CN103795512B - 一种ads‑b位置消息的外推纠错方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种ADS‑B位置消息的外推纠错方法。通过获取某架飞机的最近正确解码的位置点、速度信息、以及当前位置点与上一条正确解码点之间的时差信息，对飞机当前位置进行预测。根据预测点形成一个三维空间位置点阵，对所有位置点进行CPR编码，加上获取的飞机广播报文中的确定性信息，形成一组ADS‑B报文的反编码矩阵。使当前报文提取的数据与所有反编码报文进行相关处理，选取相关度最大的报文所对应的位置点进行可靠性检测，检测成功后作为飞机当前的位置点，完成对此条报文的纠错。该方法突破传统通道纠错方式，具有对随机多位误码的纠错能力，且计算量并不随误码的增加而增加。

Description

一种ADS-B位置消息的外推纠错方法
一、技术领域
本发明涉及民航自动相关监视系统信号接收解码技术领域，具体为一种利用正确接收的ADS-B位置和速度等信息进行位置精确外推，在外推点形成扩展的位置点反编码矩阵，通过与当前接收的已知部分报文的位置等先验信息作相关度检测来实现对错误报文进行纠错的方法。
二、背景技术
广播式自动相关监视系统(ADS-B)，是未来新航行系统的重要空中交通监视手段之一。因其自主向外广播自身的位置、速度、识别码等信息，飞机可以实现在航路上的相互监视，在终端区域由地面站进行监视，在二次雷达监视盲区的机场区域由塔台监视。在空中交通日益密集的背景下，对航空器进行不间断的监视显得尤为重要。ADS-B系统大约每0.5秒向外广播一次自身的位置信息，但在日益复杂的电磁环境下以及在较远的距离上，接收数据的误码率显著上升，对航空器的不连续监视将对航空安全造成严重影响。目前ADS-B采用的主流数据链是国际民航组织推荐的可兼容二次雷达S模式的1090ES数据链，其采用的调制方式是PPM(Pulse Position Modulation，脉冲位置调制)。PPM调制方式的抗干扰能力仅仅比脉冲调制稍好，在复杂电磁环境下受到干扰产生误码的情况极其普遍。1090ES数据链中每条报文的最后24比特为CRC校验位，作为报文是否被正确接收的判断依据，但并不具有对数据进行纠错的能力。因此，在常规解码后，通过对解码的数据进行有效地纠错来提高对航空器监视的完整性显得十分重要。
三、发明内容
本发明的目的是提供一种针对ADS-B位置信息的纠错方法，用以在接收信号较弱或信号交叠时，提高对位置信息的解码率，增强对飞机航迹的连续性和完整性监视。
本发明提供一种针对ADS-B位置信息的纠错方法，其中包括：
(1)获取1090ES报文中的确定性信息以及能满足对空间位置进行精确外推的条件；
(2)根据最近正确解码的位置点、速度以及当前位置点与上一正确解码位置点之间的时差信息，对此架飞机进行位置点外推；
(3)以外推位置点为中心，从经度、纬度和高度三个方向扩展出一个三维空间位置点阵；
(4)采用基于CUDA(Compute Unified Device Architecture，统一计算设备架构)技术的高速图形处理器(GPU)对扩展出的空间位置点阵里的每个位置点进行1090ES反编码，形成对应的反编码矩阵；
(5)将矩阵中每一个反编码序列与当前接收报文作相关度检测，获取相关度最高的反编码序列，并作相关度门限判断；
(6)对相关度最高的反编码序列所对应的位置点进行可靠性检测；
(7)将满足可靠性检测的位置点作为本条接收报文的解码结果，从而实现对带有误码的报文进行纠错。
本发明在正确接收三个字节的飞机识别码的情况下实现对含有误码的ADS-B位置信息进行动态多位纠错，有效解决因干扰和信号微弱引起的报文解码丢点问题，并可用位置点精确外推方法提高目标位置信息的数据率，用于实时监视。
动态多位纠错是指可以对误码出现位置不固定，误码个数不固定的报文信息进行纠错。
本发明利用先验信息进行外推纠错的计算量不受当前接收报文误码数量的影响，只取决于飞机播报的速度信息以及时差信息的精确程度。因而突破了传统通道纠错方式，具有对随机多位误码的纠错能力，且计算量并不随误码的增加而增加。
四、附图说明
图1为本发明解码纠错流程图
图2为本发明对地速度分解示意图
图3为本发明大地直角坐标系下升速分解示意图
图4为GPU处理架构
五、具体实施方法
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚完整地描述。由于对实施例的阐述是具体的，不能涵盖本发明的所有实施例，本领域普通技术人员在没有作出创新性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
表1为本发明所述ADS-B消息格式结构，对于一架安装有ADS-B设备的飞机来说，它发出的ADS-B消息中，DF、CA(CF或AF)及ICAO地址是固定的。
表1
表2为本发明所述的ADS-B位置消息中ME字段各部分的意义，其中的单/双天线、时间[T]是固定不变的，监视类型、监视状况及高度信息中的增长单位是短稳的。
表2
图1为本发明所述对ADS-B位置消息进行纠错的流程图。将初解码的112位1090ES报文进行CRC24校验；如果校验正确，则检查以ICAO及日期命名的批号是否存在；若批号不存在，则起批、新建记录文件，进入常规解码流程，记录、显示位置或速度信息；若批号已存在，则更新纠错所需的位置及速度信息，提取表1及表2中所述的固定及短稳信息，并正常解码记录；如果未通过CRC24校验，则判断是否达到纠错条件(已获得正确解码位置点及其对应的速度信息)；若没有到达纠错条件，则丢弃本条报文；若达到纠错条件，则进入纠错进程；根据纠错条件中的位置及速度信息，将对地速度和升速进行分解与合成，再根据接收本条报文与上一条正确解码的位置信息报文的时间差进行位置点外推；以外推位置点为中心向三个维度(经度、纬度及高度)以最小变化尺度为步进进行扩展，形成三维矩阵，矩阵的每一个元素都是包含经度、纬度及高度的空间位置点；根据接收本条报文时打上的时间戳判断此条报文的奇偶性，对矩阵中的每个元素的经纬度进行CPR(Compact PositionReporting，简明位置报告)奇偶编码、高度进行带偏移量的编码；而后加上此批号的固定、短稳信息及CRC24校验信息形成112位的报文，完成1090ES报文反编码，形成一个新的对应于扩展出的三维点阵的矩阵，每个元素为112位的1090ES报文信息；将每一条反编码出的报文同接收的报文进行相关度检验处理，选出一条相关度最大并超过设定门限的报文，获得其对应的经纬高信息；对此经度、纬度及高度进行区域可靠性检测验证，具体为根据最近正确解码点为中心形成一个和飞机速度及时差有关的扩大了的一个空域范围，若计算出的位置点落在这个区域内，则接收此点为正确解码点，并将此经度、纬度和高度作为接收报文的解码结果进行记录和显示；若计算出的位置点未落在这个区域内，则通过纠错验证失败，丢弃本条接收报文，等待下一条报文输入进行纠错处理。
图2为本发明所述的对地速度分解示意图，将最新的经纬高表示的正确解码位置信息转换为大地直角坐标系下表示，在此坐标系下将速度报文中的对地速度(南北速度、东西速度)和升速分解为X、Y、Z轴三个方向上的速度。
A表示在大地直角坐标系下的最新正确解码的位置点(αlong，βlat，H)，东经为正，
西经为负，北纬为正，南纬为负。vsn为对应时刻的南北速度(向北为正，向南为负)，vew为对应时刻的东西速度(向东为正，向西为负)，则对地速度在X、Y、Z方向上的速度分量分别为：
veax＝-sin(αlong)*vew-sin(π/2-αlong)*sin(βlat)*vsn；
veay＝cos(αlong)*vew-sin(αlong)*sin(βlat)*vsn；
veaz＝cos(βlat)*vsn。
图3为本发明所述升速分解示意图，为A点的升速，在大地直角坐标系下分解为三个速度方向，大小分别为vupax、vupay和vupaz。
飞机在A点沿三个坐标轴方向的速度分量为vax、vay和vaz，它们分别可表示为：vax＝vupax+veax、vay＝vupay+veay、vaz＝vupaz+veaz。
通过速度分解与合成得到位置点在三坐标轴上的速度及信息，分别在三坐标轴上进行外推，得到大地直角坐标系下的外推点，将其转换为经度、纬度及高度信息，即得到外推位置点。
图4为本发明中将扩展点阵转换为1090ES报文反编码时所用的运算核心的结构示意图。由于转换中需要对三维矩阵中的每一个元素都要进行反编码，所以在纠错的过程中会产生非常大的计算量。现有的基于CPU的运行程序受CPU运算能力的限制，在对报文纠错位数达到一定量级时，会产生较大的延时，同时会影响其他正常报文的接收处理。因此，为了实现报文实时纠错，同时保证对其它报文正常解码，本发明采用具有强大并行处理能力的GPU负责纠错进程中的反编码等运算，以获得在一帧报文时间内(112us)完成实时纠错的处理能力。具体地为，对扩展出的空间位置点阵采用多线程调度，利用基于CUDA(ComputeUnified Device Architecture，统一计算设备架构)的GPU(Graphic Processing Unit，图形处理器)多运算核心进行快速并行处理，近乎实时地形成1090ES格式的反编码矩阵，再利用CPU作相关度检测，获取最高相关度报文对应的位置点。

Claims (4)

1.一种ADS-B位置消息的外推纠错方法，其特征在于：利用获取某架飞机的先验信息对此飞机播报的当前位置报文进行动态多位纠错，具体为：
(1)获取某架飞机1090ES数据链下行报文中的确定性信息以及能满足对空间位置进行精确外推的条件；
(2)根据最近正确解码的位置点、速度以及当前位置点与上一正确解码位置点之间的时差信息，对此架飞机进行位置点外推；
(3)以外推位置点为中心，从经度、纬度和高度三个维度扩展出一个三维空间位置点阵；
(4)对扩展出的空间位置点阵里的每个位置点根据固定先验信息进行1090ES格式的反编码，形成对应的反编码矩阵；
(5)将矩阵中每一个反编码序列与当前接收报文作相关度检测，获取相关度最高的反编码序列，并作相关度门限判断；
(6)对相关度最高的反编码序列所对应的位置点进行可靠性检测；
(7)将满足可靠性检测的位置点作为本条接收报文的解码结果，完成对当前接收报文的纠错。
2.根据权利要求1所述的ADS-B位置消息的外推纠错方法，其特征在于：所述的反编码矩阵的形成过程为：对扩展出的空间位置点阵采用多线程调度，利用基于CUDA(ComputeUnified Device Architecture，统一计算设备架构)的GPU(Graphic Processing Unit，图形处理器)多运算核心进行快速并行处理，近乎实时地形成1090ES格式的反编码矩阵，再利用CPU作相关度检测，获取最高相关度报文对应的位置点。
3.根据权利要求1所述的ADS-B位置消息的外推纠错方法，其特征在于：利用先验信息进行外推纠错的计算量不受当前接收报文误码数量的影响，只取决于飞机播报的速度信息以及时差信息的精确程度。
4.根据权利要求1所述的ADS-B位置消息的外推纠错方法，其特征在于：在计算出当前不完全正确接收的报文中所蕴含的位置信息后，还需进行可靠性检测，具体过程为：根据最近正确解码点为中心形成一个和飞机速度及时差有关的扩大了的一个空域范围，若计算出的位置点落在这个区域内，则接收此点作为正确解码点，反之丢弃此报文，等待下一条报文进行纠错处理。
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