基于SNS的星基ADS-B系統(tǒng)性能仿真

秦定本 李少洋 劉海濤 李保國(guó)

摘要：星基廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)未來(lái)民航監(jiān)視的關(guān)鍵技術(shù)。為了仿真驗(yàn)證星基ADS-B系統(tǒng)的監(jiān)視性能，首先介紹了空間網(wǎng)絡(luò)仿真（SNS）軟件，然后基于SNS給出了星基ADS-B系統(tǒng)的仿真模型、飛機(jī)節(jié)點(diǎn)模型和衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)模型，并詳細(xì)描述了兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的主要功能，最后使用該模型對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果的一致性，驗(yàn)證了仿真模型的正確性。仿真結(jié)果表明，星基ADS-B接收機(jī)的監(jiān)視容量決定于空天鏈路的誤碼率和應(yīng)用子系統(tǒng)所要求的位置報(bào)文更新間隔。

關(guān)鍵詞：星基ADS-B系統(tǒng);SNS;仿真;監(jiān)視容量

中圖分類(lèi)號(hào)：TP3? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）16-0271-05

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

1 引言

星基ADS-B系統(tǒng)通過(guò)將 ADS-B 接收機(jī)部署于低軌道的衛(wèi)星上，利用多顆低軌道衛(wèi)星形成覆蓋全球的星基監(jiān)視系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)全球范圍內(nèi)航空器的可靠持續(xù)監(jiān)視，因此成為民航新一代航空器監(jiān)視技術(shù)的核心[1-4]。星基ADS-B系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用前景，而且了解其系統(tǒng)性能是設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的前提，因此研究系統(tǒng)的監(jiān)視性能具有重要的意義。

在對(duì)星基ADS-B系統(tǒng)的監(jiān)視性能研究方面，文獻(xiàn)[5]基于大量真實(shí)的飛行數(shù)據(jù)建立了星基ADS-B系統(tǒng)的共信道干擾模型，并使用該模型仿真分析了共信道干擾對(duì)位置報(bào)文更新間隔性能的影響，仿真結(jié)果表明：位置報(bào)文更新間隔以95%的概率小于15s。文獻(xiàn)[6]使用仿真器對(duì)民航客機(jī)的位置報(bào)文的最大沖突概率進(jìn)行了估計(jì)。文獻(xiàn)[7]基于Aloha協(xié)議仿真了衛(wèi)星CanX-7接收?qǐng)?bào)文的沖突概率。文獻(xiàn)[8]給出了理想情況下星基ADS-B接收機(jī)監(jiān)視容量的理論計(jì)算方法，并仿真驗(yàn)證理論公式的正確性。

盡管文獻(xiàn)[5-8]建立了系統(tǒng)仿真模型并仿真了系統(tǒng)的監(jiān)視性能，但是未能給出飛機(jī)節(jié)點(diǎn)和衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的模型及其主要功能描述，未能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)仿真。為此，本文在SNS仿真軟件平臺(tái)上構(gòu)建星基ADS-B系統(tǒng)的模型及各個(gè)節(jié)點(diǎn)的模型，并使用構(gòu)建的模型對(duì)系統(tǒng)相關(guān)性能進(jìn)行仿真，以此驗(yàn)證仿真模型的正確性，從而分析影響系統(tǒng)性能的因素。

2 SNS仿真軟件

2.1 SNS總體架構(gòu)

空間網(wǎng)絡(luò)仿真軟件（Space Network Simulation，SNS）是北京航空航天大學(xué)國(guó)家空管新航行系統(tǒng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的一套離散時(shí)間仿真系統(tǒng)[9]。該仿真軟件具有架構(gòu)設(shè)計(jì)可擴(kuò)展性強(qiáng)、代碼可用性高、可移植性高和學(xué)習(xí)操作門(mén)檻低等特點(diǎn)。SNS仿真軟件采用基于離散事件的仿真機(jī)制，支持面向?qū)ο蟮慕７绞?，可以?shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的靈活配置，適合于衛(wèi)星移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的仿真研究與測(cè)試[10]。

圖1給出了SNS仿真軟件的總體架構(gòu)。SNS仿真軟件主要包括仿真主控SNServer、仿真內(nèi)核SNSimu和外部接口等三部分。其中，仿真主控SNServer部分主要負(fù)責(zé)各個(gè)模塊間的協(xié)調(diào)和管理控制;仿真內(nèi)核SNSimu部分是仿真軟件的核心，主要負(fù)責(zé)各層協(xié)議和事件的處理;外部接口部分主要負(fù)責(zé)連接真實(shí)的物理設(shè)備。

2.2 SNS仿真流程

如圖2給出了基于SNS的網(wǎng)絡(luò)仿真流程。首先是創(chuàng)建工程，然后按照層次化建模依次生成場(chǎng)景、節(jié)點(diǎn)和進(jìn)程模型，并把每個(gè)進(jìn)程關(guān)聯(lián)到相應(yīng)的節(jié)點(diǎn);隨后對(duì)進(jìn)程進(jìn)行模型代碼開(kāi)發(fā)以表明各個(gè)進(jìn)程的特性，接下來(lái)進(jìn)行編譯測(cè)試保證代碼編寫(xiě)正確且系統(tǒng)運(yùn)行正常;最后產(chǎn)生業(yè)務(wù)，運(yùn)行仿真，得到統(tǒng)計(jì)結(jié)果，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，得出仿真結(jié)論。若結(jié)果不符合預(yù)期期望，則需返回到模型代碼開(kāi)發(fā)，完善或改進(jìn)功能函數(shù)，再根據(jù)流程運(yùn)行，直至得出預(yù)期結(jié)果。

3 仿真設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)仿真模型

圖3給出了星基ADS-B系統(tǒng)仿真模型，系統(tǒng)仿真模型中主要包括2類(lèi)節(jié)點(diǎn)：飛機(jī)節(jié)點(diǎn)、衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)。其中衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)為1個(gè)，在直角坐標(biāo)系統(tǒng)的坐標(biāo)為[0，0，H];飛機(jī)節(jié)點(diǎn)為[N]個(gè)，且飛機(jī)節(jié)點(diǎn)在衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)覆蓋半徑[R]范圍內(nèi)均勻分布，在直角坐標(biāo)系統(tǒng)的坐標(biāo)為[x，y，0]，其中[x≤R，y≤R]。每個(gè)飛機(jī)節(jié)點(diǎn)按照相應(yīng)報(bào)文發(fā)送的標(biāo)準(zhǔn)，周期性產(chǎn)生位置報(bào)文、速度報(bào)文、狀態(tài)報(bào)文及標(biāo)識(shí)報(bào)文，并發(fā)送給衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)。衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)對(duì)到達(dá)的報(bào)文進(jìn)行沖突判斷和解調(diào)，得到正確接收的報(bào)文。

3.2 飛機(jī)節(jié)點(diǎn)模型

飛機(jī)節(jié)點(diǎn)包含應(yīng)用實(shí)體和鏈路實(shí)體。飛機(jī)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用實(shí)體負(fù)責(zé)位置報(bào)文、速度報(bào)文、狀態(tài)報(bào)文以及標(biāo)識(shí)報(bào)文的定時(shí)周期產(chǎn)生并發(fā)送給下層實(shí)體，模擬報(bào)文的產(chǎn)生過(guò)程;飛機(jī)節(jié)點(diǎn)的鏈路實(shí)體有一個(gè)FIFO緩沖隊(duì)列，鏈路實(shí)體負(fù)責(zé)接收上層實(shí)體發(fā)送的各種類(lèi)型的報(bào)文消息，按照?qǐng)?bào)文消息到達(dá)鏈路實(shí)體時(shí)間的先后順序依次將報(bào)文消息插入到緩沖隊(duì)列中，并延時(shí)120us（報(bào)文長(zhǎng)度）將其從緩沖隊(duì)列取出并往下層實(shí)體繼續(xù)發(fā)送，模擬報(bào)文的傳輸過(guò)程。從鏈路實(shí)體往下層實(shí)體發(fā)送的報(bào)文消息會(huì)通過(guò)本飛機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)送給衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)。通過(guò)以上過(guò)程，便可模擬實(shí)現(xiàn)飛機(jī)與衛(wèi)星之間的通信。

3.2.1 實(shí)體功能描述

飛機(jī)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用實(shí)體主要功能是產(chǎn)生報(bào)文。在飛機(jī)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用實(shí)體初始化時(shí)讀取對(duì)應(yīng)配置文件，如產(chǎn)生報(bào)文的大小等參數(shù);在應(yīng)用實(shí)體初始化完成后，開(kāi)始發(fā)送四個(gè)定時(shí)空消息用于驅(qū)動(dòng)飛機(jī)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用實(shí)體定時(shí)產(chǎn)生四類(lèi)報(bào)文。用于驅(qū)動(dòng)本飛機(jī)產(chǎn)生報(bào)文的空消息發(fā)送的定時(shí)時(shí)間到，飛機(jī)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用實(shí)體開(kāi)始產(chǎn)生報(bào)文并立即發(fā)送，且發(fā)送定時(shí)空消息，用于驅(qū)動(dòng)本飛機(jī)節(jié)點(diǎn)的下一個(gè)此類(lèi)報(bào)文的產(chǎn)生。下面以定時(shí)產(chǎn)生位置報(bào)文為例，描述飛機(jī)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用實(shí)體產(chǎn)生并發(fā)送位置報(bào)文和定時(shí)空消息發(fā)送過(guò)程，流程如下：

飛機(jī)節(jié)點(diǎn)的鏈路實(shí)體主要功能是接收上層實(shí)體發(fā)送的報(bào)文消息，并模擬報(bào)文的傳輸過(guò)程。在飛機(jī)節(jié)點(diǎn)的鏈路實(shí)體初始化時(shí)讀取對(duì)應(yīng)配置文件，如數(shù)據(jù)鏈路帶寬等參數(shù);上層實(shí)體報(bào)文消息到達(dá)鏈路實(shí)體后，開(kāi)始將報(bào)文消息插入到FIFO緩沖隊(duì)列中，并發(fā)送定時(shí)空消息，目的是在報(bào)文傳輸完成后將報(bào)文消息取出并繼續(xù)往下層實(shí)體發(fā)送。下面分別給出鏈路實(shí)體接收?qǐng)?bào)文消息和從隊(duì)列取報(bào)文消息的過(guò)程，具體流程如下：

3.3 衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)模型

衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)包含應(yīng)用實(shí)體和鏈路實(shí)體。衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的鏈路實(shí)體負(fù)責(zé)接收不同飛機(jī)發(fā)送的位置報(bào)文、速度報(bào)文、狀態(tài)報(bào)文及標(biāo)識(shí)報(bào)文消息，然后將此報(bào)文消息發(fā)送給上層實(shí)體。衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用實(shí)體從下層實(shí)體接收?qǐng)?bào)文消息，統(tǒng)計(jì)所有到達(dá)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的報(bào)文數(shù)量;對(duì)報(bào)文進(jìn)行沖突判斷，統(tǒng)計(jì)沖突的報(bào)文數(shù)量;并對(duì)無(wú)沖突的報(bào)文進(jìn)行解調(diào)，統(tǒng)計(jì)成功收到的報(bào)文數(shù)量;并記錄每一個(gè)飛機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)送且被衛(wèi)星正確接收的位置報(bào)文的到達(dá)衛(wèi)星的時(shí)刻。通過(guò)以上過(guò)程，便可模擬實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星對(duì)報(bào)文的接收。

3.3.1 實(shí)體功能描述

衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的鏈路實(shí)體主要功能是接收各個(gè)飛機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的報(bào)文消息，然后將報(bào)文消息發(fā)送給上層實(shí)體，此過(guò)程較為簡(jiǎn)單，在此不做描述。衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用實(shí)體主要功能是從下層實(shí)體接收?qǐng)?bào)文消息，并進(jìn)行沖突判斷和解調(diào)。下面分別給出報(bào)文的沖突判斷過(guò)程和正確接收過(guò)程，流程如下圖7圖8。

3.4 參數(shù)統(tǒng)計(jì)

仿真輸出需要統(tǒng)計(jì)到達(dá)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)總的報(bào)文數(shù)、沖突的報(bào)文數(shù)和正確接收的報(bào)文數(shù)，分別用于計(jì)算報(bào)文沖突概率、報(bào)文正確接收概率;另外還要統(tǒng)計(jì)不同飛機(jī)發(fā)送且被衛(wèi)星正確接收的位置報(bào)文到達(dá)時(shí)刻，用于計(jì)算95%位置報(bào)文更新間隔。下面給出系統(tǒng)參數(shù)的計(jì)算方法，如表1所示：

4 仿真結(jié)果

4.1 仿真參數(shù)

4.2 仿真結(jié)果

為了分析星基ADS-B接收機(jī)的監(jiān)視容量，首先給出報(bào)文沖突概率和報(bào)文正確接收概率，然后再根據(jù)統(tǒng)計(jì)的位置報(bào)文更新間隔中給出95%位置報(bào)文更新間隔，最后給出監(jiān)視容量。為驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性，下面給出理論參考公式[8]，如表3所示：

圖9顯示給出了位置報(bào)文更新時(shí)間間隔的直方圖，其中（a）是飛機(jī)數(shù)量為2500，空天鏈路誤碼率為0.001的位置報(bào)文更新時(shí)間間隔頻率直方圖;（b）是飛機(jī)數(shù)量為2500，空天鏈路誤碼率為0.001的位置報(bào)文更新時(shí)間間隔頻率累計(jì)直方圖。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，95%的位置報(bào)文更新間隔在20.0s之內(nèi)，與理論結(jié)果19.99s相一致，從而驗(yàn)證了95%位置報(bào)文更新間隔仿真的正確性。

圖10顯示給出了星基ADS-B接收機(jī)95%位置報(bào)文更新間隔與飛機(jī)數(shù)量的關(guān)系曲線，其中，橫坐標(biāo)代表飛機(jī)數(shù)量，縱坐標(biāo)代表95%位置報(bào)文更新間隔。從圖中可知：1）仿真結(jié)果與理論一致;2）誤碼率對(duì)95%位置報(bào)文更新間隔的影響較大，鏈路誤碼率為10-3時(shí)，4000架飛機(jī)的95%位置報(bào)文更新間隔為60s，而當(dāng)鏈路誤碼率惡化至10-2時(shí)，4000架飛機(jī)的95%位置報(bào)文更新間隔提高到180s;3）飛機(jī)數(shù)量對(duì)95%位置報(bào)文更新間隔影響較大，隨著飛機(jī)數(shù)量的增加，95%位置報(bào)文更新間隔增大，例如鏈路誤碼率為10-3時(shí)，飛機(jī)數(shù)量為1500時(shí)，95%位置報(bào)文更新間隔為10s;當(dāng)飛機(jī)增加到3500時(shí)，95%位置報(bào)文更新間隔顯著提高到40s。

圖11顯示給出了星基ADS-B接收機(jī)監(jiān)視容量與要求的位置報(bào)文更新間隔的關(guān)系曲線，其中，橫坐標(biāo)代表位置報(bào)文更新間隔，縱坐標(biāo)代表星基ADS-B接收機(jī)監(jiān)視容量。由圖中可知：1）仿真結(jié)果與理論一致;2）誤碼率對(duì)監(jiān)視容量的影響較大，當(dāng)要求的位置報(bào)文更新間隔為12s時(shí)，誤碼率為10-2時(shí)的監(jiān)視容量?jī)H為500架，誤碼率下降到10-4時(shí)的監(jiān)視容量則提高到2000架;3）監(jiān)視容量與位置報(bào)文更新間隔近似呈現(xiàn)線性關(guān)系，要求的位置報(bào)文更新間隔每減小1s，監(jiān)視容量減少101.5架。

5 結(jié)論

為了仿真驗(yàn)證星基ADS-B系統(tǒng)的監(jiān)視性能，文章基于SNS軟件對(duì)星基ADS-B系統(tǒng)及其衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)、飛機(jī)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了仿真建模，以網(wǎng)絡(luò)仿真的方式對(duì)星基ADS-B系統(tǒng)的監(jiān)視性能進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果與理論值保持一致，驗(yàn)證了仿真建模的正確性。

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