一种S模式ADS-B前导脉冲检测方法

王永利，姚旺君，陈严君，张 鹏

(中国电子信息产业集团有限公司第六研究所，北京 100083)

0 引言

广播式自动相关监视技术(Automatic Dependent Surveillance - Broadcast，ADS-B)是一种现代集成先进的无线数据通信技术、卫星定位导航信息传输技术和自动监视技术等相关技术于一体，并通过空-地、空-空数据链通信完成交通监视和信息传递的新兴空中交通管制技术。国际民航组织(International Civil Aviation Organization，ICAO)正在积极推广这项航行监视技术，将其确定为未来监视技术发展的主要方向[1-2]。

1090ES(1090 MHz Extended Squitter)ADS-B系统是基于S模式数据链的一种ADS-B技术。该系统通过GNSS机载设备的支持，发射机以ADS-B消息形式，周期性地通过空-空、空-地数据链广播方式向外传播自己的位置、高度、速度等状态信息。

现有的1090ES ADS-B消息接收技术主要采用脉冲位置检测方法进行前导脉冲检测，即通过每个脉冲信号的上升沿标志、有效脉冲位置标志和下降沿标志相结合的检测方法，采取相应标准提取出前导脉冲位置[1-5]。该种检测方法在信噪比较高时，具有较好的检测性能。然而当信噪比相对较低时，尤其对于微弱信号，因噪音干扰，很容易造成脉冲位置判断错误，从而导致前导脉冲检测失效漏检，丢失报文信息[3-5]。针对该技术存在的缺陷，本文提出了一种S模式ADS-B前导脉冲检测方法，可有效解决上述问题。

1 1090ES ADS-B消息信号结构

图1所示为1090ES ADS-B消息信号格式图[6-7]，包括前导部分和其后的数据块。其中，前导部分的长度为8 μs，包含4个前导脉冲，分别记为：第1前导脉冲、第2前导脉冲、第3前导脉冲和第4前导脉冲；每个前导脉冲的标准宽度均为0.5 μs；第1前导脉冲、第2前导脉冲、第3前导脉冲和第4前导脉冲的标准相对位置依次为：0.0～0.5 μs、1.0 μs～1.5 μs、3.5 μs～4.0 μs、4.5 μs～5.0 μs；其后的数据块长度为56 μs(56 bit)或者112 μs(112 bit)，采用曼切斯特编码调制，即每一bit时间长度为1 μs，有前/后半部分组成，依次用bit 1，bit 2，…，bitN表示。

图1 1090ES ADS-B消息信号格式图

对于1090ES ADS-B接收设备，在进行消息解算时，首先需要完成的操作是前导脉冲检测，这是一切后续报文处理的前提和基础。

2 1090ES ADS-B前导脉冲检测方法

由图1可知，8 μs前导部分包括0～5 μs时间段和5 μs～8 μs时间段，而DF字段位于8 μs～13 μs时间段。本文提出的前导脉冲检测方法主要通过检测0～5 μs 时间段内脉冲能量是否动态匹配1090ES ADS-B消息标准脉冲能量，以及通过5 μs～8 μs 时间段和8 μs～13 μs时间段内的DF字段的能量验证，验证检测结果是否正确，确定前导脉冲有效。图2所示为1090ES ADS-B消息前导脉冲检测功能结构框图。

图2 1090ES ADS-B消息前导脉冲检测功能结构框图

图2中各功能模块说明如下。

S1：数据采样与求和。

采样1090ES ADS-B数字基带信号，依次存入5 μs长度窗口的移位寄存器中，同时求解匹配4个前导脉冲位置内的所有采样点的功率和值，并将结果存入“和值”移位寄存器中。

S2：前导部分前5 μs内脉冲能量比较。

从5 μs长度窗口的移位寄存器中分别抽取4个前导脉冲位置，即0.0 μs～0.5 μs、1.0 μs～1.5 μs、3.5 μs～4.0 μs、4.5 μs～5.0 μs内的所有采样点，并计算各前导脉冲的平均功率值；另抽取没有前导脉冲位置，即0.5 μs～1.0 μs、1.5 μs～2.0 μs、3.0 μs～3.5 μs、4.0 μs～4.5 μs内的所有采样点，并计算各时间段内的平均功率值；然后依据1090ES ADS-B消息信号能量分布特点，做相应标准能量比较。

S3：前导脉冲位置检测

前导脉冲位置检测包括三部分内容，具体步骤如下：

S31. 初次前导脉冲位置检测。

在采样时刻，检测到“和值”移位寄存器中存储的数值递增，且前导部分前5 μs内脉冲能量比较结果符合1090ES ADS-B消息前导脉冲位置信号能量分布，则输出初次前导脉冲位置标志。

S32：二次前导脉冲位置检测。

在初次前导脉冲位置标志时间内，检测到“和值”移位寄存器中存储的数值由大到小变化，则输出二次前导脉冲位置标志。

S33：最终前导脉冲位置检测。

当匹配4个前导脉冲位置采样点的信号能量幅度“和值”最大时，则检测到符合1090ES ADS-B消息标准的5 μs前导脉冲，输出最终前导脉冲位置标志。即二次前导脉冲位置标志的脉冲上升沿，可定为有效前导脉冲位置标志。图3所示为1090ES ADS-B消息前导脉冲位置检测流程图。

S4：前导脉冲参考功率的次大值和次小值。

图4所示为前导脉冲参考功率次大值和次小值计算流程图。

图4 前导脉冲参考功率次大值和次小值计算流程图

当检测到最终前导脉冲位置标志时，分别求4个前导脉冲内信号能量幅度的平均值，即脉冲的平均功率值。去除4个前导脉冲中平均功率值最大的和最小的，将剩余的2个平均功率值作为前导脉冲参考功率的次大值和次小值。

S5：前导脉冲位置验证。

验证检测前导脉冲位置标志有效性，分为以下三部分：

S51：前导脉冲功率一致性验证。

分别将前导脉冲参考功率的次大值和次小值按一定比例放大和缩小作为参考比较门限，与检测到的4个前导脉冲的平均功率值做比较。若符合1090ES ADS-B消息标准前导脉冲位置信号能量分布要求，则进行S52部分验证；否则验证错误，前导脉冲位置标志无效。

S52：前导部分后3 μs能量验证。

分别将前导脉冲第3.5 μs和4.5 μs处的脉冲平均功率值和5.0 μs至8.0 μs内的能量进行比较。若符合1090ES ADS-B消息标准前导脉冲位置信号能量分布要求，则进行S53部分验证；否则验证错误，前导脉冲位置标志无效。

S53：DF字段脉冲功率一致性验证。

将1090ES ADS-B消息数据部分中DF字段内各脉冲平均功率值和S51中的两个参考门限做比较。若符合1090ES ADS-B消息标准数据部分信号能量分布要求，则通过验证，前导脉冲位置标志有效，否则无效。

S6：交织后再触发。

实际应用中会存在信号交织的现象[8-9]，即后一帧1090ES ADS-B前导脉冲交叠于前一帧，使得前后帧的信号幅度相互干扰，从而影响前后帧的接收处理。若前后帧的各脉冲信号能量相近，则很难提取有效的数据块信息。本文只针对后一帧强信号交织于前一帧弱信号交织后再触发的情况，而后一帧弱交织于前一帧强的情况无需再触发。

假设后强信号帧B的前导脉冲交织于前弱信号帧A内部时，本文采用交织后前导脉冲位置再触发检测方法，具体步骤如下：

S61：交织后前导脉冲位置标志检测。

重复S1到S3步骤，和前面所述完全相同，使用相同的功能模块处理，从而确定再触发后有效前导脉冲位置。

S62：交织后前导脉冲参考功率的次大值和次小值。

交织后4个前导脉冲能量的提取与比较，与S4提取策略相同。区别之处在于选用一组再触发寄存器分别存储后一帧前导脉冲参考功率的次大值和次小值。

S63：交织后再触发判断取舍。

判断帧B有效前导脉冲的参考功率次小值是否大于2.5倍的帧A有效前导脉冲参考功率次大值，如果是，则得出帧B为强信号，交织于弱信号帧A，舍弃帧A的有效前导脉冲，保留帧B的有效前导脉冲；否则，舍弃帧B的有效前导脉冲，保留帧A的有效前导脉冲。

S64：交织后前导脉冲位置验证。

重复步骤S5，选择交织后前导脉冲参考功率的次大值和次小值按一定比例放大和缩小作为参考比较门限验证。

本文提出的交织后再触发检测方法适合于强弱信号相互交织情况，而能量相近的交织情况，在经过S3检测后，直接丢弃相互交织的前后帧。可以看出本文提出的交织后再触发检测方法，当后一帧B信号能量足够强时，可以检测出图5所示的三种完全重叠交织情况[1-2]。

从上述分步说明可知，本文提供的前导脉冲检测方法，其核心步骤为：有效前导脉冲位置的确认、前导脉冲参考功率次大值和报文参考功率次小值的计算、前导脉冲位置验证和交织情况判断及取舍。

3 功能测试和仿真

1090ES ADS-B接收机平台选用了Altera公司的FPGA芯片，型号为EP3C40F484。采用Quartus II软件对程序做板级调试，通过Signal Tap II抓取实际1090ES ADS-B消息信号，生成仿真工具调用的数据源文件。采用Mentor 公司的ModelSim SE 6.5软件对数据源文件做功能验证仿真。

3.1 Signal Tap II信号提取

通过Signal Tap II触发，提取了一帧1090ES ADS-B消息，如图6所示。其中，信号“①”和“②”为两路信道提取的同一帧70 MHz ADS-B消息已调制信号；信号“③”和“④”为两路信道解调出的1090ES ADS-B数字基带信号。从该图可以看出，通过前导脉冲位置验证触发，可有效提取1090ES ADS-B消息。

图5 1090ES ADS-B前导脉冲完全交织情况

图6 Signal Tap II提取1090ES ADS-B消息信号

3.2 ModelSim SE 6.5仿真源

在ModelSim中调用数据源文件，生成1090ES ADS-B消息信号，如图7所示。可以看出，由于受到外界信号干扰，解调出的前导脉冲信号幅度上下波动显著，因此很容易影响前导脉冲上升沿标志、有效脉冲位置标志和下降沿标志的有效提取，从而引起漏检问题。

图7 ModelSim SE 6.5生成的1090ES ADS-B消息信号

3.3 前导脉冲位置检测标志

图8所示为经过前导脉冲位置检测生成的标志信号图。其中，801为一帧1090ES ADS-B消息前导部分，802为初次前导脉冲位置标志，803为二次前导脉冲位置标志，804为有效前导脉冲位置标志。

图8 前导脉冲位置检测各标志

3.4 交织时前导脉冲位置检测标志

图9所示为交织时前导脉冲位置检测标志图。其中，I处为前一帧弱信号前导脉冲的有效脉冲位置，II处为后一帧强信号前导脉冲的有效脉冲位置。从图中可以看出，该检测方法有效地检测到交织后前导脉冲，并生成相应的标志。

图9 交织时前导脉冲位置检测各标志

4 结论

本文提出的检测方法为一种能量动态匹配检测方法，具有更高检测概率，有效减少因信噪比降低而引起漏检率上升问题；检测交织的时间范围大，从检测到前一帧消息的前导脉冲位置后就开始交织点检测，直到前一帧信号所有数据位结束。该检测方法既适用于不存在交织时的前导脉冲检测，也适用于存在交织时的前导脉冲检测，适用范围广。