基于反演策略的星基ADS-B信號譯碼方法

馮 濤，梁 俊

(1.空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院 西安 710000；2.四川九洲空管科技有限責(zé)任公司 四川 綿陽 621000)

廣播式自動相關(guān)監(jiān)視(ADS-B)是航空監(jiān)視體系中對空管監(jiān)視雷達(dá)的替代和擴(kuò)展技術(shù)[1-3]，是國際民航組織(International Civil Aviation Organization,ICAO)主推的新一代監(jiān)視技術(shù)。星基ADS-B覆蓋范圍遠(yuǎn)、無視地形等障礙，可真正實現(xiàn)全球?qū)崟r連續(xù)無縫覆蓋。世界各航空大國均投入大量資源開展相關(guān)研究，美國、歐洲等已經(jīng)成功發(fā)射搭載ADSB系統(tǒng)的通信衛(wèi)星。

星基ADS-B系統(tǒng)接收信號能量弱、信噪比低，目前沒有一種專門適用于星基ADS-B信號的信號檢測與譯碼方法，這是后續(xù)解交織[4]、解碼[5-6]等信號處理的基礎(chǔ)。最常用的方法是單脈沖檢測技術(shù)[7-8]，通過檢測報文中每個碼脈沖信號上升沿、下降沿、平坦度，再根據(jù)一定的門限準(zhǔn)則判斷該碼脈沖是否有效。對于星基ADS-B信號，其主要特征是能量弱、信噪比低，適用于陸基ADS-B信號的檢測技術(shù)對星基ADS-B信號并不適用。常規(guī)單脈沖檢測譯碼技術(shù)效率低的原因之一是，該方法只利用了接收端信號而丟失了發(fā)射端ADS-B信號中的可用信息，如ADS-B報頭具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，充分利用該信息可以提高報文的檢測概率。反演技術(shù)正是基于這種思路的一種檢測技術(shù)，在工業(yè)CT檢測[9]、醫(yī)學(xué)成像[10]、地質(zhì)勘探[11]等領(lǐng)域均有大量成功應(yīng)用案例。

本文針對低信噪比ADS-B信號譯碼誤碼率大的難題，提出了一種基于反演策略的星基ADSB譯碼方法。該方法假設(shè)傳輸一幀ADS-B信號的空間在傳輸信號的時間段內(nèi)是一個穩(wěn)定的線性系統(tǒng)，接收端接收信號是發(fā)射端信號與該線性系統(tǒng)的卷積和。首先通過滑動窗檢測方法完成低信噪比的ADS-B報頭檢測，利用檢測到的報頭數(shù)據(jù)與理論報頭數(shù)據(jù)進(jìn)行反演計算，估計空間系統(tǒng)參數(shù)；然后利用該幀ADS-B接收信號和空間系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行反演計算，得到反演信號；最后將反演信號進(jìn)行波形校正，實現(xiàn)了ADS-B信號譯碼。通過一組仿真實驗展示了本文譯碼方法的完整操作流程，仿真實驗與常規(guī)單脈沖檢測方法對比，結(jié)果表明反演譯碼方法能夠?qū)崿F(xiàn)對ADS-B信號中每個碼脈沖準(zhǔn)確定位，譯碼正確率遠(yuǎn)高于常規(guī)單脈沖檢測方法。

1 ADS-B系統(tǒng)

1.1 ADS-B信號格式

ADS-B信號有3種，分別是1090ES數(shù)據(jù)鏈、UAT數(shù)據(jù)鏈和VDL-4數(shù)據(jù)鏈，其中1090ES數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)侨蜻\輸航空標(biāo)準(zhǔn)，我國運輸航空和通用航空ADS-B系統(tǒng)均采用1090ES數(shù)據(jù)鏈。

1090ES 模式 ADS-B 信號調(diào)制頻率 1 090 MHz，載波頻率允許最大偏差 1 MHz，幀長 120 μs，其中，報頭(前導(dǎo)信號)8 μs，數(shù)據(jù)域 112 μs。一個完整的1090ES模式ADS-B信號基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。報頭信號由4個脈沖組成，脈沖前沿時刻分別為 0、1、3.5 和 4.5 μs，每個脈沖持續(xù)時間為 0.5 μs。數(shù)據(jù)從第8 μs開始，120 μs處結(jié)束，采用脈沖位置調(diào)制進(jìn)行信息調(diào)制。每一個比特位的碼元有兩個碼片，比特1的碼元由一個前置脈沖和低電平碼片組成，比特0由一個低電平和一個后置脈沖碼片組成，每個碼片持續(xù)時間為0.5 μs。數(shù)據(jù)域中第33～88比特為信息位，包含了ADS-B信息的主要信息，第89～112比特為CRC校驗位。

1.2 星基ADS-B技術(shù)挑戰(zhàn)

根據(jù)某衛(wèi)星系統(tǒng)運行軌道高度和星座布局，所需探測距離為3 000 km，信號在傳輸過程中存在路徑損耗，根據(jù)式(1)估算最大損耗約為162.7 dB。

當(dāng)前機(jī)載ADS-B信號的發(fā)射功率為250 W，該信號經(jīng)過最大損耗后到達(dá)星載ADS-B系統(tǒng)的功率只有?109 dBm，有用信號受到噪聲干擾嚴(yán)重。如何在低信噪比下完成對ADS-B信號脈沖碼識別與準(zhǔn)確譯碼是星基ADS-B技術(shù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。

2 反演譯碼技術(shù)

2.1 ADS-B信號報頭檢測

每一個1090ES模式ADS-B都有固定的信號報頭格式，如4個相鄰脈沖間隔分別為1、3.5和4.5 μs，則可以判斷該信號為一個有效的ADS-B信號報頭。根據(jù)ICAO規(guī)定，1090ES模式有效脈沖判決的依據(jù)是，脈內(nèi)平坦度在1～2 dB以內(nèi)。但是在低信噪比下，信號脈沖受到噪聲干擾嚴(yán)重，低電平位置采樣點與高電平采樣點幅值相差不大。當(dāng)參考電平選取不當(dāng)時，1～2 dB的平坦度可能無法區(qū)分信號中的高低電平，但平坦度過小則會導(dǎo)致檢測容錯力低而丟失真實脈沖，因此，采用單脈沖檢測技術(shù)可能無法檢測出完整的報頭。本文在單脈沖檢測的基礎(chǔ)上，利用ADS-B信號報頭結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行綜合匹配判斷，實現(xiàn)低信噪比中報頭檢測。

ADS-B報頭檢測包括單脈沖檢測和報頭結(jié)構(gòu)滑動匹配判斷兩個部分。在單脈沖檢測中，假設(shè)ADS-B接收系統(tǒng)的采樣頻率為FS，在接收機(jī)收到一幀信號后，選取一個參考脈沖電平HR，以及有效脈沖平坦度范圍 ΔH，從接收信號第1個采樣點開始逐點判斷其電平幅值H的有效性，如果時刻ts處采樣點幅值H＞HR?ΔH，則認(rèn)為該采樣點幅值有效；若在近鄰NS=FS×0.5μs+ΔN采樣范圍內(nèi)，有效采樣點個數(shù)N的占有率p=p0滿足N/NS≥p，則認(rèn)為該NS個采樣點組成了一個有效的ADS-B碼片脈沖 P ，脈沖前沿時間為t0=ts。參數(shù)HR可根據(jù)實際接收信號實時計算，參數(shù) ΔH、ΔN、p可根據(jù)實際應(yīng)用環(huán)境人為設(shè)置，通常HR由第1個采樣點確定，ΔH≤3dB ，ΔN≤FS×0.1μs ，p≥0.75。

在報頭結(jié)構(gòu)滑動匹配判斷中，首先將有效碼片脈沖 P看作ADS-B報頭第1個脈沖，依次從時刻t0+1μs±ΔT、t0+3.5μs±ΔT和t0+4.5μs±ΔT處作為起始時刻計算時間窗NS內(nèi) 有效采樣點個數(shù)p1、p2和p3，若p1、p2和p3中至少有兩個滿足pi≥p，i=1,2,3，則P1=p1+p2+p3，否則P1=0；再將有效碼片脈沖 P看作ADS-B報頭第2個脈沖，依次從時刻t0?1μs±ΔT、t0+2.5μs±ΔT和t0+3.5μs±ΔT處作為起始時刻計算時間窗NS內(nèi) 有效采樣點個數(shù)p1、p2和p3，若p2和p3中 滿 足pi≥p，i=2,3，則P2=p1+p2+p3，否則P2=0。

在ADS-B信號報頭最終判斷中，若P1=P2=0，則判決脈沖 P 為無效報頭信號；若P1≥P2，且P1＞0，則判決脈沖 P為有效ADS-B報頭信號的第1個脈沖，ADS-B信號報頭起始時刻為t0=ts；若P2≥P1，且P2＞0，則判決脈沖 P為有效ADS-B報頭信號的第2個脈沖，ADS-B信號報頭起始時刻為t0=ts?0.1μs。

2.2 反演譯碼原理

在本文星基ADS-B信號譯碼應(yīng)用中，假設(shè)ADS-B信號傳輸空間為一個線性系統(tǒng)，在一幀ADS-B信號傳輸過程中，該空間系統(tǒng)參數(shù)恒定，則從機(jī)載ADS-B發(fā)射機(jī)的無噪信號x(t)、空間系統(tǒng)參數(shù)s(t)和星基ADS-B接收系統(tǒng)收到的信號r(t)之間滿足如下關(guān)系：

式中，*表示卷積和計算；噪聲ne(t)滿足高斯白噪聲分布。

因此，在接收到信號r(t)后，若能夠估計出s(t)和ne(t)，則使用反卷積算法即可完成原始無噪信號x(t)的估計。為便于計算，將卷積計算公式轉(zhuǎn)換成矩陣形式：

式中，R、X和n分 別為r(t)、x(t)和ne(t)的離散序列表示；若將s(t)離散化表示為一維序列S，則S為S形成的二維計算矩陣。

根據(jù)卷積定義，若x(t)和s(t)的采樣點個數(shù)分別為M和L，則r(t)的采樣點個數(shù)應(yīng)該為M+L，并且離散序列滿足：

估計誤差為：

根據(jù)最小均方誤差準(zhǔn)則，最佳的參數(shù)Xopt應(yīng)該使上述誤差的均方誤差最小，即：

取得最小值或者極小值，式(6)稱為均方誤差性能函數(shù)。

2.3 反演譯碼流程

反演譯碼的前提是能夠具備系統(tǒng)參數(shù)S的估計值。ADS-B信號報頭不包含任何有用信息，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，因此，在完成ADS-B信號報頭檢測后，根據(jù)反演計算方法[12]可以利用從檢測到的報頭數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)的報頭數(shù)據(jù)得到系統(tǒng)參數(shù)S的估計值。

假設(shè)檢測出ADS-B信號的報頭部分為RP，標(biāo)準(zhǔn)ADS-B信號報頭數(shù)據(jù)為XP，將式(6)中的待求參數(shù)換成S，則：

令：

直接計算可得：

理論上講，標(biāo)準(zhǔn)報頭數(shù)據(jù)的幅值不影響最終的參數(shù)估計，因為工程應(yīng)用感興趣的是參數(shù)的波形而不是數(shù)值。但是根據(jù)式(8)進(jìn)行反演計算時涉及到矩陣求逆或者迭代求逆計算，檢測數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)之間的幅值相差太大會影響計算結(jié)果，因此實際計算中應(yīng)根據(jù)式(1)的損耗計算方法對標(biāo)準(zhǔn)信號進(jìn)行修正，使其幅度值與實際檢測信號幅值相近。

一幀ADS-B報文在傳輸過程中經(jīng)歷的信道環(huán)境完全一樣，因此，ADS-B信息報頭和數(shù)據(jù)域兩個部分受到空間系統(tǒng)的影響相同。假設(shè)該幀ADSB信號數(shù)據(jù)部分的一個碼片采樣數(shù)據(jù)為RD，期望得到的標(biāo)準(zhǔn)ADS-B信號報頭數(shù)據(jù)碼片采樣數(shù)據(jù)為XD，則兩者與系統(tǒng)參數(shù)S，滿足卷積計算式(3)，其中S由S形成。由于RD和XD長度相同，RD實際選取XD與S卷積和的中間部分，相對應(yīng)的，矩陣S行也應(yīng)進(jìn)行截斷處理。即從原始矩陣S的第L/2行開始，保留包括該行在內(nèi)的后續(xù)M行數(shù)據(jù)，使其矩陣行數(shù)與RD長度相匹配。在反演譯碼計算中，直接將式(9)中的XP替換為S，RP替換為RD，采用矩陣求逆方法或者線性迭代方法。一幀ADS-B信號的數(shù)據(jù)域包括了112個碼元，反演譯碼分為224個窗口進(jìn)行。

最后對反演得到的整段ADS-B報文數(shù)據(jù)進(jìn)行碼元脈沖波形修正，使各碼元具有標(biāo)準(zhǔn)的方波脈沖特征。修正方法仍采用單脈沖檢測技術(shù)，經(jīng)過波形修正后的波形即為完整的ADS-B報文脈沖序列，計算機(jī)讀取該標(biāo)準(zhǔn)方波序列即可實現(xiàn)對該ADS-B報文中有用信息讀取。

3 仿真實驗

3.1 實驗場景設(shè)置

為了驗證本文譯碼方法的有效性，將該方法應(yīng)用到一幀1090ES模式ADS-B信號的前40 μs部分譯碼中，并將該譯碼方法與常規(guī)單脈沖方法比較，本文譯碼方法過程包括報頭檢測、空間系統(tǒng)參數(shù)估計、數(shù)據(jù)域譯碼3個步驟，各步驟中的參數(shù)如表1所示，信道干擾為加性隨機(jī)高斯白噪聲，常規(guī)單脈沖檢測方法相關(guān)參數(shù)與表1中相同。

表1 仿真參數(shù)

仿真實驗中模擬的ADS-B信號數(shù)據(jù)域第1～5位設(shè)置為10001，第6～8位為010，第9～32位地址位設(shè)置為0。為數(shù)據(jù)觀測方便，本文仿真實驗只對上述部分的ADS-B報文做譯碼測試，測試結(jié)果并不影響整體性能分析。另外，本文實驗中使用的模擬ADS-B報文碼元組成僅為了仿真實驗觀測方便，并不代表真實ADS-B報文結(jié)構(gòu)。

3.2 仿真結(jié)果分析

3.2.1 報頭檢測

仿真ADS-B信號按表1中信號生成參數(shù)產(chǎn)生，報頭信號幅度值為1，信噪比為?1.58 dB，仿真實驗中數(shù)據(jù)采樣率為40 MHz，ADS-B信號報頭到達(dá)時間為5 μs，分別采用常規(guī)單脈沖檢測技術(shù)和本文滑動窗匹配檢測技術(shù)提取該信號報頭，兩方法中的參考脈沖電平HR為含噪接收信號0 μs時刻開始前20個波峰平均值，兩方法其他參數(shù)與表1中報頭檢測部分設(shè)置參數(shù)一致。

實際報頭檢測結(jié)果如圖2所示，由圖可見，常規(guī)單脈沖檢測技術(shù)將含噪接收信號中疑似碼片的信號段提取出來，并標(biāo)記為有效碼片脈沖，但是缺乏報頭整體判斷，該方法在第4～12 μs時間段內(nèi)從該段信號中共檢測出7個碼片脈沖，實際只有3個與理論ADS-B報頭的第2、3和4碼片脈沖位置吻合?；瑒哟捌ヅ浞椒ㄔ趩蚊}沖提取結(jié)果的基礎(chǔ)上識別出ADS-B的第1個碼片脈沖位置，其他無效位置上提取的疑似碼片脈沖全部被抑制，實測第1個檢測碼脈沖前沿時刻為5 μs，第4個碼脈沖結(jié)束時刻為10 μs，滑動窗匹配檢測方法提取出的信號報頭與理論信號報頭碼片脈沖位置完全一致。

3.2.2 空間系統(tǒng)參數(shù)估計

按照ADS-B信號報頭檢測結(jié)果，選取圖2中4.75～10.25 μs段含噪接收數(shù)據(jù)為RP，標(biāo)準(zhǔn)ADS-B信號報頭部分為XP，信號傳輸空域的狀態(tài)參數(shù)為S，根據(jù)反演計算式(9)可得持續(xù)時間0.5 μs的空間系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)分布如圖3所示。

空間系統(tǒng)參數(shù)并沒有固定的數(shù)值結(jié)構(gòu)，只與信號傳輸當(dāng)時的空間狀態(tài)有關(guān)，在不同時段和不同空間位置傳輸?shù)腁DS-B信號所經(jīng)歷的空間系統(tǒng)參數(shù)不能通用。

3.2.3 數(shù)據(jù)域反演譯碼

假設(shè)同一幀ADS-B信號在空間傳輸過程中空間狀態(tài)穩(wěn)定，該幀廣播信號各段數(shù)據(jù)經(jīng)歷的空間系統(tǒng)參數(shù)完全相同，構(gòu)造反演系統(tǒng)參數(shù)矩陣為：

在對接收信號數(shù)據(jù)域反演計算中，一個碼元接收數(shù)據(jù)RD和待求碼元數(shù)據(jù)XD長度均為L，則三者的卷積計算可表示為：

則第i個碼元處的反演計算式為：

式中，RDi為第i個碼元接收數(shù)據(jù)；XDi為第i個碼元反演數(shù)據(jù)。

從接收到的ADS_B信號第t=t0+8處開始依次截選時間窗為0.5 μs的數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)域一個碼元長度數(shù)據(jù)RD，窗口內(nèi)數(shù)據(jù)采樣點數(shù)為L=Fs×Δt=40×0.5=20。按照式(12)通過滑動窗口分步完成對數(shù)據(jù)域的反演計算。

為了保持反演計算結(jié)果數(shù)據(jù)的完整性，再對報頭部分的數(shù)據(jù)進(jìn)行反演計算，即根據(jù)接收到的ADS-B信號第0～t=t0+8 μs處數(shù)據(jù)RP、系統(tǒng)參數(shù)矩陣S，按照式(12)反演計算報頭數(shù)據(jù)XP。

對于一幀完整的ADS-B報文信號，反演計算得到的ADS-B信號格式為對反演得到的ADS-B信號進(jìn)行波形修正得到最終的報文脈沖序列。

按照本文提供的譯碼操作流程，對該段模擬ADS-B信號進(jìn)行譯碼，得到的計算結(jié)果如圖4所示，圖4a中虛線為接收到的含噪ADS-B信號，實線為該段ADS-B信號的理論波形，即無噪聲ADS-B信號；圖4b中虛線為通過反演計算式得到的ADS-B信號，實線為對反演結(jié)果進(jìn)行波形修正后的ADS-B報文脈沖序列。由圖可見，反演計算結(jié)果能將ADS-B報文中低電平處的噪聲很好地壓制，提升報文中高電平處的脈沖特征，通過對反演結(jié)果進(jìn)行簡單的波形修正即可得到與理論ADS-B報文完全一致的脈沖序列。

把常規(guī)單脈沖檢測技術(shù)應(yīng)用到模擬ADS-B信號的譯碼中，將檢測結(jié)果與本文的反演譯碼結(jié)果進(jìn)行對比。圖5為兩種方法得到的譯碼結(jié)果，其中，圖5a為反演譯碼結(jié)果及其理論ADS-B報文參照，圖5b為常規(guī)單脈沖檢測技術(shù)譯碼結(jié)果及其理論ADS-B報文參照。由圖可見，反演譯碼結(jié)果的每個碼元脈沖位置均與理論ADS-B報文脈沖序列完全吻合，單脈沖檢測技術(shù)得到的譯碼脈沖則很少能與理論ADS-B報文脈沖位置重合，并且該方法得到了大量的無效脈沖。單脈沖檢測技術(shù)在本文實驗中譯碼效率低下的主要原因是模擬信號的信噪比低，噪聲高能量和高平穩(wěn)特性掩蓋了原始報文的高低電平特征，限制了單脈沖檢測技術(shù)的性能。通過該組對比實驗進(jìn)一步驗證了本文提出的反演譯碼方法的有效性。

4 結(jié) 束 語

低信噪比下的星基ADS-B信號檢測與譯碼是星基ADS-B中的難點。本文提出了一種基于反演策略的譯碼技術(shù)，假設(shè)傳輸一幀ADS-B信號的空間在傳輸信號的時間段內(nèi)是一個穩(wěn)定的線性系統(tǒng)，接收端接收信號是發(fā)射端信號與該現(xiàn)行系統(tǒng)的卷積和。利用1090ES模式ADS-B信號報頭特點，本文設(shè)計了一種反演譯碼算法流程，并通過仿真試驗進(jìn)行了驗證，結(jié)果表明本文方法能在信噪比為?1.58 dB的情況下實現(xiàn)對ADS-B信號各碼脈沖準(zhǔn)確譯碼，正確率遠(yuǎn)高于常規(guī)單脈沖檢測技術(shù)。

雖然將反演技術(shù)應(yīng)用于星基ADS-B信號譯碼是本文首創(chuàng)，也僅是對該方法進(jìn)行了理論仿真驗證。但反演技術(shù)是在多個領(lǐng)域經(jīng)過實際工程驗證的可靠技術(shù)，因此，基于反演技術(shù)的ADS-B譯碼方法具有理論可行性。在下一步的研究中，可將該方法應(yīng)用于實際星基ADS-B信號的譯碼中，研究適用于實際應(yīng)用環(huán)境特征(如動態(tài)性、非平穩(wěn)性、非高斯性等)的反演模型、反演計算方法、算法適用邊界、算法實施流程、不同幀信號空間參數(shù)區(qū)分等，提高該方法的適用性和穩(wěn)定性。