CN106935079B - 基于软件无线电平台的ads-b信号采集与可靠性验证方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于软件无线电平台的ADS‑B信号采集与可靠性验证方法，属于信号检测与处理及安全监测领域，本发明的目的是解决现有民用航空器ADS‑B监视的准确性和可靠性不足的问题。本发明方法包括以下步骤：一、驱动软件无线电平台采集民航飞机的ADS‑B信号；二、对解调后的ADS‑B信号，设计一种基于的小波滤波器，滤除噪声，提取信号特征；三、设计一种基于相关性分析的报头检测算法，对ADS‑B数字信号解码，得到民航飞机的飞行参数信息；四、基于报文信息，对解析的民航飞机ADS‑B信息可靠性加以验证。本发明用于民航飞机ADS‑B监视及运行安全保障。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于软件无线电平台的ADS-B信号采集与可靠性验证方法，属于民用航空器ADS-B监视及运行安全保障领域。
背景技术
在现代航空管理领域有许多亟待解决的问题，首要的问题是广泛使用的雷达系统无法工作于非陆地区域、雷达盲区以及机场跑道、滑行道上，使得像沙漠、海洋的监视管理工作很难进行；同样在大型机场的场面跑道、滑行道的雷达监视管理工作也很难进行。其次是航空通信方面，传统ATC系统中90％使用的都是语音通信，这种通信模式会导致飞机与基站之间的通信不足，存在安全隐患。在导航方面，如今的固定航线、航线分配模式难以实现最短距离、最佳航线行驶，这样不仅浪费时间、燃油，还造成严重污染。
为了应对日益增长的航空需求和空中交通管制相对落后的矛盾，国际民航组织提出一种新航行系统下的广播式自动相关监视技术即ADS-B。ADS-B是一种基于全球卫星定位系统和空-空、地-空数据链通信的航空器运行监视技术。ADS-B技术除可以有效的解决上述问题外，还将是实施自由飞行的奠基石，欧洲虽然并不提倡前景遥远、偏于理想、概念模糊的“自由飞行”，但也提出了“自由航路”概念，而ADS-B也将是促进实施自由航路的可行手段之一。
ADS-B和传统雷达监视系统相比可以获得更高精度的目标位置和高度信息，突破其无法覆盖荒漠远洋等地区、数据精度受限的问题。通过为飞行员提供更加快捷的飞行数据传输服务，使用了ADS-B可以优化航路设置，减小间隔标准，使空域得到更充分的利用。此外，ADS-B还可以为航空器提供更加全面天气、地形、周边交通情况的飞行信息，使机组更加了解航空器周边的情况，提高情境意识，从而实现空、天、地一体化信息共享和协同监视。另外，从经济角度来看，相较于传统的航管雷达需要建立地面基站，定期维护保养耗资巨大不同，ADS-B的建设保养费用都远远低于传统雷达，具有推广意义。因此，ADS-B被认为是空中交通管制的未来。
当前市场流行ADS-B设备是一个“黑箱”，用户只能得到解析后的民航飞机ADS-B航迹数据(高度、经纬度、速度等)，且无法判断解析的数据是否可靠。因此空管运行单位只能将其作为辅助监视手段。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于软件无线电平台采集民航飞机ADS-B信号并进行可靠性验证的方法，用于解决现有技术中只能得到解析后的民航飞机ADS-B航迹数据且无法判断解析的数据是否可靠的技术问题。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：步骤一、驱动软件无线电平台采集民航飞机的ADS-B信号；
软件无线电(USRP)代替传统硬件无线电平台是现阶段信号处理的主流。软件无线电采用固定不变的硬件平台，通过软件升级来实现灵活多变的通信体制和通信功能的无线电系统。其特点是通用化、标准化、模块化，以及对信号波形的广泛适应性。软件无线电的核心是其驻留在FPGA内部的可升级、可重构的功能软件，以适应不同的技术标准、接口协议和信号波形。
在软件无线电平台内设置当前ADS-B基站的地理信息坐标、天线接收频率接收范围和拟采集信号的功率阈值以及信号采样率等参数，完成ADS-B信号采集环境配置。驱动USRP平台采集接收范围内ADS-B信号，存储待滤波和解码处理。
步骤二，基于小波滤波器的ADS-B信号带通滤波器设计
步骤2.1、按照(1)式对USRP采集经I/Q解调后的ADS-B信号x(n),对其进行K阶DB小波分解和重构：
其中，xk(n)为采用k阶小波系数重构的信号；n为x(n)的采样点；
步骤2.2、采用(2)式的相关算子计算xk(n)的频率：
其中，Ts为x(n)的采样周期，∠为复函数的相角，N为x(n)的采样点总数，上标*表示对偶；
步骤2.3、为抑制信道外干扰，设置频率阈值fth，按照(3)式设计带通滤波器进行滤波：
同时，为防止信道内脉冲干扰，按照(4)式计算xk(n)与标准1090MHz脉冲信号xs(n)之间的相关性ek
计算得到的ek需满足ek>eth，eth为预设的相关性阈值；
因此，得到综合滤波后的信号如(5)式所示
步骤三、设计一种基于相关性分析的报头检测算法解码ADS-B数字信号
对滤波处理后的ADS-B信号y(n)取模以得到信号包络。系统自动生成一个时长8μs固定格式的ADS-B报头与信号包络进行匹配处理。匹配得到的输出波形的起始处检测到一个相关峰值，而其临近区间不会有较大的峰值输出，即找到一个ADS-B信号起始位置。记录该起始位置后长度为112比特的ADS-B数字信号(由数据0或数据1组成)形成一条报文。
在现有技术中，按照ADS-B协议标准将数字信号解析为航班飞行参数，步骤为：
步骤c1、对每条报文预处理，内容包括：(1)判断该条报文是否为非空；(2)判断该条报文的存储格式是否为88位；(3)判断该条报文是否为ADS-B消息。对同时满足上述3条要求的报文进行下一步处理。
步骤c2、对预处理后的报文按相同的注册号即ICAO地址进行分组，并将相同注册号的报文存入同一分组中，即将同一飞机的报文存入同一分组中。
步骤c3、对同一分组中的报文进行如下操作：对当前一条报文与其之前的一条报文二者的第54位进行比较，判断这两条报文是否匹配，若匹配，则采用全局CPR算法求解出与当前报文相对应的飞行参数；若不匹配，采用局部CPR算法求解出与当前报文相对应的飞行参数。
步骤c4、依次对不同注册号的飞机对应的报文进行以上的解码操作，求解出不同飞机的飞机报文解析结果。
步骤四、基于报文的解析结果，计算如下4种精确性指标，对报文信息可靠性加以验证。
A、利用位置导航精度类别比率μNACp表示报文信息中位置信息的精度，位置导航精度类别比率μNACp按照(6)式计算：
NACp为位置导航精度类别指标Navigation Accuracy Category-Position的简称，报文解码后该指标是一个0到无穷大的数值，所以这里设定NACp>5表示导航精度高；
NoAT(H)为H时间内，所选定的一架飞机所监视到的所有轨迹点数目；H的选择范围在2-24小时之间；
NoAT(h)为第h秒时所选定的一架飞机所监视到的轨迹点；
B、利用速度导航精度类别比率μNACv表示报文信息中速度信息的精度，速度导航精度类别比率μNACv按照(7)式计算：
NACv为速度导航精度类别Navigation Accuracy Category-Velocity的简称，报文解码后该指标是一个0到无穷大的数值，所以这里设定NACv>5表示导航精度高；
C、按照(8)式计算报文信息中的航迹漏点率μmp
NoMP(H)为H时间内，所选定的一架飞机的所有漏点数目。对于选定任意一架航空器，连续5秒内未收到航迹点，则统计为报文信息中的1个航迹漏点。
D、按照(9)式计算ADS-B信息中的航迹跳点率μjp：
NoJP(H)为H时间内，选定某一架飞机所有跳点数目。考虑到各种因素的噪声干扰以及在数据解析过程存在的解析误差，导致实际航迹数据与真实航迹数据存在一定的偏差，即为航迹数据的位置离散度。计算航迹数据的位置离散度的时候，首先提取H时间段的报文信息，用卡尔曼滤波算法对报文信息中的位置信息进行滤波处理。计算滤波前后两个航迹点之间的误差，计算误差的均值和方差，当误差的均值和方差大于阈值，则认为此位置点为跳点。
依据USRP设备采集H时间内实时ADS-B航迹，对于某一架航班，利用上述4个精确性指标进行可靠性指标Ire判别，得到采用经验公式如下
Ire＝w1(1-μNACp+1-μNACv)+w2μmp+w3μjp (10)
其中w1、w2、w3均为权重，满足w2>w1>w3且w1+w2+w3＝1；
根据研究多组过去24小时内ADS-B解析的航迹信息(经度、纬度、速度)对管制的影响作用得到的经验可知，其中航迹漏点率最重要，直接影响航迹是否可用，其次是位置导航精度类别比率和速度导航精度类别比率，最后是航迹跳点率，因为航迹跳点率可能由高空风等因素影响。
当可靠性指标Ire处于如下阈值范围内，如表1所示，认为其在H时间段内的报文信息可靠性通过，否则，认为在H时间段内报文信息不可靠。
表1
有益效果：
本发明提供的基于软件无线电平台采集民航飞机ADS-B信号，并结合小波分析的带通滤波器设计和相关性分析的报头检测算法对ADS-B信号进行解码，实现对民航飞机飞行状态监视的同时，依据报文所包含的准确性信息特征，对ADS-B监视的可靠性能够进行验证。具体的：
1)本发明所提出的基于小波分析的滤波器能够抑制ADS-B接收的信道外和信道内的干扰。
2)本发明所提出的基于软件无线电的ADS-B采集系统能够获取ADS-B从采集-解码-解析-显示-验证多个模态下的内容，进而能够实现抑制干扰。
3)本发明所提出的验证方法能够验证民航飞机ADS-B航迹的可靠性，将本方法运用于空管运行单位，经过实践验证，当报文的可靠程度为可靠时，能够准确把握民航飞机位置，为空管做出正确决策提供保障，当报文的可靠程度为较可靠时，也能为空管做出正确决策给予一定的参考作用。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为ADS-B信号采集图；
图3为ADS-B信号经过小波滤波器滤波后的频谱图；
图4为报头相关性检测后提取的ADS-B数字信号结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
本实施方式包括以下步骤：
步骤一、驱动USRP B210软件无线电平台，采集民航飞机的ADS-B信号，对软件无线电平台设置当前ADS-B基站的地理信息坐标；设置天线接收频率接收范围和拟采集信号的功率阈值以及信号采样率等参数，完成ADS-B信号采集环境配置，实现ADS-B信号的采集，如图2所示。
步骤二、基于的小波滤波器的ADS-B信号带通滤波器设计，采集经I/Q解调后的信号ADS-B信号，进行3阶DB小波分解和重构，如图3所示。
步骤三、设计一种基于相关性分析的报头检测算法解码ADS-B数字信号，对滤波处理后的ADS-B数字复基带信号取模以得到信号包络。然后，根据包络位置信息进行同步和码字的判决，即在这一串数字信号序列中找到相对应的ADS信号波形起始位置。结果如图4所示。
步骤四、基于解析报文的精确性信息，对ADS-B信息可靠性加以验证。依据4项精确性指标，对ADS-B信号解析出的数据进行精确性分析，根据大量数据和专家经验，考虑到航迹漏点率最为重要，接近一半，故占考虑因素的45％，取w2＝0.45，导航和速度精度对ADS-B航迹能用的参考价值占三分之一左右，故考虑为30％，取w1＝0.3，跳点率可能是风、误差的原因，因此占25％，取w3＝0.25，从而得出数据的可靠性分析结果。结果如表2所示。
表2
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.基于软件无线电平台的ADS-B信号采集与可靠性验证方法，其特征在于：包括顺序执行的以下步骤：
步骤一、利用软件无线电平台，设置天线工作频率和增益，采集并存储民航飞机的ADS-B信号，并进行I/Q解调；
步骤二、对解调后的ADS-B信号，采用基于小波分析的滤波器，依据信号频率特征，滤除高低频噪声；
步骤三、根据ADS-B数字信号编码协议，设计基于相关性分析的报头检测算法解码ADS-B信号所对应的报文信息，得到民航飞机的飞行参数信息；
步骤四、利用得到的飞行参数信息，计算报文信息中的位置导航精度类别比率μNACp、速度导航精度类别比率μNACv、航迹漏点率μmp、以及航迹跳点率μjp形成4个精确性指标，利用上述精确性指标组成如下经验公式计算可靠性指标Ire
Ire＝w1(1-μNACp+1-μNACv)+w2μmp+w3μjp
其中：w1、w2、w3均为权重，满足w2>w1>w3且w1+w2+w3＝1；
当可靠性指标Ire小于5％时认为报文信息可靠，当可靠性指标Ire为大于等于5％且小于等于10％时认为报文信息较可靠，当可靠性指标Ire大于10％时认为报文信息不可靠；将可靠性指标Ire和对应的飞行参数信息均发送给管制员供管制员参考；
所述位置导航精度类别比率μNACp的计算公式如下：
NACp为位置导航精度类别的简称，报文解码后该指标是一个0到无穷大的数值；NoAT(H)为H时间内，所选定的一架飞机所监视到的所有轨迹点数目；H的选择范围在2-24小时之间；NoAT(h)为第h秒时所选定的一架飞机所监视到的轨迹点；
所述速度导航精度类别比率μNACv的计算公式如下：
NACv为速度导航精度类别的简称，报文解码后该指标是一个0到无穷大的数值；
所述航迹漏点率μmp的计算公式如下：
NoMP(H)为H时间内，所选定的一架飞机的所有漏点数目；
所述航迹跳点率μjp的计算公式如下：
NoJP(H)为H时间内，选定某一架飞机所有跳点数目；
所述步骤二包括以下过程：
首先，将解调后的ADS-B信号x(n),按照(1)式进行K阶DB小波分解和重构：
其中，xk(n)为采用k阶小波系数重构的信号；n为x(n)的采样点；
然后，按照(2)式计算xk(n)的频率：
其中，Ts为x(n)的采样周期，∠为方括号中复函数的相角，N为x(n)的采样点总数，上标*表示对偶；
最后，按照(5)式的带通滤波器进行滤波，获得滤波信号：
其中，fth为预设的频率阈值，ek为xk(n)与标准1090MHz脉冲信号xs(n)之间的相关性，满足
eth为预设的相关性阈值。
2.根据权利要求1所述的基于软件无线电平台的ADS-B信号采集与可靠性验证方法，其特征在于：步骤三中的具体过程如下：
步骤3.1、利用报头的相关分析方法，确定ADS-B信号的位置并提取ADS-B数字信号形成报文；
步骤3.2、按照ADS-B协议标准解码ADS-B信号中的报文为民航飞机飞行参数信息。
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| GR01 | Patent grant | ||
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