CN103354512A - 基于相关检测技术的s模式ads-b系统的报头检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于相关检测技术的S模式ADS-B系统的报头检测方法，将S模式ADS-B系统接收到的S模式ADS-B消息帧中的信号的采样点与参考脉冲做互相关处理后根据参考脉冲与信号和噪声相关性的不同来准确检测出前导报头脉冲的位置；优点是互相关处理的实质是将时间宽度为0.5μs内的信号采样点的能量积累起来，在信噪比较小（脉冲受噪声干扰严重）的情况下，虽然脉冲幅值波动很大，但脉冲能量仍然相对集中稳定且大于噪声能量，由此简化了报头检测的复杂度，且提高了系统的抗干扰能力，即使在信噪比较小的情况下，报头检测的准确率也较高。
Description
技术领域
本发明涉及一种空中交通管制信号检测方法，尤其是涉及一种基于相关检测技术的S模式ADS-B系统的报头检测方法。
背景技术
随着科学技术的不断创新和发展，军事和民用空中交通的需求急剧增加，由此导致空中交通流量急速增加，空中交通航道出现拥挤，空中交通的管理也面临巨大的挑战。为了安全、高效和可靠地利用这样繁忙的空域，新型航行系统便应运而生了。ADS-B技术是新型航行系统发展的重要成果，其不仅能提升飞行和空管运行的安全品质，提高空域资源的使用效率，同时也是实现空管保障能力跨越式发展的重要途径。目前ADS-B技术已经成为国际上解决空中交通管制最有效的办法。
ADS-B系统整体性能的好坏关键是看ADS-B系统能否准确、高效的检测并接收ADS-B消息帧，其中一个完整的ADS-B消息帧包含ADS-B前导报头部分和ADS-B数据部分。ADS-B数据部分采用脉冲位置调制PPM的方式，该调制方式用前半周期有脉冲后半周期没有脉冲来表示比特‘1’，用前半周期没有脉冲后半周期有脉冲来表示比特‘0’。那么从ADS-B数据部分获取数据的前提就是要知道是否有ADS-B消息帧到来，以及ADS-B消息帧究竟是什么时刻到来。因此需要利用ADS-B前导报头部分的脉冲的特征信息来确定接收端是否接收到了ADS-B消息帧，在确认接收端接收到ADS-B消息帧的后，也要确定ADS-B数据部分的起始时刻，只有这样才能正确的将数据接收。其中，准确的检测报头是难点所在，若报头检测不准确，会导致数据接收出现错误或丢失。
相关检测技术是上世纪40年代发展起来建立在信息论和随机过程的理论基础上的一门技术，是一种时域信息的检测方法。相关检测技术主要是对信号和噪声进行相关性分析，通过相关性分析从噪音和其它无关信号中找出信号两部分之间或两个信号之间的函数关系并根据相关性进行检测和提取。目前相关检测技术己经在各个领域内得到日益广泛的应用。现有的基于相关检测技术的S模式ADS-B系统的报头检测方法主要是通过分析相邻采样点之间的功率差值关系来确认有效脉冲、脉冲上升沿和脉冲下降沿，根据脉冲上升沿和有效脉冲的位置关系来检测报头，但是该方法存在的问题是：在信噪比较小的情况下，采样点的功率值波动较大，使得有效脉冲位置、脉冲上升沿和脉冲下降沿位置提取不准确或无法提取，最终导致报头检测的准确率较低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种在信噪比较小的情况下，报头检测的准确率也较高的基于相关检测技术的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：一种基于相关检测技术的S模式ADS-B系统的报头检测方法，包括以下步骤：
①对S模式ADS-B系统中的参数和门限值进行初始化配置；
②在S模式ADS-B系统中设定脉冲宽度为0.5μs的单个脉冲作为参考脉冲，将参考脉冲与S模式ADS-B系统接收到的S模式ADS-B消息帧中的信号的采样点做互相关运算，S模式ADS-B消息帧转化为一系列的三角脉冲；
③将大于门限值的三角脉冲定义为一个有效脉冲，将该大于门限值的三角脉冲的峰值对应的位置定义为该有效脉冲的有效脉冲位置，检测并得到步骤②得到的一系列的三角脉冲中的有效脉冲及有效脉冲位置；
④将检测到的第一个有效脉冲位置设定为基准起始位置，若在基准起始位置之后的第0.9μs、第1μs和第1.1μs这三个位置中有一个位置上存在一个有效脉冲位置，在第3.4μs、第3.5μs和第3.6μs这三个位置中有一个位置上存在一个有效脉冲位置，以及在第4.4μs、第4.5μs和第4.6μs这三个位置中有一个位置上存在一个有效脉冲位置，那么将该4个有效脉冲位置认定为一个前导报头脉冲，初步检测到报头；
⑤将检测到的报头输出。
所述的步骤④之后和所述的步骤⑤之前还有报头认证步骤，具体过程为：
④-1将步骤③中检测到的每个有效脉冲位置所对应的三角脉冲的峰值除以五得到每个有效脉冲对应的有效脉冲平均功率值；
④-2将步骤④中前导报头脉冲对应的四个有效脉冲平均功率值相加后除以四得到参考功率值；
④-3将步骤④中前导报头脉冲对应的四个有效脉冲平均功率值分别与参考功率值做差，若至少存在两个差值在±3dB范围内，则认定前导报头脉冲的参考功率值满足一致性，步骤④检测到的报头具备一致性；
④-4统计基准起始位置之后的第0μs到第8μs内，是否存在除了前导报头脉冲以外其他有效脉冲，若不存在其他多余的有效脉冲，则认定步骤④检测到的报头不存在报头交叠，反之则认为存在报头交叠；
④-5检测S模式ADS-B消息帧中第7.9μs、第8μs和8.1μs这三个位置中有一个位置上是否存在一个有效脉冲位置，如果存在有效脉冲位置，则步骤④检测到的报头的数据位起始时刻的认证通过，否则数据位起始时刻的认证失败；
④-6如果步骤④检测到的报头同时具备一致性、不存在报头交叠以及数据位起始时刻的认证通过，则对步骤④检测到的报头的认证通过，否则舍弃步骤④检测到的报头返回步骤②重新开始进行报头检测。
与现有技术相比，本发明的优点在于在检测过程中，将S模式ADS-B系统接收到的S模式ADS-B消息帧中的信号的采样点与参考脉冲做互相关处理，互相关处理的实质是将时间宽度为0.5μs内的信号采样点的能量积累起来，在信噪比较小（脉冲受噪声干扰严重）的情况下，虽然脉冲幅值波动很大，但脉冲能量仍然相对集中稳定且大于噪声能量，由此根据参考脉冲与信号和噪声相关性的不同来准确检测出前导报头脉冲的位置，简化了报头检测的复杂度，且提高了系统的抗干扰能力，即使在信噪比较小的情况下，报头检测的准确率也较高；
当通过对检测到的报头进行一致性、报头交叠以及数据位起始时刻的认证来进行报头的认证时，进一步保证的报头的检测准确性，提高了报头检测的准确性和可靠性。
附图说明
图1为本发明的检测流程框图；
图2为本发明的S模式ADS-B消息帧的格式。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例：如图1所示，一种基于相关检测技术的S模式ADS-B系统的报头检测方法，包括以下步骤：
①对S模式ADS-B系统中的参数和门限值进行初始化配置；
②在S模式ADS-B系统中设定脉冲宽度为0.5μs的单个脉冲作为参考脉冲，将参考脉冲分别与S模式ADS-B系统接收到的如图2所示的S模式ADS-B消息帧中的信号的采样点做互相关运算，S模式ADS-B消息帧转化为一系列的三角脉冲，其中互相关运算方法为：
②-1设当前时刻t对应的S模式ADS-B消息帧信号采样点为di，t-0.1μs时刻对应的S模式ADS-B消息帧信号采样点为di-1，t-0.2μs时刻对应的S模式ADS-B消息帧信号采样点为di-1，t+0.1μs时刻对应的S模式ADS-B消息帧信号采样点为di+1，t+0.2μs时刻对应的S模式ADS-B消息帧信号采样点为di+1，选定这5个相邻的S模式ADS-B消息帧信号采样点di-2、di-1、di、di+1、di+2与时间宽度为0.5μs的参考脉冲做互相关运算，其中对S模式ADS-B消息帧信号的采样率为10点/μs；
②-2对于当前时刻S模式ADS-B消息帧信号与参考脉冲互相关运算可以简化为将di-2、di-1、di、di+1、di+2求和，将求和后的结果Ri作为当前时刻t时S模式ADS-B消息帧信号与参考脉冲相关处理后的结果；同理用Ri-1作为t-0.1μs时刻S模式ADS-B消息帧信号与参考脉冲相关处理后的结果，用Ri-2作为t-0.2μs时刻S模式ADS-B消息帧信号与参考脉冲相关处理后的结果，用Ri+1作为t+0.1μs时刻S模式ADS-B消息帧信号与参考脉冲相关处理后的结果，用Ri-2作为t+0.2μs时刻S模式ADS-B消息帧信号与参考脉冲相关处理后的结果，若di-2、di-1、di、di+1、di+2恰好是一个脉冲的采样点，那么必然有Ri-2≤Ri-1≤Ri≥Ri+1≥Ri+2，形成一个三角脉冲，即在相关运算处理后，S模式ADS-B消息帧将由一系列这样的三角脉冲组成；
③将大于门限值的三角脉冲定义为一个有效脉冲，将该大于门限值的三角脉冲的峰值对应的位置定义为该有效脉冲的有效脉冲位置，检测并得到步骤②得到的一系列的三角脉冲中的有效脉冲及有效脉冲位置；
④将检测到的第一个有效脉冲位置设定为基准起始位置，若在基准起始位置之后的第0.9μs、第1μs和第1.1μs这三个位置中有一个位置上存在一个有效脉冲位置，在第3.4μs、第3.5μs和第3.6μs这三个位置中有一个位置上存在一个有效脉冲位置，以及在第4.4μs、第4.5μs和第4.6μs这三个位置中有一个位置上存在一个有效脉冲位置，那么将该4个有效脉冲位置认定为一个前导报头脉冲，初步检测到报头；
⑤将检测到的报头输出。
本实施例中，步骤④之后和步骤⑤之前还有报头认证步骤，具体过程为：
④-1将步骤③中检测到的每个有效脉冲位置所对应的三角脉冲的峰值除以五得到每个有效脉冲对应的有效脉冲平均功率值；
④-2将步骤④中前导报头脉冲对应的四个有效脉冲平均功率值相加后除以四得到参考功率值；
④-3将步骤④中前导报头脉冲对应的四个有效脉冲平均功率值分别与参考功率值做差，若至少存在两个差值在±3dB范围内，则认定前导报头脉冲的参考功率值满足一致性，步骤④检测到的报头具备一致性；
④-4统计基准起始位置之后的第0μs到第8μs内，是否存在除了前导报头脉冲以外其他有效脉冲，若不存在其他多余的有效脉冲，则认定步骤④检测到的报头不存在报头交叠，反之则认为存在报头交叠；
④-5检测S模式ADS-B消息帧中第7.9μs、第8μs和8.1μs这三个位置中有一个位置上是否存在一个有效脉冲位置，如果存在有效脉冲位置，则步骤④检测到的报头的数据位起始时刻的认证通过，否则数据位起始时刻的认证失败；
④-6如果步骤④检测到的报头同时具备一致性、不存在报头交叠以及数据位起始时刻的认证通过，则对步骤④检测到的报头的认证通过，否则舍弃步骤④检测到的报头返回步骤②重新开始进行报头检测。
Claims (2)
1.一种基于相关检测技术的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：
①对S模式ADS-B系统中的参数和门限值进行初始化配置；
②在S模式ADS-B系统中设定脉冲宽度为0.5μs的单个脉冲作为参考脉冲，将参考脉冲与S模式ADS-B系统接收到的S模式ADS-B消息帧中的信号的采样点做互相关运算，S模式ADS-B消息帧转化为一系列的三角脉冲；
③将大于门限值的三角脉冲定义为一个有效脉冲，将该大于门限值的三角脉冲的峰值对应的位置定义为该有效脉冲的有效脉冲位置，检测并得到步骤②得到的一系列的三角脉冲中的有效脉冲及有效脉冲位置；
④将检测到的第一个有效脉冲位置设定为基准起始位置，若在基准起始位置之后的第0.9μs、第1μs和第1.1μs这三个位置中有一个位置上存在一个有效脉冲位置，在第3.4μs、第3.5μs和第3.6μs这三个位置中有一个位置上存在一个有效脉冲位置，以及在第4.4μs、第4.5μs和第4.6μs这三个位置中有一个位置上存在一个有效脉冲位置，那么将该4个有效脉冲位置认定为一个前导报头脉冲，初步检测到报头；
⑤将检测到的报头输出。
2.根据权利要求1所述的基于相关检测技术的S模式ADS-B系统的报头检测方法，其特征在于所述的步骤④之后和所述的步骤⑤之前还有报头认证步骤，具体过程为：
④-1将步骤③中检测到的每个有效脉冲位置所对应的三角脉冲的峰值除以五得到每个有效脉冲对应的有效脉冲平均功率值；
④-2将步骤④中前导报头脉冲对应的四个有效脉冲平均功率值相加后除以四得到参考功率值；
④-3将步骤④中前导报头脉冲对应的四个有效脉冲平均功率值分别与参考功率值做差，若至少存在两个差值在±3dB范围内，则认定前导报头脉冲的参考功率值满足一致性，步骤④检测到的报头具备一致性；
④-4统计基准起始位置之后的第0μs到第8μs内，是否存在除了前导报头脉冲以外其他有效脉冲，若不存在其他多余的有效脉冲，则认定步骤④检测到的报头不存在报头交叠，反之则认为存在报头交叠；
④-5检测S模式ADS-B消息帧中第7.9μs、第8μs和8.1μs这三个位置中有一个位置上是否存在一个有效脉冲位置，如果存在有效脉冲位置，则步骤④检测到的报头的数据位起始时刻的认证通过，否则数据位起始时刻的认证失败；
④-6如果步骤④检测到的报头同时具备一致性、不存在报头交叠以及数据位起始时刻的认证通过，则对步骤④检测到的报头的认证通过，否则舍弃步骤④检测到的报头返回步骤②重新开始进行报头检测。
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