低成本實現(xiàn)1090ES模式ADS—B監(jiān)控的方法

摘 要：近年來國內民航界面臨著飛行架次增長和遲緩的運行監(jiān)視手段無法滿足大流量監(jiān)控的直接矛盾，為有利于空中交通管理的開展，開始引進基于GPS系統(tǒng)的1090ES模式ADS-B技術，雖然成本比一、二次雷達大幅下降，但就中小機場的現(xiàn)況需要更高效低投入的ADS-B監(jiān)視方案。文章使用大量民用設備和相關技術對1090ES模式ADS-B信號進行接收，軟件定義無線電（SDR）手段進行解調，然后以地圖軟件作為顯示終端，圖形化顯示飛機位置和相關狀態(tài)信息，達到低成本、擴展性強且效果好的ADS-B接收顯示方案。

關鍵詞：1090ES模式；ADS-B；軟件定義無線電；航空器監(jiān)控

1 背景及需求

大型航空公司對本公司航班的監(jiān)控方法較多且基本成熟，但無法監(jiān)控本公司以外的其他飛機實時狀態(tài)，對于小型航空公司由于資金和技術方面的制約，特別是通用航空對于機載設施并不豐富的飛機實施監(jiān)控更加困難。隨著國內飛機架次和航班量的迅猛增長，通用航空也取得了長足發(fā)展，國內民航界已經(jīng)面臨著飛行架次急劇增長和較遲緩的運行監(jiān)視手段無法滿足大流量監(jiān)控的直接矛盾，所以近年來開始大力引進基于GPS系統(tǒng)的ADS-B技術[1]，通過數(shù)據(jù)鏈形式改變被動監(jiān)視為主動報告形式進行監(jiān)控，雖然成本已比一二次雷達大幅降低，但對于尤以低成本運營為本的通用航空建立完整的接收顯示系統(tǒng)仍是可觀的支出，而對于國內眾多重視成本的中小機場更是需要低成本監(jiān)控航班的手段。

由此，文章通過可利用的大量民用設備和相關技術進行綜合調試，找到了一種適合上述背景需求且高效低成本接收監(jiān)視飛機1090ES模式ADS-B信號的解決方案，可為民航空管監(jiān)視工作增加輔助可行的運行手段。

2 技術及方法

2.1 技術介紹

ADS-B 是廣播式自動相關監(jiān)視（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast）縮寫，它主要實施空對空監(jiān)視，一般情況下，只需機載電子設備（GPS接收機、數(shù)據(jù)鏈收發(fā)機及其天線、駕駛艙沖突信息顯示器CDTI），不需要任何地面輔助設備即可完成相關功能，裝備了ADS-B的飛機可通過數(shù)據(jù)鏈廣播其自身的精確位置和其他數(shù)據(jù)（如速度、高度及飛機是否轉彎、爬升或下降等）[2]。ADS-B接收機與空管系統(tǒng)、其他飛機的機載ADS-B結合起來，在空地都能提供精確、實時的沖突信息，民航管制部門可根據(jù)所顯示飛機信息對其進行相應的監(jiān)視和管理[3]。

SDR是軟件定義無線電（Software Defined Radio）的縮寫，它基于軟件定義的無線電通信協(xié)議而非通過硬連線實現(xiàn)。換言之，頻帶、空中接口協(xié)議和功能可通過下載和更新軟件來升級，而不用完全更換硬件。SDR 針對的就是構建多模式、多頻和多功能無線通信設備的問題[4，5]。

綜上已知的民用電子技術，文章的方案就是以簡單易得的多模式寬頻信號接收裝置——電視棒及SDR軟件取代專業(yè)ADS-B接收系統(tǒng)的接收和調制解調功能，再通過TCP/IP連接數(shù)據(jù)及位置顯示軟件達到從接收、解調、處理、直至顯示1090ES模式ADS-B信號的目的。之所以能夠很容易的跟蹤飛機，是因為航空CNS標準是公開的（脈沖位置，相對幅度等），CNS系統(tǒng)中使用明文傳輸信息（112個未加密的脈沖字），因此得以很容易的監(jiān)聽飛機以及地面站發(fā)射的信號，并解碼。并且得益于微電子技術和通信技術的飛速發(fā)展，目前接收各種空間信號一般由兩顆芯片就可完成，一顆稱之為tuner，另外一顆為解調器。tuner的作用是將指定頻率和帶寬的信號進行放大、變頻、濾波等，送給解調器芯片。解調器芯片首先把信號進行A/D采樣數(shù)字化，而后根據(jù)指令對數(shù)據(jù)進行相應的運算處理，輸出視頻碼流，聲音，數(shù)據(jù)等播發(fā)的信息。既然電視棒已經(jīng)可以完成對大多數(shù)信號的解調，那么就可對調制方式不是很復雜的ADS-B脈沖進行處理。

2.2 實現(xiàn)

2.2.1 電視棒的安裝

首先需要一根支電視棒， 有很多種支持RTL-SDR的電視棒，它們的共同特點是采用了RTL2832U解調芯片，因此此類基于電視棒的SDR方法統(tǒng)稱為RTL-SDR。此方法支持如下幾種tuner芯片（如表1）：

本次使用的是RTL2832U+R820T 電視卡，在連接電腦后需安裝zadig破解驅動，達到兩個作用：（1）擴頻，由于電視卡自帶驅動是專用解調電視信號頻段（49.75～951.25MHz），不能對應ADS-B的1090MHz，需通過全頻段可控的驅動進行調諧。（2）zadig驅動可制定數(shù)據(jù)的輸出端口，方便與其后各軟件的聯(lián)接。

2.2.2 ADS-B信息解調

信號接收后，使用ADS-B數(shù)據(jù)鏈解調軟件RTL1090進行處理。zadig驅動將數(shù)據(jù)通過TCP/IP協(xié)議方式從端口30003輸出，所以需要RTL1090打開30003端口數(shù)據(jù)。

可將RTL1090.exe文件建立一個快捷方式，右鍵單擊快捷方式-屬性-在目標后面加上空格/30003（如圖1）。

執(zhí)行RTL1090.exe，選擇mode-s 其余默認，這時會看到很多行的數(shù)據(jù)在刷新，說明已經(jīng)有數(shù)據(jù)了。

結合軟件對每列數(shù)據(jù)意義的簡寫說明，基本上可以明晰所接收飛機ADS-B信息的含義：

ICAO-16進制表示的每架飛機ICAO注冊號；C/S-飛機呼號；ALT.MCP -100英尺高度（單位：100英尺）；V/S-垂直速度（單位：100英尺/秒）；GS-地速（單位：節(jié)）；TT-真航向（單位：度）；SSR-A模式下應答機編碼；G-在地面。

數(shù)據(jù)顏色含義：棕色-正在下降；藍綠色-正在上升；以紅框閃爍-緊急狀態(tài)；紅色-TCAS警告；紫色（僅在ICAO欄）-意圖改變（如：高度重置、VHF頻率改變、自動駕駛儀模式變化）；黃色（僅在SSR欄）-發(fā)射應答設別脈沖（SPI）；橙色（僅在SSR欄）-應答編碼改變時進行警示[6]。

2.2.3 信息的地圖顯示

RTL1090數(shù)據(jù)使用 TCP /IP方式傳輸，端口為31001， 在PlanePlotter中有專門的設置可方便使用者連接31001端口，只需選擇以RTL dongle方式傳輸mode-s數(shù)據(jù)，PlanePlotter就可自動鏈接此端口。

關于接收位置，因為飛機發(fā)射的信號脈沖都很強（千瓦-us量級），但由于是數(shù)字脈沖信號，而且屬于分米波傳播，所以衍射作用要差一些，最好選擇空間開闊、無大型障礙物的位置架設接收天線，作者在樓房把天線放在窗臺的玻璃外可以接收到信號。

圖2是作者在北京管莊地區(qū)（東五環(huán)外）在10米高度、較開闊的窗口位置架設天線所接收到信號，通過RTL1090傳輸數(shù)據(jù)，在PlantPloter上顯示的圖像。黃色飛機圖標說明接收到了正確的ADS-B信號，并在每架飛機旁邊將ICAO注冊號、呼號、高度（可選擇單位：英尺、米）、航向、地速等信息實時刷新顯示，藍色框飛機圖標說明接收到了飛機信號，但由于接收效果不好或是發(fā)射端問題信息不能正確編譯。從顯示的飛機可以看到可接收的飛機數(shù)量還是較多的，接收質量也不錯，飛機所處位置和相關信息一目了然，但由于架設高度較低且位于居民樓中，所以對遠距離、高度低的飛機接收效果有限。

3 改進及總結

為了滿足更高接收質量，更大范圍，可以從以下幾方面對方案進行優(yōu)化，達到更好效果：（1）改進天線架設環(huán)境：提高高度、選擇視野開闊無遮擋的凈空，可以很大程度上改善效果，實現(xiàn)對更廣范圍和更多高度的監(jiān)視覆蓋。（2）ADS-B使用垂直極化信號，所以可針對這一特性，使用專門天線，可以改善接收效果。（3）RTL-1090具有多接收拓展功能，為了擴大信號接收范圍，可架設多個天線，并且都連接在一部電腦上，這樣既節(jié)省了多終端和需服務器交聯(lián)的成本，又可直接將更多的信號一次引入顯示。連接圖例和端口設置如圖3。

參考文獻

[1]中國民用航空局.中國民用航空ADS-B實施規(guī)劃[Z].2012.

[2]中國民用航空局.MH/T4036-2012.1090MHz擴展電文廣播式自動相關監(jiān)視地面站（接收）設備技術要求[S].2012.

[3]WALLACE E.Kelly III，Rockwell Collins，Conflict detection and alerting for separation assurance systems[C].1999 Digital Avionics Systems Conference，St.Louis，Mo.USA，1999.

[4]郭彩麗，張?zhí)炜久瘢?認知無線電關鍵技術及應用的研究現(xiàn)狀[J].電信科學，2006（8）：50-55.

[5]Joseph Mitola.Cognitive Radio-An Integrated Agent Architecture for Software Defined Radio[D].Royal Inst.Technol.（KTH），Stockholm， Sweden，2000.

[6]rtl1090.web99.de.RTL1090 Installation and Operating Manual[Z].2013.