CN107817464A - 一种基于定向天线的抗干扰抗欺骗ads‑b接收机及其接收方法 - Google Patents

一种基于定向天线的抗干扰抗欺骗ads‑b接收机及其接收方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于定向天线的抗干扰抗欺骗ADS‑B接收机及其接收方法，具体包括通过多个定向天线构成天线阵列，每个定向天线均与一个专有的接收通道连接，实现信号放大、滤波和混频操作，并由专有的解调解码模块对信号进行解调，得到飞行器的状态信息，然后通过提取飞行器的位置信息，由方向计算模块通过飞行器的位置信息和接收机的位置信息估计出来波方向，再通过比较模块实现估计来波方向与接收该信号的定向天线的来波方向范围进行匹配，并且将匹配结果和飞行器状态信息通过输出模块发送给控制系统。提高了接收机的覆盖范围，解决了消息碰撞时信号无法正确解调解码的问题，提高了接收机的抗干扰和抗欺骗能力。

Description

一种基于定向天线的抗干扰抗欺骗ADS-B接收机及其接收 方法
技术领域
本发明属于天线信号接收技术领域；涉及用于航空监管的ADS-B接收机技术；具体涉及一种基于定向天线的抗干扰抗欺骗ADS-B接收机及其接收方法。
背景技术
ADS-B技术，即广播式自动相关监视，该技术是一种无需人工操作或者询问，可以自动从相关机载设备获取参数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，比如地面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ADS-B接收机采用全向单天线接收机，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。
现有ADS-B接收机存在以下一些问题：覆盖距离短：为尽可能接收空间中的信号，天线设计为全向天线，导致接天线增益差、灵敏度低、链路覆盖距离短；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；无抗干扰能力：传统ADS-B接收机采用全向天线，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；无防欺骗干扰能力：ADS-B系统本身没有任何鉴权或加密等机制，但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
本发明提供了一种基于定向天线的抗干扰抗欺骗ADS-B接收机，该装置采用多个定向天线组成的天线阵列，提高了接收机的覆盖范围，解决了消息碰撞时信号无法正确解调解码的问题，提高了接收机的抗干扰和抗欺骗能力。
本发明还提供了一种基于定向天线的抗干扰抗欺骗ADS-B接收方法，采用多个定向天线分别接收不同覆盖范围的数据，扩大了接收范围，防止消息碰撞的发生，并且分别通过各自接收通道实现数据传输，同时通过判伪比较过程实现对数据信息的校验，提高了数据接收的抗干扰抗欺骗能力。
本发明的技术方案是：一种基于定向天线的抗干扰抗欺骗ADS-B接收方法，包括以下步骤：
步骤1，使用多个定向天线组成360°方位角闭合覆盖的天线阵列，每个定向天线接收各自区域内的信号；
步骤2，定向天线将接收到的信号经过信号放大、滤波以及混频之后，得到数据包；
步骤3，将数据包通过解调解码之后得到ADS-B数据包；
步骤4，对ADS-B数据包进行分解，得到ADS-B数据包中包含的位置信息；
步骤5，通过位置信息计算得到该信号的估计来波方向；
步骤6，估计来波方向与接收该信号的定向天线的来波方向范围进行匹配，并输出匹配结果。
更进一步的，本发明的特点还在于：
其中步骤1中每个定向天线覆盖360°方位角的一部分。
其中步骤2中多个定向天线同时接收到各自区域内的信号，并且同时对每个信号进行信号放大、滤波以及混频，得到多个数据包。
其中步骤6中同时进行多个匹配，并且将多个匹配结果以及ADS-B数据包分解得到的数据合并然后输出。
其中步骤6中匹配结果为估计来波方向不属于定向天线的来波方向范围，则该信号为欺骗信号，并向信号源发送警告信号；匹配结果为估计来波方向属于定向天线的来波方向范围，则该信号为正常信号。
本发明的另一技术方案是：一种基于定向天线的抗干扰抗欺骗ADS-B接收机，包括多个定向天线组成360°方位角闭合覆盖的闭合天线阵列；天线阵列连接有接收模块，接收模块通过解调解码模块连接有判伪模块；其中接收模块包括与定向天线一一对应连接的接收通道，且定向天线与接收通道之间还连接有放大器和滤波器，接收通道与解调解码模块连接；其中判伪模块包括与解调解码模块一一对应连接的方向计算模块，方向计算模块连接有比较模块；多个比较模块与一个输出模块连接；其中方向计算模块获取位置信息并计算得到该位置信息的估计来波方向，比较模块将估计来波方向与接收该信号的定向天线的来波方向范围进行比较；其中输出模块输出比较结果以及解调解码模块解调后的ADS-B数据包。
更进一步的，本发明的特点还在于：
其中天线阵列具有三个或三个以上的定向天线。
其中接收模块、解调解码模块和判伪模块能够集成在一个或多个处理芯片中。
更进一步的，输出模块发出警告信号。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：多个定向天线组成闭合的天线阵列，每个定向天线负责一定的扇区角度，因此天线阵列也能够达到360°全方位的覆盖来波方向，但是每个定向天线的广度更深，因此天线阵列能够覆盖的来波范围较全向天线更大，因此提高了接收范围；多个定向天线分区域实现信号的接收，使得各个定向天线之间接收信号不会发生干扰，能够同时接收多个信号，提高了接收的容量，并且定向天线具有一定的干扰抑制能力，干扰不影响非覆盖扇区的信号的接收；步骤6实现了通过定向天线的来波方向与信号的实际方向进行匹配，实现对信号进行判伪，防止其他恶意信号源向接收机发送虚假信号干扰接收机的工作，提高了信号接收工作的安全性；
更进一步的，同时对每个定向天线接收到的信号进行信号放大、滤波和混频操作，并且在同时对数据包进行解调解码，提高了ADS-B内数据的处理速度，并且解决了全向天线在接收到多个信号时，不能同时对多个信号进行数据处理时会产生的消息碰撞，而导致无法正确解调解码的问题。
更进一步的，对匹配结果发现欺骗信号的，发出警告信号，对欺骗信号的信号源提出警示，并且将匹配结果和其他数据输出至控制系统；能够帮助系统对欺骗信号来源进行识别以及记录。
本发明的有益效果还在于：本发明采用定向天线组成闭合的天线阵列，并且多个天线阵列一一对应连接接收通道、解调解码模块、方向计算模块和比较模块；天线阵列能够达到360°全方位的覆盖来波方向，但是每个定向天线的广度更深，因此天线阵列能够覆盖的来波范围较全向天线更大，因此提高了接收机的来波覆盖范围；同时与定向天线对应数量的多个接收通道、解调解码模块、方向计算模块和比较模块，实现了同时对多个接收信号进行处理，提高了ADS-B内数据的处理速度，同时每个信号有专有的处理通道，解决了ADS-B多个数据消息碰撞时导致信号无法正确解调解码的问题；同时定向天线相比全向天线具有较强的抗干扰能力，因此提高了该接收机的抗干扰能力；比较模块能够实现对信号的接收位置与定向天线的来波方向范围进行匹配，从而实现了对信号的判伪，判定信号是否为欺骗信号，从而提高了接收机的安全性。
更进一步的，通过集成各个模块，能够减小接收机的体积。
更进一步的，比较模块判断出某一信号为欺骗信号或虚假信号后，通过输出模块发出警告信号，对信号源进行警示。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图中：1为天线阵列；2为接收模块；3为判伪模块；4为定向天线；5为放大器；6为滤波器；7为接收通道；8为解调解码模块；9为方向计算模块；10为比较模块；11为输出模块；12为全向天线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进一步说明。
本提供了一种基于定向天线的抗干扰抗欺骗ADS-B接收机，如图1所示，包括多个定向天线4组成360°方位角闭合覆盖的闭合的天线阵列1，定向天线4的数量为3个或3个以上；优选的多个定向天线4形成圆形的天线阵列1，且每个定向天线4的扇形来波方向范围角度相同，因此不存在两个定向天线4的来波方向范围重叠的问题；每个定向天线4均与放大器5、滤波器6和接收通道7顺序连接，放大器5用于对定向天线4接收到的信号进行放大，滤波器6用于对放大后的信号进行滤波以及混频，最后通过接收通道将处理后的数据包发送给解调解码模块8；其中每个接收通道7均对应连接有一个解调解码模块8，解调解码模块8实现对接收到的数据包进行解调，具体的解调解码模块8按照ADS-B标准不定的信号格式进行处理，并且每个信号经过解调后得到ADS-B数据包，该ADS-B数据包包括飞行器的状态信息；并且根据接收机的位置和解码得到飞行器状态信息中得到飞行器位置信息，然后通过方向计算模块9估计出该信号的来波方向；比较模块10将上述估计来波方向与获取该信号的定向天线的来波方向范围进行匹配，若估计来波方向不在该定向天线的来波方向范围，则该信号为欺骗信号，输出模块11发出警告信号，对信号源进行警示；若估计来波方向在该定向天线的来波方向范围，则该信号为正确的ADS-B信号。
输出模块11将上述匹配结果以及解码得到的飞行器状态信息合并发送至控制系统，其中当多个信号同时进行解调以及比较时，输出模块11将多个匹配结果和多个飞行器状态信息合并发送至控制系统。
接收模块、解调解码模块和判伪模块能够集成在一个或多个处理芯片的应用方式。具体的，一种优选实施例为：接收模块输出的数字采样信号由FPGA进行解码处理，即接收模块、解调解码模块和判伪模块集成在FPGA中，并实现对消息进行分析，得到位置信息，计算出方向后结合扇区覆盖角度进行判伪比较；另一种优选的实施例为：接收模块输出的数字采样信号由FPGA进行解码处理，输出给DSP或MCU，由DSP或MCU对消息进行分析，得到位置信息，计算出方向后结合扇区覆盖角度进行判伪比较，即接收模块集成在FPGA中，解调解码模块和判伪模块集成在DSP或MCU中。
本发明接收机的工作原理是：飞行器发射的射频ADS-B信号经过空间传播到达定向接收的天线阵列1，天线阵列1为3个或3个以上定向天线4闭环组成，每个定向天线4负责一定的扇区角度，定向天线4的扇区角度覆盖区域可以重合；信号经天线阵列1收集后，输入至接收模块2，接收模块2可以是数字接收通道，也可以是模拟接收通道，接收模块2包含多个接收支路，每个定向天线4对应一个接收支路，每个接收支路包括放大器5、滤波器6和接收通道7，接收支路将信号经过放大，滤波，混频后，将接收信号输入给解调解码模块8；每路信号经过解调解码模块8解调产生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；由于采用定向天线，因此其接收信号的来波方向范围可以由天线方向图和天线安装位置角度确定；判伪模块3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9估计出该信号的来波方向，然后比较模块10将推算出的来波方向与天线通道的来波方向范围进行比较，若推算出的来波方向不在该天线所对应的来波方向范围内，则判断该信号为欺骗信号。
本发明还提供了一种基于定向天线的抗干扰抗欺骗ADS-B接收方法，包括以下步骤：
步骤1，使用多个定向天线组成360°方位角闭合覆盖的天线阵列，定向天线为至少3个，且定向天线组成圆形的闭环，每个定向天线的接收范围相同，均为扇区来波方向范围，且每个定向天线接收各自区域内的信号。
步骤2，定向天线将接收到的信号经过信号放大、滤波以及混频之后，得到数据包；具体的每个定向天线均通过一个接收支路实现对其接收信号的处理，即每个定向天线均通过一个信号旗实现信号放大，通过一个滤波器实现信号的滤波和混频，然后得到数据包，并将数据包发送给解调解码模块。
步骤3，解调解码模块将数据包进行解调解码之后得到ADS-B数据包；当多个解调解码模块同时接收到多个数据包时，多个解调解码模块同时对各自接收到的数包进行解调解码得到多个ADS-B数据包。
步骤4，判伪模块对ADS-B数据包进行分解，得到ADS-B数据包中包含的飞行器状态信息，该状态信息包含飞行器的位置信息；
步骤5，方向计算模块通过提取上述位置信息，并且根据位置信息和接收机的位置计算得到该信号的估计来波方向；
步骤6，估计来波方向与接收该信号的定向天线的来波方向范围进行匹配，其中定向天线的来波方向范围由天线方向图和天线安装位置角度确定；输出模块11实现将匹配结果以及飞行器状态信息输出至控制系统。

Claims (9)

1.一种基于定向天线的抗干扰抗欺骗ADS-B接收方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，使用多个定向天线组成360°方位角闭合覆盖的天线阵列，每个定向天线接收各自区域内的信号；
步骤2，定向天线将接收到的信号经过信号放大、滤波以及混频之后，得到数据包；
步骤3，将数据包通过解调解码之后得到ADS-B数据包；
步骤4，对ADS-B数据包进行分解，得到ADS-B数据包中包含的位置信息；
步骤5，通过位置信息计算得到该信号的估计来波方向；
步骤6，估计来波方向与接收该信号的定向天线的来波方向范围进行匹配，并输出匹配结果。
2.根据权利要求1所述的基于定向天线的抗干扰抗欺骗ADS-B接收方法，其特征在于，所述步骤1中每个定向天线覆盖360°方位角的一部分。
3.根据权利要求1或2任意一项所述的基于定向天线的抗干扰抗欺骗ADS-B接收方法，其特征在于，所述步骤2中多个定向天线同时接收到各自区域内的信号，并且同时对每个信号进行信号放大、滤波以及混频，得到多个数据包。
4.根据权利要求3所述的基于定向天线的抗干扰抗欺骗ADS-B接收方法，其特征在于，所述步骤6中同时进行多个匹配，并且将多个匹配结果以及ADS-B数据包分解得到的数据合并然后输出。
5.根据权利要求4所述的基于定向天线的抗干扰抗欺骗ADS-B接收方法，其特征在于，所述步骤6中匹配结果为估计来波方向不属于定向天线的来波方向范围，则该信号为欺骗信号，并由输出模块向后续消息处理系统发送警告信号；匹配结果为估计来波方向属于定向天线的来波方向范围，则该信号为正常信号。
6.一种基于定向天线的抗干扰抗欺骗ADS-B接收机，其特征在于，包括多个定向天线(4)组成360°方位角闭合覆盖的闭合天线阵列(1)；天线阵列(1)连接有接收模块(2)，接收模块(2)通过解调解码模块(8)连接有判伪模块(3)；
所述接收模块(2)包括与定向天线(4)一一对应连接的接收通道(7)，且定向天线(4)与接收通道(7)之间还连接有放大器(5)和滤波器(6)，接收通道(7)与解调解码模块(8)连接；
所述判伪模块(3)包括与解调解码模块(8)一一对应连接的方向计算模块(9)，方向计算模块(9)连接有比较模块(10)；多个比较模块(10)与一个输出模块(11)连接；
所述方向计算模块(9)获取位置信息并计算得到该位置信息的估计来波方向，比较模块(10)将估计来波方向与接收该信号的定向天线的来波方向范围进行比较；
所述输出模块(11)输出比较结果以及解调解码模块(8)解调后的ADS-B数据包。
7.根据权利要求6所述的基于定向天线的抗干扰抗欺骗ADS-B接收机，其特征在于，所述天线阵列(1)具有三个或三个以上的定向天线(4)。
8.根据权利要求6所述的基于定向天线的抗干扰抗欺骗ADS-B接收机，其特征在于，所述接收模块(2)、解调解码模块(8)和判伪模块(3)能够集成在一个或多个处理芯片中。
9.根据权利要求6所述的基于定向天线的抗干扰抗欺骗ADS-B接收机，其特征在于，所述输出模块(11)发出警告信号。
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