基于單站ADS-B測向技術(shù)的防欺騙系統(tǒng)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(shù),因其測向精度高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、原理清晰以及硬件實現(xiàn)容易,特別適合采用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)實現(xiàn)測向算法。

1 相關(guān)干涉儀測向原理

相關(guān)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(guān),相關(guān)后的最大相關(guān)系數(shù)對應(yīng)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(jié)構(gòu)。

圖1 均勻圓陣幾何結(jié)構(gòu)

圖1 中為陣元個數(shù),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(yīng)的相移為:

以上為相位差矢量與入射角度的關(guān)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(tǒng)方案仿真設(shè)計

2.1 天線孔徑設(shè)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(tǒng)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。

智能投顧作為金融科技背景下以數(shù)據(jù)和技術(shù)作為主要競爭力的新興金融模式，為用戶提供全委模式的賬戶管理和個性化私人投資組合定制等服務(wù)，致力于開展智能化投資顧問業(yè)務(wù)以便降低人工成本、擴大理財業(yè)務(wù)。根據(jù)艾瑞咨詢發(fā)布報告數(shù)據(jù)顯示，2016年中國互聯(lián)網(wǎng)理財用戶達3.11億人。預(yù)計到2017年底，中國互聯(lián)網(wǎng)理財用戶將達3.84億，增長率為23.5%。自2015年開始，我國智能投顧市場快速發(fā)展，平臺數(shù)量逾30家。本文選取典型的智能投顧平臺進行如下分析。并在對五種不同類型業(yè)務(wù)平臺的分析中，從多角度出發(fā)深入分析了國內(nèi)智能投顧產(chǎn)業(yè)的發(fā)展困境以及應(yīng)對措施。

表1 實驗條件

實驗結(jié)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(shù)量設(shè)計

為仿真得到系統(tǒng)的最佳陣元數(shù),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(shù)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(shù)量的關(guān)系如圖3～5所示。

由圖3和圖4可知,天線陣元數(shù)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(shù)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(shè)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(shù)為5)

圖4 不同信噪比下的測向均方誤差(陣元數(shù)為7)

圖5 不同信噪比下的測向均方誤差(陣元數(shù)為9)

3 ADS-B防欺騙系統(tǒng)設(shè)計

3.1 天線陣列設(shè)計

根據(jù)仿真分析可設(shè)計天線陣列,如圖6所示。

圖6 ADS-B天線系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)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(xù)信號處理中加入固定延時即可。

3.2 系統(tǒng)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(tǒng)原理

該方案具備很高的方位測角精度,并能夠真正實現(xiàn)虛假信號分離能力,是最能適應(yīng)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(xiàn)

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

圖8 DOA 的硬件架構(gòu)

該射頻前端接收通道數(shù)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(xiàn)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(tǒng)對通道一致性要求很高,因此系統(tǒng)設(shè)計增加了自校準功能。圖8中數(shù)字波形產(chǎn)生數(shù)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(wǎng)絡(luò)分別送入7通道射頻前端,通過FPGA 實現(xiàn)校準算法并完成通道的自校準。

3.4 相關(guān)干涉算法FPGA 實現(xiàn)

經(jīng)過對相關(guān)干涉儀算法的分析可以發(fā)現(xiàn),雖然運算量大,但是算法本身比較簡單,適合用FPGA來實現(xiàn),因此,項目采用FPGA 實現(xiàn)高速和高精度的相關(guān)計算。

如圖9所示,天線陣接收外界的ADS-B射頻信號,經(jīng)接收信道部分變頻為中頻信號,再由7路模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)進行同步采樣,采樣數(shù)據(jù)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(guān)干涉儀測向處理得到信號的方位角和俯仰角。

圖9 FPGA 測向?qū)崿F(xiàn)方案

XILINX 公司提供了功能強大的設(shè)計和多種輔助設(shè)計工具。在使用ISE 進行設(shè)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(shè)計時序的要求,設(shè)計比較復(fù)雜,因此設(shè)計過程中安排管腳和設(shè)置區(qū)域是非常重要的。

4 結(jié)束語

本文從工程實際出發(fā),依據(jù)仿真結(jié)果,提出了一種應(yīng)用在ADS-B防欺騙系統(tǒng)的圓陣測向天線設(shè)計方案,并進一步給出了ADS-B 防欺騙系統(tǒng)實現(xiàn)方案。在此方案的基礎(chǔ)上,詳細設(shè)計了系統(tǒng)的硬件架構(gòu)以及基于FPGA 的相關(guān)干涉測向的信號處理實現(xiàn)流程,實現(xiàn)了基于陣列天線的ADS-B抗干擾防欺騙系統(tǒng)的原型系統(tǒng)方案,具有重要意義。