基于SNS的星基ADS-B系統(tǒng)性能仿真

秦定本 李少洋 劉海濤 李保國

摘要：星基廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）系統(tǒng)是實現(xiàn)未來民航監(jiān)視的關(guān)鍵技術(shù)。為了仿真驗證星基ADS-B系統(tǒng)的監(jiān)視性能，首先介紹了空間網(wǎng)絡(luò)仿真（SNS）軟件，然后基于SNS給出了星基ADS-B系統(tǒng)的仿真模型、飛機節(jié)點模型和衛(wèi)星節(jié)點模型，并詳細描述了兩個節(jié)點的主要功能，最后使用該模型對系統(tǒng)的性能進行了仿真。仿真結(jié)果和理論計算結(jié)果的一致性，驗證了仿真模型的正確性。仿真結(jié)果表明，星基ADS-B接收機的監(jiān)視容量決定于空天鏈路的誤碼率和應(yīng)用子系統(tǒng)所要求的位置報文更新間隔。

關(guān)鍵詞：星基ADS-B系統(tǒng);SNS;仿真;監(jiān)視容量

中圖分類號：TP3? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）16-0271-05

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1 引言

星基ADS-B系統(tǒng)通過將 ADS-B 接收機部署于低軌道的衛(wèi)星上，利用多顆低軌道衛(wèi)星形成覆蓋全球的星基監(jiān)視系統(tǒng)，可實現(xiàn)對全球范圍內(nèi)航空器的可靠持續(xù)監(jiān)視，因此成為民航新一代航空器監(jiān)視技術(shù)的核心[1-4]。星基ADS-B系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用前景，而且了解其系統(tǒng)性能是設(shè)計實現(xiàn)的前提，因此研究系統(tǒng)的監(jiān)視性能具有重要的意義。

在對星基ADS-B系統(tǒng)的監(jiān)視性能研究方面，文獻[5]基于大量真實的飛行數(shù)據(jù)建立了星基ADS-B系統(tǒng)的共信道干擾模型，并使用該模型仿真分析了共信道干擾對位置報文更新間隔性能的影響，仿真結(jié)果表明：位置報文更新間隔以95%的概率小于15s。文獻[6]使用仿真器對民航客機的位置報文的最大沖突概率進行了估計。文獻[7]基于Aloha協(xié)議仿真了衛(wèi)星CanX-7接收報文的沖突概率。文獻[8]給出了理想情況下星基ADS-B接收機監(jiān)視容量的理論計算方法，并仿真驗證理論公式的正確性。

盡管文獻[5-8]建立了系統(tǒng)仿真模型并仿真了系統(tǒng)的監(jiān)視性能，但是未能給出飛機節(jié)點和衛(wèi)星節(jié)點的模型及其主要功能描述，未能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)仿真。為此，本文在SNS仿真軟件平臺上構(gòu)建星基ADS-B系統(tǒng)的模型及各個節(jié)點的模型，并使用構(gòu)建的模型對系統(tǒng)相關(guān)性能進行仿真，以此驗證仿真模型的正確性，從而分析影響系統(tǒng)性能的因素。

2 SNS仿真軟件

2.1 SNS總體架構(gòu)

空間網(wǎng)絡(luò)仿真軟件（Space Network Simulation，SNS）是北京航空航天大學國家空管新航行系統(tǒng)技術(shù)重點實驗室自主研發(fā)的一套離散時間仿真系統(tǒng)[9]。該仿真軟件具有架構(gòu)設(shè)計可擴展性強、代碼可用性高、可移植性高和學習操作門檻低等特點。SNS仿真軟件采用基于離散事件的仿真機制，支持面向?qū)ο蟮慕７绞剑梢詫崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的靈活配置，適合于衛(wèi)星移動網(wǎng)絡(luò)的仿真研究與測試[10]。

圖1給出了SNS仿真軟件的總體架構(gòu)。SNS仿真軟件主要包括仿真主控SNServer、仿真內(nèi)核SNSimu和外部接口等三部分。其中，仿真主控SNServer部分主要負責各個模塊間的協(xié)調(diào)和管理控制;仿真內(nèi)核SNSimu部分是仿真軟件的核心，主要負責各層協(xié)議和事件的處理;外部接口部分主要負責連接真實的物理設(shè)備。

2.2 SNS仿真流程

如圖2給出了基于SNS的網(wǎng)絡(luò)仿真流程。首先是創(chuàng)建工程，然后按照層次化建模依次生成場景、節(jié)點和進程模型，并把每個進程關(guān)聯(lián)到相應(yīng)的節(jié)點;隨后對進程進行模型代碼開發(fā)以表明各個進程的特性，接下來進行編譯測試保證代碼編寫正確且系統(tǒng)運行正常;最后產(chǎn)生業(yè)務(wù)，運行仿真，得到統(tǒng)計結(jié)果，并對結(jié)果進行分析，得出仿真結(jié)論。若結(jié)果不符合預期期望，則需返回到模型代碼開發(fā)，完善或改進功能函數(shù)，再根據(jù)流程運行，直至得出預期結(jié)果。

3 仿真設(shè)計

3.1 系統(tǒng)仿真模型

圖3給出了星基ADS-B系統(tǒng)仿真模型，系統(tǒng)仿真模型中主要包括2類節(jié)點：飛機節(jié)點、衛(wèi)星節(jié)點。其中衛(wèi)星節(jié)點為1個，在直角坐標系統(tǒng)的坐標為[0，0，H];飛機節(jié)點為[N]個，且飛機節(jié)點在衛(wèi)星節(jié)點覆蓋半徑[R]范圍內(nèi)均勻分布，在直角坐標系統(tǒng)的坐標為[x，y，0]，其中[x≤R，y≤R]。每個飛機節(jié)點按照相應(yīng)報文發(fā)送的標準，周期性產(chǎn)生位置報文、速度報文、狀態(tài)報文及標識報文，并發(fā)送給衛(wèi)星節(jié)點。衛(wèi)星節(jié)點對到達的報文進行沖突判斷和解調(diào)，得到正確接收的報文。

3.2 飛機節(jié)點模型

飛機節(jié)點包含應(yīng)用實體和鏈路實體。飛機節(jié)點的應(yīng)用實體負責位置報文、速度報文、狀態(tài)報文以及標識報文的定時周期產(chǎn)生并發(fā)送給下層實體，模擬報文的產(chǎn)生過程;飛機節(jié)點的鏈路實體有一個FIFO緩沖隊列，鏈路實體負責接收上層實體發(fā)送的各種類型的報文消息，按照報文消息到達鏈路實體時間的先后順序依次將報文消息插入到緩沖隊列中，并延時120us（報文長度）將其從緩沖隊列取出并往下層實體繼續(xù)發(fā)送，模擬報文的傳輸過程。從鏈路實體往下層實體發(fā)送的報文消息會通過本飛機節(jié)點發(fā)送給衛(wèi)星節(jié)點。通過以上過程，便可模擬實現(xiàn)飛機與衛(wèi)星之間的通信。

3.2.1 實體功能描述

飛機節(jié)點的應(yīng)用實體主要功能是產(chǎn)生報文。在飛機節(jié)點的應(yīng)用實體初始化時讀取對應(yīng)配置文件，如產(chǎn)生報文的大小等參數(shù);在應(yīng)用實體初始化完成后，開始發(fā)送四個定時空消息用于驅(qū)動飛機節(jié)點的應(yīng)用實體定時產(chǎn)生四類報文。用于驅(qū)動本飛機產(chǎn)生報文的空消息發(fā)送的定時時間到，飛機節(jié)點的應(yīng)用實體開始產(chǎn)生報文并立即發(fā)送，且發(fā)送定時空消息，用于驅(qū)動本飛機節(jié)點的下一個此類報文的產(chǎn)生。下面以定時產(chǎn)生位置報文為例，描述飛機節(jié)點的應(yīng)用實體產(chǎn)生并發(fā)送位置報文和定時空消息發(fā)送過程，流程如下：

飛機節(jié)點的鏈路實體主要功能是接收上層實體發(fā)送的報文消息，并模擬報文的傳輸過程。在飛機節(jié)點的鏈路實體初始化時讀取對應(yīng)配置文件，如數(shù)據(jù)鏈路帶寬等參數(shù);上層實體報文消息到達鏈路實體后，開始將報文消息插入到FIFO緩沖隊列中，并發(fā)送定時空消息，目的是在報文傳輸完成后將報文消息取出并繼續(xù)往下層實體發(fā)送。下面分別給出鏈路實體接收報文消息和從隊列取報文消息的過程，具體流程如下：

3.3 衛(wèi)星節(jié)點模型

衛(wèi)星節(jié)點包含應(yīng)用實體和鏈路實體。衛(wèi)星節(jié)點的鏈路實體負責接收不同飛機發(fā)送的位置報文、速度報文、狀態(tài)報文及標識報文消息，然后將此報文消息發(fā)送給上層實體。衛(wèi)星節(jié)點的應(yīng)用實體從下層實體接收報文消息，統(tǒng)計所有到達衛(wèi)星節(jié)點的報文數(shù)量;對報文進行沖突判斷，統(tǒng)計沖突的報文數(shù)量;并對無沖突的報文進行解調(diào)，統(tǒng)計成功收到的報文數(shù)量;并記錄每一個飛機節(jié)點發(fā)送且被衛(wèi)星正確接收的位置報文的到達衛(wèi)星的時刻。通過以上過程，便可模擬實現(xiàn)衛(wèi)星對報文的接收。

3.3.1 實體功能描述

衛(wèi)星節(jié)點的鏈路實體主要功能是接收各個飛機節(jié)點發(fā)送的報文消息，然后將報文消息發(fā)送給上層實體，此過程較為簡單，在此不做描述。衛(wèi)星節(jié)點的應(yīng)用實體主要功能是從下層實體接收報文消息，并進行沖突判斷和解調(diào)。下面分別給出報文的沖突判斷過程和正確接收過程，流程如下圖7圖8。

3.4 參數(shù)統(tǒng)計

仿真輸出需要統(tǒng)計到達衛(wèi)星節(jié)點總的報文數(shù)、沖突的報文數(shù)和正確接收的報文數(shù)，分別用于計算報文沖突概率、報文正確接收概率;另外還要統(tǒng)計不同飛機發(fā)送且被衛(wèi)星正確接收的位置報文到達時刻，用于計算95%位置報文更新間隔。下面給出系統(tǒng)參數(shù)的計算方法，如表1所示：

4 仿真結(jié)果

4.1 仿真參數(shù)

4.2 仿真結(jié)果

為了分析星基ADS-B接收機的監(jiān)視容量，首先給出報文沖突概率和報文正確接收概率，然后再根據(jù)統(tǒng)計的位置報文更新間隔中給出95%位置報文更新間隔，最后給出監(jiān)視容量。為驗證仿真結(jié)果的正確性，下面給出理論參考公式[8]，如表3所示：

圖9顯示給出了位置報文更新時間間隔的直方圖，其中（a）是飛機數(shù)量為2500，空天鏈路誤碼率為0.001的位置報文更新時間間隔頻率直方圖;（b）是飛機數(shù)量為2500，空天鏈路誤碼率為0.001的位置報文更新時間間隔頻率累計直方圖。從統(tǒng)計結(jié)果可以看出，95%的位置報文更新間隔在20.0s之內(nèi)，與理論結(jié)果19.99s相一致，從而驗證了95%位置報文更新間隔仿真的正確性。

圖10顯示給出了星基ADS-B接收機95%位置報文更新間隔與飛機數(shù)量的關(guān)系曲線，其中，橫坐標代表飛機數(shù)量，縱坐標代表95%位置報文更新間隔。從圖中可知：1）仿真結(jié)果與理論一致;2）誤碼率對95%位置報文更新間隔的影響較大，鏈路誤碼率為10-3時，4000架飛機的95%位置報文更新間隔為60s，而當鏈路誤碼率惡化至10-2時，4000架飛機的95%位置報文更新間隔提高到180s;3）飛機數(shù)量對95%位置報文更新間隔影響較大，隨著飛機數(shù)量的增加，95%位置報文更新間隔增大，例如鏈路誤碼率為10-3時，飛機數(shù)量為1500時，95%位置報文更新間隔為10s;當飛機增加到3500時，95%位置報文更新間隔顯著提高到40s。

圖11顯示給出了星基ADS-B接收機監(jiān)視容量與要求的位置報文更新間隔的關(guān)系曲線，其中，橫坐標代表位置報文更新間隔，縱坐標代表星基ADS-B接收機監(jiān)視容量。由圖中可知：1）仿真結(jié)果與理論一致;2）誤碼率對監(jiān)視容量的影響較大，當要求的位置報文更新間隔為12s時，誤碼率為10-2時的監(jiān)視容量僅為500架，誤碼率下降到10-4時的監(jiān)視容量則提高到2000架;3）監(jiān)視容量與位置報文更新間隔近似呈現(xiàn)線性關(guān)系，要求的位置報文更新間隔每減小1s，監(jiān)視容量減少101.5架。

5 結(jié)論

為了仿真驗證星基ADS-B系統(tǒng)的監(jiān)視性能，文章基于SNS軟件對星基ADS-B系統(tǒng)及其衛(wèi)星節(jié)點、飛機節(jié)點進行了仿真建模，以網(wǎng)絡(luò)仿真的方式對星基ADS-B系統(tǒng)的監(jiān)視性能進行了仿真驗證。仿真結(jié)果與理論值保持一致，驗證了仿真建模的正確性。

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