1090 MHz信道分析軟件設計與實現

胡鐵喬，陳浩帆

(中國民航大學 天津市智能信號與圖像處理重點實驗室，天津 300300)

0 引 言

現如今，隨著飛行器的數量越來越多，無線電技術的應用趨于多樣化發展。其中，1090 MHz信道被廣泛使用[1]。然而，伴隨著數量的增多，1090 MHz信道也越來越擁擠[2]。為探究1090 MHz信道的使用情況[3,4]，為現有系統的工作提供保障，有必要對1090 MHz信道進行監測和分析，了解信道的占用狀況。日本方面做過類似的研究，文獻[5-7]使用機載雷達，對日本國內所有機場的1090 MHz信號分別進行采集，根據時間長度和信號幅度統計出信號的頻譜占用率。但是這種方法太復雜，且成本過高，根本無法在日常進行監測。國內針對1090 MHz信道的研究相對較少，文獻[8]采用一種軟件無線電平臺接收1090 MHz信道內的信號，根據不同種類信號的接收率計算出頻譜占用率。由于實驗條件的限制，得出的結果很片面，并不準確。

本文利用實驗室的1090 MHz信號接收機[9-11]，通過計算機編程將采集到的信道內主要信號(ADS-B信號、二次雷達信號以及干擾信號)的數據進行解析，解析出的數據使用上位機軟件界面完成監測和分析。該方法簡潔有效，操作便利，通過軟件系統在日常就可以完成對1090 MHz信道的監測和分析，具有很強的開放性和擴展性，豐富了現有的1090 MHz信號接收機的功能，未來可以增加新的模塊對1090 MHz信道進行全面評估和監測[12]。

1 軟件設計

設計1090 MHz信道分析軟件，需要考慮對數據的解析、數據的存放以及數據的監測分析這3個方面。基于此思路，設計了數據解析模塊、數據庫存儲模塊和顯示模塊。3個模塊相互關聯，完成各自功能的同時會對下一個模塊起到承上啟下的作用。接收的數據在數據解析模塊中進行解析，解析完成后數據會存入存儲模塊，同時解析出的一部分數據可以用于顯示模塊里對信道占用率的實時顯示。經過存儲模塊對數據的計算處理和保存，后臺存儲部分基本完成。上位機軟件部分基于Visual Studio 2015開發平臺，使用C++編程語言，通過顯示模塊的上位機軟件界面調用存儲模塊的數據進行可視化顯示，具體分析信道占用情況。1090 MHz信道分析軟件系統框架如圖1所示。

圖1 1090 MHz信道分析軟件框架

1.1 數據解析模塊

為實現對1090 MHz信道占用情況的監測，首先需要對信道中的各類信號數據進行解析。本文使用實驗室1090 MHz信號接收機，通過TCP協議(保證數據傳輸可靠)傳輸接口[13]，每隔一秒鐘采集一次包含各類信號的統計數據。在Visual Studio 2015開發平臺中進行數據的解析處理和計算，得到信道分析所需的數據。處理結束后，數據解析模塊的功能基本完成，接下來需要將數據送到存儲模塊執行存儲。

1.2 數據庫存儲模塊

存儲模塊執行后臺存儲部分。由于存儲的數據量非常龐大且對數據的使用有更多的要求，故需要有數據存儲和處理能力的軟件來完成此模塊的功能?；谂c其它軟件契合度和使用效果的考慮，本文選用的是本地數據庫SQL Server 2014，具體特點請參見文獻[14]。數據庫的設計和數據的處理調用是存儲模塊的核心部分。一方面，數據解析后得到的參數，需要與數據庫中設計的表相匹配，才能有序且高效地將數據存入其中。另一方面，后期對數據庫中的數據進行調用分析時，可以編寫SQL函數代碼完成所需功能，對數據的檢索和處理更加簡潔高效，而不是只能在Visual Studio平臺中編寫代碼處理數據。此外，ADO是連接Visual Studio平臺和SQL Server數據庫的重要一環，通過ADO接口連接可以將數據解析模塊解析出的數據保存到數據庫中，完成原始數據的存儲執行功能。接下來需要在數據庫中對原始數據進行再一次的數據處理，計算出所需要的數據，這樣就可以在顯示模塊中調用各類數據進行顯示分析。

1.3 顯示模塊

顯示模塊是1090 MHz信道分析軟件的主要部分。完成顯示分析，需要考慮到軟件界面的穩定性，操作的簡潔高效性和與Visual Studio平臺以及數據庫的匹配等?；诖?，本軟件設計界面采用MFC來完成制作。MFC由微軟開發，是一套面向對象、使用C++編寫應用程序的框架和引擎，它將大部分的Window API封裝到C++類中，以類成員函數的形式提供給開發人員調用[15,16]。上位機軟件部分使用MFC(microsoft foundation classes)來制作界面，結合MFC的按鈕、編輯框、組合框等控件類，根據不同的需求設置參數，實現各自的功能，將相關數據從數據庫中回調出來，使用CDC類繪圖函數，可視化處理后，在軟件界面中顯示，實現信道分析功能。

1.4 系統工作流程

1090 MHz信道分析軟件系統流程如圖2所示，該軟件可以根據接收到的1090 MHz信號實時監視信道占用率的變化情況，并且能夠讀取數據庫中存儲的數據，在軟件界面中對全天的1090 MHz信道占用情況做具體分析并顯示。

圖2 1090 MHz信道分析軟件系統流程

2 關鍵模塊實現辦法

2.1 數據解析和占用率計算

根據設定，1090 MHz信號接收機每秒鐘接收一次數據，所以需要在Visual Studio平臺中建立與下位機的通信接口，使用send()函數來向TCP連接的另一端發送數據，并編寫數據接收線程。完成編寫后，首先對存入緩沖區的數據進行幀頭檢測，判斷是否收到完整準確的一幀。如果不完整，則丟掉這一幀數據，更新緩沖區位置，重新接收；如果完整，則開始進行解析。

根據數據幀的解碼標準，將對應字節的數據進行提取和計算，分別得到正確ES幀數RES、 正確S幀數RS、 正確AC幀數RAC、 錯誤ES幀數WES、 錯誤S幀數WS、 錯誤AC幀數WAC和干擾脈沖數ND。 ES幀信號的長度為120 μs，S幀信號的長度約為64 μs，AC幀信號的長度約為20 μs，干擾脈沖信號的長度約為0.5 μs。根據4種信號的長度，可以計算出單位時間內的信道占用率ChannelRate， 有效占用率EffectivityRate， 干擾占用率DisturbRate和誤幀率WrongRate。 計算公式如下

ChannelRate=[(RES+WES)*120+(RS+WS)*64+ (RAC+WAC)*20+ND*0.5]*10-4

(1)

EffectivityRate=(RES*120+RS*64+RAC*20)*10-4

(2)

DisturbRate=(ND*0.5)*10-4

(3)

WrongRate=(WES*120+WS*64+WAC*20)*10-4

(4)

從公式中可以看出，信道占用率是其它3種占用率的總和，干擾占用率由干擾脈沖數計算，有效占用率由各正確幀數計算，誤幀率由各錯誤幀數計算。各占用率計算完成以后，將所有數據存入數據庫中。

2.2 數據庫處理

數據解析模塊解析出的數據要實時地保存到數據庫中進行統計。在此之前，根據數據的類型和軟件性能的需求，需要在SQL Server 2014中創建本地數據庫并新建表。首先，需要新建一個數據接收表用于接收原始數據。表設計完成后，通過ADO接口編程執行存儲。由于軟件界面大小有限，調用全天的占用率做分析時，不能將每一秒鐘的數據全部都顯示在界面中。基于軟件系統的整體性能以及數據分析的考慮，需要對原始數據做均值處理，把每分鐘的數據求和取平均得出一個均值，再在軟件界面中做可視化顯示。使用C++編程將數據累加求和處理成均值，需要把數據庫中全天的數據全部回讀后才能完成計算，這樣就會造成可視化顯示的時候等待時間過長，出現卡頓現象。而數據庫的功能則較為全面，在數據庫中把數據處理好以后，讀取的數據量就會大幅度減少，可視化顯示時很流暢，不會出現卡頓問題。因此，為了滿足上位機軟件界面中各類數據的可視化顯示，需要對原始數據進行處理，在數據庫中需另外新建兩種表，分別為數據抽樣表和數據均值表，對數據接收表中的原始數據進行固定截取間隔處理和均值處理，然后存入各自的表中，完成所需分析功能。數據處理結束后，數據庫部分的操作基本完成，所需數據已經全部準備完畢。

2.2.1 ADO

ADO定義請參見文獻[17]。該程序是一組優化的訪問數據庫專用對象集合，按程序作用主要分為連接對象(Connection)、命令對象(Command)、記錄對象(RecondSet)三部分。使用C++訪問數據庫可以用_ConnectionPtr、_CommandPtr和_RecordsetPtr這3種指針來實現。通過ADO接口可以連接上位機軟件和數據庫，方便數據的存儲和讀取操作。

使用ADO接口前，需要先導入ADO庫，即在stdafx.h中使用import語句導入，代碼如下：

#import "C: Program FilesCommon FilesSystemadomsado15.dll"no_namespace rename("EOF","ADOEOF")rename("BOF","ADOBOF")

導入完成后，使用ADO接口連接數據庫存儲數據。連接數據庫存儲數據程序流程如圖3所示。

圖3 連接數據庫存儲數據程序流程

2.2.2 數據接收表、數據抽樣表和數據均值表

設計數據接收表時，首先將統計時間寫入第一個字段。統計時間統計的是各類數據存入數據庫時的系統時間。由于數據每秒解析一次，故字段的數據類型設置為datetime型，調用getdate()函數，即可得到當前系統時間。其余字段按照各類占用率和各類幀數的名稱分別設置。由于計算出的占用率為float型浮點數，故表中各類占用率的數據類型設置為對應的real型；而幀數為int型整數，故各類幀數的數據類型設置為對應的smallint型，合理規劃內存占用空間。對照數據接收表，分別對數據抽樣表和數據均值表建立字段和選取數據類型。

3種表設計完成后，編寫SQL代碼，先讀取數據接收表，截取需要分析的原始數據保存到數據抽樣表，再利用各類函數求出所需數據的均值，分組排序后將結果保存到數據均值表中。一般情況下截取的數據從第一天零時開始，到最后一天二十四時前結束。

2.3 占用率顯示分析和各幀數比較

顯示分析部分制作了實時信道占用率顯示界面、全天信道占用率顯示分析界面和信道占用率與幀數分析比較界面，分別實現不同的功能。數據解析完成后，打開MFC制作的軟件界面，根據不同的按鈕類型，讀取各類數據，可視化顯示出來。

3 系統測試及分析

數據采集的時間為2020年7月份，界面中顯示的均為時采數據時間。本次測試共接收了從7月7日到18日共12天的數據，取8日到17日的完整數據，并選取7月8日這天的數據用來顯示分析，根據真實數據對整個軟件系統進行檢驗。

3.1 數據庫存儲測試

數據庫中存儲的數據如圖4所示。圖4(a)為數據接收表的數據，占用內存大小約為57 MB；圖4(b)為數據均值表的數據，內存大小約為0.8 MB；圖4(c)為數據抽樣表的數據，內存大小約為46 MB。數據庫數據接收狀況良好，每條數據都完整地存儲下來，無異常數據出現。據此推算，存儲全年的數據大約占用2 G左右，故數據庫中只需建立這3個數據表，無需設計新表存儲統計數據。另外，在數據接收表中隨機選取某一時間點的原始數據60條，通過人工計算和數據均值表中這一時間點的數據進行比較，結果相同，驗證數據計算正確，系統處理無誤。

3.2 實時顯示信道占用率測試

實時顯示信道占用率界面如圖5所示，測試時間為7月8日早上。上位機軟件連接1090 MHz信號接收機，點擊實時顯示占用率按鈕，函數中設置的定時器開始啟動，當前顯示時間則會調用系統時間。使用CDC類作圖函數可以將計算處理后的每秒鐘信道占用率的數值以波形顯示出來，達到實時監測的目的。由于界面大小有限，20 min后，波形從起始位置開始更新，即逐個替換原來的點，循環顯示。

在側邊按鈕欄中，點擊回放全天占用率按鈕和占用率與幀數比較按鈕，分別顯示出全天信道占用率顯示分析界面和信道占用率與幀數分析比較界面。各界面均為非模態對話框，可以同時顯示出來，方便分析比較。

3.3 信道占用率分析測試

全天信道占用率顯示分析界面的功能是具體分析信道中各類占用率。信道占用率按每分鐘均值顯示如圖6(a)所示。側邊欄中，第一框為標識牌，是對本界面會出現的4種顏色波形的標識說明。起始時間設定框是根據數據庫中截取時間段的起始時間來設定，橫坐標軸會根據設定好的時間顯示時間間隔。起始時間默認零時零分。時間設定好以后，選擇截取時間段內的任一天，點擊均值顯示按鈕，就會讀取數據均值表中的數據，將全天占用率以波形顯示出來。點擊固定值顯示按鈕，會讀取數據抽樣表中每分鐘的第一個數據進行抽樣顯示，如圖6(b)所示，抽取的數據量和均值顯示的數據量相同，二者的波形可以作比較。從圖中可以看出，兩種顯示方式的波形總趨勢基本相同，而均值顯示與抽樣顯示相比則更為平滑，更能反映客觀真實的信道占用情況。點擊占用率分析顯示按鈕，會讀取各類占用率的均值，在同一個坐標軸中顯示出4種不同顏色的波形，分別代表4種占用率，根據標識牌中的提示，一一對應出各自的類型，分析各類占用率的變化情況。進入界面時，會從數據庫回讀截取的時間段，將日期顯示在循環顯示框中，點擊循環顯示按鈕，將截取時間段內每日的信道占用率波形每隔一秒鐘循環播放，這樣可以對整個時間段內信道占用率的波形變化有直觀的了解。

從整體上看，信道占用率從凌晨開始下降，到早上六七點左右基本處于最低；七八點開始航班流量逐漸增多，呈上升趨勢；白天基本為高峰期，晚上十點以后再逐漸下降，符合實際情況。

3.3.1 各類占用率分析

各類占用率分析如圖7所示。圖中共有4條波形，根據標識從上到下依次為信道占用率、干擾占用率、有效占用率和誤幀率。干擾占用率在信道使用逐漸進入高峰期后才會發生變化，而且，隨著有效占用率的升高，干擾占用率也會隨之下降。有效占用率的總體趨勢和信道占用率基本相同。誤幀率也會隨著信道占用率的升高而逐漸上升，高峰期間略高，其余時間起伏變化不大。

3.3.2 信道占用率與各幀數分析比較

信道占用率與幀數分析比較界面的功能是具體分析各類幀數對信道占用率的影響。信道占用率與正確幀數分析比較如圖8(a)所示，與錯誤幀數分析比較如圖8(b)所示。側邊欄第一框為標識牌，是對本界面會出現的4種顏色波形的標識說明。由于各幀數量相差很大，為便于觀察分析，需要對波形進行放縮處理。例如，正確AC幀數量需要將縱軸的數值乘以20倍，才是真實數量值；而錯誤AC幀數量則需要乘以10倍，其它各幀數量按照標識以此類推。根據比例，在同一個坐標軸中有層次地從上到下顯示出所有的波形。起始時間設定框和全天信道占用率顯示分析界面中的功能相同。設定好時間后，根據選擇的日期，點擊正確幀顯示按鈕，會讀取數據均值表中當日各正確幀和信道占用率的數據顯示；點擊錯誤幀顯示按鈕，會讀取當日各錯誤幀和信道占用率的數據顯示。局部放大時間框中可以設定以1 h為基準的橫軸時間，調用數據抽樣表中的數據，在Visual Studio 2015中把每3 s的數據求和取一次平均值，計算1 h的數據量并顯示到界面中。將每60 s放大成每3 s做均值處理，可以更清晰地分析各時段信道占用率和各幀數量的變化情況。左邊的縱坐標軸是幀數量，右邊的縱坐標軸是信道占用率數值，根據顏色標識從上到下依次為信道占用率波形、AC幀數波形、ES幀數波形和S幀數波形。

圖4 數據庫中創建的表

圖5 實時顯示信道占用率界面

圖6 信道占用率顯示方式

圖7 信道中各類占用率分析

從圖中可以看出，AC幀數量所占比例最大，S幀數量最少，錯誤幀數也會隨著正確幀數的增加而增加，各幀數量與信道占用率的起伏變化基本相同。

3.3.3 局部放大分析

從8日這天信道占用率的波形來看，下午五點到六點間的信道占用率達到最高，故選取此時段進行局部放大分析。正確幀數局部放大如圖9(a)所示，錯誤幀數局部放大如圖9(b)所示。此時段內，信道占用率在下午五點半后達到高峰，而這時無論是正確幀的數量還是錯誤幀的數量，都為最多，無明顯異常數量變化。

3.4 測試結果驗證

在各類波形中任意選取一個時間點和數據庫中的數據進行對比完全符合，可以正確地讀出此時間點中數據庫存儲的數據。經過與文獻[5-7]中日本方面的研究結果相比較，驗證此軟件系統中顯示的全天信道占用率變化的趨勢基本無誤，且符合實際情況。另外，原始數據中有對飛機架數的統計結果，通過對高峰期某一時間點的數據統計觀察，發現飛機的數量也在全天最高數量區間內，故驗證系統可視化顯示出的結果基本正確，滿足設計要求。

圖8 信道占用率與各類幀數分析比較

4 結束語

本文針對當前1090 MHz信道使用越來越多且越來越擁堵的現狀，設計開發了一個1090 MHz信道分析軟件。本軟件實現了1090 MHz信道監測和分析功能。一方面，可以實時監測信道占用率的變化情況；另一方面，通過后臺數據庫的對數據的存儲與統計，可以在上位機軟件界面中可視化顯示全天信道占用率，并具體分析信道中各類信號的占用情況。此外，軟件界面操作起來簡潔高效，人機交互便利。測試結果表明，通過該方法設計實現的1090 MHz信道分析軟件使用效果良好，能夠監測1090 MHz信道的使用情況并做具體分析，為進一步擴展使用多種手段的監測分析提供基礎。

圖9 幀數局部放大分析