基于Android和SDR的低成本空中交通監(jiān)視系統(tǒng)

王耀磊+許國宏+徐林峰

摘要：介紹了軟件無線電（SDR）技術(shù)以及ADS-B技術(shù)，并分析了1090ES報(bào)文格式；將軟件無線電技術(shù)與ADS-B相結(jié)合，基于Android平臺搭建了空中交通監(jiān)視系統(tǒng)，并驗(yàn)證了系統(tǒng)性能。該系統(tǒng)可較好地實(shí)現(xiàn)對空中交通的監(jiān)視，并且便攜，成本低廉，應(yīng)用前景廣泛。

關(guān)鍵詞：Android；SDR；ADS-B

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）35-0278-02

Low Costs Air Traffic Monitoring System Based on Android and SDR

WANG Yao-lei，XU Guo-hong，XU Lin-feng

（China Research Institude of Radio Wave Propagation， Qingdao 266107， China）

Abstract：The software defined radio technology and ADS-B technology are introduced. The 10900ES message format is analyzed. The software radio technology is combined with ADS-B. The air traffic monitoring system is built based on Android platform and the system performance is verified. The system can be better to achieve air traffic surveillance， and portable， low cost， wide application prospects.

Key words：Android； SDR； ADS-B

1 概述

隨著民用航空通信與監(jiān)視技術(shù)的發(fā)展，1090MHz擴(kuò)展電文（1090ES）數(shù)據(jù)鏈已經(jīng)發(fā)展為機(jī)載防撞系統(tǒng)、廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視ADS-B、二次雷達(dá)的重要通信鏈路[[1]]。目前，我國運(yùn)輸機(jī)都已具備基于1090ES數(shù)據(jù)鏈的監(jiān)視能力，由于1090ES數(shù)據(jù)鏈為全球公開協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈，可以實(shí)現(xiàn)對其廣播數(shù)據(jù)鏈的接收。

隨著Android系統(tǒng)的廣泛使用[[2]]，便攜智能終端的普及，結(jié)合軟件無線電技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)低成本便攜的ADS-B接收系統(tǒng)，對1090ES數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行接收，實(shí)現(xiàn)空中交通監(jiān)控。

2 簡介

2.1 ADS-B簡介

ADS-B是廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視（Automatic Dependent Surveil-lance-Broadcast）縮寫，它主要實(shí)施空對空監(jiān)視，一般情況下，只需機(jī)載電子設(shè)備（GPS接收機(jī)、數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)瞻l(fā)機(jī)及其天線、駕駛艙沖突信息顯示器 ），不需要任何地面輔助設(shè)備即可完成相關(guān)功能，裝備ADS-B的飛機(jī)可通過數(shù)據(jù)鏈廣播其自身的精確位置和其他數(shù)據(jù)（如速度、高度及飛機(jī)是否轉(zhuǎn)彎、爬升或下降等）。 ADS-B接收機(jī)與空管系統(tǒng)、其他飛機(jī)的機(jī)載ADS-B結(jié)合起來，在空地都能提供精確、實(shí)時(shí)的沖突信息，民航管制部門可根據(jù)所顯示飛機(jī)信息對其進(jìn)行相應(yīng)的監(jiān)視和管理。

目前支持ADS-B技術(shù)的數(shù)據(jù)鏈有三種：1090ES、UAT以及VDL-4，三種數(shù)據(jù)鏈數(shù)據(jù)特性比較。其中，1090ES 數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)菄H民用航空組織推薦的用于全球商用航空飛機(jī)支持ADS-B應(yīng)用的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)[[3]]。本文涉及內(nèi)容全部基于1090ES數(shù)據(jù)鏈。

1090ES是基于S模式應(yīng)答機(jī)的一種技術(shù)，它的下行頻率是1090MHz，數(shù)據(jù)傳輸采用脈沖位置編碼。1090ES用發(fā)射機(jī)和發(fā)射天線來傳送不同的消息，包括24比特碼、高度、呼號等。由于消息長度的限制，每次傳送的消息只能包含有限的信息，所以需要通過多次傳輸消息才能獲得完整的飛行器信息。接收機(jī)將飛行器送來的位置、速度、標(biāo)識等信息，按照一定格式編碼匯總，形成標(biāo)準(zhǔn)的ADS-B報(bào)告（包括狀態(tài)報(bào)告、模式報(bào)告和速度報(bào)告），并以脈沖位置編碼的數(shù)據(jù)格式發(fā)送至ADS-B數(shù)據(jù)用戶。

1090ES數(shù)據(jù)鏈包括航空器S模式應(yīng)答機(jī)面向二次雷達(dá)的應(yīng)答信息、ADS-B報(bào)文以及TCAS機(jī)載防撞系統(tǒng)的問答信息。每條擴(kuò)展報(bào)文均在報(bào)文開頭以5比特位標(biāo)識數(shù)據(jù)的下傳格式（DF），以隨后3比特位標(biāo)識詳細(xì)的報(bào)文數(shù)據(jù)內(nèi)容類別。

接收報(bào)文時(shí)，首先根據(jù)接收到的廣播數(shù)據(jù)識別數(shù)據(jù)格式DF并進(jìn)行CRC校驗(yàn)，對校驗(yàn)正確的報(bào)文進(jìn)行解析，從而獲得航空器應(yīng)答機(jī)地址，解析報(bào)文中數(shù)據(jù)內(nèi)容，并更新航空器的飛行狀態(tài)。

2.3 軟件無線電簡介

軟件無線電，即Software Defined Radio，簡稱SDR[[4]]，在計(jì)算機(jī)或智能終端系統(tǒng)中，利用軟件的方法來替代典型硬件功能的無線電系統(tǒng)，該系統(tǒng)由天線、射頻前端、ADC/DAC以及軟件代碼構(gòu)成。目前常見的軟件無線電硬件平臺主要有RTL-SDR、HackRF、bladeRF以及USRP等。

ADS-B信號經(jīng)天線接收，送至SDR接收機(jī)，接收機(jī)實(shí)現(xiàn)對信號的放大、濾波、變頻以及數(shù)字化，數(shù)字化后的信號由USB接口送至智能終端，智能終端完成對報(bào)文的解碼，生成標(biāo)準(zhǔn)的KML格式信息，并顯示在地圖上。

數(shù)據(jù)接收處理模塊獨(dú)立線程運(yùn)行，用于接收SDR接收機(jī)通過USB端口傳輸?shù)膱?bào)文數(shù)據(jù)，并對接收到的報(bào)文進(jìn)行解析，維護(hù)航空器目標(biāo)列表緩存，并更新緩存中航空器的飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)。當(dāng)航空器飛離可監(jiān)控區(qū)域或降落后，接收機(jī)無法再繼續(xù)收到該航空器發(fā)射的ADS-B報(bào)文，航空器目標(biāo)清理模塊將對其進(jìn)行清理，即當(dāng)接收機(jī)無法收到對應(yīng)航空器報(bào)文的時(shí)間超過預(yù)定門限時(shí)間后，航空器目標(biāo)清理模塊對航空器目標(biāo)列表中過期的航空器進(jìn)行清理；航空器監(jiān)視模塊用于將航空器位置、軌跡等信息實(shí)時(shí)顯示在地圖上，方便用戶觀察；數(shù)據(jù)存儲模塊用于存儲航空器飛行數(shù)據(jù)；SDR接收機(jī)控制用于對接收機(jī)進(jìn)行初始化，對接收機(jī)進(jìn)行控制。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本文以包含OTG功能基于Android 5.1.1的智能手機(jī)作為平臺，利用Java語言編寫了數(shù)據(jù)采集解碼APP，實(shí)現(xiàn)了對航空器1090ES數(shù)據(jù)鏈的解析，并在地圖上實(shí)時(shí)顯示航空器軌跡。系統(tǒng)界面如圖3所示。最遠(yuǎn)可實(shí)現(xiàn)超過300Km的監(jiān)控范圍。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的基于Android和SDR的低成本空中交通監(jiān)視系統(tǒng)，具有成本低、便攜、使用方便等特點(diǎn)，具有較為廣闊的應(yīng)用空間。

參考文獻(xiàn)：

[1] Clarification Mode S Transponder in an Airport/A-SMGCS Environment [S].European Organisation for the Safety of Air Navigation，2005.

[2] 菲利普斯.Android編程權(quán)威指南[M].人民郵電出版社出版，2016.

[3] 楊榮盛. 基于1090ES數(shù)據(jù)鏈通信模式的ADS-B在航班動(dòng)態(tài)監(jiān)控的應(yīng)用[J].通信與信息技術(shù)， 2014（2）：68-69.

[4] 楊卿.無線電安全攻防大揭秘[M].電子工業(yè)出版社， 2016.

[5] 李鋼. 低成本實(shí)現(xiàn)1090ES模式ADS-B監(jiān)控的方法[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用， 2015（7）：47-48.