CN110224743B - 一种基于动态场景的星载ads-b测试信号的形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于动态场景的星载ADS‑B测试信号的形成方法，通过报文信号发射功率、机载发射天线增益、星载接收天线增益和路径损耗得到报文信号到达卫星时的信号功率，通过报文信号的传播频率、传输过程的多普勒频移和发射机频率的抖动范围得到报文信号到达卫星时的信号频率，最大程度模拟了真实场景下卫星接收到的星载ADS‑B信号，更贴近真实场景，能够更好的测试星载ADS‑B接收机性能。

Description

一种基于动态场景的星载ADS-B测试信号的形成方法

技术领域

本发明涉及信号处理领域，具体涉及一种基于动态场景的星载ADS-B测试信号的形成方法。

背景技术

比起传统地面ADS-B系统，星载ADS-B(广播式自动相关监视)系统将接收机搭载在卫星上接收ADS-B报文信号，具有覆盖领域更广、部署不受地形限制的优势。为了高效、经济的验证星载接收机性能，基于动态场景信号的设计必不可少。星载ADS-B动态场景下，卫星不停运动，其覆盖范围也在不停发生变化，覆盖范围内的飞行器一边运动一边对外广播ADS-B报文信号。对于单个信号而言，飞行器将报文信号发射出来后，首先会经过机载发射天线，报文信号功率会受到影响；在传输过程中，会存在路径损耗、多普勒频移等因素对报文信号的功率、频率造成影响；最后经过卫星接收天线进入星载接收机，星载天线也会影响报文信号的接收功率。最后，卫星接收的是不同功率、频率的ADS-B射频信号。但是这么多年来，国内外研制的信号源输出的都是功率和频率相同的信号。

美国的KLJ Instruments公司研发了一款ADS-B信号源SQTR-2M，该信号源输出信号的频率和功率由用户手动设定，通道内所有的信号功率和频率相同。ADSBator是一款低功耗的ADS-B信号发生器，该信号源飞行目标的位置保持不动，并不停发送相同功率和频率的信号。国内的三航公司也研发了一款ADS-B和A/C信号模拟发生器，该公司的信号源通过上位机软件配置各通道信号单位时间内的飞行器数量、发射功率、发射频率、报文信息等参数，最终输出同等功率和频率的射频信号。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于动态场景的星载ADS-B测试信号的形成方法，该测试信号输出的是功率和频率随着动态场景变化的射频ADS-B信号，更贴近真实场景，能够更好的测试星载ADS-B接收机性能。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于动态场景的星载ADS-B测试信号的形成方法，包括以下步骤：

S1、预设飞行器个数为M、卫星的初始位置信息和速度信息；

S2、根据卫星的初始位置信息，确定卫星的覆盖范围；

S3、根据卫星的覆盖范围，通过均匀分布，得到卫星的覆盖范围内的M个飞行器的初始位置信息，并分配M个飞行器的速度信息、ID、ICAO编号和报文信号发射功率power；

S4、根据DO-260标准中的发报规则，确定飞行器的发报时刻点和报文类型；

S5、根据飞行器的发报时刻点、卫星和飞行器的运动方程、卫星的初始位置和飞行器的初始位置，得到卫星和飞行器在发报时刻点的位置信息；

S6、根据飞行器的报文类型以及飞行器在发报时刻的位置、速度、ID和ICAO编号，按照DO-260B标准对报文信号的位置、ID、速度和CRC校验进行编码，得到数据链比特位；

S7、根据数据链比特位，得到PPM基带信号序列F(n)，n为正整数，将PPM基带信号序列F(n)加载在频率为f_a的射频载波信号上，得到一般ADS-B射频信号S_a(τ)；

S8、根据飞行器的速度信息、卫星的速度信息、传播频率f_a和发射机频率的抖动范围Δf，得到报文信号到达卫星时的信号频率f；

S9、根据报文信号的发射功率power、机载发射天线增益gain1、星载接收天线增益gain2和路径损耗loss，得到报文信号到达卫星时的信号功率rec_power；

S10、根据报文信号到达卫星时的信号频率f、报文信号到达卫星时的信号功率rec_power和ADS-B射频信号S_a(τ)，得到动态场景下的星载ADS-B测试信号S(τ)。

步骤S3中得到M个飞行器的初始位置信息包括以下步骤：

S31、根据卫星的初始位置信息，确定卫星初始覆盖范围，其经度范围为(lon1,lon2)，其纬度范围为(lat1,lat2)，所述位置信息包括：经纬度信息和高度信息；

S32、根据经度范围(lon1,lon2)和纬度范围(lat1,lat2)，通过均匀分布，得到A_i点位置(lon_i,lat_i,h_i)，其中，lon1<lon_i<lon2，lat1<lat_i<lat2，h_i为A_i点的高度，i为正整数；

S33、根据A_i点位置(lon_i,lat_i,h_i)和卫星的初始位置信息，得到A_i点位置和卫星的初始位置信息之间的距离为d_i，判断d_i是否满足以下公式：

其中，r为地球半径，h为卫星的初始高度；

若满足，则跳转至S34；若不满足，则令B＝i+1；i＝B，B均为缓存数据，并跳转至S32；

S34、将A_i点位置信息分配给第j个飞行器，并判断j＝M是否成立，j为正整数，若是，则完成分配，跳转至S4，若否，则按照以下公式进行运算：F＝j+1；j＝F；B＝i+1；i＝B；其中，F和B均为缓存数据，并跳转至S32。

进一步地：所述步骤S5中的运动方程为：

其中，t₀为卫星或飞行器的初始时刻，v_l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，v_l(t)为t时刻卫星或飞行器的水平飞行速度，v_c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S7中ADS-B射频信号S_a(τ)的表达式为：

其中，

为初始相位，

F(τ)为基带信号，τ为时间，0≤τ≤T_a，T_a为一个ADS-B射频信号的长度。

进一步地：所述步骤S8中得到报文信号到达卫星时的信号频率f包括以下步骤：

S81、根据飞行器的速度信息和卫星的速度信息，得到据飞行器和卫星的相对速度v；

S82、根据飞行器和卫星的相对速度v以及相对速度v与报文信号传播方向的夹角θ’，得到多普勒频移f_d，多普勒频移f_d的计算公式为：

其中，c报文信号的传播速度；

S83、根据传播频率f_a、多普勒频移f_d和发射机频率的抖动范围为Δf，得到报文信号到达卫星时的信号频率f：

f＝f_a+f_d+Δf。

进一步地：所述步骤S9中路径损耗loss的获取方法具体为：

A1、根据卫星和飞行器在发报时刻点的位置信息，得到报文信号传输距离d_a；

A2、根据传播频率f_a和报文信号传输距离d_a，得到报文信息的路径损耗loss：

loss＝32.44+20logf_a+20logd_a。

进一步地：所述步骤S9中报文信号到达卫星时的信号功率rec_power的计算公式为：

rec_power＝power+gain1+gain2+loss。

进一步地：所述步骤S10中射频ADS-B信号S(τ)计算公式为：

本发明的有益效果为：一种基于动态场景的星载ADS-B测试信号的形成方法，通过报文信号发射功率、机载发射天线增益、星载接收天线增益和路径损耗得到报文信号到达卫星时的信号功率，通过报文信号的传播频率、传输过程的多普勒频移和发射机频率的抖动范围得到报文信号到达卫星时的信号频率，最大程度模拟了真实场景下卫星接收到的星载ADS-B信号，更贴近真实场景，能够更好的测试星载ADS-B接收机性能。

附图说明

图1为一种基于动态场景的星载ADS-B测试信号的形成方法的流程图；

图2为卫星覆盖范围示意图；

图3为机载天线功率归一化方向图；

图4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，一种基于动态场景的星载ADS-B测试信号的形成方法，包括以下步骤：

S1、预设飞行器个数为M、卫星的初始位置信息和速度信息；

S2、根据卫星的初始位置信息，确定卫星的覆盖范围；

S3、根据卫星的覆盖范围，通过均匀分布，得到卫星的覆盖范围内的M个飞行器的初始位置信息，并分配M个飞行器的速度信息、ID、ICAO编号和报文信号发射功率power；

步骤S3中得到M个飞行器的初始位置信息包括以下步骤：

S31、根据卫星的初始位置信息，确定卫星初始覆盖范围，其经度范围为(lon1,lon2)，其纬度范围为(lat1,lat2)，所述位置信息包括：经纬度信息和高度信息；

S32、根据经度范围(lon1,lon2)和纬度范围(lat1,lat2)，通过均匀分布，得到A_i点位置(lon_i,lat_i,h_i)，其中，lon1<lon_i<lon2，lat1<lat_i<lat2，h_i为A_i点的高度，i为正整数；

S33、根据A_i点位置(lon_i,lat_i,h_i)和卫星的初始位置信息，得到A_i点位置和卫星的初始位置信息之间的距离为d_i，判断d_i是否满足以下公式：

其中，r为地球半径，h为卫星的初始高度；

若满足，则跳转至S34；若不满足，则令B＝i+1；i＝B，B均为缓存数据，并跳转至S32；

S34、将A_i点位置信息分配给第j个飞行器，并判断j＝M是否成立，j为正整数，若是，则完成分配，跳转至S4，若否，则按照以下公式进行运算：F＝j+1；j＝F；B＝i+1；i＝B；其中，F和B均为缓存数据，并跳转至S32。

S4、根据DO-260标准中的发报规则，确定飞行器的发报时刻点和报文类型；

S5、根据飞行器的发报时刻点、卫星和飞行器的运动方程、卫星的初始位置和飞行器的初始位置，得到卫星和飞行器在发报时刻点的位置信息；

步骤S5中的运动方程为：

其中，t₀为卫星或飞行器的初始时刻，v_l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，v_l(t)为t时刻卫星或飞行器的水平飞行速度，v_c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、根据飞行器的报文类型以及飞行器在发报时刻的位置、速度、ID和ICAO编号，按照DO-260B标准对报文信号的位置、ID、速度和CRC校验进行编码，得到数据链比特位；

S7、根据数据链比特位，得到PPM基带信号序列F(n)，n为正整数，将PPM基带信号序列F(n)加载在频率为f_a的射频载波信号上，得到一般ADS-B射频信号S_a(τ)；

步骤S7中ADS-B射频信号S_a(τ)的表达式为：

其中，

为初始相位，

F(τ)为基带信号，τ为时间，0≤τ≤T_a，T_a为一个ADS-B射频信号的长度。

S8、根据飞行器的速度信息、卫星的速度信息、传播频率f_a和发射机频率的抖动范围Δf，得到报文信号到达卫星时的信号频率f；

步骤S8中得到报文信号到达卫星时的信号频率f包括以下步骤：

S81、根据飞行器的速度信息和卫星的速度信息，得到据飞行器和卫星的相对速度v；

S82、根据飞行器和卫星的相对速度v以及相对速度v与报文信号传播方向的夹角θ’，得到多普勒频移f_d，多普勒频移f_d的计算公式为：

其中，c报文信号的传播速度；

S83、根据传播频率f_a、多普勒频移f_d和发射机频率的抖动范围为Δf，得到报文信号到达卫星时的信号频率f：

f＝f_a+f_d+Δf。(5)

S9、根据报文信号的发射功率power、机载发射天线增益gain1、星载接收天线增益gain2和路径损耗loss，得到报文信号到达卫星时的信号功率rec_power；

步骤S9中路径损耗loss的获取方法具体为：

A1、根据卫星和飞行器在发报时刻点的位置信息，得到报文信号传输距离d_a；

A2、根据传播频率f_a和报文信号传输距离d_a，得到报文信息的路径损耗loss：

loss＝32.44+20logf_a+20logd_a(6)

步骤S9中机载发射天线增益gain1的获取方法具体为：

B1、报文信号传播方向与飞行器的天线中心轴的夹角

在机载天线功率归一化方向图查找得到径向长度P，如图3所示；

B2、机载天线的最大天线增益gain1_max和径向长度P，得到机载发射天线增益gain1：

gain1＝gain1_max+10log(P)(7)

步骤S9中所述得到星载接收天线增益gain2包括以下步骤：

C1：通过报文信号传播方向与卫星的天线中心轴的夹角

在星载天线场强归一化方向图查找得到径向长度U，如图4所示；

C2、根据星载天线的最大天线增益gain2_max和径向长度U，得到星载接收天线增益gain2：

gain2＝gain2_max+10log(U²)(8)

步骤S9中报文信号到达卫星时的信号功率rec_power的计算公式为：

rec_power＝power+gain1+gain2+loss(9)

S10、根据报文信号到达卫星时的信号频率f、报文信号到达卫星时的信号功率rec_power和ADS-B射频信号S_a(τ)，得到动态场景下的星载ADS-B测试信号S(τ)。

步骤S10中射频ADS-B信号S(τ)计算公式为：

本发明的有益效果为：一种基于动态场景的星载ADS-B测试信号的形成方法，通过报文信号发射功率、机载发射天线增益、星载接收天线增益和路径损耗得到报文信号到达卫星时的信号功率，通过报文信号的传播频率、传输过程的多普勒频移和发射机频率的抖动范围得到报文信号到达卫星时的信号频率，最大程度模拟了真实场景下卫星接收到的星载ADS-B信号，更贴近真实场景，能够更好的测试星载ADS-B接收机性能。

Claims (1)

1.一种基于动态场景的星载ADS-B测试信号的形成方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、预设飞行器个数为M、卫星的初始位置信息和速度信息；

S2、根据卫星的初始位置信息，确定卫星的覆盖范围；

S3、根据卫星的覆盖范围，通过均匀分布，得到卫星的覆盖范围内的M个飞行器的初始位置信息，并分配M个飞行器的速度信息、ID、ICAO编号和报文信号发射功率power；

S4、根据DO-260标准中的发报规则，确定飞行器的发报时刻点和报文类型；

S5、根据飞行器的发报时刻点、卫星和飞行器的运动方程、卫星的初始位置和飞行器的初始位置，得到卫星和飞行器在发报时刻点的位置信息；

S6、根据飞行器的报文类型以及飞行器在发报时刻的位置、速度、ID和ICAO编号，按照DO-260B标准对报文信号的位置、ID、速度和CRC校验进行编码，得到数据链比特位；

S7、根据数据链比特位，得到PPM基带信号序列F(n)，n为正整数，将PPM基带信号序列F(n)加载在频率为f_a的射频载波信号上，得到一般ADS-B射频信号S_a(τ)；

S8、根据飞行器的速度信息、卫星的速度信息、传播频率f_a和发射机频率的抖动范围Δf，得到报文信号到达卫星时的信号频率f；

S9、根据报文信号的发射功率power、机载发射天线增益gain1、星载接收天线增益gain2和路径损耗loss，得到报文信号到达卫星时的信号功率rec_power；

S10、根据报文信号到达卫星时的信号频率f、报文信号到达卫星时的信号功率rec_power和ADS-B射频信号S_a(τ)，得到动态场景下的星载ADS-B测试信号S(τ)；

步骤S3中得到M个飞行器的初始位置信息包括以下步骤：

S31、根据卫星的初始位置信息，确定卫星初始覆盖范围，其经度范围为(lon1，lon2)，其纬度范围为(lat1，lat2)，所述位置信息包括：经纬度信息和高度信息；

S32、根据经度范围(lon1，lon2)和纬度范围(lat1，lat2)，通过均匀分布，得到A_i点位置(lon_i，lat_i，h_i)，其中，lon1<lon_i<lon2，lat1<lat_i<lat2，h_i为A_i点的高度，i为正整数；

S33、根据A_i点位置(lon_i，lat_i，h_i)和卫星的初始位置信息，得到A_i点位置和卫星的初始位置信息之间的距离为d_i，判断d_i是否满足以下公式：

其中，r为地球半径，h为卫星的初始高度；

若满足，则跳转至S34；若不满足，则令B＝i+1；i＝B，B均为缓存数据，并跳转至S32；

S34、将A_i点位置信息分配给第j个飞行器，并判断j＝M是否成立，j为正整数，若是，则完成分配，跳转至S4，若否，则按照以下公式进行运算：F＝j+1；j＝F；B＝i+1；i＝B；其中，F和B均为缓存数据，并跳转至S32；

步骤S5中的运动方程为：

其中，t₀为卫星或飞行器的初始时刻，v_l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，v_l(t)为t时刻卫星或飞行器的水平飞行速度，v_c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；

步骤S7中ADS-B射频信号S_a(τ)的表达式为：

其中，

为初始相位，

F(τ)为基带信号，τ为时间，0≤τ≤T_a，T_a为一个ADS-B射频信号的长度；

步骤S8中得到报文信号到达卫星时的信号频率f包括以下步骤：

S81、根据飞行器的速度信息和卫星的速度信息，得到据飞行器和卫星的相对速度v；

S82、根据飞行器和卫星的相对速度v以及相对速度v与报文信号传播方向的夹角θ’，得到多普勒频移f_d，多普勒频移f_d的计算公式为：

其中，c报文信号的传播速度；

S83、根据传播频率f_a、多普勒频移f_d和发射机频率的抖动范围为Δf，得到报文信号到达卫星时的信号频率f：

f＝f_a+f_d+Δf；

步骤S9中路径损耗loss的获取方法具体为：

A1、根据卫星和飞行器在发报时刻点的位置信息，得到报文信号传输距离d_a；

A2、根据传播频率f_a和报文信号传输距离d_a，得到报文信息的路径损耗loss：

loss＝32.44+20logf_a+20logd_a；

步骤S9中报文信号到达卫星时的信号功率rec_power的计算公式为：

rec_power＝power+gain1+gain2+loss；

步骤S10中射频ADS-B信号S(τ)计算公式为：

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