CN106452549B - 基于智能天线的ads-b远距离抗干扰抗欺骗接收方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于电子领域及航空监管领域，涉及一种基于智能天线的ADS‑B远距离抗干扰抗欺骗接收方法及装置。本发明由多个天线单元构成天线阵列，利用天线阵列对多路信号加权合成提高接收机灵敏度，在发射功率不变情况下，成倍提高覆盖范围，解决了ADS‑B消息碰撞时的信号解调解码问题。本发明可以抑制干扰同时提供欺骗信号识别能力。

Description

基于智能天线的ADS-B远距离抗干扰抗欺骗接收方法及装置

技术领域

本发明属于电子领域及航空监管领域，涉及一种基于智能天线的ADS-B远距离抗干扰抗欺骗接收方法及装置。

背景技术

ADS-B技术即为广播式自动相关监视技术，ADS-B系统提供一种无需人工操作或者询问，可以自动地从相关机载设备获取参数，并向其他飞机或地面站广播飞机的位置、高度、速度、航向、识别号等信息，以供管制员对飞机状态进行监控。

ADS-B系统的工作流程为：1)飞行器从GNSS等导航系统获得飞行器的位置和速度等信息，从关联机载设备获取所需其他参数信息。2)飞行器通过数字式数据链，向地面的ADS-B接收机和其它飞行器广播精确的位置和速度，以及飞机识别信息、航班号、空地状态等数据。3)ADS-B信号接收方，如综合在地面ADS-B接收机或者其他飞机上的ADS-B接收机，接收并解码数据，向使用者提供实时的空中交通状态。

现有的ADS-B接收机采用的是全向单天线接收机，射频信号经天线接收后，经过低噪声放大器，滤波，混频等步骤后，由模数转换器ADC采样得到数字信号，数字信号经解调后变为每包112bit的数据包，数据包再经过解码后转变为飞行器位置、速度、航向等状态信息。

然而，现有的ADS-B接收机存在以下技术问题：

1、覆盖距离短：为尽可能接收空间中的信号，天线大多设计为全向天线，导致接天线增益差，灵敏度低，链路覆盖距离短

2、消息碰撞：由于ADS-B消息的发射是各飞行器独立随机发送，随着飞行器密度增加，必然有越来越高的概率在地面站同时到达，即消息碰撞，造成解调解码失败，降低系统容量。

3、无抗干扰能力：传统ADSB接收机由于采用全向天线，当接收方向范围内存在强干扰时，只能被动接收干扰，无法有效抑制干扰，因此系统极易被干扰所中断，造成安全隐患

4、无防欺骗干扰能力：ADSB系统本身没有任何鉴权加密等机制，而随着航空监控系统的逐步开放，必然面临诸如假信号欺骗等情况，非法用户可以轻易模拟出多个假飞行器消息，扰乱正常监管。

发明内容

本发明为解决背景技术中存在的上述技术问题，而提供一种提高ADS-B接收机的覆盖范围，解决ADS-B消息碰撞时的信号解调解码问题的基于智能天线的ADS-B远距离抗干扰抗欺骗接收方法及装置。

本发明的技术解决方案是：本发明为一种基于智能天线的ADS-B远距离抗干扰抗欺骗接收方法，其特殊之处在于：该方法包括以下步骤：

1)由飞行器发射的射频ADS-B信号经过空间传播到达接收天线阵列，天线阵列由多个天线单元构成；

2)信号经天线阵列收集后，输入至接收通道，该接收通道包含多个接收支路，每个接收支路将信号经过放大，滤波，混频后，采样得到多路复数字信号；

3)根据多路复数字信号计算得到ADS-B信号的来波方向，并产生多组加权系数，使得每组加权系数对应一个来波方向，并根据计算出的信号来波方向抑制其他方向的干扰或信号；

4)对每路数字信号进行复加权合并，产生对应的合路信号，每路信号经过解调后产生有效的ADS-B数据包，数据包按照ADS-B标准所定义的格式解码得到飞行器状态信息。

上述步骤4)之后还包括步骤5)从飞行器状态信息中得到飞行器位置信息，并根据飞行器位置信息，推算出该信号的来波方向。

6)随后，将推算出的来波方向与步骤3)计算出的来波方向比较，若两者差别大于人为输入的阈值门限)，则判断该信号为欺骗信号。上述天线单元为3—128个，构成平面或立体型天线阵列。

上述步骤3)中根据多路复数字信号计算得到ADS-B信号的来波方向的计算方法为多重信号分类法或Capon最小均方误差法，其中来波方向包含俯仰角和方位角信息，产生多组加权系数的方法为线性约束最小方差方法LCMV或最小方差无失真响应MVDR。

上述步骤4)中的解调是通过并行方式对每个方向的数据进行解调解码，或者通过采用串行方式对各方向合路数据进行缓存，并依次将其串行进行解调解码。

根据上述的基于智能天线的ADS-B远距离抗干扰抗欺骗接收方法的接收装置，其特殊之处在于：该装置包括依次连接的天线阵列，多通道接收装置，阵列信号处理装置和解码解调装置，天线阵列由多个天线单元构成。

该装置还包括抗欺骗防伪装置，抗欺骗防伪装置与解码解调装置连接。

上述天线单元为3—128个，构成平面或立体型天线阵列，所述平面或立体型天线阵列为矩形阵列，圆形阵列，或由两个非平行线阵构成，所述天线单元采用低方向性天线单元。

上述多通道接收装置包括多路接收通道，一个或多个天线单元对应接一路接收通道，若多个天线单元对应一路接收通道时，多个天线单元接收信号在射频频率进行模拟电路幅度和/或相位调整后合并为一路，每路接收通道均包括依次连接的放大器、滤波器、混频器和模数转换器ADC。

上述阵列信号处理装置包括权系数产生与来波方向估计模块和加权合并模块，所述权系数产生与来波方向估计模块与加权合并模块连接。

本发明具有以下优点：

1、提高ADS-B接收机的覆盖范围：本发明由多个天线单元构成天线阵列，利用天线阵列对多路信号加权合成提高接收机灵敏度，在发射功率不变情况下，成倍提高覆盖范围。

2、可检测碰撞消息：根据加权系数，即使信号在时间上同时到达接收机(消息碰撞)，只要信号来自不同的方向，仍然可以通过不同的加权系数在空间上将其区分开，由此本发明具备检测碰撞消息的能力。

3、抑制干扰：本发明通过调整加权系数，对期望方向信号产生波束，对其他方向来波产生抑制，包括抑制其他来波方向的ADS-B信号以及抑制其他来波方向的干扰。

4、提供欺骗信号识别能力：本发明利用天线阵列对多路信号数据进行分析，计算出来波方向；通过解调解码出的位置信息，结合接收机位置，推算来波方向。通过比较由天线阵列计算出的来波方向和由ADS-B信息推算出的来波方向，判定该信号是否是欺骗信号。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图。

具体实施方式

1)由飞行器发射的射频ADS-B信号经过空间传播到达接收天线阵列，天线阵列由多个天线单元构成；

2)信号经天线阵列收集后，输入至接收通道，该接收通道包含多个接收支路，每个接收支路将信号经过放大，滤波，混频后，采样得到多路复数字信号；

3)根据多路复数字信号计算得到ADS-B信号的来波方向，并产生多组加权系数，使得每组加权系数对应一个来波方向，并根据计算出的信号来波方向抑制其他方向的干扰或信号；

4)对每路数字信号进行复加权合并，产生对应的合路信号，每路信号经过解调后产生有效的ADS-B数据包，数据包按照ADS-B标准所定义的格式解码得到飞行器状态信息。

5)从飞行器状态信息中得到飞行器位置信息，并根据飞行器位置信息，推算出该信号的来波方向，该推算方法为公知技术，即已知接收机位置坐标，已知飞行器位置坐标，通过立体几何方法，求出飞行器位置相对于接收机位置的俯仰角和方位角(即来波方向)。

6)随后，将推算出的来波方向与步骤3)计算出的来波方向比较，若两者差别大于人为输入的阈值门限时，…，例如门限可取值为3度，则判断该信号为欺骗信号。

其中天线单元为3—128个，构成平面或立体型天线阵列。

步骤3)中根据多路复数字信号计算得到ADS-B信号的来波方向的计算方法为多重信号分类法或Capon最小均方误差法，其中来波方向包含俯仰角和方位角信息，产生多组加权系数的方法为线性约束最小方差方法LCMV或最小方差无失真响应MVDR。

步骤4)中的解调是通过并行方式对每个方向的数据进行解调解码，或者通过采用串行方式对各方向合路数据进行缓存，并依次将其串行进行解调解码。

下面给出本发明内容的具体示例。

参见图1，本发明装置包括一个天线阵列，多通道接收装置，阵列信号处理装置，解码解调装置，抗欺骗防伪装置。其中，阵列信号处理装置，解码解调装置，抗欺骗防伪装置，可集成于一个或多个处理芯片(例如FPGA、DSP、MCU等器件)内部。

该天线阵列包含N(N＝3…128)个天线单元。天线单元的空间位置应使得阵列具有俯仰角和方位角感知能力，即构成平面或立体型天线阵列，例如，矩形阵列，圆形阵列，或由两个非平行线阵构成。

天线单元采用低方向性天线单元，以接收较大范围内的入射信号。

信号经天线阵列收集后，输入至接收通道模块，接收通道包含多个接收支路，每个接收支路将信号经过放大，滤波，混频等步骤后，由模数转换器ADC采样得到多路复数字信号。

其中采样的信号可以是中频信号，也可以是基带信号，取决于接收机射频通道的设计，该部分是通信领域专业人员公知的知识。最终信号变换为复基带数字信号进行后续处理。

阵列信号处理装置包括权系数产生与来波方向估计模块和加权合并模块，复基带数字信号输入给权系数产生与来波方向估计模块，该模块首先计算得到采样序列中信号或干扰的来波方向。来波方向的计算不涉及具体的信号形式，只检测信号能量，该计算可采用信号处理领域专业人员公知的方法进行，例如：多重信号分类法(MUSIC)，Capon最小均方误差法等，其中来波方向包含俯仰角和方位角信息。最后该模块将来波方向输出给抗欺骗防伪装置用于判断是否具有欺骗信号或干扰。

其次，权系数产生与来波方向估计模块根据估计出的来波角度，对各个角度方向产生对应的一组复值权系数，该加权系数使得每组加权系数对应一个来波方向，并抑制其他方向的干扰或信号。根据加权系数，即使信号在时间上同时到达接收机(消息碰撞)，只要信号来自不同的方向，仍然可以通过不同的加权系数在空间上将其区分开，由此本发明具备检测碰撞消息的能力。

在本实施例中，采用并行方式对每个方向的数据进行解调解码，另外也可以采用串行方式进行解调解码，即对各方向合路数据进行缓存，并依次将其串行输入给解调解码模块。

加权合并模块对每路数字信号进行复加权合并，产生对应的合路信号，输入给解调解码装置。其中，解调解码装置按照ADS-B标准所规定的信号格式进行处理，为本技术领域人员公知的方法。每路信号经过解调后可能产生有效的ADS-B数据包，也可能因为低信噪比或非ADS-B信号等原因无法解调出有效的ADS-B数据包。可以按照一定的准则，例如信号能量大于门限阈值且无法解调出ADS-B数据包，可判定该方向的来波为干扰信号，并由此给出干扰信号的告警信息，辅助进一步排查定位干扰源。

对于可以解调出有效ADS-B的来波，解调出的数据包按照ADS-B标准所定义的格式解码可以得到飞行器状态信息。抗欺骗防伪装置从飞行器状态信息中得到飞行器位置信息，并根据接收机的位置和解码得出的飞行器位置信息，由方向计算模块推算出该信号的来波方向。

随后，抗欺骗防伪装置将推算出的来波方向与权系数产生与来波方向估计模块计算出的来波方向比较，若两者差别大于一定范围，则判断该信号为欺骗信号，给出告警信息。

最后，将各支路处理后的信息合并后输出上报给高层系统。

作为本实施例的补充，通道加权方式还可以采用模拟方式进行，即通过移相/衰减器对每个信号接收通道的模拟信号进行加权，使得信号达到与数字域加权相同的相位、幅度加权效果。

Claims (4)

1.一种基于智能天线的ADS-B远距离抗干扰抗欺骗接收方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

1)由飞行器发射的射频ADS-B信号经过空间传播到达接收天线阵列，天线阵列由多个天线单元构成；

2)信号经天线阵列收集后，输入至接收通道，该接收通道包含多个接收支路，每个接收支路将信号经过放大，滤波，混频后，采样得到多路复数字信号；

3)根据多路复数字信号计算得到ADS-B信号的来波方向，并产生多组加权系数，使得每组加权系数对应一个来波方向，并根据计算出的信号来波方向抑制其他方向的干扰或信号；

4)对每路数字信号进行复加权合并，产生对应的合路信号，每路信号经过解调后产生有效的ADS-B数据包，数据包按照ADS-B标准所定义的格式解码得到飞行器状态信息；

5)从飞行器状态信息中得到飞行器位置信息，并根据飞行器位置信息，推算出该信号的来波方向；

6)将推算出的来波方向与步骤3)计算出的来波方向比较，若两者差别大于人为输入的阈值门限，则判断该信号为欺骗信号。

2.根据权利要求1所述的基于智能天线的ADS-B远距离抗干扰抗欺骗接收方法，其特征在于：所述天线单元为3—128个，构成平面或立体型天线阵列。

3.根据权利要求2所述的基于智能天线的ADS-B远距离抗干扰抗欺骗接收方法，其特征在于：所述步骤3)中根据多路复数字信号计算得到ADS-B信号的来波方向的计算方法为多重信号分类法或Capon最小均方误差法，其中来波方向包含俯仰角和方位角信息，产生多组加权系数的方法为线性约束最小方差方法LCMV或最小方差无失真响应MVDR。

4.根据权利要求3所述的基于智能天线的ADS-B远距离抗干扰抗欺骗接收方法，其特征在于：所述步骤4)中的解调是通过并行方式对每个方向的数据进行解调解码，或者通过采用串行方式对各方向合路数据进行缓存，并依次将其串行进行解调解码。