王偉瑋，涂榫
(78009部隊(duì)，四川 成都 610000)
摘要：介紹了ADS-B技術(shù)和1090ES數(shù)據(jù)鏈并分析了其報(bào)文格式，繼而介紹了軟件無線電技術(shù)和RTL-SDR技術(shù)。將ADS-B和RTL-SDR技術(shù)相結(jié)合，搭建了一個(gè)涵蓋硬件和軟件的監(jiān)控系統(tǒng)，詳細(xì)描述了系統(tǒng)的組成和實(shí)現(xiàn)，并對(duì)系統(tǒng)的接收天線進(jìn)行了設(shè)計(jì)和改進(jìn)，用大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了改進(jìn)的效果。該監(jiān)控系統(tǒng)可以較好地達(dá)到監(jiān)控目的，實(shí)現(xiàn)成本低，可以作為相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)研究的試驗(yàn)及測試系統(tǒng)，如果加以完善，甚至可以應(yīng)用到專業(yè)領(lǐng)域。
關(guān)鍵詞：ADS-B；1090ES數(shù)據(jù)鏈；RTL-SDR；監(jiān)控系統(tǒng)
0引言
伴隨我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，民航事業(yè)蓬勃壯大，也導(dǎo)致了空中交通壓力倍增，由此而生的ADS-B技術(shù)［1］成為了今后航空管制技術(shù)的大勢所趨。
本文基于已有的ADS-B技術(shù)，將軟件無線電技術(shù)與ADS-B技術(shù)相結(jié)合，在極低的成本下搭建了一個(gè)涵蓋硬件和軟件的監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)。利用RTL-SDR技術(shù)接收ADS-B信號(hào)，并用軟件解調(diào)的方式解調(diào)了原始采樣信號(hào)；利用VC編寫代碼解析還原了1090ES數(shù)據(jù)鏈報(bào)文；為了直觀地對(duì)飛機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，將STK(Satellite Tool Kit)和GoogleEarth無縫集成到系統(tǒng)中作為輸出顯示。系統(tǒng)分為天線、接收器和計(jì)算機(jī)三個(gè)部分，天線和接收器作為硬件，主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的接收和解調(diào)，計(jì)算機(jī)作為軟件部分，以編寫軟件代碼的方式實(shí)現(xiàn)報(bào)文的解析還原，最終圖形化顯示給用戶。
1簡介
1.1ADS-B簡介
ADS-B即廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視（Automatic Dependent SurveillanceBroadcast），其中Automatic表示自動(dòng)運(yùn)行，無人值守；Dependent表示相關(guān)，需要借助GPS定位數(shù)據(jù)；Surveillance表示監(jiān)視，獲取飛機(jī)坐標(biāo)、飛行速度和高度、方向、航班代碼及其他信息；Broadcast表示廣播，類似于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸中的廣播，無需詢問，飛機(jī)之間或飛機(jī)與地面站之間互相廣播各自信息。ADS-B系統(tǒng)包括多個(gè)機(jī)載站和多個(gè)地面站，系統(tǒng)組網(wǎng)方式可以是網(wǎng)狀或者是多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)方式，繼而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向通信。ADS-B技術(shù)可以在多個(gè)方面發(fā)揮作用，主要包括：空對(duì)空監(jiān)視、地對(duì)空監(jiān)視和場面監(jiān)視［2］。相對(duì)于傳統(tǒng)的雷達(dá)監(jiān)視技術(shù)，ADS-B技術(shù)提高了遠(yuǎn)程信息的獲取能力，簡化統(tǒng)一了信息格式，從而降低了信息的處理成本，使得共享飛行信息具備了現(xiàn)實(shí)可行性。ADS-B系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1。
目前支持ADS-B技術(shù)的數(shù)據(jù)鏈有三種：1090ES(1 090 MHz擴(kuò)展振蕩)、UAT(通用訪問收發(fā)信機(jī))和VDL-4(甚高頻數(shù)據(jù)鏈模式4)。其中1090ES數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)荌CAO(國際民用航空組織)推薦的用于全球商用航空飛機(jī)、支持ADS-B應(yīng)用的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)，所以本文涉及到的內(nèi)容全部基于該數(shù)據(jù)鏈。
1.21090ES數(shù)據(jù)鏈簡介及報(bào)文格式解析
數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)是ADS-B技術(shù)的主要組成內(nèi)容，它基于S模式應(yīng)答機(jī)。S模式應(yīng)答機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸能力很強(qiáng)，擁有高達(dá)1 677萬個(gè)地址碼，可以滿足全球航空器唯一地址的需求［3］，飛機(jī)通過標(biāo)識(shí)該編碼來應(yīng)答地面站的詢問信號(hào)。S模式的雙向數(shù)據(jù)鏈可用于飛機(jī)間或地面站同飛機(jī)間的雙向數(shù)據(jù)交流，其詢問信號(hào)和應(yīng)答信號(hào)均為56 bit或112 bit的數(shù)據(jù)塊。
下面以實(shí)際的ADS-B數(shù)據(jù)來進(jìn)行說明，假設(shè)收到的兩個(gè)數(shù)據(jù)幀如下（十六進(jìn)制）：
8D75804B580FF2CF7E9BA6F701D0
8D75804B580FF6B283EB7A157117
?。?）第1個(gè)字節(jié)8D（10001101）。其中，前5個(gè)比特為10001，指示DF=17，表明該幀為S模式的ADSB消息，后3個(gè)比特為101，指示CA=5，意味著至少有Comm.A或Comm.B的能力。
?。?）第2-4個(gè)字節(jié)即75804B給出了ICAO地址。75804B（hex） = 01110101 10000000 01001011（binary），前9個(gè)比特 ：011101011，根據(jù)ICAO Annex 10 Volume III規(guī)定，指示了該架飛機(jī)屬于菲律賓，制造商是Airbus，Model為A-319112，Reg / Opr信息為CEB ［5J］Cebu Pacific Air。
?。?）5-11字節(jié)為ME字段。該字段含有兩種類型，分別為空中和地面位置信息，其中：
1-5比特：類型碼TC=11，指明了該數(shù)據(jù)為空中位置數(shù)據(jù)。
6、7比特：監(jiān)視狀態(tài)標(biāo)識(shí)位，值為0表示無情景信息。
8比特：天線指示，取0表示使用了單天線，取1表示使用了雙天線。
9-20比特：高度指示域，當(dāng) 9≤TC≤18時(shí)，使用大氣壓高度來標(biāo)識(shí)高度信息，當(dāng) 20≤TC≤22時(shí)，使用橢球體上的 GNSS 高度（HAE）來報(bào)告高度信息，本數(shù)據(jù)中TC=11，使用的是大氣壓高度。其中第16比特定義為“Q”比特，Q=1時(shí)，編碼使用25英尺增量的高度報(bào)告，高度指示的比特中除去“Q”比特外其余都用于高度編碼即N=00001111111(二進(jìn)制)=127(10進(jìn)制)。由大氣壓高度公式：H=25×N-1 000±12.5 英尺，得出飛行高度為：H=25×127-1 000±12.5=2 175英尺。Q=0時(shí)，使用100英尺增量高度報(bào)告。
21比特：對(duì)于空中位置，該比特用于指出有效時(shí)間點(diǎn)是否是準(zhǔn)確的 0.2 s UTC 時(shí)間點(diǎn)。
22比特：指示使用了哪種CPR（簡潔位置報(bào)告）格式來編碼經(jīng)緯度信息，1為奇格式，0為偶格式，所以第1幀為偶格式，第2幀為奇格式。
23-39比特：編碼后的緯度信息。
40-56比特：編碼后的經(jīng)度信息。
Lat(0) = 10110011110111111 or 92095
Lat(1) = 10101100101000001 or 88385
Lon(0) = 01001101110100110 or 39846
Lon(1)= 11110101101111010 or 125818
解碼經(jīng)緯度信息可分為以下幾步：
①計(jì)算緯度Zone尺寸AirDlat
其中NL為緯度Zone的個(gè)數(shù)，等于15。
得到：
?、谟?jì)算緯度索引值j
j=floor(((59×Lat(0)-60×Lat(1))/131 072)+0.5)=1
其中floor表示向下取整。
③計(jì)算奇偶形式的緯度值rLat
rLat(0)=AirDlat(0)×(mod(j,60)+Lat(0)/131 072)
rLat(1)=AirDlat(1)×(mod(j,59)+Lat(1)/131 072)
其中mod函數(shù)表示取模。
代入步驟①中得到的AirDlat(0)=6和AirDlat(1)=360°/59，得：
rLat(0)=10.21577453613281
rLat(1)=10.21621445478019
?、苡?jì)算奇偶緯度值所對(duì)應(yīng)的經(jīng)度Zone的數(shù)量NL，利用公式：
得：NL(0)=59=NL(1)
如果NL(0)和NL(1)不相等，則丟棄該緯度值。
?、萦?jì)算經(jīng)度Zone的尺寸AirDlon
其中：n(i)=max［NL(rLat(i)-i),1］
得到：
?、抻?jì)算經(jīng)度索引M
M=floor((((Lon(0)×(NL(i)-1))-(Lon(1)×NL(i)))/131 072)+0.5)=-39
?、哂?jì)算全球經(jīng)度值rLon
由公式rLon=AirDlon(i)×(mod(M,n(i))+Lon(i)/131 072)
代入上面已求相關(guān)值得：
rLon(0)=123.8888187731727
rLon(1)=123.8891285863416
經(jīng)過上面的步驟就能還原出飛機(jī)的經(jīng)緯度位置：
1.3SDR和RTL-SDR技術(shù)介紹
軟件定義無線電實(shí)質(zhì)上就是在個(gè)人電腦或者嵌入式系統(tǒng)中用軟件實(shí)現(xiàn)的方法來代替典型的硬件功能的無線電通信系統(tǒng)，例如混頻器、濾波器、放大器，調(diào)制器和解調(diào)器、感應(yīng)器等都可以用軟件來實(shí)現(xiàn)［4］。一個(gè)基本的軟件無線電系統(tǒng)可以由一臺(tái)包含了聲卡或者模數(shù)轉(zhuǎn)換器，或一些其他形式的射頻前端的個(gè)人計(jì)算機(jī)組成。其工作原理如圖2。
RTL-SDR作為軟件無線電系統(tǒng)的一個(gè)分支，其原理是使用了RTL2382U芯片的電視接收器中未處理的原始基帶采樣信號(hào)可以被直接訪問，這樣通過更新接收器的驅(qū)動(dòng)擴(kuò)展了接收頻率后，將信號(hào)通過USB傳遞到電腦，就可以將電視接收器變成一個(gè)寬帶軟件無線電，極大降低了軟件無線電的研究和開發(fā)門檻。
1.4接收天線的設(shè)計(jì)及改進(jìn)
ADS-B采用的是垂直極化信號(hào)，接收到的信號(hào)質(zhì)量不僅取決于接收點(diǎn)到飛機(jī)的距離、天線附近的障礙物和無線電干擾，還取決于接收天線本身的設(shè)計(jì)，ADS-B信號(hào)的天線設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足以下要求［5］：
（1）當(dāng)天線不接地時(shí)，天線長度應(yīng)該為目標(biāo)無線電信號(hào)半波長的整數(shù)倍；當(dāng)天線接地時(shí)，考慮到地面鏡像效應(yīng)，天線長度應(yīng)該為目標(biāo)無線電信號(hào)1/4波長的整數(shù)倍，利用波長公式：W=V/f，得出：
W=300 000 km/s1 090 MHz≈0.275 m
L=0.5×27.5 cm×f=11.68 cm(不接地)
L=0.25×27.5 cm×f=5.84 cm(接地)
其中，f為速度因子,同軸電纜一般取0.85。
?。?）為了減小信號(hào)傳輸時(shí)的衰減，要盡量保證饋線長度盡可能短，并使用質(zhì)量好的同軸電纜，或者通過增加一個(gè)低噪聲放大器（LNA）來減少信號(hào)衰減。
?。?）阻抗匹配。接收器輸入阻抗和饋線阻抗應(yīng)匹配。
電視棒配套的鞭狀天線作為一個(gè)全向天線可以接收DVBT、DAB、FM信號(hào)，當(dāng)然也包括ADSB信號(hào)，但是如果作為專用的ADS-B信號(hào)接收天線可能就略顯不足。在參考了部分ADS-B天線的設(shè)計(jì)后，這里提出了兩種改進(jìn)方案：
?。?)環(huán)狀天線
該天線由一段帶多個(gè)環(huán)路的銅線和一個(gè)連接頭組成，如圖3。
銅線被環(huán)路分割為長度不同的三段，第一段長度為λ/2，第二段為3λ/4，第三段略小于3λ/4，這樣設(shè)計(jì)的目的是為了減少電容效應(yīng)的影響。經(jīng)過測試該天線的增益可達(dá)到6 dBi。
?。?)多節(jié)天線
如圖4所示，多節(jié)天線主要由一根同軸電纜和連接頭制作而成。
每一節(jié)的長度L=0.5×λ×f(f為速度因子,同軸電纜一般取0.85)，所以L=0.5×27.5×0.85≈11.6 cm，制作時(shí)每節(jié)之間用膠帶阻隔。通過比較發(fā)現(xiàn)，長度超過12節(jié)時(shí)，接收效果不再有明顯的改善，從體積上考慮，8節(jié)的長度L=11.6 cm×8=92.8 cm最理想。
為了驗(yàn)證天線改進(jìn)后的效果，連續(xù)5天在同一時(shí)間段(14：50~15：10)進(jìn)行了數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)。選取該時(shí)間段主要是考慮到大部分國內(nèi)航線飛行時(shí)間相對(duì)固定，選取固定的時(shí)間段進(jìn)行數(shù)據(jù)采集有利于數(shù)據(jù)的橫向比較。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5。
由圖5可以看到，改進(jìn)后的天線在接收效果上有了明顯的改善，在同一個(gè)時(shí)間段監(jiān)控到的數(shù)量分別提高了大約36%（環(huán)狀天線）和43%（多節(jié)天線）。
2系統(tǒng)介紹
2.1系統(tǒng)組成和工作流程
監(jiān)控系統(tǒng)主要由3部分組成：天線、接收器和計(jì)算機(jī)，如圖6所示。
?。?)ADS-B信號(hào)經(jīng)天線到達(dá)接收器,在接收器內(nèi)部完成信號(hào)的放大、變頻、濾波及數(shù)字化。
?。?)通過USB接口將數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)，用軟件的方式對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)得到未解碼的ADS-B信息。
?。?)根據(jù)天線位置，室內(nèi)如果能保證信號(hào)良好，則可以在本地計(jì)算機(jī)上完成信息的解析還原；如果室內(nèi)信號(hào)較差，那么可以將天線放置于室外，前端完成信號(hào)的接收和解調(diào)，通過網(wǎng)絡(luò)將解調(diào)后的信號(hào)傳輸?shù)胶蠖送瓿山馕龉ぷ鳌?/p>
?。?)將還原后的ADS-B信息生成標(biāo)準(zhǔn)的STK信息［6］和KML格式［7］信息，在STK的2D和3D模塊中動(dòng)態(tài)顯示或者導(dǎo)入到Google Earth中顯示。
2.2系統(tǒng)使用
該監(jiān)控系統(tǒng)利用VC2008編寫而成，界面如圖7。分為6個(gè)區(qū)域，分別為:
?。?）2D顯示區(qū)域。該區(qū)域的作用是在2D圖像中顯示出飛機(jī)的飛行軌跡。
（2）3D顯示區(qū)域。該區(qū)域的作用是在3D圖像中顯示飛機(jī)的飛行軌跡，能夠體現(xiàn)出飛機(jī)的高度信息。3D顯示有兩種模式：GoogleEarth模式和STK模式。
（3）動(dòng)畫控制區(qū)域。該區(qū)域是實(shí)現(xiàn)對(duì)STK的2D和3D模擬場景的動(dòng)畫控制，包括播放、暫停、倒退等，還包括2D圖形的放大和縮小功能控制。
?。?）場景及對(duì)象設(shè)置區(qū)域。該區(qū)域包括創(chuàng)建、載入模擬場景、保存及關(guān)閉當(dāng)前模擬場景等操作。
?。?）本地及遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置區(qū)域。本地模式用來導(dǎo)入本地?cái)?shù)據(jù)，遠(yuǎn)程模式用來實(shí)時(shí)地接收遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)。
（6）監(jiān)控飛機(jī)列表區(qū)。用來列表顯示監(jiān)控到的飛機(jī)信息，包括飛機(jī)的ICAO代碼、航班代號(hào)、飛行速度、飛行高度、經(jīng)度和緯度，所有信息都實(shí)時(shí)更新。
3結(jié)束語
本文基于航空管制中的ADS-B技術(shù)結(jié)合軟件無線電中的RTLSDR技術(shù)搭建了一個(gè)涵蓋硬件和軟件的監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)，詳細(xì)描述了該系統(tǒng)的原理及實(shí)現(xiàn)方法。該監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)成本低，能很好地達(dá)到監(jiān)控的目的，可以作為相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)研究的試驗(yàn)系統(tǒng)，加以逐步完善甚至可以應(yīng)用到專業(yè)領(lǐng)域。
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