CN110224742B - 一种测试信号分离性能的星载ads-b信号形成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测试信号分离性能的星载ADS‑B信号形成方法，通过在设置飞行器的数量，卫星天线的数量，综合考虑不同卫星天线接收到的同一个报文信号功率不同，卫星天线的接收方向不同，按照每个卫星天线的接收报文信号时间将W个报文信号叠加，得到测试接收机多通道信号分离性能的星载ADS‑B信号，最终在多个通道输出功率不同的相关ADS‑B报文信号，测试多通道接收机的信号分离的性能。

Description

一种测试信号分离性能的星载ADS-B信号形成方法
技术领域
本发明涉及信号处理领域，具体涉及一种测试信号分离性能的星载ADS-B信号形成方法。
背景技术
星载ADS-B(广播式自动相关监视)系统中，接收机在卫星上接收飞行器发送的ADS-B报文信号。由于卫星的高度优势，星载ADS-B接收机能够接收到更多飞行器发送的报文信号，因此在单位时间内，信号密度更大，信号发生交织的概率更高，信号交叠成为一个很严重的问题。在这种情况下，星载接收机必须具有良好的解信号分离能力。多通道分离算法是利用多天线接收机对ADS-B报文信号进行接收，是一种具有很大优势的信号分离算法。在现有的ADS-B信号源中，比如KLJ Instruments公司的一款ADS-B信号源SQTR-2M，ADSBator信号发生器，国内的三航公司的ADS-B和A/C信号模拟发生器等，都无法测试这类采用多通道分离算法解信号交织的接收机性能。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种测试信号分离性能的星载ADS-B信号形成方法解决了现有技术无法测试采用多通道分离算法解信号交织的接收机性能的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种测试信号分离性能的星载ADS-B信号形成方法，包括以下步骤：
S1、预设卫星的天线个数N、卫星的初始位置信息和速度信息；
S2、预设飞行器的个数M、初始位置信息、速度信息、ID和飞行器的发射功率为T_powerj，其中，1≤j≤M；
S3、根据DO-260标准中的发报规则，确定每架飞行器的发报时刻点和报文类型，得到报文信号总数W；
S4、根据W个报文信号与M个飞行器的对应关系以及飞行器的发射功率T_powerj，得到报文信号的发射功率powerk，其中，1≤k≤W；
S5、根据卫星的初始位置信息、M架飞行器的初始位置信息和卫星及飞行器的运动方程，得到M个飞行器和卫星在W个发报时刻点的发报飞行器和卫星的位置信息；
S6、根据W个发报时刻点的发报飞行器的位置信息、速度信息和ID，得到PPM基带信号F(τ)k，0≤τ≤Ta，Ta为信号长度；
S7、将PPM基带信号F(τ)k分别加载在频率为f的射频载波信号上，得到一般ADS-B射频信号Sa(k)(τ)；
S8、根据报文信号的发射功率powerk和ADS-B射频信号Sa(k)(τ)，得到W个报文信号到达卫星的N个天线的星载ADS-B信号
Figure BDA0002104641680000021
0≤i≤N；
S9、根据W个发报时刻点的卫星和发报飞行器的位置信息，得到W个报文信号被N个卫星天线接收的接收时间；
S10、根据W个报文信号被N个卫星天线接收的接收时间，预设W个报文信号的接收时间与第一个报文信号的接收时间差为Δτk；
S11、按照接收时间差将每个卫星天线接收到的W个星载ADS-B信号
Figure BDA0002104641680000022
叠加，得到测试信号分离性能的星载ADS-B信号Si(τ)。
进一步地：所述步骤S5中的运动方程表达式为：
Figure BDA0002104641680000031
其中，t0为卫星或飞行器的初始时刻，vl为卫星或飞行器的水平速度，t为卫星或飞行器的飞行时间，vl(t)为t时刻卫星或飞行器的水平飞行速度，vc为卫星或飞行器的垂直飞行速度，r为地球半径，θ为卫星或飞行器的航向角，h(t)为t时刻卫星或飞行器的飞行高度，lat(t)为t时刻卫星或飞行器的纬度，lon(t)为t时刻卫星或飞行器的经度。
进一步地：所述步骤S6中得到PPM基带信号F(τ)k包括以下步骤：
S61、对W个发报时刻点的发报飞行器的位置信息、速度信息和ID进行编码，得到W个报文信号的位置编码、速度编码和ID编码；
S62、对W个报文信号的位置编码、速度编码和ID编码进行CRC校验，得到W个ADS-B报文数据链比特位；
S63、根据W个ADS-B报文数据链比特位，得到PPM基带信号F(τ)k。
进一步地：所述步骤S7中ADS-B射频信号Sa(k)(τ)的表达式为：
Figure BDA0002104641680000032
其中，
Figure BDA0002104641680000033
为初始相位，
Figure BDA0002104641680000034
进一步地：所述步骤S8得到W个报文信号到达N个卫星天线的星载ADS-B信号
Figure BDA0002104641680000035
包括以下步骤：
S81、根据报文信号的发射功率powerk、机载发射天线增益gain1k、星载接收天线增益gain2ik和路径损耗lossk，得到W个报文信号到达N个卫星天线时的信号功率rec_powerik；
S82、根据W个报文信号达到卫星的信号功率rec_powerik和ADS-B射频信号Sa(k)(τ)，得到W个报文信号达到N个卫星天线的星载ADS-B信号
Figure BDA0002104641680000041
Figure BDA0002104641680000042
进一步地：所述步骤S81具体为：
A1、根据W个发报时刻点卫星与发报飞行器的距离，得到报文信号传输距离为dk；
A2、根据传播频率f和报文信号传输距离dk，得到报文信息的路径损耗lossk：
lossk＝32.44+20logf+20logdk
A3、通过报文信号传播方向与飞行器的天线中心轴的夹角
Figure BDA0002104641680000043
在机载天线功率归一化方向图查找得到径向长度Pk；
A4、根据机载天线的最大天线增益gain1_max和径向长度Pk，得到机载发射天线增益gain1k：
gain1k＝gain1_max+10log(Pk)
A5、根据N个卫星天线与卫星的天线中心轴的偏移角度，得到卫星天线的中心点Ai；
A6、建立以地球中心O1为坐标原点的地心坐标系，建立以卫星中心O2为坐标原点的站心坐标系，得到中心点Ai在站心坐标系的坐标；
A7、根据发报飞行器和卫星在W个发报时刻点的位置信息，得到W个发报时刻点的发报飞行器和卫星在地心坐标系中的坐标；
A8、根据中心点Ai的坐标，得到中心点Ai在地心坐标系中的坐标Aa(i)；
A9、根据中心点Aa(i)、卫星和发报飞行器在地心坐标系中的坐标，得到W个报文信号传播方向与卫星天线中心的夹角
Figure BDA0002104641680000044
A10、根据报文信号传播方向与卫星天线中心的夹角
Figure BDA0002104641680000045
在星载天线场强归一化方向图查找得到径向长度Uik；
A11、根据星载天线的最大天线增益gain2_max和径向长度Uik，得到星载接收天线增益gain2ik：
gain2ik＝gain2_max+10log(Uik 2)
A12、根据报文信号的发射功率powerk、机载发射天线增益gain1k、星载接收天线增益gain2ik和路径损耗lossk，得到W个报文信号达到N个卫星天线的信号功率rec_powerik的计算公式为：
rec_powerik＝powerk+gain1k+gain2ik+lossk。
进一步地：所述步骤S9中得到W个报文信号被卫星天线接收的接收时间包括以下步骤：
S91、根据发报时刻卫星和发报飞行器的位置信息，得到卫星与发报飞行器的距离；
S92、根据卫星与发报飞行器的距离，得到W个报文信号的传输延迟；
S93、根据W个报文信号的传输延迟，得到W个报文信号被N个卫星天线接收的接收时间。
进一步地：所述步骤S11中测试信号分离性能的星载ADS-B信号Si(τ)的表达式为：
Figure BDA0002104641680000051
本发明的有益效果为：一种测试信号分离性能的星载ADS-B信号形成方法，通过在设置飞行器的数量，卫星天线的数量，综合考虑不同卫星天线接收到的同一个报文信号功率不同，卫星天线的接收方向不同，按照每个卫星天线的接收报文信号时间将W个报文信号叠加，得到测试接收机多通道信号分离性能的星载ADS-B信号，最终在多个通道输出功率不同的相关ADS-B报文信号，测试多通道接收机的信号分离的性能。
附图说明
图1为一种测试信号分离性能的星载ADS-B信号形成方法流程图；
图2为机载天线功率归一化方向图；
图3为星载天线场强归一化方向图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，一种测试信号分离性能的星载ADS-B信号形成方法，包括以下步骤：
S1、预设卫星的天线个数N、卫星的初始位置信息和速度信息；
S2、预设飞行器的个数M、初始位置信息、速度信息、ID和飞行器的发射功率为T_powerj，其中，1≤j≤M；
S3、根据DO-260标准中的发报规则，确定每架飞行器的发报时刻点和报文类型，得到报文信号总数W；
S4、根据W个报文信号与M个飞行器的对应关系以及飞行器的发射功率T_powerj，得到报文信号的发射功率powerk，其中，1≤k≤W；
S5、根据卫星的初始位置信息、M架飞行器的初始位置信息和卫星及飞行器的运动方程，得到M个飞行器和卫星在W个发报时刻点的发报飞行器和卫星的位置信息；
步骤S5中的运动方程表达式为：
Figure BDA0002104641680000071
其中，t0为卫星或飞行器的初始时刻，vl为卫星或飞行器的水平速度，t为卫星或飞行器的飞行时间，vl(t)为t时刻卫星或飞行器的水平飞行速度，vc为卫星或飞行器的垂直飞行速度，r为地球半径，θ为卫星或飞行器的航向角，h(t)为t时刻卫星或飞行器的飞行高度，lat(t)为t时刻卫星或飞行器的纬度，lon(t)为t时刻卫星或飞行器的经度。
S6、根据W个发报时刻点的发报飞行器的位置信息、速度信息和ID，得到PPM基带信号F(τ)k，0≤τ≤Ta，Ta为信号长度；
步骤S6中得到PPM基带信号F(τ)k包括以下步骤：
S61、对W个发报时刻点的发报飞行器的位置信息、速度信息和ID进行编码，得到W个报文信号的位置编码、速度编码和ID编码；
S62、对W个报文信号的位置编码、速度编码和ID编码进行CRC校验，得到W个ADS-B报文数据链比特位；
S63、根据W个ADS-B报文数据链比特位，得到PPM基带信号F(τ)k。
S7、将PPM基带信号F(τ)k分别加载在频率为f的射频载波信号上，得到一般ADS-B射频信号Sa(k)(τ)；
步骤S7中ADS-B射频信号Sa(k)(τ)的表达式为：
Figure BDA0002104641680000072
其中，
Figure BDA0002104641680000073
为初始相位，
Figure BDA0002104641680000074
S8、根据报文信号的发射功率powerk和ADS-B射频信号Sa(k)(τ)，得到W个报文信号到达卫星的N个天线的星载ADS-B信号
Figure BDA0002104641680000075
0≤i≤N；
步骤S8中得到W个报文信号到达N个卫星天线的星载ADS-B信号
Figure BDA0002104641680000081
包括以下步骤：
S81、根据报文信号的发射功率powerk、机载发射天线增益gain1k、星载接收天线增益gain2ik和路径损耗lossk，得到W个报文信号到达N个卫星天线时的信号功率rec_powerik；
步骤S81具体为：
A1、根据W个发报时刻点卫星与发报飞行器的距离，得到报文信号传输距离为dk；
A2、根据传播频率f和报文信号传输距离dk，得到报文信息的路径损耗lossk：
lossk＝32.44+20logf+20logdk (3)
A3、通过报文信号传播方向与飞行器的天线中心轴的夹角
Figure BDA0002104641680000082
在机载天线功率归一化方向图查找得到径向长度Pk，如图2所示；
A4、根据机载天线的最大天线增益gain1_max和径向长度Pk，得到机载发射天线增益gain1k：
gain1k＝gain1_max+10log(Pk) (4)
A5、根据N个卫星天线与卫星的天线中心轴的偏移角度，得到卫星天线的中心点Ai；
A6、建立以地球中心O1为坐标原点的地心坐标系，建立以卫星中心O2为坐标原点的站心坐标系，得到中心点Ai在站心坐标系的坐标；
A7、根据发报飞行器和卫星在W个发报时刻点的位置信息，得到W个发报时刻点的发报飞行器和卫星在地心坐标系中的坐标；
A8、根据中心点Ai的坐标，得到中心点Ai在地心坐标系中的坐标Aa(i)；
A9、根据中心点Aa(i)、卫星和发报飞行器在地心坐标系中的坐标，得到W个报文信号传播方向与卫星天线中心的夹角
Figure BDA0002104641680000091
A10、根据报文信号传播方向与卫星天线中心的夹角
Figure BDA0002104641680000092
在星载天线场强归一化方向图查找得到径向长度Uik，如图3所示；
A11、根据星载天线的最大天线增益gain2_max和径向长度Uik，得到星载接收天线增益gain2ik：
gain2ik＝gain2_max+10log(Uik 2) (5)
A12、根据报文信号的发射功率powerk、机载发射天线增益gain1k、星载接收天线增益gain2ik和路径损耗lossk，得到W个报文信号达到N个卫星天线的信号功率rec_powerik的计算公式为：
rec_powerik＝powerk+gain1k+gain2ik+lossk (6)
S82、根据W个报文信号达到卫星的信号功率rec_powerik和ADS-B射频信号Sa(k)(τ)，得到W个报文信号达到N个卫星天线的星载ADS-B信号
Figure BDA0002104641680000093
Figure BDA0002104641680000094
S9、根据W个发报时刻点的卫星和发报飞行器的位置信息，得到W个报文信号被N个卫星天线接收的接收时间；
步骤S9中得到W个报文信号被卫星天线接收的接收时间包括以下步骤：
S91、根据发报时刻卫星和发报飞行器的位置信息，得到卫星与发报飞行器的距离；
S92、根据卫星与发报飞行器的距离，得到W个报文信号的传输延迟；
S93、根据W个报文信号的传输延迟，得到W个报文信号被N个卫星天线接收的接收时间。
S10、根据W个报文信号被N个卫星天线接收的接收时间，预设W个报文信号的接收时间与第一个报文信号的接收时间差为Δτk；
S11、按照接收时间差将每个卫星天线接收到的W个星载ADS-B信号
Figure BDA0002104641680000101
叠加，得到测试信号分离性能的星载ADS-B信号Si(τ)。
步骤S11中测试信号分离性能的星载ADS-B信号Si(τ)的表达式为：
Figure BDA0002104641680000102
本发明的有益效果为：一种测试信号分离性能的星载ADS-B信号形成方法，通过在设置飞行器的数量，卫星天线的数量，综合考虑不同卫星天线接收到的同一个报文信号功率不同，卫星天线的接收方向不同，按照每个卫星天线的接收报文信号时间将W个报文信号叠加，得到测试接收机多通道信号分离性能的星载ADS-B信号，最终在多个通道输出功率不同的相关ADS-B报文信号，测试多通道接收机的信号分离的性能。

Claims (5)

1.一种测试信号分离性能的星载ADS-B信号形成方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、预设卫星的天线个数N、卫星的初始位置信息和速度信息；
S2、预设飞行器的个数M、初始位置信息、速度信息、ID和飞行器的发射功率为T_powerj，其中，1≤j≤M；
S3、根据DO-260标准中的发报规则，确定每架飞行器的发报时刻点和报文类型，得到报文信号总数W；
S4、根据W个报文信号与M个飞行器的对应关系以及飞行器的发射功率T_powerj，得到报文信号的发射功率powerk，其中，1≤k≤W；
S5、根据卫星的初始位置信息、M架飞行器的初始位置信息和卫星及飞行器的运动方程，得到M个飞行器和卫星在W个发报时刻点的发报飞行器和卫星的位置信息；
S6、根据W个发报时刻点的发报飞行器的位置信息、速度信息和ID，得到PPM基带信号F(τ)k，0≤τ≤Ta，Ta为信号长度；
S7、将PPM基带信号F(τ)k分别加载在频率为f的射频载波信号上，得到一般ADS-B射频信号Sa(k)(τ)；
S8、根据报文信号的发射功率powerk和ADS-B射频信号Sa(k)(τ)，得到W个报文信号到达卫星的N个天线的星载ADS-B信号
Figure FDA0002386434800000011
所述步骤S8得到W个报文信号到达N个卫星天线的星载ADS-B信号
Figure FDA0002386434800000012
包括以下步骤：
S81、根据报文信号的发射功率powerk、机载发射天线增益gain1k、星载接收天线增益gain2ik和路径损耗lossk，得到W个报文信号到达N个卫星天线时的信号功率rec_powerik；
所述步骤S81具体为：
A1、根据W个发报时刻点卫星与发报飞行器的距离，得到报文信号传输距离为dk；
A2、根据传播频率f和报文信号传输距离dk，得到报文信息的路径损耗lossk：
lossk＝32.44+20logf+20logdk
A3、通过报文信号传播方向与飞行器的天线中心轴的夹角
Figure FDA0002386434800000021
在机载天线功率归一化方向图查找得到径向长度Pk；
A4、根据机载天线的最大天线增益gain1_max和径向长度Pk，得到机载发射天线增益gain1k：
gain1k＝gain1_max+10log(Pk)
A5、根据N个卫星天线与卫星的天线中心轴的偏移角度，得到卫星天线的中心点Ai；
A6、建立以地球中心O1为坐标原点的地心坐标系，建立以卫星中心O2为坐标原点的站心坐标系，得到中心点Ai在站心坐标系的坐标；
A7、根据发报飞行器和卫星在W个发报时刻点的位置信息，得到W个发报时刻点的发报飞行器和卫星在地心坐标系中的坐标；
A8、根据中心点Ai的坐标，得到中心点Ai在地心坐标系中的坐标Aa(i)；
A9、根据中心点Aa(i)、卫星和发报飞行器在地心坐标系中的坐标，得到W个报文信号传播方向与卫星天线中心的夹角
Figure FDA0002386434800000022
A10、根据报文信号传播方向与卫星天线中心的夹角
Figure FDA0002386434800000023
在星载天线场强归一化方向图查找得到径向长度Uik；
A11、根据星载天线的最大天线增益gain2_max和径向长度Uik，得到星载接收天线增益gain2ik：
gain2ik＝gain2_max+10log(Uik 2)
A12、根据报文信号的发射功率powerk、机载发射天线增益gain1k、星载接收天线增益gain2ik和路径损耗lossk，得到W个报文信号达到N个卫星天线的信号功率rec_powerik的计算公式为：
rec_powerik＝powerk+gain1k+gain2ik+lossk；
S82、根据W个报文信号达到卫星的信号功率rec_powerik和ADS-B射频信号Sa(k)(τ)，得到W个报文信号达到N个卫星天线的星载ADS-B信号
Figure FDA0002386434800000031
Figure FDA0002386434800000032
其中，
Figure FDA0002386434800000033
为初始相位，
Figure FDA0002386434800000034
S9、根据W个发报时刻点的卫星和发报飞行器的位置信息，得到W个报文信号被N个卫星天线接收的接收时间；
所述步骤S9中得到W个报文信号被卫星天线接收的接收时间包括以下步骤：
S91、根据发报时刻卫星和发报飞行器的位置信息，得到卫星与发报飞行器的距离；
S92、根据卫星与发报飞行器的距离，得到W个报文信号的传输延迟；
S93、根据W个报文信号的传输延迟，得到W个报文信号被N个卫星天线接收的接收时间；S10、根据W个报文信号被N个卫星天线接收的接收时间，预设W个报文信号的接收时间与第一个报文信号的接收时间差为Δτk；
S11、按照接收时间差将每个卫星天线接收到的W个星载ADS-B信号
Figure FDA0002386434800000035
叠加，得到测试信号分离性能的星载ADS-B信号Si(τ)。
2.根据权利要求1所述的测试信号分离性能的星载ADS-B信号形成方法，其特征在于，所述步骤S5中的运动方程表达式为：
Figure FDA0002386434800000041
其中，t0为卫星或飞行器的初始时刻，vl为卫星或飞行器的水平速度，t为卫星或飞行器的飞行时间，vl(t)为t时刻卫星或飞行器的水平飞行速度，vc为卫星或飞行器的垂直飞行速度，r为地球半径，θ为卫星或飞行器的航向角，h(t)为t时刻卫星或飞行器的飞行高度，lat(t)为t时刻卫星或飞行器的纬度，lon(t)为t时刻卫星或飞行器的经度。
3.根据权利要求1所述的测试信号分离性能的星载ADS-B信号形成方法，其特征在于，所述步骤S6中得到PPM基带信号F(τ)k包括以下步骤：
S61、对W个发报时刻点的发报飞行器的位置信息、速度信息和ID进行编码，得到W个报文信号的位置编码、速度编码和ID编码；
S62、对W个报文信号的位置编码、速度编码和ID编码进行CRC校验，得到W个ADS-B报文数据链比特位；
S63、根据W个ADS-B报文数据链比特位，得到PPM基带信号F(τ)k。
4.根据权利要求1所述的测试信号分离性能的星载ADS-B信号形成方法，其特征在于，所述步骤S7中ADS-B射频信号Sa(k)(τ)的表达式为：
Figure FDA0002386434800000042
其中，
Figure FDA0002386434800000043
为初始相位，
Figure FDA0002386434800000044
5.根据权利要求1所述的测试信号分离性能的星载ADS-B信号形成方法，其特征在于，所述步骤S11中测试信号分离性能的星载ADS-B信号Si(τ)的表达式为：
Figure FDA0002386434800000045
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