基于单站ADS-B测向技术的防欺骗系统研究

杨志强刘爱森

(四川九洲空管科技有限责任公司,四川 绵阳 621000)

0 引言

阵列天线的单站ADS-B 测向体制采用干涉仪测向技术,因其测向精度高、灵敏度高、结构简单、原理清晰以及硬件实现容易,特别适合采用现场可编程门阵列(FPGA)实现测向算法。

1 相关干涉仪测向原理

相关干涉仪原理是将阵列天线接收信号之间的相位差矢量与本地建立的样本库相位差矢量依次相关,相关后的最大相关系数对应的方位角和俯仰角为来波信号的到达角估计值。为同时计算出来波信号的方位角和俯仰角,天线阵列采用圆阵列,图1为圆阵列的几何结构。

图1 均匀圆阵几何结构

图1 中为阵元个数,为圆阵列的半径,()=()e ,为频率是的来波窄带信号,来波信号到达天线阵列的俯仰角和方位角分别是和。以原点作为参考坐标点,任意一个阵元接收到的信号滞后于信号到达参考点的时间为τ,阵元接收到的信号为:

式中:n ()为高斯白噪声,且(n ())=0,(n ())=。

τ表示为:

相应的相移为:

以上为相位差矢量与入射角度的关系,在建立样本库时,将方位角和俯仰角按上式依次递增,得到样本相位差矢量库。

2 ADS-B防欺骗系统方案仿真设计

2.1 天线孔径设计

理论上增大天线孔径可得到更高测向精度,但增大天线孔径同样带来相位模糊的影响,因此为仿真得到系统的最佳天线孔径,选定7个阵元,并在表1的条件下仿真天线孔径大小对测向精度的影响。

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表1 实验条件

实验结果如图2所示。

图2 不同天线孔径下的测向均方误差

通过图2 分析,七元阵列的最佳半径为=0.495 m(此时测向精度为0.6°),

2.2 阵元数量设计

为仿真得到系统的最佳阵元数,选定天线孔径为0.495 m,并在表1的实验条件下分别仿真5个、7个以及9个阵元数在不同信噪比下对测向精度的影响,测向均方误差与天线阵元数量的关系如图3～5所示。

由图3和图4可知,天线阵元数由5个增加到7个时,测向精度有较大的改善。由图4和图5可知,天线阵元数由7个增加到9个时,测向精度改善并不大,考虑增加1个通道对硬件成本提升很大,因此本次设计采用七元阵列。

图3 不同信噪比下的测向均方误差(阵元数为5)

图4 不同信噪比下的测向均方误差(阵元数为7)

图5 不同信噪比下的测向均方误差(阵元数为9)

3 ADS-B防欺骗系统设计

3.1 天线阵列设计

根据仿真分析可设计天线阵列,如图6所示。

图6 ADS-B天线系统设计框图

图6中,天线阵列的半径为0.495 m,阵元间距0.43 m。图中天线1～天线7为ADS-B 防欺骗系统的七元阵列天线,圆阵的中心天线用于天线阵列的校准,中心天线辐射信号,天线1～天线7接收,可用矢量信号分析仪测得各个通道的延时,在后续信号处理中加入固定延时即可。

3.2 系统原理

该方案通过阵列天线提取ADS-B 接收信号的空间方位,便于真实信号的接收译码和虚假干扰信号的抑制,原理如图7所示。

图7 基于阵列天线的ADS-B抗干扰防欺骗系统原理

该方案具备很高的方位测角精度,并能够真正实现虚假信号分离能力,是最能适应目前市场需求的单站ADS-B抗干扰防欺骗解决方案。

3.3 硬件实现

DOA 硬件总体上分为射频通道、数字处理以及服务器三部分,见图8。射频部分由接收信道处理组成,数字部分由数字采集、数字波形产生以及信号处理等部分组成。另外系统对空联调还需加装天线和PC服务器完成点航迹处理、译码以及显控。

图8 DOA 的硬件架构

该射频前端接收通道数为7。7路接收通道接收天线的ADSB信号,放大滤波并通过本振源下变频到60 MHz中频,信号处理板以210 MSPS采集信道输出的中频信号,进一步通过FPGA 实现测向算法,并将信号的幅度相位和测向方位信息送到PC端进一步处理。

测向系统对通道一致性要求很高,因此系统设计增加了自校准功能。图8中数字波形产生数字中频自检信号,中频自检信号通过本振源上变频到1 090 MHz,上变频后的自检信号通过自检分配网络分别送入7通道射频前端,通过FPGA 实现校准算法并完成通道的自校准。

3.4 相关干涉算法FPGA 实现

经过对相关干涉仪算法的分析可以发现,虽然运算量大,但是算法本身比较简单,适合用FPGA来实现,因此,项目采用FPGA 实现高速和高精度的相关计算。

如图9所示,天线阵接收外界的ADS-B射频信号,经接收信道部分变频为中频信号,再由7路模数转换器(ADC)进行同步采样,采样数据做快速傅里叶变换(FFT)处理后计算出信号的相位,最后进行相关干涉仪测向处理得到信号的方位角和俯仰角。

图9 FPGA 测向实现方案

XILINX 公司提供了功能强大的设计和多种辅助设计工具。在使用ISE 进行设计时,可以在各个阶段增加约束条件以便对整个流程进行控制来满足设计时序的要求,设计比较复杂,因此设计过程中安排管脚和设置区域是非常重要的。

4 结束语

本文从工程实际出发,依据仿真结果,提出了一种应用在ADS-B防欺骗系统的圆阵测向天线设计方案,并进一步给出了ADS-B 防欺骗系统实现方案。在此方案的基础上,详细设计了系统的硬件架构以及基于FPGA 的相关干涉测向的信号处理实现流程,实现了基于阵列天线的ADS-B抗干扰防欺骗系统的原型系统方案,具有重要意义。