CN102833130A

CN102833130A - 一种基于多态并行处理的s模式ads_b系统的报头检测方法

Info

Publication number: CN102833130A
Application number: CN2012102999783A
Authority: CN
Inventors: 张超; 杨瀚程; 郭焘; 蒲朝飞; 吴盼; 冯岩; 林红
Original assignee: NINGBO CHENGDIAN TAIKE ELECTRONIC INFORMATION TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd
Current assignee: NINGBO CHENGDIAN TAIKE ELECTRONIC INFORMATION TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd
Priority date: 2012-08-22
Filing date: 2012-08-22
Publication date: 2012-12-19

Abstract

本发明涉及一种基于多态并行处理的S模式ADS_B系统的报头检测方法，它包括以下步骤：S1.系统检测初始化；S2.有效脉冲位置的确认；S3.脉冲上升沿和下降沿的提取；S4.前导脉冲检测；S5.参考功率值计算；S6.交叠测试；S7.数据前五比特位认证；S8.分析报头参考功率值的一致性特征；S9.13μs报头取舍机制。本发明的有益效果：可以在有多种外界干扰的情况下，正确有效的进行模式S的ADS_B系统的报头检测，并能很好的把我们需要的脉冲信号提取出来，为接下来的消息解码工作做出铺垫。

Description

一种基于多态并行处理的S模式ADS_B系统的报头检测方法

技术领域

本发明涉及一种空中交通管制信号处理方法，尤其涉及一种基于多态并行处理的S模式ADS_B系统的报头检测方法。

背景技术

随着我国经济的高速发展，中国民航运输业也在快速增长，航空领域出现前所未有的发展形势，且中国民航有关部门决定在未来几年内开放3000米以内空域范围，越来越多的通用飞行器进入空域。航空运输市场的快速发展带来了机场和航路的拥挤，跑道入侵、场面冲突、机场环境影响时常发生，航空安全、航班正点问题日益突出，ADS_B也正是在这种大背景下，蓬勃发展起来的一种新型系统。

ADS-B技术首先要解决的问题是用于监视处理时的应答有效获取。由于ADS-B系统与传统监视模式采用完全不同的形式，在解决融合处理方面需要新的处理方法。由于模式S ADS-B系统使用了模式S数据链，所以是一个全新的系统概念。ADS-B系统采用广播的方式共享传输信道，而不是传统模式S采用的点名式询问，造成干扰增多，对解码算法要求更为苛刻。

在ADS_B系统接收端接收到信号后，首先应该检测一帧信号的四个报头脉冲，因为报头是一帧信号的一个标志和指示。只有正确的检测到报头，才能证明有ADS_B消息被接收端接收到，现有的ADS_B系统的报头检测方法中，省去了前导脉冲的预检测而直接进行交叠测试，在对功率分析时，只着眼于报头的功率值，却没有分析功率值的一致性问题，也未对数据的前五比特位进行采样，所以不能判定报头与数据是否存在相关性，这样就会很大程度上造成误码，不能有效的去除干扰信息，大大降低了报头检测的精准度，为以后的消息解码部分带来困扰。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可有效去除外部干扰，增强报头检测准确率，提高系统处理速度的基于多态并行自适应处理的S模式ADS_B系统的报头检测方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：

一种基于多态并行处理的S模式ADS_B系统的报头检测方法，其特征在于包括以下步骤：

S1. 系统检测初始化，对ADS_B系统中数据参数、门限值进行初始化配置；

S2. 有效脉冲位置的确认

一个采样点的功率值大于门限值，且其随后连续的6个以上的采样点的功率值都在门限值以上，则定义该采样点的位置作为一个有效脉冲位置，采样率20点/μs；

S3. 脉冲上升沿和下降沿的提取

有效脉冲位置内的某一个采样点与前一个采样点之间的功率差大于门限值，且与后一个采样点之间的功率差小于门限值，那么可判定此采样点处于一个脉冲上升沿上；若这个采样点，跟前一个采样点之间的功率差小于门限值，且跟后一个采样点之间的功率差大于门限值，那么此采样点处于一个脉冲下降沿上。

S4. 前导脉冲报头预检测

若系统检测到4个脉冲具有0μs、1.0μs、3.5μs、4.5μs的时序，且这4个位置处有效脉冲的上升沿个数不少于2个，则认定这4个脉冲是ADS_B消息的前导报头脉冲。

S5. 计算前导报头脉冲的功率值，将其作为报头的参考功率值；

S51.在前导报头脉冲的每个上升沿后选择6个采样点，将24个采样点组成一个采样点集合，采样率20点/μs；

S52. 分别对每一个采样点找出2dB摆幅内的其他采样点，并计算其他采样点的数目，找出该数目的最大值，如果最大值唯一，那么该最大值对应采样点的功率值就是报头的参考功率值，如果最大值有两个以上，那么计算产生该最大值对应的采样点的功率平均值，作为报头的参考功率值。

S6. 对前后两个报头交叠的情况进行判定，并对报头进行取舍；

S7. 在紧跟报头的前五比特位数据的采样点内，若上升沿采样点或上升沿前后两个采样点中存在一个有效脉冲位置，对每个有效脉冲位置后的6个采样点分别求出每个比特位采样点的功率平均值，所得到的功率平均值和报头的参考功率值之差在3dB以内，则保留该报头，否则丢弃该报头。

S8. 分析报头参考功率值的一致性特征

S81. 在前导报头脉冲中，分别计算各自脉冲采样点的功率平均值；

S82. 若有2个以上脉冲的功率平均值与报头的参考功率值之差在3dB之内，则通过一致性检测，否则，丢弃该报头。

S9.由步骤S82得到一个有效报头，重复步骤S1到S8，在之后的 13μs 内，是否有下一个有效报头的存在，若存在，比较前后两个报头的参考功率值，如果前一个报头的参考功率值比后一个报头的参考功率值小 3dB以上，则认为新检测到的报头为最终的报头，否则丢弃新报头。

步骤S6具体分为如下A、B、C三种情况，每种情况的具体步骤如下：

A．取脉冲上升沿作为基准，若检测到该基准后 1μs 和 4.5μs 处的脉冲幅度比该基准处的幅度大，则比较该基准后1μs，2μs，4.5μs，5.5μs处的脉冲幅度，得出最小脉冲幅度值，再找出该基准后0μs 和3.5μs 处的幅度较大值，若最小的脉冲幅度值与得到的幅度较大值之差大于3dB以上，丢弃前一个报头，保留后一个报头；

B．取脉冲上升沿作为基准，若检测到该基准后 3.5μs 和 4.5μs 处的脉冲幅度比该基准处的幅度大，则比较该基准后3.5μs，4.5μs，7μs，8μs处的脉冲幅度，得出最小脉冲幅度值，再找出该基准后0μs 和1μs处的幅度较大值，若最小的脉冲幅度值与得到的幅度较大值之差大于3dB以上，丢弃前一个报头，保留后一个报头；

C．取脉冲上升沿作为基准，若检测到该基准后 4.5μs 处的脉冲幅度比该基准处的幅度大，则比较该基准后4.5μs，5.5μs，8μs，9μs处的脉冲幅度，得出最小脉冲幅度值，再找出该基准后0μs，1μs，3.5μs处的幅度较大值，若最小的脉冲幅度值与得到的幅度较大值之差大于3dB以上，丢弃前一个报头，保留后一个报头。

本发明的有益效果：本发明基于多态并行处理，在报头检测的过程中，首先对前导报头进行预处理，大大降低了后续算法的工作量，在预处理所检测出的前导报头脉冲上，直接可以进行功率值计算和交叠测试，降低了系统实现的困难度。计算出报头的参考功率值后，本发明进一步的验证了报头功率的一致相关性，并对数据的前五比特位进行了采样分析，并把它与报头中的参考值作对比，从而对报头的可靠性有了进一步的估计。本发明通过这些算法操作，对ADS_B报头信号进行多方面的评估，使系统的性能和抗干扰能力，有了很大的提高。

附图说明

图1 是本发明的流程图；

图2是ADS_B消息报头时序图；

图3是参考功率值计算流程图；

图4是ADS_B信号1μs交叠图；

图5是ADS_B信号3.5μs交叠图；

图6是ADS_B信号4.5μs交叠图；

图7是数据位前5比特认证流程图；

图8是4个报头脉冲的功率相似度测试流程图；

图9是13μs报头取舍机制流程图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明各个功能模块内部信号处理方法的具体实施例。本发明包括以下9个信号处理步骤：系统测试初始化、有效脉冲位置的确认、脉冲上升沿和下降沿的提取、前导报头脉冲预检测、参考功率值计算、交叠测试、数据前五比特位认证、分析报头参考功率值的一致性特征、13μs报头取舍机制，流程如图1所示。各模块信号具体处理流程如下：

S1.系统测试初始化

此步骤，对系统的相关参数与门限值进行初始化的配置，以便于后续处理的正确进行。

S2. 有效脉冲位置确认

若一个采样点的功率值大于门限值，在采用20点/μs的采样频率下，其随后连续的6个采样点或更多采样点的功率值都在门限值以上，那么采样点的位置可以看做是一个有效脉冲位置。

S3. 脉冲上升沿和下降沿的提取

有效脉冲位置内的某一个采样点，跟前一个采样点之间的功率差大于门限值，且跟后一个采样点之间的功率差小于门限值，那么可判定此采样点在一个脉冲上升沿上；若这个采样点，跟前一个采样点之间的功率差小于门限值，且跟后一个采样点之间的功率差大于门限值，那么此采样点在一个脉冲下降沿上；

S4. 前导脉冲报头预检测

若系统检测到4个脉冲具有0μs、1.0μs、3.5μs、4.5μs的时序，且这4个位置处有效脉冲的上升沿个数不少于2个，则认定这4个脉冲是ADS_B消息的前导报头脉冲；图2为ADS_B消息前导报头脉冲时序图。

S5. 报头参考功率值的计算

报头检测过程中会产生一个功率参考值，参考功率值在系统数字处理部分有很大的作用，在后续重触发和置信度分析中需要用到该值。图3为参考功率值计算流程图，这一过程分为以下几个步骤：

S51.在前导报头脉冲的每个上升沿后选择6个采样点，组成一个采样点集合，采样率20点/μs；

S52. 分别对每一个采样点找出2dB摆幅内的其他采样点，并计算其他采样点的数目，找出该数目的最大值，如果最大值唯一，那么该最大值对应采样点的功率值就是报头的参考功率值，如果最大值有两个以上，那么计算产生该最大值对应的采样点的功率平均值，作为报头的参考功率值；

S6. 交叠测试

在两个模式 S 报文在接收端相交织时，可能出现部分的交叠和完全交叠，我们采用采样点的判定算法进行处理，以下我们提出了三种脉冲完全交叠的情况，也是极端的交叠情况进行算法讲解和实现。同样部分交叠算法与完全交叠一样，处理结果也相同。当两个模式 S 信号间隔 1μs，3.5μs 和 4.5μs时，并且后续信号幅度较高时。则会出现两个 S 模式报头的交叠，使前一个报头的功率值变大，却无法准确的识别后一个模式 S 报头。我们引用了一种交叠测试的算法机制来解决这个问题。

S61. 1μs报文检测：如图4所示，对于 1μs 的交叠检测，我们以 0μs 的脉冲上升沿作为基准，检测是否在 1μs后的脉冲幅度，如果在 1μs 出现交叠的情况，在 1μs 和第 4.5μs 上形成了交叠，导致脉冲功率值变大，这样我们通过检测在与它相对时间间隔为 1μs和 4.5μs 处是否有突变的脉冲来判定第二个可能报头存在与否。在检测出交叠的报头后，比较第 1μs，2μs，4.5μs，5.5μs 的脉冲幅度，得出最小的幅度值 power_min，及是 second_rec 中的报头脉冲最小值；再找出剩下的 0μs 和3.5μs 的最大值 power_max，fisrt_rec 中报头脉冲最大值。当 second_rec 中的报头脉冲最小值大于 fisrt_rec 中报头脉冲最大值3dB 时，就丢弃第一个报头及后续数据，保留 second_rec 的报头及后续数据。

S62. 3.5μs报文检测：如图5所示，对于在 3.5μs 出现的形成交叠的报文，报头 fisrt_rec 和second_rec 有交叠，在 3.5μs 和 4.5μs上，脉冲幅度加倍。因此通过检测在 fisrt_rec与它相对时间间隔为 3.5μs 和 4.5μs 处是否有突变的脉冲来判定第二个可能报头存在与否。检测出 3.5μs 的交叠后，同 1μs 交叠一样，通过比较 0μs，1μs的脉冲最小值power_max和3.5μs，4.5μs，7μs，8μs的power_min,当power_min-power_max>3dB，就丢弃第一个报头，保留第二个报头及后续数据。

S63. 4.5μs 报文检测：在 4.5μs 出现的形成交叠的报文情况如图 6所示。同理在 4.5μs通过检测是否有脉冲突变，判断是否出现交叠，当出现 4.5μs 交叠时，通过比较0μs，1μs，3.5μs 的脉冲最小值 power_max 和 4.5μs，5.5μs，8μs，9μs 的 power_min,如果power_min-power_max>3dB，就丢弃第一个报头，保留第二个报头及后续报数据。

S7. 数据前五比特位认证

进行数据前五比特位认证本质上还是对ADS-B消息的可靠性进行进一步的确认。如图7所示，这一个过程分为以下几个步骤：

S71. ADS-B消息数据为PPM编码，每个比特位分为两个chip，每个chip均持续0.5μs。针对数据的前五个比特位，对某一个chip的采样点来说，如果在其上升沿或上升沿前后一个样点中，存在一个有效脉冲位置，则可以认为检测到一个数据脉冲。检测到有效脉冲位置后进入下一个步骤，否则丢弃。

S72. 利用每个有效脉冲位置后的6个采样点，分别求出每个代码所用采样点的功率平均值，然后用所得到的功率平均值和S5中得到的参考功率值比较。比较方法为：如果功率平均值在参考功率值的±3dB以内，则这帧消息通过数据位前五比特认证，否则丢弃该报头。

S8. 分析报头参考功率值的一致性特征

功率一致性测试是用来对ADS-B消息报头更深入地确认。如果消息报头四脉冲的各个功率值之间的差距较大，则可认为此帧ADS-B消息脉冲被噪声污染较严重或为虚假报头，由这些脉冲采样值得到的报头参考功率值不可靠，对后面的解码部分影响肯定会比较大，必然会产生大量误码，所以认为这种报头不具备处理意义，应该丢弃该报头，重新处理下一个报头，如图8所示。这一过程分为以下几个步骤：

S81. 在报头的4个前导脉冲中，分别计算报头脉冲采样点的功率平均值。这一步得到四个值。

S82. 如果至少有2个脉冲的功率值在参考功率值的±3dB之内，那么就可确认这个报头噪声污染不严重或没有被噪声污染，通过一致性检测。否则，丢弃该报头，重新开始报头检测过程。

S9. 13us报头取舍机制

检测到一个ADS-B消息报头后，继续由报头检测过程来寻找后续ADS-B消息报头。如图9所示，在 0 时刻，我们得到一个正确的检测报头，通过之前进行的报头参考功率计算得出 ref_power，在之后的 13μs内，继续检测是否有下一个报头的存在。如果存在，将下一个报头的参考功率记作 new_power，比较两个参考功率，如果ref_power 比 new_power小 3dB，我们就认为新检测到的报文具有更好的真实性和准确性，从而丢弃 0 时刻的报头，启动再触发机制。否则丢弃新的报头，保留之前的报头。也就是说在 13μs 内，最多只接受处理一个报头。

完成上述步骤S1到S9的处理后，就可有效的检测出基于模式S的ADS_B系统报头信息。

Claims

1.一种基于多态并行处理的S模式ADS_B系统的报头检测方法，其特征在于包括以下步骤：

S2. 有效脉冲位置的确认；

一个采样点的功率值大于门限值，且其随后连续6个以上的采样点的功率值都在门限值以上，则定义该采样点的位置为一个有效脉冲位置，采样率20点/μs；

S3. 脉冲上升沿和下降沿的提取；

有效脉冲位置内的某一个采样点与前一个采样点之间的功率差大于门限值，且与后一个采样点之间的功率差小于门限值，那么可判定此采样点处于一个脉冲上升沿上；若这个采样点，与前一个采样点之间的功率差小于门限值，且与后一个采样点之间的功率差大于门限值，那么此采样点处于一个脉冲下降沿上；

S4. 前导脉冲报头预检测；

若系统检测到4个脉冲具有0μs、1.0μs、3.5μs、4.5μs的时序，且这4个位置处有效脉冲的上升沿个数为2个以上，则认定这4个脉冲是ADS_B消息的前导报头脉冲；

S52. 分别对每一个采样点找出2dB摆幅内的其他采样点，并计算其他采样点的数目，找出该数目的最大值，如果最大值唯一，那么该最大值对应采样点的功率值为报头的参考功率值，如果最大值有两个以上，那么计算产生该最大值对应的采样点的功率平均值，作为报头的参考功率值；

S7. 在紧跟报头的前五比特位数据的采样点内，若上升沿采样点或上升沿前后两个采样点中存在一个有效脉冲位置，对每个有效脉冲位置后的6个采样点分别求出每个比特位采样点的功率平均值，所得到的功率平均值和报头的参考功率值之差在3dB以内，则保留该报头，否则丢弃该报头；

S8. 分析报头参考功率值的一致性特征；

S82. 若有2个以上脉冲的功率平均值与报头的参考功率值之差在3dB之内，则通过一致性检测，否则，丢弃该报头；

S9.由步骤S82得到一个有效报头，重复步骤S1到S8，在之后的 13μs内，判断是否有下一个有效报头的存在，若存在，比较前后两个报头的参考功率值，如果前一个报头的参考功率值比后一个报头的参考功率值小 3dB以上，则认为新检测到的报头为最终的报头，否则丢弃新报头。

2.根据权利要求1所述的一种基于多态并行处理的S模式ADS_B系统的报头检测方法，其特征在于步骤S6分为如下A、B、C三种情况，每种情况的具体步骤如下：

A．取脉冲上升沿作为基准，若检测到该基准后 1μs 和 4.5μs 处的脉冲幅度比该基准处的幅度大，则比较该基准后1μs，2μs，4.5μs，5.5μs处的脉冲幅度，得出最小脉冲幅度值，再找出该基准后0μs 和3.5μs处的幅度较大值，若最小脉冲幅度值与得到的幅度较大值之差大于3dB以上，丢弃前一个报头，保留后一个报头；

B．取脉冲上升沿作为基准，若检测到该基准后 3.5μs 和 4.5μs 处的脉冲幅度比该基准处的幅度大，则比较该基准后3.5μs，4.5μs，7μs，8μs处的脉冲幅度，得出最小脉冲幅度值，再找出该基准后0μs 和1μs处的幅度较大值，若最小脉冲幅度值与得到的幅度较大值之差大于3dB以上，丢弃前一个报头，保留后一个报头；

C．取脉冲上升沿作为基准，若检测到该基准后 4.5μs 处的脉冲幅度比该基准处的幅度大，则比较该基准后4.5μs，5.5μs，8μs，9μs处的脉冲幅度，得出最小脉冲幅度值，再找出该基准后0μs，1μs，3.5μs处的幅度较大值，若最小脉冲幅度值与得到的幅度较大值之差大于3dB以上，丢弃前一个报头，保留后一个报头。