CN103401565A - 一种s模式ads_b系统的纠检错方法 - Google Patents

一种s模式ads_b系统的纠检错方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种S模式ADS_B系统的纠检错方法，包括将S模式ADS_B系统参数初始化处理的步骤、参考功率值的计算步骤、接收到的ADS_B消息比特位的提取和置信度分析步骤和S模式ADS_B系统纠检错方法的步骤；优点是根据ADS_B系统接收到的ADS_B消息数据的特点，通过判断每比特位的‘高’‘低’置信度，将低置信度比特位视为ADS_B消息误码的根源，在现有方法只能纠正5个错误比特的基础上，利用错误校正子与CRC校验码多次异或运算后的得到数据串，与从第一位低置信度位开始的24比特数据串相比较，从而进一步实现了对大于5比特，但满足一定条件的误码纠错；本发明所采用的方法，使得一些原本可以纠错的ADS_B消息数据避免被丢弃，提高了S模式ADS_B系统的纠检错能力。

Description

一种S模式ADS_B系统的纠检错方法
技术领域
本发明涉及空中交通管制信号处理方法，尤其涉及一种S模式ADS_B系统的纠检错方法。
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，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，使得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、航空安全等问题日益突出。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是广播式自动相关监视的英文缩写，它主要实施空对空监视，装备了ADS-B的飞机可通过数据链广播其自身的精确位置和其它数据(如速度、高度及飞机是否转弯、爬升或下降等)。ADS-B接收机与空管系统、其它飞机的机载ADS-B结合起来，在空地都能提供精确、实时的冲突信息。但ADS_B消息数据在传播的过程中，受到外界信号，多径效应，以及自身在传播过程中衰减的影响，使得接收到的ADS_B信号解码后并非正确的ADS_B消息，出现了误码，这对ADS_B系统的整体性能有很大的影响。因此，如何对接收到的ADS_B消息，高效实时的进行纠检错操作，以便降低系统的误码率，成为提高系统性能至关重要的方面。
现有的S模式ADS_B系统，在纠检错方面，主要是采用了一种基于FPGA的纠检错方法，该方法可以纠正5个错误比特数据。但是当错误比特数大于5时，该方法就认为该ADS_B消息数据误码过多，不能实现错误码的纠检错操作，使得S模式ADS_B系统的纠检错能力较低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种在错误比特数大于5时也可以进行纠检错，纠检错能力较高的S模式ADS_B系统的纠检错方法。
本发明解决的技术问题所采用的技术方案为：一种S模式ADS_B系统的纠检错方法，包括以下步骤；
S1.对S模式ADS_B系统门限值进行初始化处理；
S2.S模式ADS_B系统参考功率值的计算；
S3.S模式ADS_B系统接收到的ADS_B消息的比特位的提取和置信度分析；
S31.ADS_B消息数据编码采用PPM方式，每个比特位由chip1和chip0两部分组成，对每个比特位均以10点/μs的采样率采样；
S32.对chip1和chip0的采样点，依次求出采样点幅度值在参考功率值正负3dB范围内的采样点集合，chip1中该集合用chip1_A表示，chip0中该集合用chip0_A表示；
S33.对chip1和chip0采样点，依次求出采样点幅度值比参考功率值小6dB以上的采样点集合，chip1中该集合用chip1_B表示，chip0中该集合用chip0_B表示；
S34.对chip1_A、chip0_A、chip1_B、chip0_B中的采样点进行加权运算，得到的权重累加值分别记为w_chip1_A，w_chip0_A,w_chip1_B,w_chip0_B;
S35.通过以下公式(1)和(2)，计算某比特位为‘0’或为‘1’的可能性，分别记为score1和score2；
score1=w_chip1_A-w_chip0_A+w_chip0_B–w_chip1_B   （1）
score2=w_chip0_A-w_chip1_A+w_chip1_B–w_chip0_B   （2）
S36.比较score1和score2的大小，若score1大于score2，将该比特位值置为‘1’，若score1小于或等于score2，将该比特位值置为‘0’；当score1和score2之间的差值大于或等于3时，推断该比特位值为高置信度，否则为低置信度；
S4.判断接收到的S模式的ADS_B消息是否出错；若出错，根据ADS_B消息中低置信度个数的不同，选择相应的纠检错操作：
S41.将S模式ADS_B系统接收到的ADS_B消息数据输入CRC解码电路，即将ADS_B消息数据与CRC校验码进行模2除法运算，得到该ADS_B消息数据的错误校正子，长度为24bit；若错误校正子每比特位均为‘0’，则表示ADS_B消息数据在传输过程中无错误；若错误校正子每比特位不全为0，则表示ADS_B消息数据在传输过程中有错误；
S42.计算ADS_B消息数据中低置信度的个数，根据个数的不同，选择相应的纠检错操作：
S421.若接收到的ADS_B消息数据中低置信度个数大于12，则表示该ADS_B消息数据误码过多，丢弃该ADS_B消息数据；
S422.若接收到的ADS_B消息数据中低置信度个数不大于5，分别将ADS_B消息数据中的每个低置信度位置为‘0’，其余所有位置为‘1’，组成若干组数据；将每组数据依次通过CRC电路，输出结果为每个低置信度位所对应的低置信度位校正子；将所有低置信度位所对应的低置信度位校正子组成的集合中取出除空集外的所有子集，对每个子集中的所有元素，即低置信度位校正子进行异或相加，得到该子集中所有低置信度位校正子的组合校正子；将该组合校正子与错误校正子比较，若相等，则将该组合中所有低置信度位校正子对应的低置信度位，在消息代码中取反，成功实现纠错；若遍历所有除去空集以外的子集运算后所得的组合校正子与错误校正子均不相等，则表示该ADS_B消息数据误码过多，丢弃该ADS_B消息数据；
S423.若接收到的ADS_B消息数据中低置信度个数大于5但不大于12，且所有低置信度位之间的跨度不大于24，判断ADS_B消息数据中，第一位低置信度位所处的位置，记为第n位；从ADS_B消息数据中的第n位开始，沿着ADS_B消息数据位取24比特数据，组成一个24比特长度的数据串L；错误校正子中，若最后一位数据是‘0’，则将错误校正子循环右移一位；若最后一位数据位是‘1’，则将错误校正子与CRC校验码进行异或运算后再循环右移一位；重复此操作89-n次，得到一组长度为24比特数据R；将L与R进行位与操作，若位与后的结果与R相等，则将R中的“1”所对应的低置信度比特位的值取反，完成纠检错操作；若位与后的结果与R不相等，则表示该ADS_B消息数据误码过多，丢弃该ADS_B消息数据。
所述的步骤S2中参考功率值的计算方法为：
S21.对S模式ADS_B系统接收到的ADS_B消息数据的每比特位以10点/μs的采样率采样，若一个采样点的功率值大于门限值，且随后连续的3个以上采样点的功率值都在门限值以上，该采样点位置看做一个有效脉冲位置；
S22.将有效脉冲位置内的某一个采样点，跟前一个采样点和后一个采样点的功率值比较，若与前一个采样点的功率差值大于门限值，且与后一个采样点的功率差值小于门限值，则判定此采样点在一个脉冲上升沿；
S23.对ADS_B消息数据进行脉冲检测，若检测到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S模式ADS_B系统消息的前导报头脉冲；
S24.对拥有上升沿的前导报头脉冲选择其上升沿后的3个采样点，组成一个采样点集合；
S25.对上述采样点集合中的每一个采样点找出2dB摆幅内的其他采样点，并计算其他采样点的数目，并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；如果最大值不唯一，从采样点集合中去掉最小值，再从中去掉比最小值大2dB以上的点，计算出集合内剩余采样点的平均值，这个平均值作为ADS_B消息数据的参考功率值。
与现有技术相比，本发明的优点在于根据ADS_B系统接收到的ADS_B消息数据的特点，通过判断每比特位的‘高’‘低’置信度，将低置信度比特位视为ADS_B消息误码的根源，在现有方法只能纠正5个错误比特的基础上，利用错误校正子与CRC校验码多次异或运算后的得到数据串，与从第一位低置信度位开始的24比特数据串相比较，从而进一步实现了对大于5比特，但满足一定条件的误码纠错；本发明所采用的方法，使得一些原本可以纠错的ADS_B消息数据避免被丢弃，提高了S模式ADS_B系统的纠检错能力；
当在计算比特位的高低置信度时，需要用到参考功率值的计算，本发明中参考功率值的计算采用从采样点集合中去掉最小值和比最小值大2dB以上的点求剩余采样点的平均值的计算方法，使得对参考功率的计算更加准确，进一步提高了S模式ADS_B系统的纠错准确性。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为S模式ADS_B系统消息数据的参考功率值计算；
图3为S模式ADS_B系统消息数据比特位的提取与‘高’‘低’置信度分析；
图4为CRC电路；
图5为S模式ADS_B系统纠检错流程图。
具体实施方式
以下面结合附图，给出本发明各个功能模块内部信号处理方法的具体实例。
如图1所示，本发明包括以下4个处理步骤：S模式ADS_B系统参数初始化处理、参考功率值的计算、接收到的ADS_B消息比特位的提取和置信度分析、S模式ADS_B系统纠检错方法的具体操作步骤；具体处理流程如下：
S1.对S模式ADS_B系统的门限值进行初始化处理；
S2.如图2所示，计算S模式ADS_B系统的信号参考功率值，步骤如下：
S21.对S模式ADS_B系统接收到的信号的每比特位以10点/μs的采样率采样，若一个采样点的功率值大于门限值，且随后连续的3个以上采样点的功率值都在门限值以上，该采样点位置看做一个有效脉冲位置；
S22.经过步骤S21，被确认为一个有效脉冲位置的采样点，跟前一个采样点和后一个采样点的功率值比较，若与前一个采样点的功率差值大于门限值，且与后一个采样点的功率差值小于门限值，则判定此采样点在一个脉冲上升沿上；
S23.对S模式ADS_B系统接收到的信号脉冲检测，若检测到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S模式ADS_B系统消息的前导报头脉冲；
S24.对拥有上升沿的前导脉冲选择其上升沿后的3个采样点，组成一个采样点集合。对集合中的采样点找出2dB摆幅内的采样点数目。若2dB摆幅内的采样点数目最大值唯一，则此最大值就作为消息报头参考功率值；如果最大值不唯一，从采样点集合中去掉最小值，再从中去掉比最小值大2dB以上的点，计算出集合内剩余采样点的平均值，这个平均值作为ADS_B消息数据的参考功率值。该参考功率值用power_ref表示；
S3.S模式ADS_B系统接收到的ADS_B消息的比特位的提取和置信度分析，这一过程如图3所示，具体处理流程如下：
S31.假设接收的S模式ADS_B消息数据的每个比特位的10个采样点用S0,S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7,S8,S9表示，同时将每个比特位用chip1和chip0来表示，chip1包含该比特位的前5个采样点，记为Schip1=S0,S1,S2,S3,S4，chip0包含该比特位的后五个采样点，记为Schip0=S5,S6,S7,S8,S9；
S32.对每个比特位的10个采样点，依次求出幅度值在参考功率值正负3dB范围之内的采样点集合，chip1中该采样点集合用chip1_A表示，chip0中该采样点集合用chip0_A表示,如下面公式所示：
chip1_A=Si,|Si-power_ref|≤3dB,Si∈Schip1    ①
chip0_A=Si,|Si-power_ref|≤3dB,Si∈Schip0    ②
S33.对同样的采样点集合，求出采样点幅度值比参考功率值小6dB以上的点集合，chip1中点用chip1_B表示，chip0中点用chip0_B表示。用公式表示为：
chip1_B=Si,|power_ref-Si|>6dB,Si∈Schip1    ③
chip0_B=Si,|power_ref-Si|>6dB,Si∈Schip0    ④
S34.对chip1_A、chip1_B、chip0_A、chip0_B这4个集合中的采样点加权运算，将S0,S4,S5,S9的权重，置为1，将S1,S2,S3,S6,S7,S8的权重，置为2。举例说明：如果集合chip1_A中的元素有S1,S2,S3,，则chip1_A集合的权重值为w_chip1_A=1×1+2×2=5。这样得到的4个权重累加值分别记为w_chip1_A,w_chip0_A,w_chip0_B,w_chip0_B；
S35.通过以下公式⑤和⑥，计算某比特位为‘0’或为‘1’的可能性，分别记为score1和score2：
score1=w_chip1_A-w_chip0_A+w_chip0_B–w_chip1_B    ⑤
score2=w_chip0_A-w_chip1_A+w_chip1_B–w_chip0_B    ⑥
S36.比较score1和score2的大小，若score1大于score2，将该比特位值置为‘1’，若score1小于或等于score2，将该比特位值置为‘0’，当score1、score2之间的差值大于或等于3时，推断该比特位值为高置信度，否则为低置信度。这样就得到了ADS-B消息数据的112个数据位的值和每个数据位对应的置信度信息；
S4.判断接收到的S模式的ADS_B消息数据是否出错，若出错，根据ADS_B消息数据中低置信度个数的不同，选择相应的纠检错操作，具体流程如图5所示：
S41.将ADS_B消息数据，输入CRC解码电路，CRC电路如图4所示。ADS_B消息数据与CRC校验码进行模2除法运算，运算后的结果为该ADS_B消息数据的错误校正子，长度为24bit。若错误校正子每比特位均为‘0’，则表示数据在传输过程中无错误；若错误校正子每比特位不全为‘0’，则表示发生了错误。计算接收到的ADS_B消息数据中低置信度的个数，记为N；
S421.若N大于12，则认为该ADS_B消息数据误码过多，丢弃该ADS_B消息数据；
S422.若N小于等于5，进行如下的操作，将接收到的ADS_B消息数据中的每个低置信度位，置为‘0’，其余所有位，置为‘1’，组成若干组数据，将每组数据依次通过CRC电路，输出结果为每个低置信度位所对应的低置信度位校正子；将所有低置信度位所对应的低置信度位校正子组成的集合中取出除空集外的所有子集，对除空集外的每个子集中的所有元素，即低置信度位校正子进行异或相加，得到该子集中所有低置信度位校正子的组合校正子；将该组合校正子与错误校正子比较，若相等，则将该组合中所有低置信度位校正子对应的低置信度位，在消息代码中取反，成功实现纠错；若遍历所有除去空集以外的子集运算后所得的组合校正子与错误校正子均不相等，则表示该ADS_B消息数据误码过多，丢弃该ADS_B消息数据；
S423.若N大于5但小于等于12，且低置信度位之间的跨度不大于24，进行如下的操作。在ADS_B数据中，设第一个低置信度位是接收到的S模式ADS_B系统中的ADS_B消息数据的第n位，从ADS_B消息数据中的第n位开始，沿着ADS_B消息数据位取24比特消息数据，组成一个24比特长度的数据串L；在S41计算得出的错误校正子中，若最后一位比特值是0，则将错误校正子循环右移一位；若最后一位数据位是1，则将错误校正子与CRC校验码异或运算后再循环右移一位；如此重复此操作89-n次，得到一组长度为24比特数据R；将L与R位与操作，若位与后结果与R相等，则将R中值为“1”所对应的低置信度比特位的值取反，完成纠检错操作；若结果与R不同，则认为该ADS_B消息数据误码过多，丢弃该ADS_B消息数据。
完成上述步骤S1到S4的处理流程后，就可有效的对ADS_B消息数据进行正确的解码，快速实时地纠正错误比特位，得到正确的ADS_B消息数据。

Claims (2)

1.一种S模式ADS_B系统的纠检错方法，其特征在于包括以下步骤；
S1.对S模式ADS_B系统门限值进行初始化处理；
S2.S模式ADS_B系统参考功率值的计算；
S3.S模式ADS_B系统接收到的ADS_B消息的比特位的提取和置信度分析；
S31.ADS_B消息数据编码采用PPM方式，每个比特位由chip1和chip0两部分组成，对每个比特位均以10点/μs的采样率采样；
S32.对chip1和chip0的采样点，依次求出采样点幅度值在参考功率值正负3dB范围内的采样点集合，chip1中该集合用chip1_A表示，chip0中该集合用chip0_A表示；
S33.对chip1和chip0采样点，依次求出采样点幅度值比参考功率值小6dB以上的采样点集合，chip1中该集合用chip1_B表示，chip0中该集合用chip0_B表示；
S34.对chip1_A、chip0_A、chip1_B、chip0_B中的采样点进行加权运算，得到的权重累加值分别记为w_chip1_A，w_chip0_A,w_chip1_B,w_chip0_B;
S35.通过以下公式(1)和(2)，计算某比特位为‘0’或为‘1’的可能性，分别记为score1和score2；
score1=w_chip1_A-w_chip0_A+w_chip0_B–w_chip1_B   （1）
score2=w_chip0_A-w_chip1_A+w_chip1_B–w_chip0_B   （2）
S36.比较score1和score2的大小，若score1大于score2，将该比特位值置为‘1’，若score1小于或等于score2，将该比特位值置为‘0’；当score1和score2之间的差值大于或等于3时，推断该比特位值为高置信度，否则为低置信度；
S4.判断接收到的S模式的ADS_B消息是否出错；若出错，根据ADS_B消息中低置信度个数的不同，选择相应的纠检错操作：
S41.将S模式ADS_B系统接收到的ADS_B消息数据输入CRC解码电路，即将ADS_B消息数据与CRC校验码进行模2除法运算，得到该ADS_B消息数据的错误校正子，长度为24bit；若错误校正子每比特位均为‘0’，则表示ADS_B消息数据在传输过程中无错误；若错误校正子每比特位不全为0，则表示ADS_B消息数据在传输过程中有错误；
S42.计算ADS_B消息数据中低置信度的个数，根据个数的不同，选择相应的纠检错操作：
S421.若接收到的ADS_B消息数据中低置信度个数大于12，则表示该ADS_B消息数据误码过多，丢弃该ADS_B消息数据；
S422.若接收到的ADS_B消息数据中低置信度个数不大于5，分别将ADS_B消息数据中的每个低置信度位置为‘0’，其余所有位置为‘1’，组成若干组数据；将每组数据依次通过CRC电路，输出结果为每个低置信度位所对应的低置信度位校正子；将所有低置信度位所对应的低置信度位校正子组成的集合中取出除空集外的所有子集，对每个子集中的所有元素，即低置信度位校正子进行异或相加，得到该子集中所有低置信度位校正子的组合校正子；将该组合校正子与错误校正子比较，若相等，则将该组合中所有低置信度位校正子对应的低置信度位，在消息代码中取反，成功实现纠错；若遍历所有除去空集以外的子集运算后所得的组合校正子与错误校正子均不相等，则表示该ADS_B消息数据误码过多，丢弃该ADS_B消息数据；
S423.若接收到的ADS_B消息数据中低置信度个数大于5但不大于12，且所有低置信度位之间的跨度不大于24，判断ADS_B消息数据中，第一位低置信度位所处的位置，记为第n位；从ADS_B消息数据中的第n位开始，沿着ADS_B消息数据位取24比特数据，组成一个24比特长度的数据串L；错误校正子中，若最后一位数据是‘0’，则将错误校正子循环右移一位；若最后一位数据位是‘1’，则将错误校正子与CRC校验码进行异或运算后再循环右移一位；重复此操作89-n次，得到一组长度为24比特数据R；将L与R进行位与操作，若位与后的结果与R相等，则将R中的“1”所对应的低置信度比特位的值取反，完成纠检错操作；若位与后的结果与R不相等，则表示该ADS_B消息数据误码过多，丢弃该ADS_B消息数据。
2.根据权利要求1所述的一种S模式ADS_B系统的纠检错方法，其特征在于所述的步骤S2中参考功率值的计算方法为：
S21.对S模式ADS_B系统接收到的ADS_B消息数据的每比特位以10点/μs的采样率采样，若一个采样点的功率值大于门限值，且随后连续的3个以上采样点的功率值都在门限值以上，该采样点位置看做一个有效脉冲位置；
S22.将有效脉冲位置内的某一个采样点，跟前一个采样点和后一个采样点的功率值比较，若与前一个采样点的功率差值大于门限值，且与后一个采样点的功率差值小于门限值，则判定此采样点在一个脉冲上升沿；
S23.对ADS_B消息数据进行脉冲检测，若检测到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S模式ADS_B系统消息的前导报头脉冲；
S24.对拥有上升沿的前导报头脉冲选择其上升沿后的3个采样点，组成一个采样点集合；
S25.对上述采样点集合中的每一个采样点找出2dB摆幅内的其他采样点，并计算其他采样点的数目，并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；如果最大值不唯一，从采样点集合中去掉最小值，再从中去掉比最小值大2dB以上的点，计算出集合内剩余采样点的平均值，这个平均值作为ADS_B消息数据的参考功率值。
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