基于ADS-B和RTL-SDR的空中交通监视系统

王伟玮，涂　榫

(78009部队，四川 成都 610000)



基于ADS-B和RTL-SDR的空中交通监视系统

王伟玮，涂榫

(78009部队，四川 成都 610000)

介绍了ADS-B技术和1090ES数据链并分析了其报文格式，继而介绍了软件无线电技术和RTL-SDR技术。将ADS-B和RTL-SDR技术相结合，搭建了一个涵盖硬件和软件的监控系统，详细描述了系统的组成和实现，并对系统的接收天线进行了设计和改进，用大量的实验数据验证了改进的效果。该监控系统可以较好地达到监控目的，实现成本低，可以作为相关领域技术研究的试验及测试系统，如果加以完善，甚至可以应用到专业领域。

ADS-B；1090ES数据链；RTL-SDR；监控系统

引用格式：王伟玮，涂榫. 基于ADS-B和RTL-SDR的空中交通监视系统[J].微型机与应用，2016,35(17)：80-83.

0　引言

伴随我国经济的高速发展，民航事业蓬勃壮大，也导致了空中交通压力倍增，由此而生的ADS-B技术[1]成为了今后航空管制技术的大势所趋。

本文基于已有的ADS-B技术，将软件无线电技术与ADS-B技术相结合，在极低的成本下搭建了一个涵盖硬件和软件的监控系统平台。利用RTL-SDR技术接收ADS-B信号，并用软件解调的方式解调了原始采样信号；利用VC编写代码解析还原了1090ES数据链报文；为了直观地对飞机进行监控，将STK(Satellite Tool Kit)和GoogleEarth无缝集成到系统中作为输出显示。系统分为天线、接收器和计算机三个部分，天线和接收器作为硬件，主要实现信号的接收和解调，计算机作为软件部分，以编写软件代码的方式实现报文的解析还原，最终图形化显示给用户。

1　简介

1.1ADS-B简介

ADS-B即广播式自动相关监视(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast)，其中Automatic表示自动运行，无人值守；Dependent表示相关，需要借助GPS定位数据；Surveillance表示监视，获取飞机坐标、飞行速度和高度、方向、航班代码及其他信息；Broadcast表示广播，类似于网络数据传输中的广播，无需询问，飞机之间或飞机与地面站之间互相广播各自信息。ADS-B系统包括多个机载站和多个地面站，系统组网方式可以是网状或者是多点对多点方式，继而实现数据双向通信。ADS-B技术可以在多个方面发挥作用，主要包括：空对空监视、地对空监视和场面监视[2]。相对于传统的雷达监视技术，ADS-B技术提高了远程信息的获取能力，简化统一了信息格式，从而降低了信息的处理成本，使得共享飞行信息具备了现实可行性。ADS-B系统结构图如图1。

图1　ADS-B系统

目前支持ADS-B技术的数据链有三种：1090ES(1 090 MHz扩展振荡)、UAT(通用访问收发信机)和VDL-4(甚高频数据链模式4)。其中1090ES数据链是ICAO(国际民用航空组织)推荐的用于全球商用航空飞机、支持ADS-B应用的数据链系统，所以本文涉及到的内容全部基于该数据链。

1.21090ES数据链简介及报文格式解析

数据链系统是ADS-B技术的主要组成内容，它基于S模式应答机。S模式应答机的数据传输能力很强，拥有高达1 677万个地址码，可以满足全球航空器唯一地址的需求[3]，飞机通过标识该编码来应答地面站的询问信号。S模式的双向数据链可用于飞机间或地面站同飞机间的双向数据交流，其询问信号和应答信号均为56 bit或112 bit的数据块。

下面以实际的ADS-B数据来进行说明，假设收到的两个数据帧如下(十六进制)：

8D75804B580FF2CF7E9BA6F701D0

8D75804B580FF6B283EB7A157117

(1)第1个字节8D(10001101)。其中，前5个比特为10001，指示DF=17，表明该帧为S模式的ADS-B消息，后3个比特为101，指示CA=5，意味着至少有Comm.A或Comm.B的能力。

(2)第2～4个字节即75804B给出了ICAO地址。75804B(hex) = 01110101 10000000 01001011(binary)，前9个比特 ：011101011，根据ICAO Annex 10 Volume III规定，指示了该架飞机属于菲律宾，制造商是Airbus，Model为A-319-112，Reg / Opr信息为CEB [5J]Cebu Pacific Air。

(3)5～11字节为ME字段。该字段含有两种类型，分别为空中和地面位置信息，其中：

1～5比特：类型码TC=11，指明了该数据为空中位置数据。

6、7比特：监视状态标识位，值为0表示无情景信息。

8比特：天线指示，取0表示使用了单天线，取1表示使用了双天线。

9～20比特：高度指示域，当 9≤TC≤18时，使用大气压高度来标识高度信息，当 20≤TC≤22时，使用椭球体上的 GNSS 高度(HAE)来报告高度信息，本数据中TC=11，使用的是大气压高度。其中第16比特定义为“Q”比特，Q=1时，编码使用25英尺增量的高度报告，高度指示的比特中除去“Q”比特外其余都用于高度编码即N=00001111111(二进制)=127(10进制)。由大气压高度公式：H=25×N-1 000±12.5 英尺，得出飞行高度为：H=25×127-1 000±12.5=2 175英尺。Q=0时，使用100英尺增量高度报告。

21比特：对于空中位置，该比特用于指出有效时间点是否是准确的 0.2 s UTC 时间点。

22比特：指示使用了哪种CPR(简洁位置报告)格式来编码经纬度信息，1为奇格式，0为偶格式，所以第1帧为偶格式，第2帧为奇格式。

23～39比特：编码后的纬度信息。

40～56比特：编码后的经度信息。

Lat(0) = 10110011110111111 or 92095

Lat(1) = 10101100101000001 or 88385

Lon(0) = 01001101110100110 or 39846

Lon(1)= 11110101101111010 or 125818

解码经纬度信息可分为以下几步：

①计算纬度Zone尺寸AirDlat

其中NL为纬度Zone的个数，等于15。

②计算纬度索引值j

j=floor(((59×Lat(0)-60×Lat(1))/131 072)+0.5)=1

其中floor表示向下取整。

③计算奇偶形式的纬度值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函数表示取模。

代入步骤①中得到的AirDlat(0)=6和AirDlat(1)=360°/59，得：

rLat(0)=10.21577453613281

rLat(1)=10.21621445478019

④计算奇偶纬度值所对应的经度Zone的数量NL，利用公式：

NL(rLat(i))=

得：NL(0)=59=NL(1)

如果NL(0)和NL(1)不相等，则丢弃该纬度值。

⑤计算经度Zone的尺寸AirDlon

其中：n(i)=max[NL(rLat(i)-i),1]

⑥计算经度索引M

M=floor((((Lon(0)×(NL(i)-1))-(Lon(1)×NL(i)))/131 072)+0.5)=-39

⑦计算全球经度值rLon

由公式rLon=AirDlon(i)×(mod(M,n(i))+Lon(i)/131 072)

代入上面已求相关值得：

rLon(0)=123.8888187731727

rLon(1)=123.8891285863416

经过上面的步骤就能还原出飞机的经纬度位置：

1.3SDR和RTL-SDR技术介绍

软件定义无线电实质上就是在个人电脑或者嵌入式系统中用软件实现的方法来代替典型的硬件功能的无线电通信系统，例如混频器、滤波器、放大器，调制器和解调器、感应器等都可以用软件来实现[4]。一个基本的软件无线电系统可以由一台包含了声卡或者模数转换器，或一些其他形式的射频前端的个人计算机组成。其工作原理如图2。

图2　软件无线电工作原理

RTL-SDR作为软件无线电系统的一个分支，其原理是使用了RTL2382U芯片的电视接收器中未处理的原始基带采样信号可以被直接访问，这样通过更新接收器的驱动扩展了接收频率后，将信号通过USB传递到电脑，就可以将电视接收器变成一个宽带软件无线电，极大降低了软件无线电的研究和开发门槛。

1.4接收天线的设计及改进

ADS-B采用的是垂直极化信号，接收到的信号质量不仅取决于接收点到飞机的距离、天线附近的障碍物和无线电干扰，还取决于接收天线本身的设计，ADS-B信号的天线设计应该满足以下要求[5]：

(1)当天线不接地时，天线长度应该为目标无线电信号半波长的整数倍；当天线接地时，考虑到地面镜像效应，天线长度应该为目标无线电信号1/4波长的整数倍，利用波长公式：W=V/f，得出：

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为速度因子,同轴电缆一般取0.85。

(2)为了减小信号传输时的衰减，要尽量保证馈线长度尽可能短，并使用质量好的同轴电缆，或者通过增加一个低噪声放大器(LNA)来减少信号衰减。

(3)阻抗匹配。接收器输入阻抗和馈线阻抗应匹配。

电视棒配套的鞭状天线作为一个全向天线可以接收DVB-T、DAB、FM信号，当然也包括ADS-B信号，但是如果作为专用的ADS-B信号接收天线可能就略显不足。在参考了部分ADS-B天线的设计后，这里提出了两种改进方案：

(1)环状天线

该天线由一段带多个环路的铜线和一个连接头组成，如图3。

图3　环状天线示意图

铜线被环路分割为长度不同的三段，第一段长度为λ/2，第二段为3λ/4，第三段略小于3λ/4，这样设计的目的是为了减少电容效应的影响。经过测试该天线的增益可达到6 dBi。

(2)多节天线

如图4所示，多节天线主要由一根同轴电缆和连接头制作而成。

图4　 多节天线示意图

每一节的长度L=0.5×λ×f(f为速度因子,同轴电缆一般取0.85)，所以L=0.5×27.5×0.85≈11.6 cm，制作时每节之间用胶带阻隔。通过比较发现，长度超过12节时，接收效果不再有明显的改善，从体积上考虑，8节的长度L=11.6 cm×8=92.8 cm最理想。

为了验证天线改进后的效果，连续5天在同一时间段(14：50～15：10)进行了数据的统计。选取该时间段主要是考虑到大部分国内航线飞行时间相对固定，选取固定的时间段进行数据采集有利于数据的横向比较。统计结果如图5。

图5　监控数量对比图

由图5可以看到，改进后的天线在接收效果上有了明显的改善，在同一个时间段监控到的数量分别提高了大约36%(环状天线)和43%(多节天线)。

2　系统介绍

2.1系统组成和工作流程

监控系统主要由3部分组成：天线、接收器和计算机，如图6所示。

图6　监控系统组成图

(1)ADS-B信号经天线到达接收器,在接收器内部完成信号的放大、变频、滤波及数字化。

(2)通过USB接口将数据发送到计算机，用软件的方式对信号进行解调得到未解码的ADS-B信息。

(3)根据天线位置，室内如果能保证信号良好，则可以在本地计算机上完成信息的解析还原；如果室内信号较差，那么可以将天线放置于室外，前端完成信号的接收和解调，通过网络将解调后的信号传输到后端完成解析工作。

(4)将还原后的ADS-B信息生成标准的STK信息[6]和KML格式[7]信息，在STK的2D和3D模块中动态显示或者导入到Google Earth中显示。

2.2系统使用

该监控系统利用VC2008编写而成，界面如图7。分为6个区域，分别为:

(1)2D显示区域。该区域的作用是在2D图像中显示出飞机的飞行轨迹。

(2)3D显示区域。该区域的作用是在3D图像中显示飞机的飞行轨迹，能够体现出飞机的高度信息。3D显示有两种模式：GoogleEarth模式和STK模式。

(3)动画控制区域。该区域是实现对STK的2D和3D模拟场景的动画控制，包括播放、暂停、倒退等，还包括2D图形的放大和缩小功能控制。

(4)场景及对象设置区域。该区域包括创建、载入模拟场景、保存及关闭当前模拟场景等操作。

(5)本地及远程参数设置区域。本地模式用来导入本地数据，远程模式用来实时地接收远程数据。

(6)监控飞机列表区。用来列表显示监控到的飞机信息，包括飞机的ICAO代码、航班代号、飞行速度、飞行高度、经度和纬度，所有信息都实时更新。

图7　系统界面图

3　结束语

本文基于航空管制中的ADS-B技术结合软件无线电中的RTL-SDR技术搭建了一个涵盖硬件和软件的监控系统平台，详细描述了该系统的原理及实现方法。该监控系统实现成本低，能很好地达到监控的目的，可以作为相关领域技术研究的试验系统，加以逐步完善甚至可以应用到专业领域。

[1] 崔盟霞,王杰. 自动相关监视(ADS-B)在民航的应用前景分析[J]. 大众科技,2011(4)：15.

[2] 姚妓. ADS-B多监视功能的性能研究和仿真[D]. 成都：电子科技大学， 2010.

[3] 王菲. 基于1090MHzES数据链ADS-B关键技术研究[D]. 成都：电子科技大学, 2009.

[4] DILLINGER M, MADANI K, ALONISTIOTI N. Software defined radio: architectures, systems and functions[M].NewYork: Wiley & Sons, 2003.

[5] STUTZMAN W L. 天线理论与设计[M]. 朱守正，安同一，译.北京：人民邮电出版社, 2006.

[6] 杨建国,张建军,吕琳. VC集成STK实现可视化场景仿真[J]. 遥测遥控,2012,33(4):50-54.

[7] 马谦. 智慧地图:Google Earth/Maps/KML 核心开发技术揭秘[M]. 北京:电子工业出版社, 2010.

Air traffic surveillance system based on ADS-B and RTL-SDR

Wang Weiwei, Tu Sun

(78009 Troops PLA, Chengdu 610000, China)

This paper introduces the technology of ADS-B and 1090ES datalink including its message format, then gives a brief introduction to the technology of soft-defined radio and RTL-SDR. A surveillance system including hardware and software is built which is based on the technologies of ADS-B and RTL-SDR. The system receiving antenna is designed and improved, then verified effective by lots of experimental data. This system works well on flight surveillance with extremely low cost, it can be used as an experimental system for research purpose. It can even be applied to speciallized field if it is further optimized and improved.

ADS-B; 1090ES datalink; RTL-SDR; surveillance system

V355

ADOI： 10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.17.024

2016-05-06)

王伟玮(1982-)，男，硕士研究生，主要研究方向：信号处理理论与技术。

涂榫(1982-)，男，硕士研究生，主要研究方向：通信信号处理。