基于USRP教学平台的ADS-B接收实验设计与验证

陈翔 陈志浩 农姗珊

[摘 要] 随着软件无线电技术的成熟与普及，依托软件编程实现通信原理实验的基础教学已成为高校通信工程类专业相关实验教学的不二选择。依托通用软件无线电硬件平台（Universal Software Radio Peripheral，USRP）为基础的教学平台，围绕系统性通信原理教学内容创新与案例设计需求，引入当今航空界主流的空中交通管制监视技术——广播式自动相关监视（Automatic Dependent Surveillance Broadcast，ADS-B）技术为学习与实践目标，完成了ADS-B航空通信收发技术实验的设计与验证。在实验案例中，重点讨论了多普勒频偏和设备频率稳定度对系统性能的影响，完成了涵盖航空器ADS-B数据采集、报文解析、数据库存储、实时定位、航迹展示等完整的实验内容设计。通过教学案例的设计，满足了“通信原理实验”扩展性设计实验教学的需要，为基于USRP平台的教学实践提供了一个鲜活的应用案例。

[关键词] 通信原理实验;广播式自动相关监视;软件无线电外设;航空器定位

[基金项目] 2019年度教育部——NI产学合作协同育人项目“基于USRP的ADS-B数据接收与分析研究”（201902219023）

[作者简介] 陈 翔（1980—），男，湖南长沙人，博士，中山大学电子与信息工程学院副教授，主要从事无线与移动通信、卫星通信、物联网研究;陈志浩（1999—），男，广东梅州人，中山大学电子与信息工程学院2017级通信工程专业本科生，研究方向为无线通信;农姗珊（1995—），女，广西百色人，中山大学电子与信息工程学院2017级微电子学与固体电子学专业硕士研究生，中山大学助理实验师，研究方向为数字集成电路设计。

[中图分类号] TN911.72   [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324（2021）52-0065-04  [收稿日期] 2021-04-27

一、引言

实验教学平台[1]是通信工程学科实验教学内容建设的核心载体，是学科和信息技术深度融合的产物。恰当的教学平台选择，将激发学生对理论知识进行实际探索的极大好奇心，也为培养通信工程类专业学生综合素质提供极大支撑。

传统基于硬件模块的集成化实验箱固化了实验内容，限制了学生的思维。而软件无线电思想的提出，为通信工程实验教学带来了新的思路[2]。在引入通用软件无线电外设（Universal Software Radio Peripheral，USRP）后，以USRP为基础的通信工程实验教学平台得到了不断的发展。在如何牵引更多学生在系统设计实验阶段做更多尝试的思路指引下，前期已经有了在AIS、RFID、MIMO信道测量上的有效探索。为进一步丰富系统设计实验内容，牵引更多专业学生的实验探索兴趣，本文尝试在USRP平台中嵌入当今航空界主流的空中交通管制监视技术——广播式自动相关监视（Automatic Dependent Surveillance Broadcast，ADS-B）技术[3]实验作为教学目标，设计了2周共计8学时的系統实验教学内容，在已有的通信接收机框架下，完成ADS-B信号解调、报文解析与应用呈现[4]，并提炼了教学中的难点，深化了学生的通信系统观念。

二、实验案例设计牵引

（一）ADS-B介绍

早期航空界使用二次雷达作为空中交通管制的主要监视手段，但随着航空业的发展，二次雷达的缺陷也愈发严重。为了更好地维护空中秩序，ADS-B技术应运而生。ADS-B技术是一种精度更高、价格更低、适用范围更广且监视能力更强的技术，逐渐得到各国的广泛应用[5]。

ADS-B技术在我国也得到了长足的发展和应用。飞常准（VariFlight）航班出行服务App便使用了ADS-B实时跟踪技术。此外，由于ADS-B信号是广播式信号，USB dongle模块配合相关软件即可对航空ADS-B信号进行接收，监测航班的飞行情况。因此，利用航空器天然的吸引力，以及USB dongle的业务展示能力，我们在课堂向学生演示接收效果，并讲述ADS-B系统基本原理，从而引导学生自主完成相关核心模块的搭建。

三、实验案例内容设计

（一）ADS-B信号原理性讲解

ADS-B信息格式依据RTCA DO-260B[6]标准射频标准频率为1090MHz，带宽2MHz，广播总长120μs，包含8μs的帧头和112μs的数据位。数据位由DF、CA、AA、ME和PI共5个字段组成，如表1所示。

（二）ADS-B信号的产生与接收验证

1.ADS-B信号的产生。机载设备获取要广播的除PI字段外的数据位后，进行CRC生成校验码和PPM编码，加上帧头，经由2ASK调制后将信号向外广播[7]。通过上述对信号产生过程的讲解，将使学生对该通信协议有一定的理解。

2.USB dongle接收验证。在牵引学生兴趣的基础上，我们将USB dongle作为验证的方式，从而对自主设计接收机的实验结果有一定的预期。以图1为例，我们在教学实验室现场接收了若干航空器ADS-B信号。学生通过自主设计实现对ADS-B的信号接收，将结果与图1进行比对，将有效验证实验结果的正确性。

（三）ADS-B接收机的设计

1.接收机设计原理。接着，将依托USRP+LabVIEW架构，设置1090MHz为中心频点对空中信号进行接收，并送至上位机获取采样数据，对信号进行帧同步、解调、解码等处理，得到原始报文并解析，建立数据库，最后完成航迹展示功能。

2.核心模块。该接收机核心模块包括：帧同步、CRC校验、报文解析、数据存储等模块。学生通过给出的接收机基本框架，完成核心模块内部逻辑和接口的设计，即可搭建完整的ADS-B接收机，如图2所示。

3.报文解析过程。报文解析模块是最为核心的模块，它包含了对于各种类型信息的解析过程，决定了在获取原始报文后能否解析出正确结果。

在数据位中，ME字段的前5位为TYPE位，决定了ME字段包含信息的类型。主要类型包括“航班号、空中位置、速度、飞行器状态”等[7，8]。根据不同的信息类型，通过协议标准中的定义，学生可以学习不同信息类型的编解码算法并动手实现，完成报文解析。表2为教学实验室本地解析报文示例。

4.扩展应用设计。为更直观、准确地验证实验结果的正确性，达到与商用软件类似的效果，我们通过API接口在LabVIEW中嵌入开源地图，可实现简单的航迹显示UI。对实时数据的接收、解析和航迹展示，可以让学生从引发兴趣到亲自实践完成，不仅在实践中更充分地掌握理论知识，积累在USRP和LabVIEW上的开发经验，更能引导学生对通信学科有更深的理解。图3展示了实际接收的ADS-B信号中包含的经纬度变化信息。

四、本实验内容难点解析

（一）频偏矫正

信号在航空器高速运行的情况下会出现多普勒效应[9]，同时，USRP平台存在时钟源的晶振频率偏差为2.5ppm。针对这些特点，需要考虑ADS-B信号的频偏问题。一帧ADS-B信号的最大频偏为：

（二）UI的友好性设计

在搭建完整的ADS-B接收机链路的前提下，如何更好地展示实验成果对于实验教学的作用也是一个重要方面。对于UI设计而言，需要做到的是：整体美观、操作简单、重点信息突出等。友好的UI设计，能够体现学生对于实验思路的充分理解和系统性认知，培养学生综合性的实操能力。

五、实验案例效果和展望

（一）实验案例效果

本文以系统实验设计为中心目标，在基于USRP的实验教学平台上，重点规划了ADS-B接收系统的实验内容方案，设计了完整的实验内容，并给出了系统实现难点，通过对比分析商用模块与自主设计接收机实现结果，引发学生思考，拓宽了学生的通信系统和协议知识面，锻炼了学生的系统实践能力。

本实验内容已嵌入笔者所在学院2018级学生课堂教学环节中。在120人的教学班级中，超过10%的学生选择将此实验内容作为扩展系统设计部分选题，虽然难度较大，但在教师和助教的协助指导下，达到了总体完成度90%的良好结果。

（二）未来展望

ADS-B接收实验的设计与验证通过鲜活的例子，起到了牵引学生系统实践兴趣的作用。但受限于外场实验条件和硬件设备的限制，如何与线上“虚拟化”仿真结合将是我们未来尝试的方向。事实上，基于USRP教学平台的教学案例，目前已经覆盖了无线通信的“空—天—地—海”多种场景，而围绕无线通信信道的虚拟仿真项目也通过我们的前期建设上线。未来，我们将把ADS-B接收实验与无线信道虚拟仿真结合，突破“时空限制”，让学生“虚实结合”地感受无线通信的魅力。

参考文献

[1]孙晓燕，刘正堂.构建创新实验教学平台的实践与探索[J].实验室研究与探索，2006（4）：489-491.

[2]王秀芳，高丙坤，王冬梅，等.通信原理实验教学体系的建设[J].实验技术与管理，2006（12）：15-17.

[3]彭福洲，陈翔，刘敏，刘慧怡.基于USRP的多天线信道测量教学平台实现研究[J].教育教学论坛，2020（6）：53-57.

[4]Martin Strohmeier， Matthias Sch？覿fer， Vincent Lenders， et al. Realities and Challenges of Nextgen Air Traffic Management： The Case of ADS-B[J]. IEEE Communications Magazine，2014，52（5）：111-118.

[5]ABDULAZIZ A， YARO A S， ADAM A A， et al. Optimum Receiver for Decoding Automatic Dependent Surveillance Broadcast （ADS-B） Signals[J]. American Journal of Signal Processing，2015，5（2）：23-31.

[6]RTCA. Minimum operational performance standards for 1090 MHz extended squitter automatic dependent surveillance-broadcast and traffic information services-broadcast（TIS-B）：DO-260B[S]. Washington DC： Radio Technical Commission for Aeronautics，2009.

[7]劉丹阳.实时ADS-B信号接收机的设计与实现[D].天津：中国民航大学，2017.

[8]梁山，王运锋.二次雷达C模式编解码实现[J].电讯技术，2010，50（2）：84-88.

[9]钟锡华.多普勒频移的普遍公式[J].大学物理，1995（10）：16-18.