CN107369339A - 基于cpci架构的ads‑b下行数据链分析验证系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于CPCI架构的1090MHzADS‑B下行数据链分析验证系统。包括天馈单元、ADS‑B接收机、数据分析验证单元，天馈单元与ADS‑B接收机连接，ADS‑B接收机与数据分析验证单元连接，天馈单元用于接收ADS‑B无线电信号，ADS‑B接收机用于将ADS‑B无线电信号解码并发送给数据分析验证单元，ADS‑B接收机采用CPCI架构。本系统利用1090MHzADS‑B下行数据，可监视更丰富的ADS‑B信息；同时方便问题排查，有助于提升ADS‑B地面站设备和空管系统的安全运行水平，也可为航空公司提供ADS‑B机载设备功能验证提供参考。基于CPCI架构提高了系统的运算能力同时便于扩展。
Description
技术领域
本发明涉及空中交通管制领域，特别涉及一种基于CPCI架构的1090MHzADS-B下行数据链分析验证系统。
背景技术
国际民航组织已确定ADS-B技术为全球新航行技术的主要发展方向，我国也已经制订了ADS-B的实施规划，努力构建一体化ADS-B运行体系，积极推动ADS-B建设与运行，到2020年实现全空域ADS-B OUT的全面运行。随着ADS-B技术的全面应用，ADS-B数据的监测和分析变得尤为重要。
目前国内已经有多个生产厂商研发出了ADS-B地面站产品，可对接收到的1090MHzADS-B下行数据进行处理。当前ADS-B的监测和分析主要是对ADS-B地面站下发的CAT21数据进行分析。CAT21是全球认可的用于发送ADS-B信息给空管系统(ATM)的规定格式报文。通过CAT21数据实现ADS-B的监测和分析，主要有以下几个问题：
CAT21数据是ADS-B地面站收到飞机等目标下发的1090MHzADS-B数据后，进行了相关的信号解码、报文解析、航迹处理等操作后，将最终的航迹信息按照CAT21格式生成并发送的。因此1090MHzADS-B下行数据链中下发的部分数据，在CAT21中数据中未下发，从而导致CAT21中数据少于1090MHzADS-B下行数据链中的数据。
由于CAT21数据是经过了ADS-B地面站处理之后的数据，其中的部分数据并非是1090MHzADS-B下行数据链中的原始数据。因此，一旦分析出CAT21数据有问题，无法确认问题的来源究竟是机载设备还是ADS-B地面站。如果当发现问题时，通过人工查找并解码1090MHzADS-B下行数据链中的数据，工作量非常巨大。
现有的ADS-B地面站系统一般基于FPGA+ARM之类的嵌入式架构，集成度较高。要完成1090MHzADS-B下行数据的复杂分析功能，ADS-B地面站系统运算能力或资源紧张，可扩展性也不强。
为了解决以上问题，本发明提出了基于CPCI架构的1090MH在ADS-B下行数据链分析验证系统，通过对1090MHzADS-B下行数据进行分析从而实现ADS-B监测和分析。利用1090MHzADS-B下行数据，可监视更丰富的ADS-B信息；同时方便问题排查，有助于提升ADS-B地面站设备和空管系统的安全运行水平，也可为航空公司提供ADS-B机载设备功能验证提供参考。基于CPCI架构提高了系统的运算能力同时便于扩展。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于CPCI架构的1090MH在ADS-B下行数据链分析验证系统，通过对1090MHzADS-B下行数据进行分析从而实现ADS-B监测和分析。利用1090MHzADS-B下行数据，可监视更丰富的ADS-B信息；同时方便问题排查，有助于提升ADS-B地面站设备和空管系统的安全运行水平，也可为航空公司提供ADS-B机载设备功能验证提供参考。基于CPCI架构提高了系统的运算能力同时便于扩展。
本发明提供了如下方案：
一种基于CPCI架构的ADS-B下行数据链分析验证系统，包括天馈单元、ADS-B接收机、数据分析验证单元，天馈单元与ADS-B接收机连接，ADS-B接收机与数据分析验证单元连接，天馈单元用于接收ADS-B无线电信号，ADS-B接收机用于将ADS-B无线电信号解码并发送给数据分析验证单元，ADS-B接收机采用CPCI架构。
可选的，天馈单元包括1090MHz天线和GPS天线，1090MHz天线是窄带天线，用于接收1090MHz脉冲信号，GPS天线是有源授时型天线，用于提供时间信息。
可选的，ADS-B接收机包括时钟卡、RF接收卡、信号处理卡、主控卡、监控卡和电源模块；时钟卡为RF接收卡和信号处理卡提供时钟信号，RF接收卡将1090MHz的L波段调制信号转换为视频信号，信号处理卡用于视频信号的AD转换及ADS-B信号的检测、提取和校验纠错；主控卡用于运行处理软件，通过33MHz的PCI总线从信号处理卡获取ADS-B数据，并从监控卡获取运行状态信息；运行状态信息包括背板电源的运行状态信息、ADS-B接收机的运行状态信息、信号处理卡运行状态信息和时钟卡运行状态信息，电源模块能够同时提供交流和直流供电。
可选的，数据分析验证单元包括主监控模块、实时监视模块、回放数据模块、数据查询模块和数据统计模块；主监控模块接收ADS-B接收机传送的ADS-B数据，对ADS-B数据进行解析和分析，将解析后的数据存入数据库，并实现数据质量告警功能和实时数据统计分析功能；实时监视模块用于监视和显示ADS-B实时目标运动信息；数据回放模块用于实现历史数据的回放；数据查询模块用于实现历史数据的查询；数据统计模块用于实现历史数据的统计。
可选的，主监控模块监控到数据NUCP、NUCR、NACP、NACV、NIC、NICbaro、SIL数据质量指标不满足门限值时，发出警告信息，同时统计实时监控时间片内的收到的报文、目标、数据质量指标并以文字、表格、二维图方式显示；并实时统计了每秒收到报文的延时及实时监控时间片内收到报文的平均延时。
可选的，实时监视模块在显示中加载了背景航图，每个目标有对应的标牌，标牌包含目标呼号信息、高度信息、速度信息；显示单个目标的详细实时信息；提供罗盘显示、距离环显示、速度矢量线显示、历史尾迹显示、SSR和高度过滤；窗口可放大、缩小、上下左右平移、拉动显示范围。
可选的，数据回放模块通过选择时间来指定回放数据的时间段实现历史数据的回放；目标历史运动信息的显示和实时显示相同。
可选的，数据查询模块通过起止时间的设置查询，设置28个查询项，针对每个查询项设置查询条件，或者通过组合多个查询条件，来查询满足某些条件的目标相关的1090MHzADS-B下行数据链中的全部信息。
可选的，数据统计模块通过时间段的设置统计，统计时间段内的报文、目标、数据质量指标，并以文字、表格、图表的形式显示。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明的一种基于CPCI架构的ADS-B下行数据链分析验证系统，通过对1090MHzADS-B下行数据进行分析从而实现ADS-B监测和分析。利用1090MHzADS-B下行数据，可监视更丰富的ADS-B信息；同时方便问题排查，有助于提升ADS-B地面站设备和空管系统的安全运行水平，也可为航空公司提供ADS-B机载设备功能验证提供参考。基于CPCI架构提高了系统的运算能力同时便于扩展。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种基于CPCI架构的ADS-B下行数据链分析验证系统的结构示意图；
图2为本发明一种基于CPCI架构的ADS-B下行数据链分析验证系统的ADS-B接收机的结构示意图；
图3为本发明一种基于CPCI架构的ADS-B下行数据链分析验证系统的数据分析验证单元的结构示意图；
图4为本发明一种基于CPCI架构的ADS-B下行数据链分析验证系统的流程示意图；
图中，1-天馈单元，2-ADS-B接收机,3-数据分析验证单元，11-1090MHZ天线，12-GPS天线，21-时钟卡，22-RF接收卡，23-GPS，24-信号处理卡，25-主控卡，26-监控卡，27-电源，31-主监控模块，32-实时监视模块，33-数据回放模块，34-数据查询模块，35-数据统计模块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于CPCI架构的ADS-B下行数据链分析验证系统，通过对1090MHzADS-B下行数据进行分析从而实现ADS-B监测和分析。利用1090MHzADS-B下行数据，可监视更丰富的ADS-B信息；同时方便问题排查，有助于提升ADS-B地面站设备和空管系统的安全运行水平，也可为航空公司提供ADS-B机载设备功能验证提供参考。基于CPCI架构提高了系统的运算能力同时便于扩展，通过分析1090MHzADS-B下行数据实现ADS-B数据监测和分析，解决了已有ADS-B数据监测和分析中使用CAT21数据存在的问题。可对机载设备下发的全部ADS-B数据进行分析，分析的信息更全面。同时直接对机载设备下发的ADS-B进行分析，排除了ADS-B地面站对ADS-B数据监测和分析中的影响，可为航空公司提供ADS-B机载设备功能验证提供参考。无需人工进行原始数据的分析，可直接根据需要进行数据查询和统计，也可为其他ADS-B地面站或空管监视设备的功能验证提供帮助，从而提升ADS-B地面站设备和空管系统的安全运行水平。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例：
如图1-4所示，一种基于CPCI架构的ADS-B下行数据链分析验证系统，包括天馈单元(1)、ADS-B接收机(2)、数据分析验证单元(3)，天馈单元(1)与ADS-B接收机(2)连接，ADS-B接收机(2)与数据分析验证单元(3)连接，天馈单元(1)用于接收ADS-B无线电信号，ADS-B接收机(2)用于将ADS-B无线电信号解码并发送给数据分析验证单元(3)，ADS-B接收机(2)采用CPCI架构。
天馈单元(1)包括1090MHZ天线(11)和GPS天线(12)，1090MHz天线(11)是窄带天线，用于接收1090MHz脉冲信号，GPS天线(12)是有源授时型天线，用于提供时间信息。
ADS-B接收机(2)包括时钟卡(21)、RF接收卡(22)、GPS(23)、信号处理卡(24)、主控卡(25)、监控卡(26)和电源(27)；时钟卡(21)为RF接收卡(22)和信号处理卡(24)提供时钟信号，RF接收卡(22)将1090MHz的L波段调制信号转换为视频信号，信号处理卡(24)用于视频信号的AD转换及ADS-B信号的检测、提取和校验纠错；主控卡(25)用于运行处理软件，通过33MHz的PCI总线从信号处理卡(24)获取ADS-B数据，并从监控卡(26)获取运行状态信息；运行状态信息包括电源的运行状态信息、ADS-B接收机(2)的运行状态信息、信号处理卡(24)运行状态信息和时钟卡(21)运行状态信息，电源(27)能够同时提供交流和直流供电。
数据分析验证单元(3)包括主监控模块(31)、实时监视模块(32)、数据回放模块(33)、数据查询模块(34)和数据统计模块(35)；主监控模块接收(31)ADS-B接收机(2)传送的ADS-B数据，对ADS-B数据进行解析和分析，将解析后的数据存入数据库，并实现数据质量告警功能和实时数据统计分析功能；实时监视模块(32)用于监视和显示ADS-B实时目标运动信息；数据回放模块(33)用于实现历史数据的回放；数据查询模块(34)用于实现历史数据的查询；数据统计模块(35)用于实现历史数据的统计。
主监控模块(31)监控到数据NUCP、NUCR、NACP、NACV、NIC、NICbaro、SIL数据质量指标不满足门限值时，发出警告信息，同时统计实时监控时间片内收到的报文、目标、数据质量指标并以文字、表格、二维图方式显示；并实时统计了每秒收到报文的延时及实时监控时间片内收到报文的平均延时。
实时监视模块(32)在显示中加载了背景航图，每个目标有对应的标牌，标牌包含目标呼号信息、高度信息、速度信息；显示单个目标的详细实时信息；提供罗盘显示、距离环显示、速度矢量线显示、历史尾迹显示、SSR和高度过滤；窗口可放大、缩小、上下左右平移、拉动显示范围。
数据回放模块(33)通过选择时间来指定回放数据的时间段实现历史数据的回放；目标历史运动信息的显示和实时显示相同。
数据查询模块(34)通过起止时间的设置查询，设置28个查询项，针对每个查询项设置查询条件，或者通过组合多个查询条件，来查询满足某些条件的目标相关的1090MHzADS-B下行数据链中的全部信息。
数据统计模块(35)通过时间段的设置统计，统计时间段内的报文、目标、数据质量指标，并以文字、表格、图表的形式显示。
系统首先完成对ADS-B无线电信号的接收和正确解码；完成对目标信息报的分析、跟踪，从而实现对飞机运动态势的准确感知；可将处理后的飞机运动信息以CAT21格式通过网络发送给其他系统。
主要功能：
可接收处理S模式DF4、DF5、DF17、DF18、DF20、DF21等信号；
能够对ADS-B数据依据DO-260/260A/260B正确处理；
可对1090MHz的Mode S信号进行前导码检测、报文解码与CRC校验、误码处理等；
可输出符合CAT21标准要求的ADS-B报文；
地面站主要设备可通过网络实现本地或远程监控；
交直流冗余电源模块并联供电设计，自动切换，无间断时间。
主要技术指标：
最大作用距离：不小于200Nm；
目标处理能力：大于600批目标/秒(均匀分布)；
工作频率：1090MHz±1MHz；
接收部分满足ICAO附件10中对1090MHz接收机频谱及性能要求；
平均无故障时间：大于20,000小时；
平均故障修复时间：室内设备小于0.5小时，室外设备小于2小时。
ADS-B接收机采用CPCI工业架构，由时钟卡、RF接收卡、信号处理卡、主控卡、监控卡和电源模块组成。时钟卡为RF接收卡和信号处理卡提供时钟信号，RF接收卡将1090MHz的L波段调制信号转换为视频信号，信号处理卡完成视频信号的AD转换及ADS-B信号的检测、提取和校验纠错等。主控卡用于运行相关处理软件，可通过33MHz的PCI总线从信号处理卡获取ADS-B数据，并从监控卡获取其他卡的运行状态信息。监控卡提供背板电源、接收机状态、信号处理卡状态和时钟卡状态等的监控，电源模块可同时提供交流和直流供电。
数据分析验证单元(3)接收解码地面采集平台发送的ADS-B报文信息，进行报文解析等处理。软件中历史数据的保存以及回放、查询和统计等操作，均使用MySQL数据库实现。
可接收处理S模式DF4、DF5、DF17、DF18、DF20、DF21等信号；
能够对ADS-B数据依据DO-260/260A/260B正确处理；
可对实时数据进行统计分析及数据质量告警；
可提供监视范围内ADS-B目标的实时监视功能；
可对历史数据进行回放、查询和统计。
ADS-B全称是Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，中文是广播式自动相关监视，ADS-B是一种新的监视技术，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向其他飞机或地面设备广播飞机的位置、高度、速度、航向、识别号等信息，是一种区别于雷达监视系统的，基于卫星实施的监视技术。ADS-B技术具有数据更新率快、信息丰富、目标位置精度高和成本低等优点。
ADS-B使用机载导航系统得到航空器精确的位置和速度等信息，利用机载电子设备向外周期性地广播航空器的呼号、位置、高度、速度和其他一些参数。通过空地数据链，地面站接收这些信息，并传给管制中心，实现地空监视；具有接收ADS-B信息能力的航空器也可以通过机载电子设备接收附近航空器的ADS-B广播信息，实现空空监视。ADS-B技术为目前民航监视技术领域内的热点，被认为将替代航管二次雷达。
目前ADS-B应用数据主要有1090ES、UAT和VDL4三种数据链。其中UAT是由美国FAA提出，主要用于通航飞机。VDL4是由瑞典民航局提出，在欧洲有所应用，但其所处的VHF频段资源紧张。1090ES是国际民航组织推荐的全球可互用的ADS-B数据链。
CPCI中文称为紧凑型PCI，国际工业计算机制造者联合会提出的一种总线接口标准。
数据采集平台采集控制主扳(主控卡)采用符合CPCI总线标准的硬件结构，采用3U尺寸规格、设置双静电导轨的板身设计，利用CPCI标准连接器和专用CPCI桥接芯片实现与CPCI总线的通信，系统稳定性、散热性得到很大的改善。因此基于CPCI架构的1090ADS-B下行数据链分析验证系统具有高稳定性、扩展性、高可靠性、易于安装维护等特点。
1)可扩展性强
主控卡只负责采集平台与外围设备的通信，被定义为通用的基于CPCI总线的I/O通信板卡，具体的功能模块集成在功能子板(信号处理卡、RF接收卡、时钟卡、监控卡)。根据实际需求，修改、升级相应的功能子扳，只需要功能子板的接口符合通用接口模块的标准，并且遵循通用性传输协议即可，不需要对采集控制主控卡的硬件及固件做任何修改。这样做的好处是系统可扩展性提升，研发周期缩短，版本更新的设计成本降低。
2)系统工作效率及资源利用率提升
功能子板直接对采集信号或输出数据进行预处理，相应的控制逻辑由主控卡完成，从而解放了信号处理卡的FPGA，使其将更多的存储空间与逻辑单元用于数据校验、状态检测以及时序逻辑处理等。这样的设计使得主控卡与功能板卡各司其职，提高了各个模块的工作效率，节约了板卡的PCB资源。
3)通信方式可靠
主控卡与功能子板之间的通信利用CPCI总线，利用FPGA的I/O端口进行控制指令和数据的传输，确保板卡间的通信实时同步。主控卡与功能子板硬件上通过插槽进行插拔连接，不存在高频信号及高电压电流传输，即插即用，安全性高。
4)降低干扰
功能子板上的信号处理模块与外围设备不直接连接，通用接口模块在一定程度上隔绝了外部信号对板卡的干扰，同时不同功能模块的分离避免了相互之间的干扰，尤其是数字信号和模拟信号之间的串扰。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种基于CPCI架构的ADS-B下行数据链分析验证系统，其特征在于，包括天馈单元、ADS-B接收机、数据分析验证单元，所述天馈单元与所述ADS-B接收机连接，所述ADS-B接收机与所述数据分析验证单元连接，所述天馈单元用于接收ADS-B无线电信号，所述ADS-B接收机用于将所述ADS-B无线电信号解码并发送给所述数据分析验证单元，所述ADS-B接收机采用CPCI架构。
2.根据权利要求1所述的一种基于CPCI架构的ADS-B下行数据链分析验证系统，其特征在于，所述天馈单元包括1090MHz天线和GPS天线，所述1090MHz天线是窄带天线，用于接收1090MHz脉冲信号，所述GPS天线是有源授时型天线，用于提供时间信息。
3.根据权利要求1所述的一种基于CPCI架构的ADS-B下行数据链分析验证系统，其特征在于，所述ADS-B接收机包括时钟卡、RF接收卡、信号处理卡、主控卡、监控卡和电源模块；所述时钟卡为所述RF接收卡和所述信号处理卡提供时钟信号，所述RF接收卡将1090MHz的L波段调制信号转换为视频信号，所述信号处理卡用于所述视频信号的AD转换及ADS-B信号的检测、提取和校验纠错；所述主控卡用于运行处理软件，通过33MHz的PCI总线从所述信号处理卡获取ADS-B数据，并从所述监控卡获取运行状态信息；所述运行状态信息包括背板电源的运行状态信息、所述ADS-B接收机的运行状态信息、所述信号处理卡运行状态信息和所述时钟卡运行状态信息，所述电源模块能够同时提供交流和直流供电。
4.根据权利要求1所述的一种基于CPCI架构的ADS-B下行数据链分析验证系统，其特征在于，所述数据分析验证单元包括主监控模块、实时监视模块、回放数据模块、数据查询模块和数据统计模块；所述主监控模块接收所述ADS-B接收机传送的ADS-B数据，对所述ADS-B数据进行解析和分析，将解析后的数据存入数据库，并实现数据质量告警功能和实时数据统计分析功能；所述实时监视模块用于监视和显示ADS-B实时目标运动信息；所述数据回放模块用于实现历史数据的回放；所述数据查询模块用于实现历史数据的查询；所述数据统计模块用于实现历史数据的统计。
5.根据权利要求4所述的一种基于CPCI架构的ADS-B下行数据链分析验证系统，其特征在于，所述主监控模块监控到数据NUCP、NUCR、NACP、NACV、NIC、NICbaro、SIL数据质量指标不满足门限值时，发出警告信息，同时统计实时监控时间片内的收到的报文、目标、数据质量指标并以文字、表格、二维图方式显示；并实时统计了每秒收到报文的延时及实时监控时间片内收到报文的平均延时。
6.根据权利要求4所述的一种基于CPCI架构的ADS-B下行数据链分析验证系统，其特征在于，所述实时监视模块在显示中加载了背景航图，每个目标有对应的标牌，所述标牌包含目标呼号信息、高度信息、速度信息；显示单个目标的详细实时信息；提供罗盘显示、距离环显示、速度矢量线显示、历史尾迹显示、SSR和高度过滤；窗口可放大、缩小、上下左右平移、拉动显示范围。
7.根据权利要求4所述的一种基于CPCI架构的ADS-B下行数据链分析验证系统，其特征在于，所述数据回放模块通过选择时间来指定回放数据的时间段实现历史数据的回放；目标历史运动信息的显示和实时显示相同。
8.根据权利要求4所述的一种基于CPCI架构的ADS-B下行数据链分析验证系统，其特征在于，所述数据查询模块通过起止时间的设置查询，设置28个查询项，针对每个查询项设置查询条件，或者通过组合多个查询条件，来查询满足某些条件的目标相关的1090MHzADS-B下行数据链中的全部信息。
9.根据权利要求4所述的一种基于CPCI架构的ADS-B下行数据链分析验证系统，其特征在于，所述数据统计模块通过时间段的设置统计，统计所述时间段内的报文、目标、数据质量指标，并以文字、表格、图表的形式显示。
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