CN101276379B - 一种与ads-b相关的uat数据链opnet仿真模型 - Google Patents
一种与ads-b相关的uat数据链opnet仿真模型 Download PDFInfo
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Abstract
一种与ADS-B相关的UAT数据链OPNET仿真模型包括:网络层、节点层和进程层,网络层包含网络模型包括位于节点层中的n个飞机节点模型和一个地面站节点模型,飞机节点模型包括位于进程层中的:UAT数据源模块、飞机节点销毁模块、UAT发射机模块、UAT接收机模块、及作为中心控制的飞机MAC模块。所述的地面站节点模型包括位于进程层中的:地面站接收机模块、地面站发射机模块、地面站节点销毁模块、地面站数据源模块及作为中心控制模块的地面站MAC模块。本发明可以仿真UAT航空数据链,尤其是可以仿真具有ADS-B功能的航空数据链,并可以被网络仿真软件直接调用,提高了UAT仿真模型使用的便利性,并提高航空通信网络设计与规划的效率与准确性,缩小网络的建设周期及降低成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种UAT数据链OPNET仿真模型,特别是一种能够用于ADS-B的UAT数据链仿真模型,可以作为对于仿真工具OPNET原有标准库的扩充,属于航空通信技术领域。
背景技术
空中交通管制的根本目的是使航线上的飞机安全、有效和有计划的在空域中飞行,管制员需要对管制空域内飞机的飞行动态进行实时监视。
传统的雷达监视手段采用询问应答方式对目标探测。从长远来看,雷达系统自身具有很多局限性,限制了监视性能的提高。雷达波束的直线传播形成了大量雷达盲区,无法覆盖海洋和荒漠等地区;雷达旋转周期限制了数据更新率的提高,从而限制了监视精度的提高;无法获得飞机的计划航路、速度等态势数据,限制了跟踪精度的提高和短期冲突检测告警STCA的能力。因此,需要开发新的监视手段。
广播式自动相关监视ADS-B利用航空器自动广播由机载星基导航和定位系统生成的精确定位信息,地面设备和其他航空器通过航空数据链接收此信息,卫星系统、飞机以及地基系统通过高速数据链实现空天地一体化协同监视。ADS-B不仅克服了传统雷达监视手段的一些问题,并且具有精度高、更新率高、应用范围广、地面设备建设和维护费用低等优势。
目前的空管监视系统主要包括A/C模式或S模式的二次监视雷达,广播自动相关监视(ADS-B)。ADS-B是新航行系统新增的监视方式之一,由卫星导航、空地数据链、先进的地面处理和显示系统组成。ADS-B依靠的地空数据链系统有三种:VDL-4(甚高频数据链模式4)、1090ES(扩展S模式应答机)和UAT(通用访问收发信机),其中UAT是专门为ADS-B设计的一种数据链,它的系统结构简单、稳定性强,工作于单一宽带信道,具有1Mbps的传输速率。UAT数据链的上行链路接入方式为固定时隙接入,下行链路接入方式为随机接入,接入方式比较简单。UAT数据链具有报文容量大、信息更新率高、接入方式简单、研制费用低等特点,已经被ICAO批准用于通用航空领域。
作为一种新的航空数据链,需要对它进行全方位的研究,使它能够融入到现有的航空数据通信网络中,适应日益繁重的网络负载,并能够适应未来的新的网络通信技术。因此,如何对这种数据链进行优化设计和规划是一个很重要的问题。
这种新的通信数据链,面临的第一个问题是如何构建新的网络、测试新的协议等,而网络发展成熟后又会有升级改造成熟网络的问题.无论是构建新网络,升级改造现有网络,或者测试新协议,都需要对网络的可靠性和有效性进行客观地评估,从而降低网络建设投资的风险,使设计的网络有很高的性能,或者使测试结果能够真实反映新协议的表现.另外,UAT数据链将来会发展成为一个容纳几百架甚至几千架飞机的大型、复杂网络.传统网络设计和规划方法主要靠经验,对于复杂的大型网络,很多地方由于无法预知而抓不住设计的要点,无法适用于对UAT数据链的研究,因此需要新的网络规划和设计手段.这种新的网络规划和设计手段以其独有的方法为网络的规划设计提供客观、可靠的定量依据,缩短网络建设周期,提高网络建设中决策的科学性.这种技术就是网络仿真技术.
OPNET仿真软件是目前一款流行的网络仿真软件,它是在1987年由MIT的两个博士创立的,目前已有超过2700个用户;这些用户分布在企业、网络运营商、仪器配备厂商以及军事、教育、银行、保险等领域。利用OPNET可以为某些客户创建特别的模型库,例如UMTS和IPv6等模型,方便客户的使用,也有利于网络仿真的不断完善和扩充。
UAT数据链是一种新的航空数据链,它的性能还不被人们所了解,因此在将这种新型的数据链投入实际应用之前需要对它进行评估。然而,民航领域中的评估验证工作成本很高并且具有风险;在实际评估中,有许多条件也无法满足,比如飞机的数目不可能很多,但评估又需要很多的飞机。因此,在实际评估前要进行模拟仿真评估,来弥补实际评估的不足并为实际评估提供一定的依据。
目前,针对UAT数据链的网络仿真工作在我国刚刚起步,尚未有关于UAT的网络仿真模型可以参考借鉴。国外很多国家都有关于基于UAT数据链的ADS-B系统性能的仿真模拟,如美国的RTCA早在2001年3月就出过ADS-B TLAT(Technical Link Assessment Team)Report,但是由于以上研究都是以美国的民航现状和当地的地理环境为基础,并且没有公布相关的技术细节。
本发明提出了一种适合于UAT数据链的OPNET网络仿真模型,利用此模型可以对UAT数据链进行网络仿真,便于研究者对UAT数据链进行规划设计和研究分析。
发明内容
本发明所要解决的问题:克服现有技术的不足,提供一种UAT数据链网络仿真模型,可以仿真UAT航空数据链,尤其是可以仿真具有ADS-B功能的航空数据链,并可以被网络仿真软件直接调用,提高了UAT仿真模型使用的便利性,并提高航空通信网络设计与规划的效率与准确性,缩小网络的建设周期及降低成本。
本发明的技术解决方案:一种与ADS-B相关的数据链仿真模型,其特征在于包括:网络层、节点层和进程层,其中:
网络层包含网络模型,主要用来定制一个适合整个通信系统的网络背景环境,所述的网络模型包括位于节点层中的n个飞机节点模型和一个地面站节点模型,其中n≥1;
所述的飞机节点模型用于广播ADS-B消息并接收来自地面站的ADS-B消息,其包括位于进程层中的:UAT数据源模块、飞机节点销毁模块、UAT发射机模块、UAT接收机模块、及作为中心控制的飞机MAC模块,UAT数据源模块和UAT接收机模块输出消息分别输入至飞机MAC模块中,由飞机MAC模块进行判断,如果是UAT数据源产生的ADS-B消息,则飞机MAC模块通过UAT发射机模块广播ADS-B消息至地面站节点模型,如果是从UAT接收机模块接收来的地面站节点模型中的ADS-B消息,飞机MAC模块则将上述消息送至飞机节点销毁模块进行销毁;
所述的地面站节点模型用于接收来自飞机的ADS-B广播消息并向飞机广播ADS-B消息,其包括位于进程层中的:地面站接收机模块、地面站发射机模块、地面站销毁模块、地面站数据源模块、及作为中心控制模块的地面站MAC模块,地面站数据源模块和地面站接收机模块输出的消息分别送至地面站MAC模块中,由所述的地面站MAC模块进行判断,如果是地面站数据源模块产生ADS-B消息,地面站MAC模块则通过地面站发射机模块广播ADS-B消息至飞机节点模型,如果是地面站接收机模块接收的来自飞机节点模型广播的ADS-B消息,地面站MAC模块则上述消息送至地面站节点销毁模块进行销毁.
所述的飞机MAC的处理流程为:
(1)首先得到飞机的代码信息;
(2)判断数据是发送数据还是接收数据;
(3)若为发送数据则计算数据的发送时间;
(4)在相应的发送时间将数据发送到发射机模型;
(5)若为接收数据则将数据发送到销毁模块。
所述的地面站MAC模块的实现过程如下:
(1)判断数据是发送数据还是接收数据;
(2)若为发送数据则计算发送时间;
(3)将数据在相应时间发送到发射模块;
(4)若为接收数据则将数据发射到发送模块。
本发明与现有技术相比的优点在于:本发明由于包括网络层、节点层和进程层,其中网络层包含网络模型和飞机节点模型,网络模型又包括位于节点层中的n个飞机节点模型和一个地面站节点模型等,飞机节点模型和一个地面站节点模型又根据ADS-B系统及UAT数据链进行了设计,在OPNET中对系统进行分层叠设计和建模仿真,为后续用户的使用和升级提供便利。
附图说明
图1为本发明的仿真模型的总体框图;
图2为本发明的网络模型的示意图;
图3为本发明的网络层的信息传输过程示意图;
图4为本发明的飞机节点模型示意图;
图5为本发明的飞机节点模型的数据处理流程图;
图6为本发明的飞机MAC模块的状态机模型示意图;
图7为本发明的飞机MAC模块的数据处理流程图;
图8为本发明的飞机(地面站)发射机接收机组模型处理流程图;
图9为本发明的地面站节点模型示意图;
图10为本发明的地面站MAC模块的状态机模型示意图;
图11为本发明的飞机下行链路数据包格式;
图12为本发明的地面站上行链路数据包格式。
具体实施方式
如图1所示,本发明的UAT数据链OPNET仿真模型的建立分为三层:网络、节点和进程。模型的最高层为网络模型,在网络模型中有飞机节点和地面站节点模型,在节点模型里还有进程模型。
下面将这个仿真模型从网络模型到进程模型详细介绍。
1、网络模型
在网络模型里,设定了UAT仿真的网络环境,包括地理范围、度量单位、网络拓扑结构以及设备移动性等。图2为网络模型的示意图,图中包括飞机节点和地面站节点。飞机和地面站的数目都是可变的。飞机是可移动的,方法是通过OPNET程序改变其经度、纬度属性从而改变它的位置。飞机和地面站之间采用无线链路连接,并按照UAT的协议互相发送和接收信息。
网络层的信息传输过程如图3所示。在每个UTC秒开始时,地面站产生上行链路数据,计算地面站数据的发射时间,并将地面站数据在相应的时间发送出去;飞机产生下行链路数据,计算飞机数据的发射时间,并将飞机数据在相应的时间发送出去。
模型建立的步骤为:
(1)选择网络的拓扑结构;
(2)配置网络规模;
(3)配置背景地图;
(4)创建一个子网模型,将其放置到地图的特定位置(如北京),并设置子网的地理范围等属性;
(5)在子网模型中放置飞机和地面站节点。进入子网模型后摆放多个飞机节点和一个地面站节点,并设置相应属性,如高度、飞行轨迹等。
2、节点模型
节点模型包括飞机节点模型和地面站节点模型。
(1)飞机节点模型
如图4所示(图中箭头方向代表数据流方向),飞机节点模型由UAT数据源模块、飞机节点销毁模块、UAT发射机模块、UAT接收机模块、及作为中心控制的飞机MAC模块组成,UAT数据源模块和UAT接收机模块输出消息分别输入至飞机MAC模块中,由飞机MAC模块进行判断,如果是UAT数据源产生的ADS-B消息,则飞机MAC模块通过UAT发射机模块广播ADS-B消息至地面站节点模型,如果是从UAT接收机模块接收来的地面站节点模型中的ADS-B消息,飞机MAC模块则将上述消息送至飞机节点销毁模块进行销毁。图5为飞机节点数据处理流程的示意图。
飞机节点模型中各个模块的功能及实现方式如下:
a.UAT数据源模块的作用是产生符合下行链路包格式的数据。在本发明中,UAT数据源采用了OPNET自带的一个进程模型:简单源(simple source)。简单源是一个包括三个状态的状态机,这三个状态分别是初始化状态、数据生成状态和停止状态。初始化状态负责获得数据包格式等初始信息,数据生成状态产生数据,停止状态判断停止发送数据的条件。数据源还要在数据包格式(Packet format)中设定符合下行链路包格式的数据包。数据发送间隔时间(Packet Interval Time)设置为:constant(1)。这个数据发送间隔时间可以根据仿真需要而改变,在本模型中设置为1sec。
b.飞机节点销毁模型负责将接收到的UAT数据销毁掉,并统计链路延迟等信息。飞机节点模型销毁模型采用了OPNET自带的一个进程模型:销毁(sink)。实现方法是将该模块属性的进程模型设置为销毁(sink)即可。
c.飞机MAC模块负责实现UAT数据链的媒体访问方式,它按照UAT协议的链路层设计,符合UAT下行链路的接入方式.该模块共由4个状态组成,图6为状态机模型的示意图.
飞机MAC的实现流程为:
第一,在初始化状态获得飞机的代码、位置等信息;
第二,进入空闲状态,等待数据包的到达;
第三,判断数据来源,若为发送数据则进入发送状态,若为接收数据则进入接收状态;
第四,在发送状态将飞机的位置属性每隔一秒改变一次,并且不能超过东经110°至东经120°,北纬35°至北纬45度。计算出发射时间,将数据在相应的时间发送出去;
第五,在接收状态将数据直接送入销毁模型。
图7为飞机节点MAC模块的处理流程图。
d.UAT发射机模块负责规定发送数据时的一些物理参数,包括信道模型、接收机组模型、调制模型。接收机组模型规定可以收到信息的接收机的条件,其工作流程如图8所示。在信道模型中将将发射频率设置为1000MHz,带宽设置为1MHz,功率设置为100W,数据包格式设置为支持ADS-B下行链路包格式(如图11所示)。在调制模型中设置调制方式为GFSK(高斯频移键控)。
e.UAT接收机模块包括信道模型、调制模型。在信道模型中将发射频率设置为1000MHz,带宽设置为1MHz,数据包格式设置为支持ADS-B上行链路包格式(如图12所示)和ADS-B下行链路包格式(如图11所示)。调制模型设置调制方式为GFSK。
(2)地面站节点模型
如图9所示,地面站节点模型由以下几个部分组成:地面站接收机模块、地面站发射机模块、地面站节点销毁模块、地面站数据源模块以及作为中心控制模块的地面站MAC模块,地面站数据源模块和地面站接收机模块输出的消息分别送至地面站MAC模块中,由所述的地面站MAC模块进行判断,如果是地面站数据源模块产生ADS-B消息,地面站MAC模块则通过地面站发射机模块广播ADS-B消息至飞机节点模型,如果是地面站接收机模块接收的来自飞机节点模型广播的ADS-B消息,地面站MAC模块则将上述消息送至地面站节点销毁模块进行销毁。
地面站节点模型中各个模块的功能及实现方式如下:
a.地面站数据源模块采用简单源(simple source)模型,实现方法是将该模型的进程模型设置为简单源,并将其中的包格式(packet format)设置为地面站上行链路包格式,如图12所示。
b.地面站MAC模型的功能及实现
地面站MAC模型负责安排地面站发射接收数据的时间,它由4个状态组成,具体的状态机模型见图10。
地面站MAC的实现流程为:
第一,在初始化状态获得地面站的时隙数等信息;
第二,进入空闲状态,等待数据包的到达;
第三,判断数据来源,若为发送数据则进入发送状态,若为接收数据则进入接收状态;
第四,计算发射时间,将数据在相应的时间发送出去;
第五,在接收状态将数据直接送入销毁模型。
c.地面站销毁模块负责将接收到的数据销毁掉,并统计链路延迟等信息;它采用了OPNET自带的一个进程模型:销毁(sink)。
d.地面站发射机模块负责规定发送数据时的一些物理参数以及信道模型、调制模型和接收机组模型等。在信道模型中设置发射频率为1000MHz,带宽为1MHz,功率为100W,数据包格式设置为支持ADS-B上行链路包格式。在调制模型中设置调制方式为GFSK。接收机组(rxgroup)模型设置可以收到信息的接收机的条件。接收机组模型的处理流程如图8所示。
e.地面站接收机模块包括信道模型、调制模型。信道模型设置信道的工作频率为1000MHz,带宽为1MHz,数据包格式为支持ADS-B下行链路包格式。调制模型设置调制方式为GFSK。
Claims (11)
1.一种与ADS-B相关的数据链仿真模型,其特征在于包括:网络层、节点层和进程层,其中:
网络层包含网络模型,用来定制一个适合整个通信系统的网络背景环境,所述的网络模型包括位于节点层中的n个飞机节点模型和一个地面站节点模型,其中n≥1;
所述的飞机节点模型用于广播ADS-B消息并接收来自地面站的ADS-B消息,其包括位于进程层中的:UAT数据源模块、飞机节点销毁模块、UAT发射机模块、UAT接收机模块、及作为中心控制的飞机MAC模块,UAT数据源模块和UAT接收机模块输出消息分别输入至飞机MAC模块中,由飞机MAC模块进行判断,如果是UAT数据源模块产生的ADS-B消息,则飞机MAC模块通过UAT发射机模块广播ADS-B消息至地面站节点模型,如果是从UAT接收机模块接收来的地面站节点模型中的ADS-B消息,飞机MAC模块则将上述消息送至飞机节点销毁模块进行销毁;
所述的地面站节点模型用于接收来自飞机的ADS-B广播消息并向飞机广播ADS-B消息,其包括位于进程层中的:地面站接收机模块、地面站发射机模块、地面站节点销毁模块、地面站数据源模块、及作为中心控制模块的地面站MAC模块,地面站数据源模块和地面站接收机模块输出的消息分别送至地面站MAC模块中,由所述的地面站MAC模块进行判断,如果是地面站数据源模块产生ADS-B消息,地面站MAC模块则通过地面站发射机模块广播ADS-B消息至飞机节点模型,如果是地面站接收机模块接收的来自飞机节点模型广播的ADS-B消息,地面站MAC模块则将上述消息送至地面站节点销毁模块进行销毁。
2.根据权利要求1所述的一种与ADS-B相关的数据链仿真模型,其特征在于:所述的飞机MAC模块的处理流程为:
(1)首先得到飞机的代码信息;
(2)判断数据是发送数据还是接收数据;
(3)若为发送数据则计算数据的发送时间;
(4)在相应的发送时间将数据发送到UAT发射机模块;
(5)若为接收数据则将数据发送到飞机节点销毁模块。
3.根据权利要求1所述的一种与ADS-B相关的数据链仿真模型,其特征在于:所述的飞机节点模型中的UAT数据源模块产生符合飞机下行链路要求的数据,该UAT数据源模块通过采用OPNET自带的一个进程模型:简单源(simple source)来实现。
4.根据权利要求1所述的一种与ADS-B相关的数据链仿真模型,其特征在于:所述的飞机节点销毁模块负责销毁接收到的地面站上行链路数据,并计算统计信息,该飞机节点销毁模块通过采用OPNET自带的一个进程模型:销毁(sink)模型来实现。
5.根据权利要求1所述的一种与ADS-B相关的数据链仿真模型,其特征在于:所述的飞机节点模型中的UAT发射机模块包括信道模型、调制模型、接收机组模型,信道模型设置信道的工作频率、带宽、包格式、传输速率和功率;调制模型设置调制方式;接收机组模型设置可以收到信息的接收机的条件。
6.根据权利要求1所述的一种与ADS-B相关的数据链仿真模型,其特征在于:所述的飞机节点模型中的UAT接收机模块包括信道模型、调制模型,信道模型设置信道的工作频率、带宽、数据包格式;调制模型设置调制方式。
7.根据权利要求1所述的一种与ADS-B相关的数据链仿真模型,其特征在于:所述的地面站MAC模块的实现过程如下:
(1)判断数据是发送数据还是接收数据;
(2)若为发送数据则计算发送时间,则将数据在相应时间发送到地面站发射机模块;
(3)若为接收数据则将数据发送到地面站节点销毁模块。
8.根据权利要求1所述的一种与ADS-B相关的数据链仿真模型,其特征在于:所述的地面站接收机模块包括信道模型、调制模型,信道模型设置信道的工作频率、带宽、数据包格式;调制模型设置调制方式。
9.根据权利要求1所述的一种与ADS-B相关的数据链仿真模型,其特征在于:所述的地面站发射机模块包括信道模型、调制模型、接收机组模型,信道模型设置信道的工作频率、带宽、功率;调制模型设置调制方式;接收机组模型设置可以收到信息的接收机的条件。
10.根据权利要求1所述的一种与ADS-B相关的数据链仿真模型,其特征在于:所述的地面站数据源模块产生符合地面站上行链路包格式的数据,该地面站数据源模块采用OPNET自带的一个进程模型:简单源(simple source)来实现。
11.根据权利要求1所述的一种与ADS-B相关的数据链仿真模型,其特征在于:所述的地面站节点销毁模块负责销毁接收到的飞机下行链路数据,该地面站节点销毁模块通过采用OPNET自带的一个进程模型:销毁(sink)来实现。
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