一種ADS-B地面站自動測試系統的設計與實現

四川九洲空管科技有限責任公司 段 煜 海 灝

1.概述

新航行系統是一個以衛星全球通信、導航、監視加上自動化的空中交通管理的系統，其中監視系統新增的技術手段有自動相關監視（ADS）技術手段，并計劃在空中交通管理領域普遍使用。

ADS-B（Automatic Dependent Surveillance–Broadcast）即廣播式自動相關監視技術，是自動相關監視中的重要組成部分。“自動”即不需要飛行員或外部驅動，“相關”即數據來源于飛機導航系統的。飛行器通過衛星導航確定其位置信息（經緯度、幾何高度），結合飛行器自身的信息（S模式地址、航班號、發射機類型、大氣壓高度、模式A代碼、飛機運行狀態等）組成不同類型的報文，對空間進行周期廣播，空中交通管制地面站或機載端可以接收這些信息，從而對飛行器進行監視。

ADS-B從信號物理鏈路來說分為兩種技術體制：

1）UAT（universal access transceiver），即通用訪問收發機，是一種數據鏈通信技術，主要用于通用航空領域。

2）1090MHz ES（extended squitter），即1090兆赫擴展斷續振蕩器，是與擴展型S模式信號格式一致的數據鏈通信技術，主要用于軍民航領域。

ADS-B從功能上分為OUT和IN兩種功能：

1）ADS-B OUT功能是飛行器實時周期廣播本機相關信息，物理載體為機載端設備。

2）ADS-B IN功能主要是接收飛行器“ADS-B OUT”信息，有部分ADS-B接收設備具有額外接收S模式信號的功能（如九洲空管科技的1090ES地面站），物理載體為機載端設備和地面接收設備。

本文只討論為1090MHz ES地面站（后文簡稱“地面站”）設計自動測試系統。

2.現狀及需求分析

國際上，多個發達國家已經實現國內主要空域的ADS-B信號監視的全覆蓋，中國也于2017年內大面積加裝地面站，一共300多個站點，地面站700余套，覆蓋國內主要航路和終端區。

由于地面站的大量使用，其研制、生產、驗收、日常維護、定期巡檢工作中面臨大量的測試檢驗工作。地面站屬于接收設備，需要對其功能及性能進行測試，由于ADS-B信號自身的復雜性，使得對其開展一次詳細的測試需要搭建比較復雜的環境，開發大量的測試用例，耗費大量時間測試、記錄被測件數據輸出以及結果分析比對。

為了滿足地面站的詳細功能性能測試需求，同時考慮便捷測試環境的搭建以及測試工作的高效性、準確性、可重復性，決定研制地面站自動測試系統。

3.設計原理

3.1 設計依據

地面站測試系統設計的依據分別美標DO-260B[1]、歐標ED-129[2]、中國民航MH/T 4036-2012[4]標準要求進行設計。其中DO-260B為機載ADS-B設備最低性能標準，用于參考ADS-B標準信號和測試信號的定義，以及部分測試方法；ED-129為ADS-B地面站最低性能標準，用于參考地面站的功能性能標準及部分測試方法；MH/T 4036-2012為中國民航制定的ADS-B地面站性能標準，用于確定地面站功能性能指標定義及測試項目。

3.2 自動化測試

ADS-B地面站屬于被動響應設備，根據目標信號輸入進行響應，輸出相應的數據，在工作中無需人為控制或參與。因此，所有的測試過程中也不需要人為對地面站進行操作或配置，只需將設計好的測試用例按照順序一一輸入地面站，接收并分析對應輸出的目標數據，便可實現全程自動化測試。

3.3 測試原理

ADS-B地面站測試系統用于對地面站進行系統級功能性能測試，即對其進行黑盒測試，測試系統作為測試床，地面站作為被測件。測試系統為地面站提供特定的測試激勵輸入，使其工作在相應的狀態，并輸出響應數據。通過對地面站輸出響應數據與期望數據的比較，計算分析出地面站的功能性能指標，從而評估地面站的功能及性能的標準符合性。

其中測試激勵為射頻信號，從地面站的天線端口進行注入，正常情況下為1090MHz的ADS-B報文。響應數據為網絡數據，是地面站輸出的CAT021報文[3]或原始報文。功能基本測試模型如圖1所示。采用該測試模型可完成地面站主要功能和性能的測試，需要注意統計型測試用例，根據DO-260B的要求注入的測試用例樣本量應不小于1000個。

在測試過程中需要注意的是地面站有兩種報文輸出驅動模式，一種是周期驅動（Periodic Driven），另一種是事件驅動（Event Driven）。地面站工作于周期驅動模式時，周期輸出收到的目標數據。地面站工作于事件驅動模式時，當接收到有效的目標射頻信號后，立即輸出CAT021數據。而測試地面站時需要地面站實時響應測試激勵，否則無法判斷接收數據的正確性以及地面站的處理延遲，因此在地面站進行測試時，需要將地面站設置為事件驅動工作模式。

圖1 功能基本測試模型

抗干擾能力是地面站的重要指標之一，考量地面站的譯碼能力，即在正常ADS-B射頻信號被其他信號干擾的情況下，通常是指同頻干擾，地面站應具有一定的目標接收能力。干擾主要分為同步干擾和異步干擾兩種：同步干擾是指與正常ADS-B信號具有同步時間關系的干擾信號，同步干擾可能在正常信號之前、之后或疊加；異步干擾是指在時間上位置隨機出現或者與正常信號相對位置隨機的干擾信號。同頻干擾信號的類型主要有連續波、單脈沖、模式A/C、模式S及DME信號，這些干擾均會對地面站的接收處理造成一定的影響，其測試模型如圖2所示。

圖2 地面站抗干擾能力測試模型

在模擬同步干擾時，需要ADS-B信號源與干擾信號源發射的信號在時間上具有同步關系，兩個信號源應具有同步接口，而模擬異步干擾時則需要干擾信號源與ADS-B信號源具有隨機關系。

4.設計實現

結合地面站的測試需求、測試模型以及用戶實際需求，選用如下硬件組成測試系統，其組成見表1。

表1 測試系統組成

為實現自動化測試，需要開發基于計算機的顯示控制軟件，控制硬件進行自動測試。計算機用于顯示控制軟件運行，采用基于總線控制的技術，控制兩種信號源模擬測試激勵信號，注入地面站。計算機通過以太網接收地面站輸出的CAT021報文，進行記錄和分析，得出測試結果。

測試系統軟件具體工作原理如圖3所示。

圖3 測試系統軟件工作原理圖

用戶通過人機接口（測試系統顯控軟件）配置測試系統，選擇相應的測試項目。系統軟件根據用戶的測試選項，生成相應的測試用例數據，通過系統的射頻硬件分別生成ADS-B目標信號及干擾信號，合成為測試射頻信號，通過地面站天線接口注入。地面站收到測試射頻信號后，做出響應，產生目標數據通過網絡輸出。系統接收到目標信息后，將數據記錄，通過統計并解析數據，解析后跟期望的結果進行比較，然后生成測試報告。對功能指標，得出“通過”或者“未通過”的測試結果，對性能指標，得出測試數據，與合格判據對比，并判斷“通過”或者“未通過”。

5.總結

筆者已完成一套測試系統的設計，現已交付用戶使用。用戶采用該測試系統后，大大提高了地面站測試的效率和便捷性，全測試過程一鍵完成，自動生成文本測試報告，將以往數天的測試工作縮短為1小時內完成，獲得了用戶的肯定和好評。