過(guò)度使用的問(wèn)題;UAT模式在美國(guó)較為流行，采用二進(jìn)制連續(xù)相依鍵控(CP-FSK)，主要問(wèn)題是和DME地面設(shè)備相互干擾嚴(yán)重;VDL-4在歐洲較為流行，其核心是SOTDMA協(xié)議，主要問(wèn)題是VHF頻段資源緊張。3種數(shù)據(jù)鏈技術(shù)比較如表1所示。

表1 3種ADS-B數(shù)據(jù)鏈性能比較

文中主要介紹了基于1090ES數(shù)據(jù)鏈的ADS-B系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 ADS-B系統(tǒng)組成框圖

圖1中加裝ADS-B設(shè)備的飛機(jī)通過(guò)一臺(tái)發(fā)射機(jī)以周期方式向外發(fā)射自己的位置，同時(shí)還有身份、高度、速度和其它數(shù)據(jù)信息。ADS-B消息由ADS-B報(bào)文構(gòu)成，通過(guò)空-空、空-地?cái)?shù)據(jù)鏈廣播式傳播。1090ES數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)峭ㄟ^(guò)機(jī)載S模式ADS-B應(yīng)答機(jī)傳輸信號(hào)，由112個(gè)信息脈沖構(gòu)成的S模式ADS-B長(zhǎng)應(yīng)答信號(hào)格式如圖2所示。

圖2 ADS-B信號(hào)格式圖

ADS-B消息的應(yīng)答報(bào)頭(前導(dǎo)脈沖)為4個(gè)，每個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間為0.5±0.05 μs，相對(duì)于第1個(gè)脈沖，第 2、3、4 個(gè)脈沖分別出現(xiàn)在 1.0 μs、3.5 μs 和 4.5 μs處，定時(shí)誤差的相對(duì)精確位置不能超過(guò) ±0.05 μs［3］。應(yīng)答數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)脈沖)在4個(gè)應(yīng)答報(bào)頭之后的數(shù)據(jù)單元中，數(shù)據(jù)脈沖的第1 bit位出現(xiàn)在8.0 μs處。每條ADS-B消息的數(shù)據(jù)域長(zhǎng)度均為112 bit，與Mode S消息不同，Mode S消息有長(zhǎng)短碼之分，長(zhǎng)碼的數(shù)據(jù)域?yàn)?12 bit，短碼則為 56 bit［4］。消息脈沖寬度為 0.5 ±0.05 μs，與前導(dǎo)脈沖相同，每個(gè)消息的脈沖定時(shí)誤差相對(duì)于精確位置不得超過(guò)±0.05 μs。

ADS-B消息脈沖的形狀要求全部為方形脈沖，同一消息中的任何兩個(gè)脈沖幅度差不得超過(guò)2 dB，脈沖的上升時(shí)間為0.05 ms≤脈沖上升時(shí)間≤0.1 ms，脈沖的下降時(shí)間同樣需要滿足0.05 ms≤脈沖下降時(shí)間≤0.1 ms。

2 ADS-B前導(dǎo)脈沖檢測(cè)算法

在ADS-B信號(hào)檢測(cè)和分析算法中，主要研究領(lǐng)域均集中在時(shí)域。對(duì)于有效信號(hào)的判別主要依據(jù)3個(gè)重要標(biāo)志:有效脈沖位置標(biāo)志(Valid Pulse Position，VPP)、每個(gè)比特位信號(hào)的上升沿位置標(biāo)志(Leading Edge Position，LEP)和每個(gè)比特位信號(hào)的下降沿位置標(biāo)志(Falling Edge Position，F(xiàn)EP)。

如果一個(gè)采樣點(diǎn)的幅度值高于一個(gè)門(mén)限值(Threshold)，并假設(shè)這個(gè)采樣點(diǎn)為S。當(dāng)S點(diǎn)之后的不間斷N個(gè)采樣點(diǎn)的值都在門(mén)限值以上，那么S的位置可以看作是一個(gè)VPP，對(duì)于系統(tǒng)采樣頻率為10 MHz的情況，每個(gè)脈沖周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)為10，則門(mén)限值的調(diào)整一般以N＞3或N＞4，即有效脈沖至少需要維持 0.3 ms或0.4 ms以上［5］。

在上升沿標(biāo)志檢測(cè)算法中，VPP對(duì)應(yīng)某個(gè)采樣點(diǎn)(假設(shè)采樣點(diǎn)為S，把S點(diǎn)的前一個(gè)采樣點(diǎn)和后一個(gè)采樣點(diǎn)分別記為S1、S0)。當(dāng)S與S1之間的差值小于S與S0之間的差值時(shí)，可判定在采樣點(diǎn)S處有一個(gè)上升沿，上升沿標(biāo)志檢測(cè)示意圖如圖3所示。

圖3 上升沿標(biāo)志檢測(cè)示意圖

同理，在有效脈沖位置內(nèi)的某一個(gè)采樣點(diǎn)，如果某個(gè)樣點(diǎn)是一個(gè)有效脈沖位置，且與前一個(gè)樣點(diǎn)之間差值小于門(mén)限，與后一樣點(diǎn)之間差值大于門(mén)限，那么此樣點(diǎn)可以判定為一個(gè)下降沿PLE。下降沿標(biāo)志檢測(cè)示意圖如圖4所示。

圖4 下降沿標(biāo)志檢測(cè)示意圖

ADS-B報(bào)頭有效脈沖檢測(cè)完成后需要進(jìn)行有效報(bào)頭檢測(cè)，其檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)是:

(1)具有 0 μs、1 μs、3.5 μs 和 4.5 μs 時(shí)序的 4個(gè)脈沖。(2)4個(gè)脈沖中必須有≥2個(gè)上升沿標(biāo)志。(3)其余為有效脈沖位置。(4)采樣容錯(cuò)能力:±1個(gè)采樣點(diǎn)。

3 改進(jìn)的ADS-B前導(dǎo)脈沖檢測(cè)算法

目前主流的ADS-B前導(dǎo)脈沖有效性檢測(cè)主要依靠上升沿標(biāo)志(ALE)和脈沖有效位置標(biāo)志(VPP)兩個(gè)標(biāo)志進(jìn)行檢測(cè)，只有當(dāng)兩種檢測(cè)全部通過(guò)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)后才能判定一個(gè)有效脈沖報(bào)頭。傳統(tǒng)檢測(cè)方法的數(shù)學(xué)模型為

這種檢測(cè)方法在信噪比較高時(shí)具有較好的性能，但是在信噪比相對(duì)較低時(shí)，傳統(tǒng)的檢測(cè)方法的報(bào)頭漏檢率較高。如果考慮ALE檢測(cè)和VPP檢測(cè)的相關(guān)性，由一個(gè)檢測(cè)函數(shù)檢測(cè)ALE與VPP的相關(guān)性，并通過(guò)兩者的相關(guān)性來(lái)確定4個(gè)報(bào)頭脈沖的檢測(cè)結(jié)果，即

該檢測(cè)方法可以提供相比傳統(tǒng)檢測(cè)方法更高的檢測(cè)概率，有效減少因信噪比降低而引起的漏檢率上升問(wèn)題。其檢測(cè)流程如圖5所示。

圖5 4報(bào)頭脈沖檢測(cè)流程圖

為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，考慮在高斯噪聲環(huán)境中，不同信噪比條件下新檢測(cè)方式與老檢測(cè)方式的4報(bào)頭脈沖檢測(cè)漏檢率性能比較如圖6所示。

如圖6所示，不同SNR條件下，4報(bào)頭脈沖檢測(cè)的漏檢率新檢測(cè)算法具有明顯的性能提升，其增益在SNR為1～8 dB區(qū)間內(nèi)約有1～1.3 dB的增益。

圖6 不同檢測(cè)方式4報(bào)頭脈沖漏檢率比較

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著地空空域的逐漸開(kāi)放，ADS-B技術(shù)在今后將成為通航領(lǐng)域內(nèi)一項(xiàng)重要的空中交通監(jiān)視和信息傳遞技術(shù)。ADS-B設(shè)備與技術(shù)的研發(fā)也將成為重要研究方向。本文討論了ADS-B報(bào)頭檢測(cè)的方法，在此基礎(chǔ)上提出的新檢測(cè)方式可以有效降低ADS-B4報(bào)頭脈沖檢測(cè)的漏檢率。

［1］中國(guó)民用航空局飛行標(biāo)準(zhǔn)司.廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視在飛行運(yùn)行中的應(yīng)用(AC-91-07)［S］.北京:中國(guó)民用航空局飛行標(biāo)準(zhǔn)司，2007.

［2］王菲.基于1090MHz ES數(shù)據(jù)鏈ADS-B關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.成都:電子科技大學(xué)，2009.

［3］RTCA Inc.DO-260A DC 20036-5133［P］.USA Washington:RTCA Inc，2003.

［4］GARLOCH J L.Flight testing of a prototype cockpit display of traffic information for approach spacing applications ［C］.DASC，the 20th Conference on Digital Avionics Systems，2001.

［5］劉曉斌.基于模式S的ADS-B接收機(jī)系統(tǒng)算法研究［D］.成都:電子科技大學(xué)，2008.