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一种四通道广播式自动相关监视地面站的实现方法
申请号 CN202311476835.X 申请日 2023-11-07 公开(公告)号 CN117373292A 公开(公告)日 2024-01-09
申请人 四川九洲空管科技有限责任公司; 发明人 于琦; 谢万兵; 戚飞;
摘要 本发明公开了一种四通道广播式自动相关监视地面站的实现方法，其包括：定向ADS‑B天线接收各航空器发送的ADS‑B信号，并通过天线放大器发送至四通道接收模块；四通道接收模块含四个射频信号接收通道，每个射频信号接收通道对接收到的射频信号依次进行混频和中频数字解调，将解调得到的中频信号发送至处理模块；处理模块主要完成ADS‑B报文译码、ADS‑B报文提取解析处理、状态自检报告、远程维护和目标融合。本发明减小了信号的交织干扰，保持目标点迹/航迹的连续，提升了对距离远、增益小的信号解析概率。
权利要求

1.一种四通道广播式自动相关监视地面站的实现方法，其特征在于，所述四通道广播式自动相关监视地面站包括四通道ADS‑B地面站主机、定向ADS‑B天线和天线放大器；其中，所述四通道ADS‑B地面站主机包括四通道接收模块和处理模块；

所述实现方法包括：

定向ADS‑B天线接收各航空器发送的ADS‑B信号，并通过天线放大器发送至四通道接收模块；

四通道接收模块含四个射频信号接收通道，每个射频信号接收通道对接收到的射频信号依次进行混频和中频数字解调，将解调得到的中频信号发送至处理模块；

处理模块主要完成ADS‑B报文译码、ADS‑B报文提取解析处理、状态自检报告、远程维护和目标融合。

2.根据权利要求1所述的实现方法，其特征在于，所述四通道接收模块具有两个独立的网络接口A/B，可单独配置IP、子网掩码和网关，分别接入冗余的网络，根据用户需要形成多路信号向外部网络传输报文。

3.根据权利要求1所述的实现方法，其特征在于，所述处理模块采用CPU+FPGA的架构，由CPU及外围电路、FPGA及外围电路、接口电路和自检电路组成；

所述ADS‑B报文译码包括：

FPGA接收来自四通道接收模块的采样信号，完成脉冲生成、幅度相关、前导头检测和解交织译码，得到经过纠错处理的有效S模式DF格式报文，并通过幅度和距离一致性判断，即通过信号功率推导目标相对本站距离，并与ADS‑B解码获得的距离进行比较，再通过信号和信息方向一致性判断，即通过定向天线粗估信号方向，并与ADS‑B解码获得的方向进行一致性比较，对目标真实性进行校验，最终输出解码后的正确报文。

4.根据权利要求3所述的实现方法，其特征在于，所述ADS‑B报文提取解析处理包括：CPU读取FPGA译码后的DF17、DF18、DF4、DF5、DF20、DF21，经过分类、解析、跟踪和组装处理后，针对每个目标，实时或者周期性地形成Asterix CAT021报文上传。

5.根据权利要求3所述的实现方法，其特征在于，所述状态自检报告包括：

实时监视地面站状态参数的变化，并周期性向本地监控维护终端和远程集中监控维护终端发送CAT023状态报告，使其及时获知ADS‑B地面站的工作状态，通过远程维护端口将告警和失败信息上传至后端处理；

此外，系统将周期发送CAT247版本报告，向后端提交CAT021和CAT023报告的版本；

提供监控信息输出接口，接口采用RS232异步通信方式和TCP/IP网络协议通信方式，可输出系统状态信息和主要运行参数，用于连接用户自备的设备监控系统，可由用户在现场方便设置，并定义监控信息输出接口的详细数据说明和数据格式文档，提供数据分析软件应用。

6.根据权利要求3所述的实现方法，其特征在于，所述运程维护包括：

通过加密的SNMP简单网络管理协议实现远程维护，通过远程维护端口对外通信；远程维护操作包括系统参数的配置、程序版本的更新、地面站的复位、地面站的重启和其它维护需求；

所述目标融合包括：

四通道ADS‑B地面站主机按照配置分为外部数据提供方和接收方，外部数据提供方将本地接收的ADS‑B消息在网络上共享，数据接收方提取该ADS‑B消息与本地ADS‑B消息对比、过滤、融合生成航迹，形成完整的融合目标报告向外输出。

7.根据权利要求1所述的实现方法，其特征在于，所述四通道ADS‑B地面站主机还包括GNSS模块；GNSS模块由GNSS天线、GNSS芯片、高精度恒温晶振和控制单元组成，能够完成高精度的授时和守时；

GNSS天线的输出端与GNSS芯片的输入端连接；GNSS芯片的输出端与控制单元的输入端连接，以向控制单元输入时间脉冲；控制单元与高精度恒温晶振之间相互通信，以传递锁相环控制信息；控制单元向处理模块输入高精度时间和频率信息，处理模块将收到的高精度时间和频率信息与目标的属性进行消息关联处理，为目标打上时间戳，并组合成标准格式CAT021报文对外输出。

8.根据权利要求1所述的实现方法，其特征在于，所述四通道ADS‑B地面站主机还包括电源模块；电源模块将外部输入的交流电源转化为内部各个模块工作所需的电源；电源模块包括输入防雷保护单元、输入过压保护单元、输入滤波单元、电压转换单元以及保护电路单元；输入防雷保护单元、输入过压保护单元、输入滤波单元和电压转换单元依次连接；保护电路单元的输出端与电压转换单元的输入端连接；电压转换单元的输出端作为电源模块的输出端；

电源模块具有交流供电状态检测电路，可以通过前面板交流开关指示灯或监控维护系统查看交流接入状态。

9.根据权利要求1所述的实现方法，其特征在于，所述四通道ADS‑B地面站主机中四通道数据融合输出的实现方法包括：四通道接收模块配合四个定向ADS‑B天线，每个通道独立完成对应天线接收的射频信号的解调，并输出中频信号；处理模块具有4路射频输入接口；

各通道译码过程独立，每个通道均按照原单通道解码算法完成从AD数据到原始报文的全部解码过程，影响解码的两个主要参数噪声门限、6dB门限参数各通道均可独立配置；

原始报文在原来的协议之外，另加一路通道标志；根据配置要求，当选择单通道输出时，只输出对应的单通道信号；当选择多通道时，按照通道标号依次输出；当选择融合输出时，输出融合信号。

10.根据权利要求1所述的实现方法，其特征在于，所述定向ADS‑B天线包括天线主体，以及设置在天线主体上的射频接口、角度可调夹具、安装夹具及角度指示器；

所述定向ADS‑B天线的主波束方位内高增益，指向性高，主波束外增益快速下切，降低不同通道之间接收到同一目标信号的概率；能够有效抑制天线副瓣增益，从而降低接收到其他方向信号的概率。
说明书全文

一种四通道广播式自动相关监视地面站的实现方法

技术领域

[0001] 本发明涉及广播式自动相关监视技术领域，特别是一种四通道广播式自动相关监视地面站的实现方法。

背景技术

[0002] 空管监视的主要手段有二次监视雷达、广播式自动相关监视(Automatic Dependent Surveillance‑Broadcast，以下简称“ADS‑B”)。长期以来，二次雷达是空管监视的主要技术手段，但由于技术体制原因，已经不能满足当前航空业快速发展对空管监视能力的需求；ADS‑B技术是国际民航组织确定的未来主要监视技术，按照国际民航组织规定，运输航空的飞行器必须强制支持ADS‑B监视。ADS‑B基于卫星定位和地/空数据链通信，提供了更加安全、高效的空中交通监视手段，能有效提高管制员和飞行员的运行态势感知能力，扩大监视覆盖范围，提高空中交通安全水平、空域容量与运行效率。ADS‑B以导航设备及其他机载设备产生的信息为数据源，以地空/空空数据链为通信手段，通过对外自动广播自身的状态参数，实现地面对载机的实时监视；同时接收其他飞机的广播信息，实现本机对周边空域交通态势的感知。
[0003] 传统的ADS‑B地面站都是由单通道接收机配合全向天线(在水平方向图上表现为360°都均匀辐射)组成，该结构设计在典型的高密度区域(例如区域内的航班量大，并出现机载应答机频繁响应地面多套雷达询问以及飞机与飞机之间互相响应TCAS的询问等情况)运行时，存在以下缺点：
[0004] a)当区域内空中形成大量的应答信号交织干扰时，会影响地面站对ADS‑B信号的解析，进而导致地面站解码能力下降，最终表现为目标点迹掉点严重，航迹不连续；
[0005] b)使系统的底噪值提高，导致距离远、增益小的信号无法进行正常解析。

发明内容

[0006] 鉴于此，本发明提供一种四通道广播式自动相关监视地面站的实现方法。
[0007] 本发明公开了一种四通道广播式自动相关监视地面站的实现方法，所述四通道ADS‑B地面站包括四通道ADS‑B地面站主机、定向ADS‑B天线和天线放大器；其中，所述四通道ADS‑B地面站主机包括四通道接收模块和处理模块；
[0008] 所述实现方法包括：
[0009] 定向ADS‑B天线接收各航空器发送的ADS‑B信号，并通过天线放大器发送至四通道接收模块；
[0010] 四通道接收模块含四个射频信号接收通道，每个射频信号接收通道对接收到的射频信号依次进行混频和中频数字解调，将解调得到的中频信号发送至处理模块；
[0011] 处理模块主要完成ADS‑B报文译码、ADS‑B报文提取解析处理、状态自检报告、远程维护和目标融合。
[0012] 进一步地，所述四通道接收模块具有两个独立的网络接口A/B，可单独配置IP、子网掩码和网关，分别接入冗余的网络，根据用户需要形成多路信号向外部网络传输报文。
[0013] 进一步地，所述处理模块采用CPU+FPGA的架构，由CPU及外围电路、FPGA及外围电路、接口电路和自检电路组成；
[0014] 所述ADS‑B报文译码包括：
[0015] FPGA接收来自四通道接收模块的采样信号，完成脉冲生成、幅度相关、前导头检测和解交织译码，得到经过纠错处理的有效S模式DF格式报文，并通过幅度和距离一致性判断，即通过信号功率推导目标相对本站距离，并与ADS‑B解码获得的距离进行比较，再通过信号和信息方向一致性判断，即通过定向天线粗估信号方向，并与ADS‑B解码获得的方向进行一致性比较，对目标真实性进行校验，最终输出解码后的正确报文。
[0016] 进一步地，所述ADS‑B报文提取解析处理包括：
[0017] CPU读取FPGA译码后的DF17、DF18、DF4、DF5、DF20、DF21，经过分类、解析、跟踪和组装处理后，针对每个目标，实时或者周期性地形成Asterix CAT021报文上传。
[0018] 进一步地，所述状态自检报告包括：
[0019] 实时监视地面站状态参数的变化，并周期性向本地监控维护终端和远程集中监控维护终端发送CAT023状态报告，使其及时获知ADS‑B地面站的工作状态，通过远程维护端口将告警和失败信息上传至后端处理；
[0020] 此外，系统将周期发送CAT247版本报告，向后端提交CAT021和CAT023报告的版本；
[0021] 提供监控信息输出接口，接口采用RS232异步通信方式和TCP/IP网络协议通信方式，可输出系统状态信息和主要运行参数，用于连接用户自备的设备监控系统，可由用户在现场方便设置，并定义监控信息输出接口的详细数据说明和数据格式文档，提供数据分析软件应用。
[0022] 进一步地，所述运程维护包括：
[0023] 通过加密的SNMP简单网络管理协议实现远程维护，通过远程维护端口对外通信；远程维护操作包括系统参数的配置、程序版本的更新、地面站的复位、地面站的重启和其它维护需求；
[0024] 所述目标融合包括：
[0025] 四通道ADS‑B地面站主机按照配置分为外部数据提供方和接收方，外部数据提供方将本地接收的ADS‑B消息在网络上共享，数据接收方提取该ADS‑B消息与本地ADS‑B消息对比、过滤、融合生成航迹，形成完整的融合目标报告向外输出。
[0026] 进一步地，所述四通道ADS‑B地面站主机还包括GNSS模块；GNSS模块由GNSS天线、GNSS芯片、高精度恒温晶振和控制单元组成，能够完成高精度的授时和守时；
[0027] GNSS天线的输出端与GNSS芯片的输入端连接；GNSS芯片的输出端与控制单元的输入端连接，以向控制单元输入时间脉冲；控制单元与高精度恒温晶振之间相互通信，以传递锁相环控制信息；控制单元向处理模块输入高精度时间和频率信息，处理模块将收到的高精度时间和频率信息与目标的属性进行消息关联处理，为目标打上时间戳，并组合成标准格式CAT021报文对外输出。
[0028] 进一步地，所述四通道ADS‑B地面站主机还包括电源模块；电源模块将外部输入的交流电源转化为内部各个模块工作所需的电源；电源模块包括输入防雷保护单元、输入过压保护单元、输入滤波单元、电压转换单元以及保护电路单元；输入防雷保护单元、输入过压保护单元、输入滤波单元和电压转换单元依次连接；保护电路单元的输出端与电压转换单元的输入端连接；电压转换单元的输出端作为电源模块的输出端；
[0029] 电源模块具有交流供电状态检测电路，可以通过前面板交流开关指示灯或监控维护系统查看交流接入状态。
[0030] 进一步地，所述四通道ADS‑B地面站主机中四通道数据融合输出的实现方法包括：
[0031] 四通道接收模块配合四个定向ADS‑B天线，每个通道独立完成对应天线接收的射频信号的解调，并输出中频信号；处理模块具有4路射频输入接口；
[0032] 各通道译码过程独立，每个通道均按照原单通道解码算法完成从AD数据到原始报文的全部解码过程，影响解码的两个主要参数噪声门限、6dB门限参数各通道均可独立配置；
[0033] 原始报文在原来的协议之外，另加一路通道标志；根据配置要求，当选择单通道输出时，只输出对应的单通道信号；当选择多通道时，按照通道标号依次输出；当选择融合输出时，输出融合信号。
[0034] 进一步地，所述定向ADS‑B天线包括天线主体，以及设置在天线主体上的射频接口、角度可调夹具、安装夹具及角度指示器；
[0035] 所述定向ADS‑B天线的主波束方位内高增益，指向性高，主波束外增益快速下切，降低不同通道之间接收到同一目标信号的概率；能够有效抑制天线副瓣增益，从而降低接收到其他方向信号的概率。
[0036] 由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：
[0037] 1.突破高密度区域ADS‑B信号解交织技术和多通道数据融合输出技术；提高对ADS‑B信号的解码能力。
[0038] 2.通过有效抑制天线副瓣增益，从而降低接收到其他方向信号的概率，减小信号的交织干扰，保持目标点迹/航迹的连续。
[0039] 3.提高主波束方位内增益，增强指向性，提升对距离远、增益小的信号解析概率，进而增加地面站的作用距离。
[0040] 4.当同一目标信号被多根天线接收后，通过航迹融合与相关的数据处理技术，保证目标点迹连续。

附图说明

[0041] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0042] 图1为本发明实施例的四通道ADS‑B地面站主机组成框图；
[0043] 图2为本发明实施例的四通道接收模块原理框图；
[0044] 图3为本发明实施例的处理模块原理框图；
[0045] 图4为本发明实施例的GNSS模块原理框图；
[0046] 图5为本发明实施例的电源功能结构框图。

具体实施方式

[0047] 结合附图和实施例对本发明作进一步说明，所描述的实施例仅是本发明实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明实施例保护的范围。
[0048] 本发明提供了一种四通道广播式自动相关监视地面站的实现方法的实施例，其包括四通道接收模块的实现方法、处理模块的实现方法、GNSS模块的实现方法、电源模块的实现方法、四通道数据融合的实现方法以及定向ADS‑B天线的实现方法等。
[0049] 四通道ADS‑B地面站内含1个四通道接收单元，接收单元从4路定向ADS‑B天线接收航空器发送的ADS‑B信号，形成实时、连续的航迹数据并通过网络发送；四通道ADS‑B地面站内部各接收通道航迹数据可单独输出，也可融合输出。
[0050] 四通道接收模块具有两个独立的网络接口A/B，可单独配置IP、子网掩码和网关，分别接入冗余的网络，根据用户需要形成多路信号向外部网络传输报文(CAT021目标报告、CAT023状态报告、CAT247版本报告等)。
[0051] 四通道ADS‑B地面站包括四通道ADS‑B地面站主机、定向ADS‑B天线、GNSS天线及天线放大器等，其中四通道ADS‑B地面站主机由四通道接收模块、处理模块、GNSS模块、电源模块组成，如图1所示。
[0052] GNSS模块由GNSS天线、GNSS芯片、高精度恒温晶振和控制单元组成，能够完成高精度的授时和守时；
[0053] GNSS天线的输出端与GNSS芯片的输入端连接；GNSS芯片的输出端与控制单元的输入端连接，以向控制单元输入时间脉冲；控制单元与高精度恒温晶振之间相互通信，以传递锁相环控制信息；控制单元向处理模块输入高精度时间和频率信息，处理模块将收到的高精度时间和频率信息与目标的属性进行消息关联处理，为目标打上时间戳，并组合成标准格式CAT021报文对外输出。
[0054] 四通道接收模块的实现方法包括：
[0055] 四通道接收模块含四个射频信号接收通道，每个通道对接收到来自天线放大器的射频信号进行混频、中频数字解调，将解调后的信号送至处理模块进行处理。原理框图如图2所示。
[0056] 处理模块的实现方法包括：
[0057] 处理模块主要完成ADS‑B报文译码、ADS‑B报文提取解析处理、航迹处理、航迹报告输出、控制维护、系统自检等功能。处理模块核心采用CPU+FPGA的架构，由CPU及外围电路、FPGA及外围电路、接口电路、自检电路组成。处理模块原理框图如图3所示。
[0058] 处理模块的主要功能实现：
[0059] a)ADS‑B报文译码：FPGA接收来自接收机的采样信号，完成脉冲生成、幅度相关、前导头检测和解交织译码，得到经过纠错处理的有效S模式DF格式报文，并通过幅度—距离一致性判断(通过信号功率推导目标相对本站距离，并与ADS‑B解码获得的距离进行比较)、信号—信息方向一致性判断(通过定向天线粗估信号方向，并与ADS‑B解码获得的方向进行一致性比较)等技术，对目标真实性进行校验，最终输出解码后的正确报文。
[0060] b)ADS‑B报文解析处理：CPU读取FPGA译码后的DF17、DF18、DF4、DF5、DF20、DF21，经过分类、解析、跟踪和组装处理后，针对每个目标，实时或者周期性地形成版本为0.26、1.4、2.1的Asterix Cat021报文上传；
[0061] c)状态自检报告：
[0062] 1)实时监视地面站状态参数的变化，并周期性向本地监控维护终端和远程集中监控维护终端发送CAT023状态报告，使其及时获知ADS‑B地面站的工作状态，通过远程维护端口将告警和失败信息上传至后端处理；
[0063] 2)此外，系统将周期发送CAT247版本报告，向后端提交CAT021和CAT023报告的版本。
[0064] 3)提供监控信息输出接口，接口采用RS232异步通信方式和TCP/IP网络协议通信方式，可输出系统状态信息和主要运行参数，用于连接用户自备的设备监控系统，可由用户在现场方便设置，并定义监控信息输出接口的详细数据说明和数据格式文档(ICD)，提供数据分析软件应用，软件应可由用户自行安装。
[0065] d)远程维护：通过加密的SNMP简单网络管理协议实现远程维护，通过远程维护端口对外通信。远程维护操作包括系统参数的配置、程序版本的更新、地面站的复位、地面站的重启和其它维护需求等；
[0066] e)目标融合输出：地面站主机按照配置分为外部数据提供方和接收方，外部数据提供方将本地接收的ADS‑B消息在网络上共享，数据接收方提取该数据与本地ADS‑B消息对比、过滤、融合生成航迹，形成完整的融合目标报告向外输出。
[0067] GNSS模块的实现方法包括：
[0068] GNSS模块由GNSS芯片、高精度恒温晶振和控制单元组成，具备高守时能力、低相噪、多种参考输入、多种时码和频标输出功能、GNSS通用授时功能、GNSS高精度授时功能和卫星共视功能，能够完成高精度的授时和守时。GNSS模块工作原理如图4所示。
[0069] 电源模块的实现方法包括：
[0070] 电源模块将外部输入的交流电源转化为内部各个模块工作所需的电源。电源模块主要包括输入防雷保护单元、输入过压保护单元、输入滤波单元、电压转换单元以及保护电路单元构成，组成如图5所示。
[0071] 电源模块具有交流供电状态检测电路，可以通过前面板交流开关指示灯或监控维护系统查看交流接入状态。
[0072] 四通道数据融合输出的实现方法包括：
[0073] 四通道接收机配合四个定向天线，每个通道独立完成对应天线接收的射频信号的解调，并输出中频信号。处理板具有4路射频输入接口。
[0074] 各通道译码过程独立，每个通道均按照原单通道解码算法完成从AD数据到原始报文的全部解码过程，影响解码的两个主要参数噪声门限、6dB门限参数均各通道可独立配置。
[0075] 原始报文在原来的协议之外，另加一路通道标志。根据配置要求，当选择单通道输出时，只输出对应的单通道信号。当选择多通道时，按照通道标号依次输出(1‑2‑3‑4)。当选择融合输出时，输出融合信号。
[0076] 定向ADS‑B天线的实现方法包括：
[0077] 应用定向天线的主要目的是针对高密度空域监视的应用需求，通过空间分集的方式有效降低单个接收处理通道的信号交织概率，提升航迹的连续性和稳定性。根据以上应用需要求，定向天线应满足以下特征：
[0078] a)主波束方位内高增益，指向性高，满足定向接收的要求；主波束外增益快速下切，减少波束交叠，降低不同通道之间接收到同一目标信号的概率；
[0079] b)有效抑制天线副瓣增益，从而进一步降低接收到其他方向信号的概率。
[0080] 最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

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