CN105160118A - 一种基于计算机仿真的1090MHz信号环境评估系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于1090MHz信号环境评估的计算机仿真系统，首先构建评估区域的场景环境模型，调整飞机的进出场率和飞机进出场的航线可适应未来终端去空域条件下的飞行动态仿真，通过调整场景环境配置参数可适应未来的空域条件；然后，结合目标的发射功率、天线增益与传播损耗，建立信号的接收功率模型，用于判断信号是否能够成功接收并解码；再通过仿真的方法模拟评估区域内空-空和空-地通信过程，即信号的发送、传播和接收过程，结合评估区域场景环境配置参数以及飞机节点状态和地面节点状态得到评估区域内的动态1090MHz信号环境，最后根据统计的接收并解码的成功率以及对仿真的1090MHz信号环境的统计得到1090MHz信号环境的评估参数。

Description

一种基于计算机仿真的1090MHz信号环境评估系统

技术领域

本发明涉及航空监视技术。

背景技术

1090MHz是民用和军用航空监视导航的专用频率，多种电子设备共享该频率造成的频谱拥塞(Congestion)和同频干扰引起了广泛的关注。二次雷达或空管雷达信标系统ATCRBS(AirTrafficControlRadarBeaconSystem)、用于飞机防撞的TCAS(TrafficCollisionAvoidanceSystem)系统、自动广播相关监视系统ADS-B(AutomaticDependentSurveillance-Broadcast)、多点定位系统，交通信息广播系统TIS-B(TrafficInformationServices–Broadcast)，以及军用飞机的敌我识别器IFF(IdentificationofFriendorFoe)都工作在1090MHz频段。按照国际民航组织ICAO的规定，1090MHz发射信号的频率误差在±1MHz以内，因此，多种系统的共享必然带来信号的同频干扰，严重时导致频谱拥塞，系统无法正常工作。另一方面，近年来我国的航空流量呈高速增长趋势，机载监视设备和地面监视设备的数量快速增加，1090MHz频谱信号拥塞的问题也日趋严重。为了保障现有电子系统正常工作，对推广的新技术进行前期论证，预测1090MHz频点未来的使用状况和安全性，都有必要对1090MHz频谱环境进行有效的评估。

国际民航组织(InternationalCivilAviationOrganization,ICAO)、美国联邦航空局(FederalAviationAdministration,FAA)和欧控(EUROCONTROL)等多家权威机构在欧美发达地区(如法兰克福机场、纽约JKF机场等)多次开展了对1090MHz频点的实际测量工作，结合实测的数据分阶段进行风险评估，必要时采取适当环境频谱拥塞的措施，以确保监视系统安全可靠地运行。结合监测数据进行评估是最理想的方法，可以准确掌握1090MHz信号环境的使用情况和安全性，但实测成本很高，需军航和民航的多个部门配合，实施困难，且只适用于评估当前的信号环境，而无法用于评估未来的频谱环境。

为此，国际民航权威机构先后提出了几种不同模型对1090MHz频谱环境进行评估。欧控提出的一种CIR(ConstantInterrogationRate)仿真评估模型，该模型基于场景假设相同的海拔高度上监视设备接收到的询问信号频率为一个常数，而实际频谱环境下询问信号频率往往波动较大难以满足常数的条件，该模型假设存在一定的局限性。美国MITRE组织提出了一种1090MHz环境分析模型，该模型通过理论分析的方法对1090MHz频谱环境进行现状评估并能够改变场景参数预测未来的信号环境，该模型只考虑飞机与监视设备距离因素而忽略了飞机方位以及飞机位置变化等特征，并且没有以实际的场景环境和民航现状为基础。另外，SSR/IFF环境模型、Volpe/APL模型等几种评估模型也都可用于1090MHz频谱环境的评估，这些模型的共同点都是基于对实际环境参数的假设以及忽略了飞机方位等动态变化的因素。而在国内并没有相关方面的研究。。

1090MHz信号环境评估的关键在于对实际场景环境合理建模，并结合现有数据和变化趋势，模拟真实的信号环境以及预测未来的信号环境。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种通过调整参数适应未来空域条件的航空监视频率1090MHz信号环境评估系统。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，一种用于1090MHz信号环境评估的计算机仿真系统，包括评估区域场景环境配置模块、评估区域1090MHz信号环境仿真模块、评估参数计算模块；

评估区域场景环境配置模块包含飞机节点飞行动态仿真模型、飞机节点参数配置模块和地面节点参数配置模块；

所述飞行动态仿真模型，用于接收输入的飞机位置坐标、速度和飞行航迹，区域范围、机场坐标位置、降落点坐标、离场点坐标、进出场航路、飞行高度、速度、飞机进场率和飞机离场率来模拟各个时刻区域内所有飞机的位置、高度和飞行航路并输出至1090MHz信号环境仿真模块；

所述飞机节点参数配置模块，用于接收输入的1030MHz发射参数、1030MHz接收参数、1090MHz发射参数和1090MHz接收参数并输出至1090MHz信号环境仿真模块；

所述地面节点参数配置模块，用于接收输入的地面节点1090MHz接收参数、1030MHz发射模块参数、地面节点三维位置坐标、天线主瓣宽度和天线扫描周期并输出至1090MHz信号环境仿真模块；

评估区域1090MHz信号环境仿真模块包含接收信号功率模型、飞机节点功能实现模块、地面节点功能实现模块和1090MHz信号环境仿真模块；

所述接收信号功率模型，用于计算自由空间传播衰减条件下飞机节点和地面节点接收机接收的期望信号功率、干扰信号功率以及信号与干扰加噪声比来判断信号接收解码是否成功，并将判断结果输出至评估参数计算模块；

所述飞机节点功能实现模块，用于通过广播广播式自动相关监视ADS-B消息、对地面二次监视雷达SSR进行应答和空中交通预警和防撞系统TCAS进行询问来更新飞机节点状态，并输出当前飞机节点状态至1090MHz信号环境仿真模块；

所述地面节点功能实现模块，用于通过接收ADS-B广播消息、接收SSR应答和对飞机节点进行SSR询问来更新地面节点状态，并输出当前地面节点状态至1090MHz信号环境仿真模块；

所述1090MHz信号环境仿真模块，用于通过输入的评估区域场景环境配置模块参数、飞机节点状态以及地面节点状态来仿真1090MHz信号环境中飞机节点与地面节点之间的通信过程；

评估参数计算模块，用于通过统计信号接收解码率得到监视设备的性能指标，通过观测仿真1090MHz信号环境中飞机节点与地面节点之间的通信过程得到空中交通管理/通讯A/C模式信号FRUIT干扰率、监视S模式信号FRUIT干扰率、A/C模式信号GARBLE干扰率、S模式信号FRUIT干扰率、和信号连续丢失最长时间。

本发明首先根据飞机的数量、分布、飞行动态、地面和机载设备的数量与分布、信号模式等构建评估区域的场景环境模型，调整飞机的进出场率和飞机进出场的航线可适应未来终端去空域条件下的飞行动态仿真，通过调整场景环境配置参数可适应未来的空域条件；然后，结合目标的发射功率、天线增益与传播损耗，建立信号的接收功率模型，用于判断信号是否能够成功接收并解码；再通过仿真的方法模拟评估区域内空-空和空-地通信过程，即信号的发送、传播和接收过程，结合评估区域场景环境配置参数以及飞机节点状态和地面节点状态得到评估区域内的动态1090MHz信号环境，最后根据统计的接收并解码的成功率以及对仿真的1090MHz信号环境的统计得到1090MHz信号环境的评估参数。

本发明的有益效果是，能建立更为贴合实际航空监视频率1090MHz信号环境评估的仿真环境进行环境评估，既适用于评估当前空域背景下的信号环境，也可通过调整参数适应未来空域条件。

附图说明

图1评估模型的总体框图

图2终端区交通场景示意图

图3空中交通监视系统仿真模型示意图

具体实施方式

如图1所示，本发明的1090MHz信号环境评估系统包括：评估区域场景环境配置模块、评估区域1090MHz信号环境仿真模块和评估参数计算模块。

1、评估区域场景环境配置模块

评估区域场景环境配置模块主要用于配置评估区域的地空场景环境，包括动态飞行的n(n>0)个飞机节点和m(m>0)个地面设备节点，并配置相应的参数。

(1)飞机节点飞行动态仿真模型

根据实际机场情况，建立飞机飞行动态仿真模型，模拟终端区空域飞机的飞行状态，包括飞机位置坐标、速度和飞行航路，实现过程为：

如图2所示，建立以终端区为评估区域的飞机飞行动态仿真模型：

评估区域设置为以机场为中心R千米(40km)的范围内，机场坐标位置(0,0,z_ap)，z_ap为机场位置的海拔高度，降落点坐标(x_av,y_av,z_av)，离场点坐标(x_dp,y_dp,z_dp)，飞机进出场航路{Path1,Path2,…,PathN}(每条航路是一系列飞行点迹的集合)；

飞机飞行高度设置为8400米至12500米高度范围内，垂直间隔为600米；

飞机飞行速度设置为最大101m/s，最小41m/s；

进场飞机进入空域边界沿指定航路飞行，到达降落点后开始降落，直到进入机场，飞机进场率arrive_num(架次/小时)；

离场飞机从机场起飞，爬升到达离场点后沿指定航路飞行，直到飞离空域边界，飞机离场率depart_num(架次/小时)；

飞机动态仿真实现过程：随机设置arrive_num架进场飞机的进场时刻和depart_num架离场飞机的离场时刻，飞机进场从区域边界开始随机选择一条进场航线直到飞机降落机场，飞机离场从机场开始起飞爬升到离场点都随机选择一条离场航线直到飞离区域边界，选定航线后按照一定的飞行速度沿指定航路飞行，仿真1小时空域内飞机的飞行动态。

(2)飞机节点参数配置模块

飞机节点包含1030MHz发射模块、1030MHz接收模块、1090MHz发射模块和1090MHz接收模块；

配置飞机节点参数包括：

1090MHz发射模块参数：1090ES信息广播周期(单位次/秒)、发射功率(单位dBm)和占据状态；

1090MHz接收模块参数：接收灵敏度(单位dBm)和占据状态；

1030MHz发射模块参数：发射功率(单位dBm)、使用模式(A/C/S模式)、询问频率(次/秒)和占据状态；

1030MHz接收模块参数：接收灵敏度(单位dBm)和占据状态；

(3)地面节点参数配置模块

地面节点包含1090MHz接收模块和1030MHz发射模块；

配置地面节点参数包括：

地面节点基本参数：二次雷达地面站的三维位置坐标、天线主瓣宽度和天线扫描周期(转/秒)；

1090MHz接收模块参数：接收灵敏度(单位dBm)和占据状态；

1030MHz发射模块参数：发射功率(单位dBm)、使用模式(A/C/S模式)、询问频率(次/秒)和占据状态；

2、评估区域1090MHz信号环境仿真模块：

区域1090MHz信号环境仿真模块主要用于模拟飞机节点与地面节点之间以及飞机节点与飞机节点之间1090MHz信号的每次通信过程，结合模块1构建的评估区域场景环境，模拟飞机节点与地面节点之间的每次询问/应答以及1090ES信号广播/接收的过程。

(1)接收信号功率模型

接收信号功率模型主要用于计算自由空间传播衰减条件下飞机节点和地面节点接收机接收的期望信号功率、干扰信号功率以及信号与干扰加噪声比SINR。

假设d_j表示第j个发射机到接收的距离，信号自由空间传播损耗系数α取值为2≤α≤4(默认值为2)，g_j为信号自由空间的衰减系数。

期望信号功率计算方法如式(1)：

${\mathrm{PS}}_i=p_i{\mathrm{\β}}_i{d_i}^{-\mathrm{\α}}\left|g_i\right|---\left(1\right)$

干扰信号功率方法如式(2)：

${\mathrm{PI}}_j=p_j{\mathrm{\β}}_j{d_j}^{-\mathrm{\α}}\left|g_j\right|,j\∈\Π\left(i\right)---\left(2\right)$

信号干扰加噪声比计算如式(3)：

$SINR=\frac{{\mathrm{PS}}_i}{\mathrm{\η}+{\Σ}_{j\∈\Π\left(i\right)}{\mathrm{PI}}_j}---\left(3\right)$

其中：p_i表示第i个发射机的发射功率，β_i表示对应的天线增益(考虑地对空和空对空信号发射机和接收机的天线方向性)，η表示噪声功率(默认值为118dBm)，∏(i)表示干扰的发射机集合。

(2)飞机节点功能和实现模块

如图3所示，飞机节点的功能包括广播ADS-B消息、对地面SSR进行应答和TCAS询问/应答。

广播ADS-B消息：飞机节点通过1090MHz发射模块按照一定的广播周期和功率发送1090ES信号，信号覆盖范围内的具有1090MHz接收功能且处于非占据状态的飞机都能够接收到目标信号，如果接收信号大于接收机灵敏度且SINR>3dB，则信号可以成功被解码。

对地面SSR进行应答：地面节点通过1030MHz发射模块发送SSR询问信号，询问方式有全呼和点名呼叫两种，全呼询问信号覆盖范围内的所有处于非占据状态飞机节点能够接收目标信号，如果接收信号大于接收机灵敏度且SINR>3dB，则目标信号可以成功被解码，飞机节点成功接收询问信号并解码后通过1090MHz发射模块发送SSR应答信号；点名呼叫询问信号覆盖范围内的所有飞机能够接收目标信号，如果接收信号大于接收机灵敏度且SINR>3dB，则目标信号可以被成功解码，指定飞机节点成功接收并解码询问信号后通过1090MHz发射模块发送SSR应答信号。

TCAS询问：飞机节点通过1030MHz发射模块发送TCAS询问信号，包括A/C模式全呼询问、Whisper-Shout询问、S模式全呼和点名询问，信号覆盖范围内的处于非占据状态的飞机节点能够接收目标信号，如果接收信号大于接收机灵敏度且SINR>3dB，则目标信号可以被成功解码，指定飞机节点成功接收并解码询问信号后通过1090MHz发射模块发送对应的TCAS应答信号；非占据状态的飞机节点也可以通过1090MHz接收模块接收TCAS应答信号，如果是S模式应答信号要求接收信号功率大于接收机灵敏度且SINR>7dB，目标信号可以被成功解码，如果是A/C模式应答则要求接收信号功率大于接收机灵敏度且SINR>3dB，目标信号可以被成功解码。

(3)地面节点功能和实现模块

如图3所示，地面节点的功能包括接收ADS-B广播消息、接收SSR应答和对飞机节点进行SSR询问。

接收ADS-B广播：处于非占据状态的地面节点通过1090MHz接收模块接收覆盖范围内飞机节点的ADS-B广播消息，覆盖范围由天线主瓣宽度和天线扫描周期决定，如果接收信号大于接收机灵敏度且SINR>7dB，则目标信号可以被成功解码；

接收SSR应答：处于非占据状态的地面节点通过1090MHz接收模块接收覆盖范围内的飞机节点的应答消息，覆盖范围由天线主瓣宽度和天线扫描周期决定，包括S模式和A/C模式应答，如果是S模式应答信号要求接收信号功率大于接收机灵敏度且SINR>7dB，目标信号可以被成功解码，如果是A/C模式应答则要求接收信号功率大于接收机灵敏度且SINR>3dB，目标信号可以被成功解码；

对飞机节点进行SSR询问：地面节点通过1030MHz发射模块对覆盖范围内的飞机节点进行SSR询问，覆盖范围由天线主瓣宽度和天线扫描周期决定，包括A/C模式询问、S模式全呼和S模式点名询问。

(4)1090MHz信号环境仿真模块

结合评估区域场景环境配置模块输出参数以及飞机节点和地面节点的状态，通过仿真方法模拟动态的1090MHz信号环境，具体步骤如下：

步骤1：初始化评估区域场景配置参数；

步骤2：配置飞机节点和地面节点状态参数；

步骤3：初始化1090MHz信号环境仿真模块本地的1090MHz接收模块信息跟踪列表，用于保存观测的信息；

步骤4：初始化时间参数，T＝0；

步骤5：根据飞机节点飞行动态仿真模型，更新每架飞机该时刻的状态(位置、速度和航迹等)，加入新进入区域内的飞机和删除离开的飞机；

步骤6：更新飞机节点状态，包括：ADS_B消息广播、对地面雷达的应答和TCAS询问/应答；

步骤7：依据主瓣方向、宽度和询问频率，更新地面节点的状态，包括：接收ADS-B广播消息、接收SSR应答和对飞机节点进行SSR询问；

步骤8：判断并更新1030MHz成功询问信息以及1090MHz成功应答信息；

步骤9：更新跟踪列表，包括A/C模式和S模式信号FRUIT干扰次数、A/C模式和S模式信号GARBLE干扰次数以及信号丢失时间等；

步骤10：T＝T+1，如果T>3600，结束循环，否则返回步骤4继续执行。

3、评估参数计算模块

评估参数计算模块包括计算1090MHz信号环境评估参数：A/C模式信号FRUIT干扰率、S模式信号FRUIT干扰率、A/C模式信号GARBLE干扰率、S模式信号FRUIT干扰率、信号连续丢失最长时间和监视设备性能指标。

(1)A/C模式和S模式信号FRUIT干扰率

基于1090MHz信号环境的模拟，跟踪地面节点和飞机节点的1090MHz接收模块，记录每次接收的非目标接收机发送的A/C模式应答和S模式信号应答信号出现的次数，计算单位时间内FRUIT干扰出现次数，即A/C模式信号FRUIT干扰率和S模式信号FRUIT干扰率。

(2)A/C模式和S模式信号GARBLE干扰率

基于1090MHz信号环境的模拟，跟踪地面节点和飞机节点的1090MHz接收模块，记录每次接收信号产生A/C模式应答和S模式信号混叠干扰的次数，计算单位时间内混叠干扰出现次数，即A/C模式信号GARBLE干扰率和S模式信号GARBLE干扰率。

(3)信号连续丢失最长时间

基于1090MHz信号环境的模拟，跟踪飞机节点1090MHz接收模块的，如果信号成功接收但是解码失败，则信号丢失，记录飞机节点每一次的信号丢失和持续时间，统计飞机节点信号连续丢失的最长时间。

(4)监视设备性能指标

本发明采用有效状态更新周期评估ADS-B设备性能评估，具体计算方法：

考察两个飞机节点之间的通信，num_op表示通信的次数(ADS-B信号的广播和接收)，num_cr表示飞机正确接收另一架飞机的广播信号次数，则信号正确接收的概率表示如式(4)：

p_cr＝num_cr/num_op(4)

依据国际民航组织ICAO的规定，飞机节点之间ADS-B信号的有效更新周期(EffectiveUpdatePeriod,EUP)计算方法如式(5)：

EUP＝0.25*ln(0.05)/ln(p_cr)(5)

本发明采用询问成功率和应答成功率指标评估TCAS系统性能，具体计算方法：如果询问信号被指定成功接收解码并应答，则询问成功，记录每一次TCAS询问，统计出单位时间内TCAS询问的成功次数，即询问成功率；如果应答信号被目标飞机节点成功接收并解码，则应答成功，记录每一次TCAS应答，统计出单位时间内TCAS应答的成功次数，即应答成功率。

Claims (1)

1.一种用于1090MHz信号环境评估的计算机仿真系统，其特征在于，包括评估区域场景环境配置模块、评估区域1090MHz信号环境仿真模块、评估参数计算模块；

评估区域场景环境配置模块包含飞机节点飞行动态仿真模型、飞机节点参数配置模块和地面节点参数配置模块；

所述飞行动态仿真模型，用于接收输入的飞机位置坐标、速度和飞行航迹，区域范围、机场坐标位置、降落点坐标、离场点坐标、进出场航路、飞行高度、速度、飞机进场率和飞机离场率来模拟各个时刻区域内所有飞机的位置、高度和飞行航路并输出至1090MHz信号环境仿真模块；

所述飞机节点参数配置模块，用于接收输入的1030MHz发射参数、1030MHz接收参数、1090MHz发射参数和1090MHz接收参数并输出至1090MHz信号环境仿真模块；

所述地面节点参数配置模块，用于接收输入的地面节点1090MHz接收参数、1030MHz发射模块参数、地面节点三维位置坐标、天线主瓣宽度和天线扫描周期并输出至1090MHz信号环境仿真模块；

评估区域1090MHz信号环境仿真模块包含接收信号功率模型、飞机节点功能实现模块、地面节点功能实现模块和1090MHz信号环境仿真模块；

所述接收信号功率模型，用于计算自由空间传播衰减条件下飞机节点和地面节点接收机接收的期望信号功率、干扰信号功率以及信号与干扰加噪声比来判断信号接收解码是否成功，并将判断结果输出至评估参数计算模块；

所述飞机节点功能实现模块，用于通过广播广播式自动相关监视ADS-B消息、对地面二次监视雷达SSR进行应答和空中交通预警和防撞系统TCAS进行询问来更新飞机节点状态，并输出当前飞机节点状态至1090MHz信号环境仿真模块；

所述地面节点功能实现模块，用于通过接收ADS-B广播消息、接收SSR应答和对飞机节点进行SSR询问来更新地面节点状态，并输出当前地面节点状态至1090MHz信号环境仿真模块；

所述1090MHz信号环境仿真模块，用于通过输入的评估区域场景环境配置模块参数、飞机节点状态以及地面节点状态来仿真1090MHz信号环境中飞机节点与地面节点之间的通信过程；

评估参数计算模块，用于通过统计信号接收解码率得到监视设备的性能指标，通过观测仿真1090MHz信号环境中飞机节点与地面节点之间的通信过程得到空中交通管理/通讯A/C模式信号FRUIT干扰率、监视S模式信号FRUIT干扰率、A/C模式信号GARBLE干扰率、S模式信号FRUIT干扰率、和信号连续丢失最长时间。