一种ADS-B地面站自动测试系统的设计与实现

2018-08-07四川九洲空管科技有限责任公司

电子世界 2018年14期

四川九洲空管科技有限责任公司段煜海灏

1.概述

新航行系统是一个以卫星全球通信、导航、监视加上自动化的空中交通管理的系统，其中监视系统新增的技术手段有自动相关监视（ADS）技术手段，并计划在空中交通管理领域普遍使用。

ADS-B（Automatic Dependent Surveillance–Broadcast）即广播式自动相关监视技术，是自动相关监视中的重要组成部分。“自动”即不需要飞行员或外部驱动，“相关”即数据来源于飞机导航系统的。飞行器通过卫星导航确定其位置信息（经纬度、几何高度），结合飞行器自身的信息（S模式地址、航班号、发射机类型、大气压高度、模式A代码、飞机运行状态等）组成不同类型的报文，对空间进行周期广播，空中交通管制地面站或机载端可以接收这些信息，从而对飞行器进行监视。

ADS-B从信号物理链路来说分为两种技术体制：

1）UAT（universal access transceiver），即通用访问收发机，是一种数据链通信技术，主要用于通用航空领域。

2）1090MHz ES（extended squitter），即1090兆赫扩展断续振荡器，是与扩展型S模式信号格式一致的数据链通信技术，主要用于军民航领域。

ADS-B从功能上分为OUT和IN两种功能：

1）ADS-B OUT功能是飞行器实时周期广播本机相关信息，物理载体为机载端设备。

2）ADS-B IN功能主要是接收飞行器“ADS-B OUT”信息，有部分ADS-B接收设备具有额外接收S模式信号的功能（如九洲空管科技的1090ES地面站），物理载体为机载端设备和地面接收设备。

本文只讨论为1090MHz ES地面站（后文简称“地面站”）设计自动测试系统。

2.现状及需求分析

国际上，多个发达国家已经实现国内主要空域的ADS-B信号监视的全覆盖，中国也于2017年内大面积加装地面站，一共300多个站点，地面站700余套，覆盖国内主要航路和终端区。

由于地面站的大量使用，其研制、生产、验收、日常维护、定期巡检工作中面临大量的测试检验工作。地面站属于接收设备，需要对其功能及性能进行测试，由于ADS-B信号自身的复杂性，使得对其开展一次详细的测试需要搭建比较复杂的环境，开发大量的测试用例，耗费大量时间测试、记录被测件数据输出以及结果分析比对。

为了满足地面站的详细功能性能测试需求，同时考虑便捷测试环境的搭建以及测试工作的高效性、准确性、可重复性，决定研制地面站自动测试系统。

3.设计原理

3.1 设计依据

地面站测试系统设计的依据分别美标DO-260B[1]、欧标ED-129[2]、中国民航MH/T 4036-2012[4]标准要求进行设计。其中DO-260B为机载ADS-B设备最低性能标准，用于参考ADS-B标准信号和测试信号的定义，以及部分测试方法；ED-129为ADS-B地面站最低性能标准，用于参考地面站的功能性能标准及部分测试方法；MH/T 4036-2012为中国民航制定的ADS-B地面站性能标准，用于确定地面站功能性能指标定义及测试项目。

3.2 自动化测试

ADS-B地面站属于被动响应设备，根据目标信号输入进行响应，输出相应的数据，在工作中无需人为控制或参与。因此，所有的测试过程中也不需要人为对地面站进行操作或配置，只需将设计好的测试用例按照顺序一一输入地面站，接收并分析对应输出的目标数据，便可实现全程自动化测试。

3.3 测试原理

ADS-B地面站测试系统用于对地面站进行系统级功能性能测试，即对其进行黑盒测试，测试系统作为测试床，地面站作为被测件。测试系统为地面站提供特定的测试激励输入，使其工作在相应的状态，并输出响应数据。通过对地面站输出响应数据与期望数据的比较，计算分析出地面站的功能性能指标，从而评估地面站的功能及性能的标准符合性。

其中测试激励为射频信号，从地面站的天线端口进行注入，正常情况下为1090MHz的ADS-B报文。响应数据为网络数据，是地面站输出的CAT021报文[3]或原始报文。功能基本测试模型如图1所示。采用该测试模型可完成地面站主要功能和性能的测试，需要注意统计型测试用例，根据DO-260B的要求注入的测试用例样本量应不小于1000个。

在测试过程中需要注意的是地面站有两种报文输出驱动模式，一种是周期驱动（Periodic Driven），另一种是事件驱动（Event Driven）。地面站工作于周期驱动模式时，周期输出收到的目标数据。地面站工作于事件驱动模式时，当接收到有效的目标射频信号后，立即输出CAT021数据。而测试地面站时需要地面站实时响应测试激励，否则无法判断接收数据的正确性以及地面站的处理延迟，因此在地面站进行测试时，需要将地面站设置为事件驱动工作模式。

图1 功能基本测试模型

抗干扰能力是地面站的重要指标之一，考量地面站的译码能力，即在正常ADS-B射频信号被其他信号干扰的情况下，通常是指同频干扰，地面站应具有一定的目标接收能力。干扰主要分为同步干扰和异步干扰两种：同步干扰是指与正常ADS-B信号具有同步时间关系的干扰信号，同步干扰可能在正常信号之前、之后或叠加；异步干扰是指在时间上位置随机出现或者与正常信号相对位置随机的干扰信号。同频干扰信号的类型主要有连续波、单脉冲、模式A/C、模式S及DME信号，这些干扰均会对地面站的接收处理造成一定的影响，其测试模型如图2所示。

图2 地面站抗干扰能力测试模型

在模拟同步干扰时，需要ADS-B信号源与干扰信号源发射的信号在时间上具有同步关系，两个信号源应具有同步接口，而模拟异步干扰时则需要干扰信号源与ADS-B信号源具有随机关系。

4.设计实现

结合地面站的测试需求、测试模型以及用户实际需求，选用如下硬件组成测试系统，其组成见表1。

表1 测试系统组成

为实现自动化测试，需要开发基于计算机的显示控制软件，控制硬件进行自动测试。计算机用于显示控制软件运行，采用基于总线控制的技术，控制两种信号源模拟测试激励信号，注入地面站。计算机通过以太网接收地面站输出的CAT021报文，进行记录和分析，得出测试结果。

测试系统软件具体工作原理如图3所示。

图3 测试系统软件工作原理图

用户通过人机接口（测试系统显控软件）配置测试系统，选择相应的测试项目。系统软件根据用户的测试选项，生成相应的测试用例数据，通过系统的射频硬件分别生成ADS-B目标信号及干扰信号，合成为测试射频信号，通过地面站天线接口注入。地面站收到测试射频信号后，做出响应，产生目标数据通过网络输出。系统接收到目标信息后，将数据记录，通过统计并解析数据，解析后跟期望的结果进行比较，然后生成测试报告。对功能指标，得出“通过”或者“未通过”的测试结果，对性能指标，得出测试数据，与合格判据对比，并判断“通过”或者“未通过”。