CN107959525A - 星载acars信号接收处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种星载ACARS信号接收处理方法，旨在提供一种检测概率高、适应性强、信息传输带宽要求低的处理方法。本发明通过下述技术方案予以实现：在卫星载荷设备中，天线接收来自空间辐射的ACARS信号，通过接收信道再对接收到的信号进行滤波、放大处理；然后通过采集处理模块将接收信道输出的模拟信号进行AD采样；在FPGA内并行形成多普勒正混频、多普勒零频、多普勒负混频，对三路下变频信号分别进行数字下变频、滤波预处理、解调去重、校验筛选，采用相关检测算法对ACARS信号进行检测、二次解调和去差分处理；形成最终的解调结果，通过信号处理器对解调结果进行ACARS信号解译、信号去重、类型筛选，筛选后的解译结果和解调结果传输到地面。

Description

星载ACARS信号接收处理方法

技术领域

本发明涉及一种装配在人造卫星上的接收处理载荷实现对飞机通信寻址与报告系统ACARS信号进行接收、采集、检测、解调、解译、筛选去重的技术。

背景技术

飞机通信寻址与报告系统ACARS是一种在航空器和地面站之间通过无线电或卫星传输短消息(报文)的数字数据链系统。飞机通过ACARS设备向地面数据中心定时报告飞机的位置、状态信息。航空公司为了减少机组人员的工作负荷，提高数据的完整性，在1980年代末引入了ACARS系统。ACARS通过机上甚高频通信系统(VHF)实现空地之间的数据和信息的自动传输交换。该系统能够通过地空数据通信服务提供商的通信网络建立飞机与地面计算机系统间的连接，使地面系统与飞机之间进行数据通信。该系统使用面向字符与传统的模拟无线电方式收发数据，因其传输速度快、抗干扰能力强、误码率低的优点，现已成为保障飞机安全、正点，提高效率和效益的必要手段，使飞机作为移动终端与航空公司基地相连接，从而加强航空公司对飞机的监控能力和指挥能力，在维护、运行和商业等方面发挥着巨大的作用，是现在大多数国际民航客机所必须安装并保证其工作正常的电子设备之一。随着ACARS系统的完善，更多的信息传递于飞机与地面之间：飞行员能够通过ACARS及时得到地面上传的天气预报、航行通告和签派的放行指令，甚至与空管部门的语音通讯都可以用数据链文本信息代替；飞机也能通过ACARS将运行的实时情况。ACARS摆脱了以往空地通讯只有话音的局限性，尽可能自动地承担起了与地面的通讯任务；减轻了飞行员和管制员的工作负荷，增加了空域容量和效率，提高了飞行的安全性，并提供了一种额外雷达覆盖范围以外区域的监视方法；飞机的飞行信息和设备状态也可以通过与航空公司终端实时的数据交换，使之在整个飞行过程中得到地面技术支援。

如上所述，由于ACARS系统的普遍性和重要性，接收和处理ACARS信号，掌握飞机的运行情况和动态，具有重要的意义。现有技术针对目前ACARS基带信号处理的方法,将Hilbert-Huang变换应用于ACARS报文的解析中。以采集到的民航飞机下行的ACARS报文信号为数据源,统计民航现行地空数据链信号，利用经验模式分解法EMD将报文信号分解成有限个固有模态函数IMF,从而根据Hilbert变换求出每个固有模态函数IMF的瞬时频率,结合ARINC-618协议定义的ACARS报文信号数据传输机制与编码特点,基于二码元长度的实时ACARS报文信号分析算法,完成了报文信号的译码。通过与与现有ACARS译码设备对比的译码系统译码得到的结果对比，消除ACARS基带信号失真的影响。这些通常建立在地面或者飞机上的ACARS接收系统有很大的局限性，主要体现在几天方面：一是每个地面系统所覆盖的区域有限，只能监控有限区域和有限数量的飞机；二是地基设备受到天气、大气环境的影响较大；三是不能监测偏远地区和广大的海洋区域，不能同时对全球范围内的飞机进行监测。三是采用频域的ACARS信号检测方法，检测概率偏低。采用天基的星载ACARS信号接收处理技术则可以有效地弥补了这些缺点。在空间部署卫星、多颗卫星进行组网、天基系统与地基系统相联合措施，将有效监测全球ACARS信号，掌握飞机状况和态势。由于ACARS信号在不同的国家和地域频点有差别，频率覆盖范围较大，实际分配的频点分布在128MHz～138MHz之间，而且天基环境和在地面情况很多不一样，在星载条件下由于卫星相对于目标移动较快，目标发出的信号到达卫星后会产生大的多普勒频移，同时在星载条件下，视场宽，覆盖的区域较广，发生信号碰撞的概率相对于地面或者机载环境下更大，所以需要考虑多普勒的影响、多信号发生碰撞条件下信号的接收，同时需要兼顾星载环境对设备重量、体积、功耗、成本的要求，所以非常有必要采用区别于地面或者机载的星载ACARS信号接收处理技术。

在图4所示的ACARS信号星上接收处理场景中，卫星在太空中环绕着地球运行，卫星上的ACARS信号接收处理载荷针对天空中飞行的飞机所发射的ACARS信号进行接收处理，因为卫星飞行的轨迹能够对全球进行覆盖，不同的区域ACARS信号的分配的频点不一样，所以星载ACARS信号接收处理方法必须能够覆盖所有频点。由于卫星平台和空中目标有相对运动，存在多普勒频移效应，所以星载ACARS信号接收处理方法也必须能够适应有多普勒频移情况下的信号接收处理。再者，因为卫星飞行高度较高，能够同时接收很多个飞机目标发射的ACARS信号，空中飞行的飞机所发射的ACARS信号都是非协同随机发送的，不同目标发射的信号可能发生碰撞，所以星载ACARS信号接收处理方法要尽量正确检测、解调这种碰撞条件下的信号，提高ACARS信号接收概率。

发明内容

本发明针对太空环境的特殊背景，提供一种适合星载条件下使用的能实现全球ACARS信号接收、适应大多普勒环境和多信号碰撞环境、检测概率高、适应性强、信息传输带宽，要求低的ACARS信号接收处理方法。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：一种星载ACARS信号接收处理方法，具有如下技术特征：在无线电信号接收处理载荷中，ACARS信号接收处理设备采用天线接收来自空间辐射的ACARS信号，然后天线输出的信号进入接收信道进行放大滤波，通过采集处理模块将接收信道输出的模拟信号进行射频直接带通采样，采样信号进入FPGA，在FPGA内部对采样信号进行数字下变频、滤波预处理，依据预处理的ACARS频点设置数字下变频频率，并行形成多普勒正混频、多普勒零频、多普勒负混频，三路下变频信号；并对三路下变频信号分别进行滤波，根据实际信号带宽选取滤波带宽，再在FPGA中并行地、流水线地、实时地对多普勒滤波处理后形成的三路ACARS信号并行进行一次解调，并采用相关检测算法对ACARS信号进行检测、二次解调和去差分处理；处理结果送入信号处理器，对三路解调结果进行解调去重和校验筛选处理，形成用户后续处理需要的解调结果；最后信号处理器根据用户需求对解调结果进行灵活的ACARS信号解译、依据筛选去重原则进行信号去重和类型筛选，把筛选后的最终解译结果传输到地面。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

实现全球ACARS信号的接收处理。本发明基于卫星载荷覆盖全球ACARS信号，设备采用单天线接收来自空间辐射的ACARS信号，再经过接收信道进行滤波和放大处理，针对ACARS信号在不同的国家和地域频点有差别，频率覆盖范围较大，实际分配的频点分布在128MHz～138MHz之间，接收信道采用射频直接宽开接收设计，瞬时接收频段为128MHz～138MHz，能接收目前已知的全球所有频点的ACARS信号，并且可以根据不同区域实际使用的频点进行切换，实现了全球ACARS信号空域、频域全覆盖。

适合星载条件使用。本发明采集处理模块将接收信道输出的模拟信号进行射频直接带通采样、数字下变频、滤波预处理。采用宽带接收、窄带处理的方案，实现了星上设备体积小、重量轻、功耗低、可靠性高的特点，同时满足ACARS信号接收处理灵敏度要求。采用射频宽开、射频直接带通采样、数字下变频、滤波处理，省去了传统超外差接收机的变频环节，减少了大量器件和模块。采用宽带接收、窄带处理的方案，兼顾了全频段覆盖和ACARS信号接收处理灵敏度要求，并且主要的处理在可编程门阵列FPGA单个芯片上完成，进一步减少了器件，整个设备体积可以控制在标准6U模块大小，重量小于1kg，功耗小于10W，实现了星上设备体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、成本优的特点，非常适合星载条件使用。

适应大多普勒环境和多信号碰撞环境。本发明对ACARS信号进行处理时，并行形成三路下变频信号，其中中间一路对应零频，第二路对应多普勒正频移，第三路对应多普勒负频移，三路信号分别进行滤波，滤波带宽根据实际信号带宽进行选取。同时形成和处理三路信号，是为了增加在星载接收环境中两个或者多个ACARS信号，在存在大多普勒频移并且发送碰撞情况下，正确检测和解调ACARS信号的概率。同时根据实际信号带宽进行滤波，优化了在多普勒条件下ACARS信号检测灵敏度，增强了信号带内信噪比。克服了在星载条件下由于卫星相对于地面或者空中目标相对移动较快，目标发出的信号到达卫星后会产生大的多普勒频移，同时在星载条件下，视场宽，覆盖的区域较广，发生信号碰撞的概率相对于地面或者机载环境下更大，从而影响信号正常接收的问题。

信号检测概率高。本发明采集处理模块在对ACARS信号进行处理时，采用相关检测算法对ACARS信号进行检测，相关检测算法就是根据接收到的实际信号与ARINC 618-6-2006协议中定义的标准的信号格式进行相关计算，当相关度超过门限时就认为检测到信号，并依此确定信号的起始时刻。在对ACARS信号进行处理时，在FPGA内对多普勒滤波处理后形成的三路ACARS信号进行一次解调、相关检测、二次解调、去差分处理；三路信号同时进行并行、流水、实时地处理，不存在因信号密集和处理速度受限而出现的丢信号的情况，同时信号检测、解调、去差分在FPGA内部实时地处理完成，减小了后续处理的复杂程度和处理时间。采用相关检测算法对ACARS信号进行检测，相关检测算法就是根据接收到的实际信号与ARINC 618-6-2006协议中定义的标准的信号格式进行相关计算，当相关度超过门限时就认为检测到信号，因为相关检测最大程度利用了信号的能量，抑制了噪声能量，相对于传统的频域或者时域信号检测方法，检测信噪比可以提高6dB，信号检测概率可以提高到90％以上。

适应性强，传输带宽要求低。本发明采集处理模块在对ACARS信号进行处理时，在FPGA内对多普勒滤波处理后形成的三路ACARS信号进行一次解调、相关检测、二次解调、去差分处理；三路信号同时进行并行、流水、实时地处理，不存在因信号密集和处理速度受限而出现的丢信号的情况，同时信号检测、解调、去差分在FPGA内部实时地处理完成，减小了后续处理的复杂程度和处理时间。在对ACARS信号进行处理时，信号处理器对解调结果按照ARINC 618-6-2006标准协议中的定义进行ACARS信号解译，然后可以根据用户需求灵活地进行信号去重、类型筛选，并把筛选后的最终解译结果传输到地面。ACARS信号格式和类型很多，可以根据需要，重点关注某些类型的信号，还可以按照需要截取信号内容中的重点关注信息，去掉多余或者是不关注的信息，减小处理结果传输所需要占用的带宽。能实时进行ACARS信号解译、去重和筛选，处理结果占用传输带宽小，按照每个ACARS信号解译结果只需要48个字节，每秒钟平均接收处理10个ACARS信号计算，所需要的传输带宽为480字节/秒，远低于现有系统平均3000字节/秒的传输带宽。

附图说明

为了进一步说明而不是限制本发明的上述实现方式，下面结合附图给出最佳实施例，从而使本发明的细节和优点变得更为明显。

图1是本发明星载ACARS信号接收处理的电路原理示意图。

图2是本发明星载ACARS信号接收处理的流程示意图。

图3是本发明星载ACARS信号处理适应多普勒环境和多信号碰撞环境原理示意图。

图4是本发明星载ACARS信号接收处理场景示意图。

具体实施方式

参阅图1、图2。根据本发明，在卫星载荷设备中，ACARS信号接收处理设备由接收天线、接收信道、采集处理模块组成。天线主要完成ACARS信号的接收，接收天线需要满足在卫星上安装要求的同时，需要满足接收频段、接收增益、接收方位覆盖范围、极化要求，设计的天线要能够正常接收ACARS信号。接收信道主要完成ACARS信号的滤波、放大功能，滤波带宽和放大增益需要满足ACARS信号接收频率范围、动态范围、噪声系数指标要求。采集处理模块主要完成信号的采集、预处理、信号检测、解调、解译、去重处理，ACARS信号星上接收处理功能主要在采集处理模块中完成。

参阅图2。第一步，接收处理设备采用单天线接收来自空间辐射的ACARS信号，接收信道再对信号进行滤波、放大处理。接收信道采用射频直接宽开接收方案，接收滤波的频段为ACARS信号覆盖的128MHz～138MHz频段，实现全空域、全频点的ACARS信号接收。

第二步，采集处理模块将接收信道输出的模拟信号进行射频直接带通采样、数字下变频处理，并行形成三路下变频信号，其中一路对应零频，另一路对应多普勒正混频，第三路对应多普勒负混频，三路信号分别进行滤波；然后在FPGA内再对多普勒滤波处理后形成的三路ACARS信号并行进行一次解调、采用相关检测算法对ACARS信号进行检测、二次解调、去差分处理。相关检测算法在采集处理模块的FPGA中进行ACARS信号检测，相关检测算法根据一次解调接收到的实际信号与ARINC 618-6-2006协议中定义的标准的信号格式进行相关计算，当相关度超过FPGA设定的相关度门限时，即检测到空间环境中的ACARS信号。采集处理模块在对ACARS信号进行处理时，信号处理器对三路解调结果进行解调去重、校验筛选处理，形成需要进行后续处理的解调结果；三路并行处理，可能会出现同一个信号在其中两路都有解调结果输出的情况，解调去重就是去掉这种重复；信号处理器针对同一个信号在其中两路都有解调结果输出的情况，根据ARINC 618-6-2006标准协议的定义进行校验，对解调去重后的结果进行校验筛选，去掉重复解调结果，筛选出正确的没有误码的解调结果，去掉有误码的错误解调结果。采集处理模块在对ACARS信号进行处理时，信号处理器对解调结果按照ARINC 618-6-2006标准协议中的定义进行ACARS信号解译，然后可以根据用户需求灵活地进行信号去重、类型筛选，并把筛选后的最终解译结果传输到地面。ACARS信号格式和类型很多，可以根据需要，重点关注某些类型的信号，还可以按照需要截取信号内容中的重点关注信息，去掉多余或者是不关注的信息，减小处理结果传输所需要占用的带宽。

第三步，处理结果送信号处理器再进一步处理；信号处理器对三路解调结果进行解调去重、校验筛选处理，形成需要进行后续处理的解调结果；最后信号处理器可以根据用户需求对解调结果进行灵活的ACARS信号解译、信号去重、类型筛选，并把筛选后的最终解译结果传输到地面。

参阅图3，在第二步实施例中，FPGA对ACARS信号进行处理时，并行形成三路下变频信号中，中间一路对应零频，第二路对应多普勒正频移，第三路对应多普勒负频移，三路信号分别进行滤波，滤波带宽根据实际信号带宽进行选取。同时形成和处理三路信号，是为了增加在星载接收环境中两个或者多个ACARS信号在存在多普勒频移并且发送碰撞情况下正确检测和解调ACARS信号的概率。具体来说，就是三个通道同时滤波，其中某个通道可能滤除掉两个或者多个碰撞信号的其他信号，只留下刚好落入某个信道的其中一个信号，这个信道就能正常检测和解调落入这个信道的信号，增加碰撞情况下接收信号的概率。具体举例来说：三路并行ACARS信号的ACARS信号1、ACARS信号2、ACARS信号3，该三个混叠的ACARS信号同时分别通过三个滤波器形成3个处理通道，滤波器1、滤波器2、滤波器3经过通过通道1、通道2、通道3滤波后，通道1滤除掉ACARS信号2和ACARS信号3两个碰撞信号，留下刚好落入通道1的ACARS信号1，通道3滤除掉ACARS信号1和ACARS信号2两个碰撞信号，留下刚好落入通道3的ACARS信号3。本来无法检测的3个混叠信号，通过这种处理，就使得通道1和通道3能够正常检测和处理ACARS信号1和ACARS信号3，这样就增加了碰撞情况下接收信号的概率。

以上结合附图对本发明进行了详细描述，但需要指出的是，上述实例所描述的是仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，比如可以结合具体的实现改变处理流程和处理顺序、可以选用不同的处理设备和芯片实现本发明的技术方法、还可以改变处理多普勒频移和碰撞条件下同时处理的ACARS信号路数，本实例设计的是三路，可以根据使用要求和处理资源情况选择二至九路。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (7)

1.一种星载ACARS信号接收处理方法，具有如下技术特征：在无线电信号接收处理载荷中，ACARS信号接收处理设备采用天线接收来自空间辐射的ACARS信号，然后天线输出的信号进入接收信道进行放大滤波，通过采集处理模块将接收信道输出的模拟信号进行射频直接带通采样，采样信号进入FPGA，在FPGA内部对采样信号进行数字下变频、滤波预处理，依据预处理的ACARS频点设置数字下变频频率，并行形成多普勒正混频、多普勒零频、多普勒负混频，三路下变频信号；并对三路下变频信号分别进行滤波，根据实际信号带宽选取滤波带宽，再在FPGA中并行地、流水线地、实时地对多普勒滤波处理后形成的三路ACARS信号并行进行一次解调，并采用相关检测算法对ACARS信号进行检测、二次解调和去差分处理；处理结果送入信号处理器，对三路解调结果进行解调去重和校验筛选处理，形成用户后续处理需要的解调结果；最后信号处理器根据用户需求对解调结果进行灵活的ACARS信号解译、依据筛选去重原则进行信号去重和类型筛选，把筛选后的最终解译结果传输到地面。

2.如权利要求1所述的星载ACARS信号接收处理方法，其特征在于：接收处理设备采用单天线接收来自空间辐射的ACARS信号，通过接收信道再对信号进行滤波、放大处理。

3.如权利要求1所述的星载ACARS信号接收处理方法，其特征在于：接收信道采用射频直接宽开接收方案，接收滤波频段为ACARS信号覆盖的128MHz～138MHz频段，和目前已知的所有频点的全球ACARS信号，实现全空域、全频点的ACARS信号接收处理。

4.如权利要求1所述的星载ACARS信号接收处理方法，其特征在于：相关检测算法在采集处理模块的FPGA中进行ACARS信号检测，相关检测算法是根据一次解调接收到的实际信号与ARINC 618-6-2006协议中定义的标准的信号格式进行相关计算的，当相关度超过FPGA设定的相关度门限时，即检测到空间环境中的ACARS信号。

5.如权利要求1所述的星载ACARS信号接收处理方法，其特征在于：信号处理器针对同一个信号在其中两路都有解调结果输出的情况，根据ARINC 618-6-2006标准协议的定义进行校验，对解调去重后的结果进行校验筛选，去掉重复解调结果，筛选出正确的无误的误码解调结果，去掉有误码的错误解调结果。

6.如权利要求1所述的空间目标运动轨迹与辐射信号关联方法，其特征在于：FPGA针对某个通道可能滤除掉两个或者多个碰撞信号的其他信号，对三个通道同时滤波，留下刚好落入某个信道的其中一个信号，让一次解调后能够正确检测和二次解调落入这个信道的信号。

7.如权利要求6所述的星载ACARS信号接收处理方法，其特征在于：三路并行ACARS信号的ACARS信号1、ACARS信号2、ACARS信号3，三个混叠的ACARS信号同时分别通过三个滤波器形成3个处理通道，滤波器1、滤波器2、滤波器3，经通道1、通道2、通道3滤波后，通道1滤除掉ACARS信号2和ACARS信号3两个碰撞信号，留下刚好落入通道1的ACARS信号1，通道3滤除掉ACARS信号1和ACARS信号2两个碰撞信号，留下刚好落入通道3的ACARS信号3。