基于USRP教學平臺的ADS-B接收實驗設計與驗證

陳翔 陳志浩 農(nóng)姍珊

[摘 要] 隨著軟件無線電技術(shù)的成熟與普及，依托軟件編程實現(xiàn)通信原理實驗的基礎教學已成為高校通信工程類專業(yè)相關(guān)實驗教學的不二選擇。依托通用軟件無線電硬件平臺（Universal Software Radio Peripheral，USRP）為基礎的教學平臺，圍繞系統(tǒng)性通信原理教學內(nèi)容創(chuàng)新與案例設計需求，引入當今航空界主流的空中交通管制監(jiān)視技術(shù)——廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（Automatic Dependent Surveillance Broadcast，ADS-B）技術(shù)為學習與實踐目標，完成了ADS-B航空通信收發(fā)技術(shù)實驗的設計與驗證。在實驗案例中，重點討論了多普勒頻偏和設備頻率穩(wěn)定度對系統(tǒng)性能的影響，完成了涵蓋航空器ADS-B數(shù)據(jù)采集、報文解析、數(shù)據(jù)庫存儲、實時定位、航跡展示等完整的實驗內(nèi)容設計。通過教學案例的設計，滿足了“通信原理實驗”擴展性設計實驗教學的需要，為基于USRP平臺的教學實踐提供了一個鮮活的應用案例。

[關(guān)鍵詞] 通信原理實驗;廣播式自動相關(guān)監(jiān)視;軟件無線電外設;航空器定位

[基金項目] 2019年度教育部——NI產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目“基于USRP的ADS-B數(shù)據(jù)接收與分析研究”（201902219023）

[作者簡介] 陳 翔（1980—），男，湖南長沙人，博士，中山大學電子與信息工程學院副教授，主要從事無線與移動通信、衛(wèi)星通信、物聯(lián)網(wǎng)研究;陳志浩（1999—），男，廣東梅州人，中山大學電子與信息工程學院2017級通信工程專業(yè)本科生，研究方向為無線通信;農(nóng)姍珊（1995—），女，廣西百色人，中山大學電子與信息工程學院2017級微電子學與固體電子學專業(yè)碩士研究生，中山大學助理實驗師，研究方向為數(shù)字集成電路設計。

[中圖分類號] TN911.72 ? [文獻標識碼] A ? [文章編號] 1674-9324（2021）52-0065-04 ?[收稿日期] 2021-04-27

一、引言

實驗教學平臺[1]是通信工程學科實驗教學內(nèi)容建設的核心載體，是學科和信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物。恰當?shù)慕虒W平臺選擇，將激發(fā)學生對理論知識進行實際探索的極大好奇心，也為培養(yǎng)通信工程類專業(yè)學生綜合素質(zhì)提供極大支撐。

傳統(tǒng)基于硬件模塊的集成化實驗箱固化了實驗內(nèi)容，限制了學生的思維。而軟件無線電思想的提出，為通信工程實驗教學帶來了新的思路[2]。在引入通用軟件無線電外設（Universal Software Radio Peripheral，USRP）后，以USRP為基礎的通信工程實驗教學平臺得到了不斷的發(fā)展。在如何牽引更多學生在系統(tǒng)設計實驗階段做更多嘗試的思路指引下，前期已經(jīng)有了在AIS、RFID、MIMO信道測量上的有效探索。為進一步豐富系統(tǒng)設計實驗內(nèi)容，牽引更多專業(yè)學生的實驗探索興趣，本文嘗試在USRP平臺中嵌入當今航空界主流的空中交通管制監(jiān)視技術(shù)——廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（Automatic Dependent Surveillance Broadcast，ADS-B）技術(shù)[3]實驗作為教學目標，設計了2周共計8學時的系統(tǒng)實驗教學內(nèi)容，在已有的通信接收機框架下，完成ADS-B信號解調(diào)、報文解析與應用呈現(xiàn)[4]，并提煉了教學中的難點，深化了學生的通信系統(tǒng)觀念。

二、實驗案例設計牽引

（一）ADS-B介紹

早期航空界使用二次雷達作為空中交通管制的主要監(jiān)視手段，但隨著航空業(yè)的發(fā)展，二次雷達的缺陷也愈發(fā)嚴重。為了更好地維護空中秩序，ADS-B技術(shù)應運而生。ADS-B技術(shù)是一種精度更高、價格更低、適用范圍更廣且監(jiān)視能力更強的技術(shù)，逐漸得到各國的廣泛應用[5]。

ADS-B技術(shù)在我國也得到了長足的發(fā)展和應用。飛常準（VariFlight）航班出行服務App便使用了ADS-B實時跟蹤技術(shù)。此外，由于ADS-B信號是廣播式信號，USB dongle模塊配合相關(guān)軟件即可對航空ADS-B信號進行接收，監(jiān)測航班的飛行情況。因此，利用航空器天然的吸引力，以及USB dongle的業(yè)務展示能力，我們在課堂向?qū)W生演示接收效果，并講述ADS-B系統(tǒng)基本原理，從而引導學生自主完成相關(guān)核心模塊的搭建。

三、實驗案例內(nèi)容設計

（一）ADS-B信號原理性講解

ADS-B信息格式依據(jù)RTCA DO-260B[6]標準射頻標準頻率為1090MHz，帶寬2MHz，廣播總長120μs，包含8μs的幀頭和112μs的數(shù)據(jù)位。數(shù)據(jù)位由DF、CA、AA、ME和PI共5個字段組成，如表1所示。

（二）ADS-B信號的產(chǎn)生與接收驗證

1.ADS-B信號的產(chǎn)生。機載設備獲取要廣播的除PI字段外的數(shù)據(jù)位后，進行CRC生成校驗碼和PPM編碼，加上幀頭，經(jīng)由2ASK調(diào)制后將信號向外廣播[7]。通過上述對信號產(chǎn)生過程的講解，將使學生對該通信協(xié)議有一定的理解。

2.USB dongle接收驗證。在牽引學生興趣的基礎上，我們將USB dongle作為驗證的方式，從而對自主設計接收機的實驗結(jié)果有一定的預期。以圖1為例，我們在教學實驗室現(xiàn)場接收了若干航空器ADS-B信號。學生通過自主設計實現(xiàn)對ADS-B的信號接收，將結(jié)果與圖1進行比對，將有效驗證實驗結(jié)果的正確性。

（三）ADS-B接收機的設計

1.接收機設計原理。接著，將依托USRP+LabVIEW架構(gòu)，設置1090MHz為中心頻點對空中信號進行接收，并送至上位機獲取采樣數(shù)據(jù)，對信號進行幀同步、解調(diào)、解碼等處理，得到原始報文并解析，建立數(shù)據(jù)庫，最后完成航跡展示功能。

2.核心模塊。該接收機核心模塊包括：幀同步、CRC校驗、報文解析、數(shù)據(jù)存儲等模塊。學生通過給出的接收機基本框架，完成核心模塊內(nèi)部邏輯和接口的設計，即可搭建完整的ADS-B接收機，如圖2所示。

3.報文解析過程。報文解析模塊是最為核心的模塊，它包含了對于各種類型信息的解析過程，決定了在獲取原始報文后能否解析出正確結(jié)果。

在數(shù)據(jù)位中，ME字段的前5位為TYPE位，決定了ME字段包含信息的類型。主要類型包括“航班號、空中位置、速度、飛行器狀態(tài)”等[7，8]。根據(jù)不同的信息類型，通過協(xié)議標準中的定義，學生可以學習不同信息類型的編解碼算法并動手實現(xiàn)，完成報文解析。表2為教學實驗室本地解析報文示例。

4.擴展應用設計。為更直觀、準確地驗證實驗結(jié)果的正確性，達到與商用軟件類似的效果，我們通過API接口在LabVIEW中嵌入開源地圖，可實現(xiàn)簡單的航跡顯示UI。對實時數(shù)據(jù)的接收、解析和航跡展示，可以讓學生從引發(fā)興趣到親自實踐完成，不僅在實踐中更充分地掌握理論知識，積累在USRP和LabVIEW上的開發(fā)經(jīng)驗，更能引導學生對通信學科有更深的理解。圖3展示了實際接收的ADS-B信號中包含的經(jīng)緯度變化信息。

四、本實驗內(nèi)容難點解析

（一）頻偏矯正

信號在航空器高速運行的情況下會出現(xiàn)多普勒效應[9]，同時，USRP平臺存在時鐘源的晶振頻率偏差為2.5ppm。針對這些特點，需要考慮ADS-B信號的頻偏問題。一幀ADS-B信號的最大頻偏為：

（二）UI的友好性設計

在搭建完整的ADS-B接收機鏈路的前提下，如何更好地展示實驗成果對于實驗教學的作用也是一個重要方面。對于UI設計而言，需要做到的是：整體美觀、操作簡單、重點信息突出等。友好的UI設計，能夠體現(xiàn)學生對于實驗思路的充分理解和系統(tǒng)性認知，培養(yǎng)學生綜合性的實操能力。

五、實驗案例效果和展望

（一）實驗案例效果

本文以系統(tǒng)實驗設計為中心目標，在基于USRP的實驗教學平臺上，重點規(guī)劃了ADS-B接收系統(tǒng)的實驗內(nèi)容方案，設計了完整的實驗內(nèi)容，并給出了系統(tǒng)實現(xiàn)難點，通過對比分析商用模塊與自主設計接收機實現(xiàn)結(jié)果，引發(fā)學生思考，拓寬了學生的通信系統(tǒng)和協(xié)議知識面，鍛煉了學生的系統(tǒng)實踐能力。

本實驗內(nèi)容已嵌入筆者所在學院2018級學生課堂教學環(huán)節(jié)中。在120人的教學班級中，超過10%的學生選擇將此實驗內(nèi)容作為擴展系統(tǒng)設計部分選題，雖然難度較大，但在教師和助教的協(xié)助指導下，達到了總體完成度90%的良好結(jié)果。

（二）未來展望

ADS-B接收實驗的設計與驗證通過鮮活的例子，起到了牽引學生系統(tǒng)實踐興趣的作用。但受限于外場實驗條件和硬件設備的限制，如何與線上“虛擬化”仿真結(jié)合將是我們未來嘗試的方向。事實上，基于USRP教學平臺的教學案例，目前已經(jīng)覆蓋了無線通信的“空—天—地—海”多種場景，而圍繞無線通信信道的虛擬仿真項目也通過我們的前期建設上線。未來，我們將把ADS-B接收實驗與無線信道虛擬仿真結(jié)合，突破“時空限制”，讓學生“虛實結(jié)合”地感受無線通信的魅力。

參考文獻

[1]孫曉燕，劉正堂.構(gòu)建創(chuàng)新實驗教學平臺的實踐與探索[J].實驗室研究與探索，2006（4）：489-491.

[2]王秀芳，高丙坤，王冬梅，等.通信原理實驗教學體系的建設[J].實驗技術(shù)與管理，2006（12）：15-17.

[3]彭福洲，陳翔，劉敏，劉慧怡.基于USRP的多天線信道測量教學平臺實現(xiàn)研究[J].教育教學論壇，2020（6）：53-57.

[4]Martin Strohmeier， Matthias Sch？覿fer， Vincent Lenders， et al. Realities and Challenges of Nextgen Air Traffic Management： The Case of ADS-B[J]. IEEE Communications Magazine，2014，52（5）：111-118.

[5]ABDULAZIZ A， YARO A S， ADAM A A， et al. Optimum Receiver for Decoding Automatic Dependent Surveillance Broadcast （ADS-B） Signals[J]. American Journal of Signal Processing，2015，5（2）：23-31.

[6]RTCA. Minimum operational performance standards for 1090 MHz extended squitter automatic dependent surveillance-broadcast and traffic information services-broadcast（TIS-B）：DO-260B[S]. Washington DC： Radio Technical Commission for Aeronautics，2009.

[7]劉丹陽.實時ADS-B信號接收機的設計與實現(xiàn)[D].天津：中國民航大學，2017.

[8]梁山，王運鋒.二次雷達C模式編解碼實現(xiàn)[J].電訊技術(shù)，2010，50（2）：84-88.

[9]鐘錫華.多普勒頻移的普遍公式[J].大學物理，1995（10）：16-18.