CN108737030B - 一种基于星载场景的ads-b信号低灵敏度接收方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于星载场景的ADS‑B信号低灵敏度接收方法，解决了星载场景下接收飞机发送的ADS‑B信号电平较低而导致解调得到报文信息较少的问题，它通过对射频前端输出的信号进行对数检波和AD量化，利用窄带滤波器完成对信号波形的整形，并对ADS‑B信号报头及其附近脉冲的上升、下降沿采样点进行统计，得到相应的上升下降程度的计数结果，对计数加和结果进行判决，从而判断出疑似报头，再根据报头脉冲附近的空信号位采样点进行加和判决，确定是否为有效报头，最后利用三阶系数加权法完成对ADS‑B报文位的差分判决。本发明相比较现有的地面ADS‑B接收技术，接收灵敏度更高，虚警概率更低，报文信息误码率更低，能够适应星载ADS‑B监视系统的弱信号监测场景。

Description

一种基于星载场景的ADS-B信号低灵敏度接收方法
技术领域
本发明设计一种基于星载场景的ADS-B信号低灵敏度接收方法，主要针对于星载场景下的ADS-B信号的低灵敏度接收，实现对空间卫星对于航空信息的获取，增强跨洋航线和极地的航空监视能力。
背景技术
广播式自动相关监视(ADS-B)技术是民航新一代监视技术的核心，目前已得到了大规模的应用。它通过专用的无线数据链不断地广播飞机的属性、当前经度、纬度和高度三维位置、航速、转向等状态，地面空中交通管制中心接收信号，用于空中交通管理监视、驾驶舱交通信息显示以及机场场面监视管理等。
传统二次雷达监视系统存在运行和维护成本高、安装架设技术条件苛刻以及监视范围有限等问题，并且在偏远、环境恶劣、人烟稀少的地区难以部署，因此，广播式自动相关监视系统(ADS-B)得到了较快发展，我国也架设了大量的ADS-B地面站。
但是，对于跨洋航线、极地等区域至今仍不能实现连续的空中交通监视，由于处于非雷达监视空域，只能要求飞行员程序性地口头报告位置。其后果就是：空中交通管理不得不在缺乏密集数据连续监视的情况下应对越来越繁忙的空中交通线；航线之间的间距势必很大，空域未得到有效利用；浪费了燃料、增加了碳排放；紧急情况下的搜救又昂贵又费时。
在这种情况下，以星载ADS-B接收系统为基础来构建覆盖全球的实时的空中交通监视系统，就成为下一代空中交通管理的基石，并成为技术发达国家争相发展的热门领域，竞争激烈，进展也很快。二代铱星系统搭载的ADS-B 2018年即可部署完成并提供服务，丹麦GOMSpace公司也计划自2019年开始发射自己的ADS-B星座。ICAO、FAA、ESA等机构也在积极研究基于星载ADS-B的ATC系统。同时，到2020年，欧美均强制飞机装备ADS-B设备。由此可见，星载ADS-B这项事关未来航空交通管理的重要技术，目前正处在从技术走向商业的起步阶段，虽然许多应用尚处在讨论和探索阶段，但可以肯定的一点是对未来的航空交通管理影响深远。
一般的ADS-B接收方法往往处在较高信噪比的范围内，由于民航客机的发射功率为23～27dBW，飞机与地面的距离一般为10km，考虑到地面接收站的覆盖范围，一般地面站能接收到的信号的距离范围为50km，自由空间的路径传输损耗约为：
loss＝32.45+10log(L)+10log(F)＝32.45+10log(50)+10log(1090)＝127dB
因此可得ADS-B信号到达地面天线接收口面的电平约为：25+30-127＝-72dBm。
然而。对于低轨道卫星的距离空间飞行器最近的距离约为500km，此外，为了扩大覆盖范围，还需要监测距离约为1500km左右的飞行器，此时的自由空间的路径传输损耗约为：
loss＝32.45+10log(1500)+10log(1090)＝156dB
因此可得ADS-B信号到达卫星天线接收口面的电平约为：23+30-156＝-103dBm。在DO-260B对A类ADS-B接收机的灵敏度要求中，灵敏度最高的A3类接收机的灵敏度也才仅仅为-84dBm，所以现有的ADS-B地面接收处理算法不能满足星载低信噪比环境的要求。本发明设计提出一种基于低信噪比场景下的ADS-B信号接收处理方法，为星载ADS-B的接收技术提供新的思路。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于星载场景的ADS-B信号低灵敏度接收方法。本方法主要针对星载ADS-B接收场景，实现对低信噪比条件下的ADS-B信号的接收解调，在信号检测概率和解调误码率等指标上与地面常规的处理方法上都有较大提升。本方法可以提升ADS-B接收设备的接收灵敏度，弥补现有地面接收处理方法的不足。
本发明的方法是这样实现的：通过对射频前端输出的ADS-B接收信号进行对数检波和AD量化，利用窄带滤波器完成低通滤波，并对ADS-B信号前14个码片的上升、下降沿采样点进行计数统计，得到相应的上升下降程度的计数结果，并对相应位置的计数结果进行相加，对结果进行判决，从而判断出疑似报头，再根据报头脉冲附近的空信号位采样点进行判决，确定疑似报头是虚警报头还是有效报头，最后若为有效报头则利用三阶系数加权法完成对ADS-B报文位的差分判决。主要包括以下步骤：
(1)对射频前端输出的ADS-B信号进行对数检波和AD量化；
(2)利用窄带滤波器对AD量化后的ADS-B信号进行波形的整形；
(3)对整形后的ADS-B信号中报头四脉冲、DF信息脉冲和CA字段高位信息脉冲的上升、下降沿采样点进行计数统计，得到相应的上升下降程度的计数结果；
(4)对相应位置上升、下降沿的计数结果进行相加，对加和结果进行判决，判断出疑似报头；
(5)根据疑似报头脉冲附近的空信号位采样点进行加和判决，确定疑似报头是虚警报头还是有效报头；
(6)若为有效报头则利用三阶系数加权法完成对ADS-B报文位的差分判决。
其中，步骤(2)所述的窄带滤波器具体为：通带带宽为3.3MHz的FIR滤波器，滤波器阶数为64。
其中，步骤(3)所述的对整形后的ADS-B信号中报头四脉冲、DF信息脉冲和CA字段高位信息脉冲的上升、下降沿采样点进行计数统计具体包括步骤：
(301)利用移位寄存器完成对ADS-B信号的循环移位；
(302)每个时钟周期对新进入移位寄存器内的信号进行临位比较，每有寄存器中前一个小于后一个采样点值，则上升沿计数加1，反之，则下降沿计数加1，其中临位比较区间长度设定为半个码片长度的采样点数；利用另外的两个移位寄存器分别存储每个时钟周期的上升、下降沿计数。
其中，步骤(4)中对相应位置上升、下降沿的计数结果进行相加，对加和结果进行判决具体包括步骤：
(401)取上升沿移位寄存器的相应位置的上升沿计数值进行加和，得到报头上升沿计数和；
(402)取下降沿移位寄存器的相应位置的下降沿计数值进行加和，得到报头下降沿计数和；
(403)将报头上升沿计数和与报头下降沿计数和相加，并与相应门限进行判决，高于门限值则被判定为疑似报头。
其中，步骤(5)所述的根据疑似报头脉冲附近的空信号位采样点进行加和判决，确定疑似报头是虚警报头还是有效报头具体包括步骤：
(501)在获得疑似报头后，选取信号移位寄存器相应位置的数值进行加和，得到报头无信号位置的噪声数据和；
(502)将噪声数据和与相应门限进行比较，高于门限则判定为虚警报头，低于门限则判定为有效报头。
其中，步骤(6)所述的利用三阶系数加权法完成对ADS-B报文位的差分判决具体包括步骤：
(601)根据报头的位置确定报文信息的起始位；
(602)对每一个报文位前半个码片的所有采样点进行加权求和；
(603)对每一个报文位后半个码片的所有采样点进行加权求和，加权系数与前半个码片一致；
(604)前半个码片的所有采样点的加权和如果大于后半个码片的所有采样点的加权和，则该报文位判决为‘1’，否则判决为‘0’。
其中，步骤(401)中选取的移位寄存器索引位置ai为：
DF17索引：
Figure GDA0002627206590000051
Figure GDA0002627206590000061
Figure GDA0002627206590000062
Figure GDA0002627206590000063
Figure GDA0002627206590000064
Figure GDA0002627206590000065
Figure GDA0002627206590000066
Figure GDA0002627206590000067
DF18索引：
Figure GDA0002627206590000068
Figure GDA0002627206590000069
Figure GDA00026272065900000610
Figure GDA00026272065900000611
Figure GDA00026272065900000612
Figure GDA00026272065900000613
Figure GDA00026272065900000614
Figure GDA00026272065900000615
其中，以最早进入上升沿计数移位寄存器的数据索引值为1，依次递增，fsample为输入信号采样率，Tchip为ADS-B码片长度，为1μs。
其中，步骤(402)中选取的移位寄存器索引位置bi为：
DF17索引：
Figure GDA00026272065900000616
Figure GDA00026272065900000617
Figure GDA00026272065900000618
Figure GDA0002627206590000071
Figure GDA0002627206590000072
Figure GDA0002627206590000073
Figure GDA0002627206590000074
Figure GDA0002627206590000075
DF18索引：
Figure GDA0002627206590000076
Figure GDA0002627206590000077
Figure GDA0002627206590000078
Figure GDA0002627206590000079
Figure GDA00026272065900000710
Figure GDA00026272065900000711
Figure GDA00026272065900000712
Figure GDA00026272065900000713
其中，以最早进入下降沿计数移位寄存器的数据索引值为1，依次递增，fsample为输入信号采样率，Tchip为ADS-B码片长度，为1μs。
其中，步骤(501)中，选取的移位寄存器索引位置ci为：
Figure GDA00026272065900000714
Figure GDA00026272065900000715
Figure GDA00026272065900000716
Figure GDA00026272065900000717
Figure GDA00026272065900000718
Figure GDA00026272065900000719
Figure GDA0002627206590000081
Figure GDA0002627206590000082
Figure GDA0002627206590000083
Figure GDA0002627206590000084
其中，以最早进入信号移位寄存器的数据索引值为1，依次递增，fsample为输入信号采样率，Tchip为ADS-B码片长度，为1μs。
其中，步骤(602)和(603)中加权系数λi为：
Figure GDA0002627206590000085
其中，fsample为输入信号采样率，Tchip为ADS-B码片长度，为1μs。
本发明与现有技术相比的有益效果为：
(1)充分利用信号的上下边沿信息，增强了低幅值的信号的检测能力；
(2)利用报头的空信号位辅助上下边沿信息进行报头筛选，降低了信号报头的虚警概率；
(3)利用三阶系数加权法完成对BPPM调制信号进行差分判决，降低了信号码片转换区域受噪声的影响，降低了解调报文的误码率
附图说明
图1是基于星载场景的ADS-B信号低灵敏度接收方法的流程图；
图2是ADS-B低灵敏度信号的报头捕获的算法流程图；
图3是ADS-B低灵敏度信号的信息位解调的算法流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步的说明。
一种基于星载场景的ADS-B信号低灵敏度接收方法，以上方法利用射频前端的输出进行对数检波和窄带滤波处理，针对尖锐的ADS-B脉冲信号进行边沿检测的计数方法，综合考虑上升下降沿的整体趋势，完成对报头的捕获，并利用报头脉冲间的噪声信号强度完成对信号的报头的筛选，最后利用三阶系数加权的方法完成对尖锐脉冲信号的加权判决，从而达到降低解调误码率的目的。实现流程参照图1所示。包括以下步骤：
(1)对数检波器检波和AD器件量化；
利用射频前端完成的1090MHz射频信号的射频前端滤波和放大后的信号进行对数检波器的检波和AD量化，利用对数检波器可以保证ADS-B接收机具备较好的动态范围，保证不同电平范围的信号在进入AD器件前保持一定范围的电平值，最终在AD器件量化输出后，保证信号数字化的幅值保持一定的数值范围。
(2)FIR滤波器窄带滤波；
针对星载场景的低电平低信噪比的特点，选取窄带的FIR滤波器完成对AD量化后的信号进行预处理，FIR滤波器的通带带宽选取为3.3MHz，滤波器阶数选取为64。
(3)边沿信息计数统计
利用移位寄存器完成对输入信号的循环移位，寄存器长度为14个码片长度的采样点数，以采样率40MHz为例，ADS-B信号码片长度为1μs，所以存储信号的寄存器长度为40MHz×1μs×14＝560；
每个时钟周期对新进入移位寄存器的内信号进行临位比较，每有寄存器中前一个小于后一个采样点值，则上升沿计数加1，反之，则下降沿计数加1，临位比较区间长度设定为半个码片长度的采样点数，以采样率40MHz为例，ADS-B信号码片长度为1μs，所以存储信号的寄存器长度为40MHz×1μs/2＝20。利用另外的移位寄存器分别存储每个时钟周期的上升、下降沿计数，存储上升、下降沿计数的移位寄存器长度为14个码片长度的采样点数,14个码片包括8个码片时长的ADS-B报头、5个码片时长DF信息位和1个码片时长的CA字段高位，以采样率40MHz为例，ADS-B信号码片长度为1μs，所以存储信号的寄存器长度为40MHz×1μs×14＝560；。
(4)疑似报头判决；
取上升沿寄存器的相应位置的上升沿计数值进行加和，得到报头上升沿计数和，选取的寄存器索引位置ai为：
DF17索引：
Figure GDA0002627206590000101
Figure GDA0002627206590000102
Figure GDA0002627206590000103
Figure GDA0002627206590000104
Figure GDA0002627206590000105
Figure GDA0002627206590000106
Figure GDA0002627206590000107
Figure GDA0002627206590000111
DF18索引：
Figure GDA0002627206590000112
Figure GDA0002627206590000113
Figure GDA0002627206590000114
Figure GDA0002627206590000115
Figure GDA0002627206590000116
Figure GDA0002627206590000117
Figure GDA0002627206590000118
Figure GDA0002627206590000119
其中，以最早进入上升沿计数移位寄存器的数据索引值为1，依次递增，fsample为输入信号采样率，Tchip为ADS-B码片长度，为1μs。
取下降沿寄存器的相应位置的下降沿计数值进行加和，得到报头下降沿计数和，选取的寄存器索引位置bi为：
DF17索引：
Figure GDA00026272065900001110
Figure GDA00026272065900001111
Figure GDA00026272065900001112
Figure GDA00026272065900001113
Figure GDA00026272065900001114
Figure GDA00026272065900001115
Figure GDA00026272065900001116
Figure GDA00026272065900001117
DF18索引：
Figure GDA0002627206590000121
Figure GDA0002627206590000122
Figure GDA0002627206590000123
Figure GDA0002627206590000124
Figure GDA0002627206590000125
Figure GDA0002627206590000126
Figure GDA0002627206590000127
Figure GDA0002627206590000128
其中，以最早进入下降沿计数移位寄存器的数据索引值为1，依次递增，fsample为输入信号采样率，Tchip为ADS-B码片长度，为1μs。
将报头上升沿计数和与报头下降沿计数和相加，并与相应门限进行判决，高于门限值则被判定为疑似报头，实现流程参照图2所示。。
(5)报头空码片筛选；
在获得疑似报头后，选取信号移位寄存器的相应位置的数值进行加和，得到报头无信号位置的噪声数据和，选取的寄存器索引位置ci为：
Figure GDA0002627206590000129
Figure GDA00026272065900001210
Figure GDA00026272065900001211
Figure GDA00026272065900001212
Figure GDA00026272065900001213
Figure GDA0002627206590000131
Figure GDA0002627206590000132
Figure GDA0002627206590000133
Figure GDA0002627206590000134
Figure GDA0002627206590000135
其中，以最早进入信号移位寄存器的数据索引值为1，依次递增，fsample为输入信号采样率，Tchip为ADS-B码片长度，为1μs。
将噪声数据和与相应门限进行比较，高于门限则视为虚警报头，低于门限则判定为有效报头，进入报文解调步骤，实现流程参照图2所示。
(6)三阶加权差分解调；
根据报头的位置确定信号的起始位，对每一个报文位前半个码片的所有采样点进行加权求和，加权系数λi为：
Figure GDA0002627206590000136
对每一个报文位后半个码片的所有采样点进行加权求和，加权系数与前半个码片一致。
前半个码片的所有采样点进行加权求和如果大于后半个码片的所有采样点进行加权求和，则该报文位判决为‘1’，否则判决为‘0’，实现流程参照图3所示。

Claims (9)

1.一种基于星载场景的ADS-B信号低灵敏度接收方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)对射频前端输出的ADS-B信号进行对数检波和AD量化；
(2)利用窄带滤波器对AD量化后的ADS-B信号进行波形的整形；
(3)对整形后的ADS-B信号中报头四脉冲、DF信息脉冲和CA字段高位信息脉冲的上升、下降沿采样点进行计数统计，得到相应的上升下降程度的计数结果；
(4)对相应位置上升、下降沿的计数结果进行相加，对加和结果进行判决，判断出疑似报头；
(5)根据疑似报头脉冲附近的空信号位采样点进行加和判决，确定疑似报头是虚警报头还是有效报头；具体包括步骤：
(501)在获得疑似报头后，选取信号移位寄存器相应位置的数值进行加和，得到报头无信号位置的噪声数据和；
(502)将噪声数据和与相应门限进行比较，高于门限则判定为虚警报头，低于门限则判定为有效报头；
(6)若为有效报头则利用三阶系数加权法完成对ADS-B报文位的差分判决。
2.根据权利要求1所述的一种基于星载场景的ADS-B信号低灵敏度接收方法，其特征在于：步骤(2)所述的窄带滤波器具体为：通带带宽为3.3MHz的FIR滤波器，滤波器阶数为64。
3.根据权利要求1所述的一种基于星载场景的ADS-B信号低灵敏度接收方法，其特征在于：步骤(3)所述的对整形后的ADS-B信号中报头四脉冲、DF信息脉冲和CA字段高位信息脉冲的上升、下降沿采样点进行计数统计具体包括步骤：
(301)利用移位寄存器完成对ADS-B信号的循环移位；
(302)每个时钟周期对新进入移位寄存器内的信号进行临位比较，每有寄存器中前一个小于后一个采样点值，则上升沿计数加1，反之，则下降沿计数加1，其中临位比较区间长度设定为半个码片长度的采样点数；利用另外的两个移位寄存器分别存储每个时钟周期的上升、下降沿计数。
4.根据权利要求1所述的一种基于星载场景的ADS-B信号低灵敏度接收方法，其特征在于：步骤(4)中对相应位置上升、下降沿的计数结果进行相加，对加和结果进行判决具体包括步骤：
(401)取上升沿移位寄存器的相应位置的上升沿计数值进行加和，得到报头上升沿计数和；
(402)取下降沿移位寄存器的相应位置的下降沿计数值进行加和，得到报头下降沿计数和；
(403)将报头上升沿计数和与报头下降沿计数和相加，并与相应门限进行判决，高于门限值则被判定为疑似报头。
5.根据权利要求1所述的一种基于星载场景的ADS-B信号低灵敏度接收方法，其特征在于：步骤(6)所述的利用三阶系数加权法完成对ADS-B报文位的差分判决具体包括步骤：
(601)根据报头的位置确定报文信息的起始位；
(602)对每一个报文位前半个码片的所有采样点进行加权求和；
(603)对每一个报文位后半个码片的所有采样点进行加权求和，加权系数与前半个码片一致；
(604)前半个码片的所有采样点的加权和如果大于后半个码片的所有采样点的加权和，则该报文位判决为‘1’，否则判决为‘0’。
6.根据权利要求4所述的一种基于星载场景的ADS-B信号低灵敏度接收方法，其特征在于：步骤(401)中选取的移位寄存器索引位置ai为：
DF17索引：
Figure FDA0002627206580000031
Figure FDA0002627206580000032
Figure FDA0002627206580000033
Figure FDA0002627206580000034
Figure FDA0002627206580000035
Figure FDA0002627206580000036
Figure FDA0002627206580000037
Figure FDA0002627206580000038
DF18索引：
Figure FDA0002627206580000039
Figure FDA00026272065800000310
Figure FDA00026272065800000311
Figure FDA00026272065800000312
Figure FDA00026272065800000313
Figure FDA00026272065800000314
Figure FDA0002627206580000041
Figure FDA0002627206580000042
其中，以最早进入上升沿计数移位寄存器的数据索引值为1，依次递增，fsample为输入信号采样率，Tchip为ADS-B码片长度，为1μs。
7.根据权利要求4所述的一种基于星载场景的ADS-B信号低灵敏度接收方法，其特征在于：步骤(402)中选取的移位寄存器索引位置bi为：
DF17索引：
Figure FDA0002627206580000043
Figure FDA0002627206580000044
Figure FDA0002627206580000045
Figure FDA0002627206580000046
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Figure FDA0002627206580000049
Figure FDA00026272065800000410
DF18索引：
Figure FDA00026272065800000411
Figure FDA00026272065800000412
Figure FDA00026272065800000413
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Figure FDA00026272065800000416
Figure FDA0002627206580000051
Figure FDA0002627206580000052
其中，以最早进入下降沿计数移位寄存器的数据索引值为1，依次递增，fsample为输入信号采样率，Tchip为ADS-B码片长度，为1μs。
8.根据权利要求1所述的一种基于星载场景的ADS-B信号低灵敏度接收方法，其特征在于：步骤(501)中，选取的移位寄存器索引位置ci为：
Figure FDA0002627206580000053
Figure FDA0002627206580000054
Figure FDA0002627206580000055
Figure FDA0002627206580000056
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Figure FDA00026272065800000510
Figure FDA00026272065800000511
Figure FDA00026272065800000512
其中，以最早进入信号移位寄存器的数据索引值为1，依次递增，fsample为输入信号采样率，Tchip为ADS-B码片长度，为1μs。
9.根据权利要求5所述的一种基于星载场景的ADS-B信号低灵敏度接收方法，其特征在于：步骤(602)和(603)中加权系数λi为：
Figure FDA0002627206580000061
其中，fsample为输入信号采样率，Tchip为ADS-B码片长度，为1μs。
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