基于ADS- B 信號(hào)的非合作空中飛行器監(jiān)視系統(tǒng)

李健濤 朱燦杰 陳學(xué)偉 陳 濤 趙忠凱

（哈爾濱工程大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150001）

隨著無人機(jī)等飛行器的快速發(fā)展與應(yīng)用，越來越多的產(chǎn)品化飛行器進(jìn)入到空域中，但這也引起了一系列空域問題，如：機(jī)場(chǎng)空中防撞管制問題，國家級(jí)重點(diǎn)設(shè)施的保密性威脅，個(gè)人隱私與安全問題，軍事低空反偵察問題等。而目前國內(nèi)外的飛行器監(jiān)視系統(tǒng)多是應(yīng)用雷達(dá)等接收裝置對(duì)ADS-B 信號(hào)進(jìn)行解碼來實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器位置的檢測(cè)。并且雷達(dá)受限于工作頻段的原因，在極低空情況下無法接收類似無人機(jī)等飛行器的信號(hào)。而由于該系統(tǒng)使用無線電相位測(cè)向和非合作接收信號(hào)的方式，可以有效克服以上問題。同時(shí)，該系統(tǒng)底層程序是依據(jù)Labview平臺(tái)搭建，方便拓展和修改功能。甚至還可以實(shí)現(xiàn)該頻段信號(hào)的監(jiān)測(cè)，監(jiān)視干擾等信號(hào)，保證空域安全。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)施方案

該系統(tǒng)是通過USRP 軟件無線電平臺(tái)對(duì)飛行器上的ADS-B信號(hào)進(jìn)行接收，之后通過數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)的板卡連接從而將采集后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。再利用Labview圖形化編程軟件對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，其中包括接收模塊、識(shí)別模塊、測(cè)向模塊、USRP 參數(shù)配置模塊、相位校準(zhǔn)模塊。將ADS-B 信號(hào)的方向數(shù)據(jù)提取出來之后再通過顯示模塊將飛行器的位置顯示在屏幕上。總體設(shè)計(jì)方案圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案圖

其中Labview 軟件設(shè)計(jì)方案中，首先通過參數(shù)配置模塊設(shè)置USRP 的接收參數(shù)，之后通過接收模塊提取出ADS-B 基波信號(hào)，再通過識(shí)別模塊來分選出ADS-B 信號(hào)。其中相位校準(zhǔn)模塊用來將兩路通道的信號(hào)進(jìn)行相位校準(zhǔn)，最后將相位差數(shù)據(jù)輸入到測(cè)向模塊中進(jìn)行測(cè)向分析。

2 接收模塊

圖2 匹配流程圖

USRP 對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集之后，通過接收模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的處理，信號(hào)處理程序通過LABVIEW 編程實(shí)現(xiàn)。在接收模塊中，提取USRP 中信號(hào)的數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行處理，信號(hào)接收部分?jǐn)?shù)據(jù)的處理包括數(shù)據(jù)提取，下變頻、I/Q 解調(diào)、閾值比較和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

數(shù)據(jù)提取部分及閾值比較部分使用niUSRP Fetch Rx Data.vi 程序及數(shù)組索引控件，將數(shù)據(jù)提取出來，由于USRP 共有四個(gè)通道，所以共有四組數(shù)據(jù)，使用創(chuàng)建數(shù)組控件，講四組數(shù)據(jù)放到同一個(gè)數(shù)組中，然后在對(duì)其使用復(fù)數(shù)至極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換控件，對(duì)每個(gè)通道的數(shù)據(jù)求幅值，然后用求的幅值與所設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，從而確定信號(hào)是否采集到，確定信號(hào)是否采集到的原則為，若大于閾值，則判定為采集到信號(hào)，否則，判定為采集到信號(hào)。

當(dāng)接收到有用信號(hào)后，首先要把每次運(yùn)行USRP 所采集的數(shù)據(jù)提取出來進(jìn)行保存，以便于后續(xù)我們對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)的調(diào)用，后續(xù)數(shù)據(jù)處理我們要通過這些數(shù)據(jù)識(shí)別出任意波形發(fā)生器發(fā)射的信號(hào)是不是我們需要的ADS-B 信號(hào)，同時(shí)還要對(duì)接收到的ADS-B 信號(hào)進(jìn)行測(cè)向以及解碼處理，所以此處需要將USRP 中的數(shù)據(jù)提取出來，然后進(jìn)行存儲(chǔ)，LABVIEW 中數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，可以直接調(diào)用LABVIEW 中已經(jīng)有的檢查文件或文件夾是否存在子程序，然后再配合使用創(chuàng)建文件夾，創(chuàng)建路徑，拆分路徑等控件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到指定路徑下的文件夾的程序編寫。

3 識(shí)別模塊

識(shí)別模塊是將解調(diào)出來的信號(hào)進(jìn)行脈寬和脈沖到達(dá)時(shí)間的測(cè)量并分選出系統(tǒng)所需的ADS-B 信號(hào)，之后再對(duì)識(shí)別出來的ADS-B 信號(hào)進(jìn)行脈寬和脈沖匹配并送入到測(cè)向模塊中。其中為了正確識(shí)別ADS-B 信號(hào)，必須要對(duì)信號(hào)的幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

實(shí)現(xiàn)信號(hào)的匹配，即將測(cè)得信號(hào)的脈寬及脈沖到達(dá)時(shí)間在一定的容錯(cuò)范圍內(nèi)與原信號(hào)相匹配，此處檢查ADS-B 信號(hào)的容錯(cuò)范圍為+-0.1us，只要測(cè)出的信號(hào)的脈沖寬度及脈沖到達(dá)時(shí)間在此范圍內(nèi)，即認(rèn)定所接受的信號(hào)為ADS-B 信號(hào)，其匹配流程圖如圖2 所示。

4 測(cè)向模塊

由于USRP 是通過4 根天線接收數(shù)據(jù)的，并通過PCIE 板卡傳遞數(shù)據(jù)給電腦，然后結(jié)合LABVIEW 來達(dá)到對(duì)ADS-B 信號(hào)的處理，信號(hào)的載頻為1090MHz，對(duì)應(yīng)波長為27.5cm，使接收端與發(fā)射端之間的距離大于10 倍波長，用相位干涉儀法測(cè)向。

USRP 是利用四根天線接收數(shù)據(jù)，但由于USRP 本身配置的問題，會(huì)使四個(gè)通道接收數(shù)據(jù)的幅值存在一定的差異，根據(jù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在多次的數(shù)據(jù)接收中，一二兩通道的數(shù)據(jù)相較于其他通道幅值較大，所以本次利用相位干涉儀法測(cè)向是通過提取一二兩通道的數(shù)據(jù)，然后采用相應(yīng)的算法，實(shí)現(xiàn)ADS-B 信號(hào)的測(cè)向的。具體實(shí)現(xiàn)過程如下：

a.首先要將一二通道的數(shù)據(jù)提取出來，由于LABVIEW 在存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù)的時(shí)候是分IQ 兩路數(shù)據(jù)分別存儲(chǔ)的，所以，在用MATLAB 編程實(shí)現(xiàn)的時(shí)候要將IQ 兩路的數(shù)據(jù)都提取出來，然后對(duì)提取的數(shù)據(jù)求幅值，同時(shí)設(shè)置一個(gè)合適的閾值，將大于等于閾值的點(diǎn)的幅值判為1，小于的判為零。

b.利用find 函數(shù)，找出一二通道中同為脈內(nèi)數(shù)據(jù)的點(diǎn)數(shù)，然后分別提取這些點(diǎn)處一二同IQ 兩路的數(shù)據(jù)。

c.對(duì)IQ 兩路對(duì)應(yīng)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)利用反正切函數(shù)求出相位，然后讓兩路對(duì)應(yīng)點(diǎn)上測(cè)出的相位相減，即可得出兩路天線接收信號(hào)的相位差。

d.對(duì)每個(gè)點(diǎn)上求得的相位差求平均，然后帶入到公式中，即可得出ADS-B 信號(hào)的發(fā)射方向。同時(shí)對(duì)每個(gè)點(diǎn)求相位，畫出所求相位的圖像以便于后續(xù)在LABVIEW 前面板上將此圖顯示出來。

5 系統(tǒng)功能測(cè)試

5.1 ADS-B 信號(hào)接收的性能測(cè)試

信號(hào)的接收是通過USRP 實(shí)現(xiàn)的，利用USRP 的四個(gè)接收通道，接收任意波形發(fā)生器發(fā)射的信號(hào)，然后通過LABVIEW 編程實(shí)現(xiàn)所接收信號(hào)的顯示，對(duì)于信號(hào)的接收部分的實(shí)現(xiàn)，包括了對(duì)USRP 的配置，以及對(duì)采集到的數(shù)據(jù)的編程處理，通過閾值比較程序，顯示是否接收到有用信號(hào)，再通過一些調(diào)用文本文件的控件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，同時(shí)通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換控件，將USRP采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行合適的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，以方便我們畫出所采集信號(hào)的波形，至此即完成了有關(guān)信號(hào)接收的程序編寫。

5.2 ADS-B 信號(hào)檢測(cè)的性能測(cè)試

通過對(duì)脈寬及脈沖到達(dá)時(shí)間的匹配，實(shí)現(xiàn)前導(dǎo)脈沖的檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到信號(hào)時(shí)，其輸出界面如圖3 所示。

圖3 即是我們實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測(cè)的輸出結(jié)果圖，在信號(hào)的檢測(cè)中我們對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行了匹配，匹配的原則是首先對(duì)測(cè)得的信號(hào)進(jìn)行脈寬pw和脈沖到達(dá)時(shí)間toa 的測(cè)量，對(duì)測(cè)得的脈寬pw和脈沖到達(dá)時(shí)間toa 分別進(jìn)行存儲(chǔ)，然后再調(diào)用這兩個(gè)數(shù)組中的數(shù)據(jù)，進(jìn)行脈寬pw和脈沖到達(dá)時(shí)間toa 的匹配。

圖3 信號(hào)是否識(shí)別成功的顯示界面

雖然脈寬和脈沖到達(dá)時(shí)間都有確定的值，但接收的信號(hào)會(huì)有一定的噪聲存在，所以在匹配的時(shí)候要設(shè)置一定的容差，在容差范圍內(nèi)的成功匹配都可判為所接收的信號(hào)是ADS-B 信號(hào)，完成信號(hào)的匹配后將匹配結(jié)果通過布爾控件輸出，同時(shí)若ADS-B 信號(hào)匹配成功，則輸出被測(cè)信號(hào)的脈寬和脈沖到達(dá)時(shí)間，否則輸出零矩陣。

6 結(jié)論

本文介紹了基于ADS-B 信號(hào)的非合作空中飛行器監(jiān)視系統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)原理與仿真實(shí)踐結(jié)果。通過對(duì)ADS-B 信號(hào)的特征分析、識(shí)別、分選、I/Q 值得測(cè)量和測(cè)向算法的研究，為ADS-B 信號(hào)非解碼GPS 定位信息形式的接收處理方法提供了實(shí)踐參考。同時(shí)也為未來部分空中飛行器的ADS-B 信號(hào)發(fā)生裝置的安裝提供了一種節(jié)省成本和簡化技術(shù)的方案，即只需安裝ADS-B 信號(hào)發(fā)生裝置而不需要在發(fā)生裝置上搭載GPS 定位系統(tǒng)，這項(xiàng)方案極大的減小了ADS-B 信號(hào)發(fā)生裝置的體積，尤其對(duì)無人機(jī)等中小型飛行器有巨大的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)借助于LABVIEW 圖形化編譯軟件豐富的平臺(tái)資源和USRP 軟件無線電在射頻信號(hào)接收方面的便利性與強(qiáng)大性能，實(shí)現(xiàn)對(duì)空中飛行器的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確接收。未來可應(yīng)用到機(jī)場(chǎng)等公共區(qū)域的空中管制，私人住所、別墅、高檔小區(qū)的隱私安全保障，國家或事業(yè)級(jí)保密單位與設(shè)施的安全以及軍事空中偵察、遭遇戰(zhàn)低空偵察等領(lǐng)域。