基于單站ADS-B測向技術的防欺騙系統研究

楊志強劉愛森

(四川九洲空管科技有限責任公司,四川 綿陽 621000)

0 引言

陣列天線的單站ADS-B 測向體制采用干涉儀測向技術,因其測向精度高、靈敏度高、結構簡單、原理清晰以及硬件實現容易,特別適合采用現場可編程門陣列(FPGA)實現測向算法。

1 相關干涉儀測向原理

相關干涉儀原理是將陣列天線接收信號之間的相位差矢量與本地建立的樣本庫相位差矢量依次相關,相關后的最大相關系數對應的方位角和俯仰角為來波信號的到達角估計值。為同時計算出來波信號的方位角和俯仰角,天線陣列采用圓陣列,圖1為圓陣列的幾何結構。

圖1 均勻圓陣幾何結構

圖1 中為陣元個數,為圓陣列的半徑,()=()e ,為頻率是的來波窄帶信號,來波信號到達天線陣列的俯仰角和方位角分別是和。以原點作為參考坐標點,任意一個陣元接收到的信號滯后于信號到達參考點的時間為τ,陣元接收到的信號為:

式中:n ()為高斯白噪聲,且(n ())=0,(n ())=。

τ表示為:

相應的相移為:

以上為相位差矢量與入射角度的關系,在建立樣本庫時,將方位角和俯仰角按上式依次遞增,得到樣本相位差矢量庫。

2 ADS-B防欺騙系統方案仿真設計

2.1 天線孔徑設計

理論上增大天線孔徑可得到更高測向精度,但增大天線孔徑同樣帶來相位模糊的影響,因此為仿真得到系統的最佳天線孔徑,選定7個陣元,并在表1的條件下仿真天線孔徑大小對測向精度的影響。

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表1 實驗條件

實驗結果如圖2所示。

圖2 不同天線孔徑下的測向均方誤差

通過圖2 分析,七元陣列的最佳半徑為=0.495 m(此時測向精度為0.6°),

2.2 陣元數量設計

為仿真得到系統的最佳陣元數,選定天線孔徑為0.495 m,并在表1的實驗條件下分別仿真5個、7個以及9個陣元數在不同信噪比下對測向精度的影響,測向均方誤差與天線陣元數量的關系如圖3～5所示。

由圖3和圖4可知,天線陣元數由5個增加到7個時,測向精度有較大的改善。由圖4和圖5可知,天線陣元數由7個增加到9個時,測向精度改善并不大,考慮增加1個通道對硬件成本提升很大,因此本次設計采用七元陣列。

圖3 不同信噪比下的測向均方誤差(陣元數為5)

圖4 不同信噪比下的測向均方誤差(陣元數為7)

圖5 不同信噪比下的測向均方誤差(陣元數為9)

3 ADS-B防欺騙系統設計

3.1 天線陣列設計

根據仿真分析可設計天線陣列,如圖6所示。

圖6 ADS-B天線系統設計框圖

圖6中,天線陣列的半徑為0.495 m,陣元間距0.43 m。圖中天線1～天線7為ADS-B 防欺騙系統的七元陣列天線,圓陣的中心天線用于天線陣列的校準,中心天線輻射信號,天線1～天線7接收,可用矢量信號分析儀測得各個通道的延時,在后續信號處理中加入固定延時即可。

3.2 系統原理

該方案通過陣列天線提取ADS-B 接收信號的空間方位,便于真實信號的接收譯碼和虛假干擾信號的抑制,原理如圖7所示。

圖7 基于陣列天線的ADS-B抗干擾防欺騙系統原理

該方案具備很高的方位測角精度,并能夠真正實現虛假信號分離能力,是最能適應目前市場需求的單站ADS-B抗干擾防欺騙解決方案。

3.3 硬件實現

DOA 硬件總體上分為射頻通道、數字處理以及服務器三部分,見圖8。射頻部分由接收信道處理組成,數字部分由數字采集、數字波形產生以及信號處理等部分組成。另外系統對空聯調還需加裝天線和PC服務器完成點航跡處理、譯碼以及顯控。

圖8 DOA 的硬件架構

該射頻前端接收通道數為7。7路接收通道接收天線的ADSB信號,放大濾波并通過本振源下變頻到60 MHz中頻,信號處理板以210 MSPS采集信道輸出的中頻信號,進一步通過FPGA 實現測向算法,并將信號的幅度相位和測向方位信息送到PC端進一步處理。

測向系統對通道一致性要求很高,因此系統設計增加了自校準功能。圖8中數字波形產生數字中頻自檢信號,中頻自檢信號通過本振源上變頻到1 090 MHz,上變頻后的自檢信號通過自檢分配網絡分別送入7通道射頻前端,通過FPGA 實現校準算法并完成通道的自校準。

3.4 相關干涉算法FPGA 實現

經過對相關干涉儀算法的分析可以發現,雖然運算量大,但是算法本身比較簡單,適合用FPGA來實現,因此,項目采用FPGA 實現高速和高精度的相關計算。

如圖9所示,天線陣接收外界的ADS-B射頻信號,經接收信道部分變頻為中頻信號,再由7路模數轉換器(ADC)進行同步采樣,采樣數據做快速傅里葉變換(FFT)處理后計算出信號的相位,最后進行相關干涉儀測向處理得到信號的方位角和俯仰角。

圖9 FPGA 測向實現方案

XILINX 公司提供了功能強大的設計和多種輔助設計工具。在使用ISE 進行設計時,可以在各個階段增加約束條件以便對整個流程進行控制來滿足設計時序的要求,設計比較復雜,因此設計過程中安排管腳和設置區域是非常重要的。

4 結束語

本文從工程實際出發,依據仿真結果,提出了一種應用在ADS-B防欺騙系統的圓陣測向天線設計方案,并進一步給出了ADS-B 防欺騙系統實現方案。在此方案的基礎上,詳細設計了系統的硬件架構以及基于FPGA 的相關干涉測向的信號處理實現流程,實現了基于陣列天線的ADS-B抗干擾防欺騙系統的原型系統方案,具有重要意義。