本發(fā)明涉及一種基于軟件無線電平臺的ads-b信號采集與可靠性驗證方法，屬于民用航空器ads-b監(jiān)視及運行安全保障領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在現(xiàn)代航空管理領(lǐng)域有許多亟待解決的問題，首要的問題是廣泛使用的雷達系統(tǒng)無法工作于非陸地區(qū)域、雷達盲區(qū)以及機場跑道、滑行道上，使得像沙漠、海洋的監(jiān)視管理工作很難進行；同樣在大型機場的場面跑道、滑行道的雷達監(jiān)視管理工作也很難進行。其次是航空通信方面，傳統(tǒng)atc系統(tǒng)中90％使用的都是語音通信，這種通信模式會導(dǎo)致飛機與基站之間的通信不足，存在安全隱患。在導(dǎo)航方面，如今的固定航線、航線分配模式難以實現(xiàn)最短距離、最佳航線行駛，這樣不僅浪費時間、燃油，還造成嚴重污染。

為了應(yīng)對日益增長的航空需求和空中交通管制相對落后的矛盾，國際民航組織提出一種新航行系統(tǒng)下的廣播式自動相關(guān)監(jiān)視技術(shù)即ads-b。ads-b是一種基于全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)和空-空、地-空數(shù)據(jù)鏈通信的航空器運行監(jiān)視技術(shù)。ads-b技術(shù)除可以有效的解決上述問題外，還將是實施自由飛行的奠基石，歐洲雖然并不提倡前景遙遠、偏于理想、概念模糊的“自由飛行”，但也提出了“自由航路”概念，而ads-b也將是促進實施自由航路的可行手段之一。

ads-b和傳統(tǒng)雷達監(jiān)視系統(tǒng)相比可以獲得更高精度的目標(biāo)位置和高度信息，突破其無法覆蓋荒漠遠洋等地區(qū)、數(shù)據(jù)精度受限的問題。通過為飛行員提供更加快捷的飛行數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，使用了ads-b可以優(yōu)化航路設(shè)置，減小間隔標(biāo)準，使空域得到更充分的利用。此外，ads-b還可以為航空器提供更加全面天氣、地形、周邊交通情況的飛行信息，使機組更加了解航空器周邊的情況，提高情境意識，從而實現(xiàn)空、天、地一體化信息共享和協(xié)同監(jiān)視。另外，從經(jīng)濟角度來看，相較于傳統(tǒng)的航管雷達需要建立地面基站，定期維護保養(yǎng)耗資巨大不同，ads-b的建設(shè)保養(yǎng)費用都遠遠低于傳統(tǒng)雷達，具有推廣意義。因此，ads-b被認為是空中交通管制的未來。

當(dāng)前市場流行ads-b設(shè)備是一個“黑箱”，用戶只能得到解析后的民航飛機ads-b航跡數(shù)據(jù)(高度、經(jīng)緯度、速度等)，且無法判斷解析的數(shù)據(jù)是否可靠。因此空管運行單位只能將其作為輔助監(jiān)視手段。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種基于軟件無線電平臺采集民航飛機ads-b信號并進行可靠性驗證的方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中只能得到解析后的民航飛機ads-b航跡數(shù)據(jù)且無法判斷解析的數(shù)據(jù)是否可靠的技術(shù)問題。

技術(shù)方案：為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：步驟一、驅(qū)動軟件無線電平臺采集民航飛機的ads-b信號；

軟件無線電(usrp)代替?zhèn)鹘y(tǒng)硬件無線電平臺是現(xiàn)階段信號處理的主流。軟件無線電采用固定不變的硬件平臺，通過軟件升級來實現(xiàn)靈活多變的通信體制和通信功能的無線電系統(tǒng)。其特點是通用化、標(biāo)準化、模塊化，以及對信號波形的廣泛適應(yīng)性。軟件無線電的核心是其駐留在fpga內(nèi)部的可升級、可重構(gòu)的功能軟件，以適應(yīng)不同的技術(shù)標(biāo)準、接口協(xié)議和信號波形。

在軟件無線電平臺內(nèi)設(shè)置當(dāng)前ads-b基站的地理信息坐標(biāo)、天線接收頻率接收范圍和擬采集信號的功率閾值以及信號采樣率等參數(shù)，完成ads-b信號采集環(huán)境配置。驅(qū)動usrp平臺采集接收范圍內(nèi)ads-b信號，存儲待濾波和解碼處理。

步驟二，基于小波濾波器的ads-b信號帶通濾波器設(shè)計

步驟2.1、按照(1)式對usrp采集經(jīng)i/q解調(diào)后的ads-b信號x(n),對其進行k階db小波分解和重構(gòu)：

其中，xk(n)為采用k階小波系數(shù)重構(gòu)的信號；n為x(n)的采樣點；

步驟2.2、采用(2)式的相關(guān)算子計算xk(n)的頻率：

其中，ts為x(n)的采樣周期，∠為復(fù)函數(shù)的相角，n為x(n)的采樣點總數(shù)，上標(biāo)*表示對偶；

步驟2.3、為抑制信道外干擾，設(shè)置頻率閾值fth，按照(3)式設(shè)計帶通濾波器進行濾波：

同時，為防止信道內(nèi)脈沖干擾，按照(4)式計算xk(n)與標(biāo)準1090mhz脈沖信號xs(n)之間的相關(guān)性ek

計算得到的ek需滿足ek>eth，eth為預(yù)設(shè)的相關(guān)性閾值；

因此，得到綜合濾波后的信號如(5)式所示

步驟三、設(shè)計一種基于相關(guān)性分析的報頭檢測算法解碼ads-b數(shù)字信號

對濾波處理后的ads-b信號y(n)取模以得到信號包絡(luò)。系統(tǒng)自動生成一個時長8μs固定格式的ads-b報頭與信號包絡(luò)進行匹配處理。匹配得到的輸出波形的起始處檢測到一個相關(guān)峰值，而其臨近區(qū)間不會有較大的峰值輸出，即找到一個ads-b信號起始位置。記錄該起始位置后長度為112比特的ads-b數(shù)字信號(由數(shù)據(jù)0或數(shù)據(jù)1組成)形成一條報文。

在現(xiàn)有技術(shù)中，按照ads-b協(xié)議標(biāo)準將數(shù)字信號解析為航班飛行參數(shù)，步驟為：

步驟c1、對每條報文預(yù)處理，內(nèi)容包括：(1)判斷該條報文是否為非空；(2)判斷該條報文的存儲格式是否為88位；(3)判斷該條報文是否為ads-b消息。對同時滿足上述3條要求的報文進行下一步處理。

步驟c2、對預(yù)處理后的報文按相同的注冊號即icao地址進行分組，并將相同注冊號的報文存入同一分組中，即將同一飛機的報文存入同一分組中。

步驟c3、對同一分組中的報文進行如下操作：對當(dāng)前一條報文與其之前的一條報文二者的第54位進行比較，判斷這兩條報文是否匹配，若匹配，則采用全局cpr算法求解出與當(dāng)前報文相對應(yīng)的飛行參數(shù)；若不匹配，采用局部cpr算法求解出與當(dāng)前報文相對應(yīng)的飛行參數(shù)。

步驟c4、依次對不同注冊號的飛機對應(yīng)的報文進行以上的解碼操作，求解出不同飛機的飛機報文解析結(jié)果。

步驟四、基于報文的解析結(jié)果，計算如下4種精確性指標(biāo)，對報文信息可靠性加以驗證。

a、利用位置導(dǎo)航精度類別比率μnacp表示報文信息中位置信息的精度，位置導(dǎo)航精度類別比率μnacp按照(6)式計算：

nacp為位置導(dǎo)航精度類別指標(biāo)navigationaccuracycategory-position的簡稱，報文解碼后該指標(biāo)是一個0到無窮大的數(shù)值，所以這里設(shè)定nacp>5表示導(dǎo)航精度高；

noat(h)為h時間內(nèi)，所選定的一架飛機所監(jiān)視到的所有軌跡點數(shù)目；h的選擇范圍在2-24小時之間；

noat(h)為第h秒時所選定的一架飛機所監(jiān)視到的軌跡點；

b、利用速度導(dǎo)航精度類別比率μnacv表示報文信息中速度信息的精度，速度導(dǎo)航精度類別比率μnacv按照(7)式計算：

nacv為速度導(dǎo)航精度類別navigationaccuracycategory-velocity的簡稱，報文解碼后該指標(biāo)是一個0到無窮大的數(shù)值，所以這里設(shè)定nacv>5表示導(dǎo)航精度高；

c、按照(8)式計算報文信息中的航跡漏點率μmp

nomp(h)為h時間內(nèi)，所選定的一架飛機的所有漏點數(shù)目。對于選定任意一架航空器，連續(xù)5秒內(nèi)未收到航跡點，則統(tǒng)計為報文信息中的1個航跡漏點。

d、按照(9)式計算ads-b信息中的航跡跳點率μjp：

nojp(h)為h時間內(nèi)，選定某一架飛機所有跳點數(shù)目?？紤]到各種因素的噪聲干擾以及在數(shù)據(jù)解析過程存在的解析誤差，導(dǎo)致實際航跡數(shù)據(jù)與真實航跡數(shù)據(jù)存在一定的偏差，即為航跡數(shù)據(jù)的位置離散度。計算航跡數(shù)據(jù)的位置離散度的時候，首先提取h時間段的報文信息，用卡爾曼濾波算法對報文信息中的位置信息進行濾波處理。計算濾波前后兩個航跡點之間的誤差，計算誤差的均值和方差，當(dāng)誤差的均值和方差大于閾值，則認為此位置點為跳點。

依據(jù)usrp設(shè)備采集h時間內(nèi)實時ads-b航跡，對于某一架航班，利用上述4個精確性指標(biāo)進行可靠性指標(biāo)ire判別，得到采用經(jīng)驗公式如下

ire＝w1(1-μnacp+1-μnacv)+w2μmp+w3μjp(10)

其中w1、w2、w3均為權(quán)重，滿足w2>w1>w3且w1+w2+w3＝1；

根據(jù)研究多組過去24小時內(nèi)ads-b解析的航跡信息(經(jīng)度、緯度、速度)對管制的影響作用得到的經(jīng)驗可知，其中航跡漏點率最重要，直接影響航跡是否可用，其次是位置導(dǎo)航精度類別比率和速度導(dǎo)航精度類別比率，最后是航跡跳點率，因為航跡跳點率可能由高空風(fēng)等因素影響。

當(dāng)可靠性指標(biāo)ire處于如下閾值范圍內(nèi)，如表1所示，認為其在h時間段內(nèi)的報文信息可靠性通過，否則，認為在h時間段內(nèi)報文信息不可靠。

表1

有益效果：

本發(fā)明提供的基于軟件無線電平臺采集民航飛機ads-b信號，并結(jié)合小波分析的帶通濾波器設(shè)計和相關(guān)性分析的報頭檢測算法對ads-b信號進行解碼，實現(xiàn)對民航飛機飛行狀態(tài)監(jiān)視的同時，依據(jù)報文所包含的準確性信息特征，對ads-b監(jiān)視的可靠性能夠進行驗證。具體的：

1)本發(fā)明所提出的基于小波分析的濾波器能夠抑制ads-b接收的信道外和信道內(nèi)的干擾。

2)本發(fā)明所提出的基于軟件無線電的ads-b采集系統(tǒng)能夠獲取ads-b從采集-解碼-解析-顯示-驗證多個模態(tài)下的內(nèi)容，進而能夠?qū)崿F(xiàn)抑制干擾。

3)本發(fā)明所提出的驗證方法能夠驗證民航飛機ads-b航跡的可靠性，將本方法運用于空管運行單位，經(jīng)過實踐驗證，當(dāng)報文的可靠程度為可靠時，能夠準確把握民航飛機位置，為空管做出正確決策提供保障，當(dāng)報文的可靠程度為較可靠時，也能為空管做出正確決策給予一定的參考作用。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的流程圖；

圖2為ads-b信號采集圖；

圖3為ads-b信號經(jīng)過小波濾波器濾波后的頻譜圖；

圖4為報頭相關(guān)性檢測后提取的ads-b數(shù)字信號結(jié)果圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進一步的說明。

本實施方式包括以下步驟：

步驟一、驅(qū)動usrpb210軟件無線電平臺，采集民航飛機的ads-b信號，對軟件無線電平臺設(shè)置當(dāng)前ads-b基站的地理信息坐標(biāo)；設(shè)置天線接收頻率接收范圍和擬采集信號的功率閾值以及信號采樣率等參數(shù)，完成ads-b信號采集環(huán)境配置，實現(xiàn)ads-b信號的采集，如圖2所示。

步驟二、基于的小波濾波器的ads-b信號帶通濾波器設(shè)計，采集經(jīng)i/q解調(diào)后的信號ads-b信號，進行3階db小波分解和重構(gòu)，如圖3所示。

步驟三、設(shè)計一種基于相關(guān)性分析的報頭檢測算法解碼ads-b數(shù)字信號，對濾波處理后的ads-b數(shù)字復(fù)基帶信號取模以得到信號包絡(luò)。然后，根據(jù)包絡(luò)位置信息進行同步和碼字的判決，即在這一串?dāng)?shù)字信號序列中找到相對應(yīng)的ads信號波形起始位置。結(jié)果如圖4所示。

步驟四、基于解析報文的精確性信息，對ads-b信息可靠性加以驗證。依據(jù)4項精確性指標(biāo)，對ads-b信號解析出的數(shù)據(jù)進行精確性分析，根據(jù)大量數(shù)據(jù)和專家經(jīng)驗，考慮到航跡漏點率最為重要，接近一半，故占考慮因素的45％，取w2＝0.45，導(dǎo)航和速度精度對ads-b航跡能用的參考價值占三分之一左右，故考慮為30％，取w1＝0.3，跳點率可能是風(fēng)、誤差的原因，因此占25％，取w3＝0.25，從而得出數(shù)據(jù)的可靠性分析結(jié)果。結(jié)果如表2所示。

表2

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。