0  引言

廣播式自動相關監視技術（Automatic Dependent Surveillance - Broadcast，ADS-B）是一種現代集成先進的無線數據通信技術、衛星定位導航信息傳輸技術和自動監視技術等相關技術于一體，并通過空-地、空-空數據鏈通信完成交通監視和信息傳遞的新興空中交通管制技術。國際民航組織(International Civil Aviation Organization，ICAO)正在積極推廣這項航行監視技術，將其確定為未來監視技術發展的主要方向^［1-2］。 

1090ES（1090 MHz Extended Squitter）ADS-B系統是基于S模式數據鏈的一種ADS-B技術。該系統通過GNSS機載設備的支持，發射機以ADS-B消息形式，周期性地通過空-空、空-地數據鏈廣播方式向外傳播自己的位置、高度、速度等狀態信息。 

現有的1090ES ADS-B消息接收技術主要采用脈沖位置檢測方法進行前導脈沖檢測，即通過每個脈沖信號的上升沿標志、有效脈沖位置標志和下降沿標志相結合的檢測方法，采取相應標準提取出前導脈沖位置^［1-5］。該種檢測方法在信噪比較高時，具有較好的檢測性能。然而當信噪比相對較低時，尤其對于微弱信號，因噪音干擾，很容易造成脈沖位置判斷錯誤，從而導致前導脈沖檢測失效漏檢，丟失報文信息^［3-5］。針對該技術存在的缺陷，本文提出了一種S模式ADS-B前導脈沖檢測方法，可有效解決上述問題。

1  1090ES ADS-B消息信號結構

圖1所示為1090ES ADS-B消息信號格式圖^［6-7］，包括前導部分和其后的數據塊。其中，前導部分的長度為8 μs，包含4個前導脈沖，分別記為：第1前導脈沖、第2前導脈沖、第3前導脈沖和第4前導脈沖；每個前導脈沖的標準寬度均為0.5 μs；第1前導脈沖、第2前導脈沖、第3前導脈沖和第4前導脈沖的標準相對位置依次為：0.0～0.5 μs、1.0 μs～1.5 μs、3.5 μs～4.0 μs、4.5 μs～5.0 μs；其后的數據塊長度為56 μs（56 bit）或者112 μs（112 bit），采用曼切斯特編碼調制，即每一bit時間長度為1 μs，有前/后半部分組成，依次用bit 1，bit 2，…，bit N表示。

對于1090ES ADS-B接收設備，在進行消息解算時，首先需要完成的操作是前導脈沖檢測，這是一切后續報文處理的前提和基礎。

2  1090ES ADS-B前導脈沖檢測方法

由圖1可知，8 μs前導部分包括0～5 μs時間段和5 μs～8 μs時間段，而DF字段位于8 μs～13 μs時間段。本文提出的前導脈沖檢測方法主要通過檢測0～5 μs時間段內脈沖能量是否動態匹配1090ES ADS-B消息標準脈沖能量，以及通過5 μs～8 μs 時間段和8 μs～13 μs時間段內的DF字段的能量驗證，驗證檢測結果是否正確，確定前導脈沖有效。圖2所示為1090ES ADS-B消息前導脈沖檢測功能結構框圖。

圖2中各功能模塊說明如下。 

S1：數據采樣與求和。 

采樣1090ES ADS-B數字基帶信號，依次存入5 μs長度窗口的移位寄存器中，同時求解匹配4個前導脈沖位置內的所有采樣點的功率和值，并將結果存入“和值”移位寄存器中。

S2：前導部分前5 μs內脈沖能量比較。 

從5 μs長度窗口的移位寄存器中分別抽取4個前導脈沖位置，即0.0 μs～0.5 μs、1.0 μs～1.5 μs、3.5 μs～4.0 μs、4.5 μs～5.0 μs內的所有采樣點，并計算各前導脈沖的平均功率值；另抽取沒有前導脈沖位置，即0.5 μs～1.0 μs、1.5 μs～2.0 μs、3.0 μs～3.5 μs、4.0 μs～4.5 μs內的所有采樣點，并計算各時間段內的平均功率值；然后依據1090ES ADS-B消息信號能量分布特點，做相應標準能量比較。

S3：前導脈沖位置檢測 

前導脈沖位置檢測包括三部分內容，具體步驟如下： 

S31. 初次前導脈沖位置檢測。 

在采樣時刻，檢測到“和值”移位寄存器中存儲的數值遞增，且前導部分前5 μs內脈沖能量比較結果符合1090ES ADS-B消息前導脈沖位置信號能量分布，則輸出初次前導脈沖位置標志。 

S32：二次前導脈沖位置檢測。 

在初次前導脈沖位置標志時間內，檢測到“和值”移位寄存器中存儲的數值由大到小變化，則輸出二次前導脈沖位置標志。 

S33：最終前導脈沖位置檢測。 

當匹配4個前導脈沖位置采樣點的信號能量幅度“和值”最大時，則檢測到符合1090ES ADS-B消息標準的5 μs前導脈沖，輸出最終前導脈沖位置標志。即二次前導脈沖位置標志的脈沖上升沿，可定為有效前導脈沖位置標志。圖3所示為1090ES ADS-B消息前導脈沖位置檢測流程圖。

S4：前導脈沖參考功率的次大值和次小值。

圖4所示為前導脈沖參考功率次大值和次小值計算流程圖。

當檢測到最終前導脈沖位置標志時，分別求4個前導脈沖內信號能量幅度的平均值，即脈沖的平均功率值。去除4個前導脈沖中平均功率值最大的和最小的，將剩余的2個平均功率值作為前導脈沖參考功率的次大值和次小值。

S5：前導脈沖位置驗證。

驗證檢測前導脈沖位置標志有效性，分為以下三部分： 

S51：前導脈沖功率一致性驗證。 

分別將前導脈沖參考功率的次大值和次小值按一定比例放大和縮小作為參考比較門限，與檢測到的4個前導脈沖的平均功率值做比較。若符合1090ES ADS-B消息標準前導脈沖位置信號能量分布要求，則進行S52部分驗證；否則驗證錯誤，前導脈沖位置標志無效。 

S52：前導部分后3 μs能量驗證。 

分別將前導脈沖第3.5 μs和4.5 μs處的脈沖平均功率值和5.0 μs至8.0 μs內的能量進行比較。若符合1090ES ADS-B消息標準前導脈沖位置信號能量分布要求，則進行S53部分驗證；否則驗證錯誤，前導脈沖位置標志無效。 

S53：DF字段脈沖功率一致性驗證。 

將1090ES ADS-B消息數據部分中DF字段內各脈沖平均功率值和S51中的兩個參考門限做比較。若符合1090ES ADS-B消息標準數據部分信號能量分布要求，則通過驗證，前導脈沖位置標志有效，否則無效。 

S6：交織后再觸發。 

實際應用中會存在信號交織的現象^［8-9］，即后一幀1090ES ADS-B前導脈沖交疊于前一幀，使得前后幀的信號幅度相互干擾，從而影響前后幀的接收處理。若前后幀的各脈沖信號能量相近，則很難提取有效的數據塊信息。本文只針對后一幀強信號交織于前一幀弱信號交織后再觸發的情況，而后一幀弱交織于前一幀強的情況無需再觸發。 

假設后強信號幀B的前導脈沖交織于前弱信號幀A內部時，本文采用交織后前導脈沖位置再觸發檢測方法，具體步驟如下：

S61：交織后前導脈沖位置標志檢測。 

重復S1到S3步驟，和前面所述完全相同，使用相同的功能模塊處理，從而確定再觸發后有效前導脈沖位置。 

S62：交織后前導脈沖參考功率的次大值和次小值。 

交織后4個前導脈沖能量的提取與比較，與S4提取策略相同。區別之處在于選用一組再觸發寄存器分別存儲后一幀前導脈沖參考功率的次大值和次小值。 

S63：交織后再觸發判斷取舍。 

判斷幀B有效前導脈沖的參考功率次小值是否大于2.5倍的幀A有效前導脈沖參考功率次大值，如果是，則得出幀B為強信號，交織于弱信號幀A，舍棄幀A的有效前導脈沖，保留幀B的有效前導脈沖；否則，舍棄幀B的有效前導脈沖，保留幀A的有效前導脈沖。 

S64：交織后前導脈沖位置驗證。

 重復步驟S5，選擇交織后前導脈沖參考功率的次大值和次小值按一定比例放大和縮小作為參考比較門限驗證。 

本文提出的交織后再觸發檢測方法適合于強弱信號相互交織情況，而能量相近的交織情況，在經過S3檢測后，直接丟棄相互交織的前后幀。可以看出本文提出的交織后再觸發檢測方法，當后一幀B信號能量足夠強時，可以檢測出圖5所示的三種完全重疊交織情況^［1-2］。 

從上述分步說明可知，本文提供的前導脈沖檢測方法，其核心步驟為：有效前導脈沖位置的確認、前導脈沖參考功率次大值和報文參考功率次小值的計算、前導脈沖位置驗證和交織情況判斷及取舍。

3  功能測試和仿真

1090ES ADS-B接收機平臺選用了Altera公司的FPGA芯片，型號為EP3C40F484。采用Quartus II軟件對程序做板級調試，通過Signal Tap II抓取實際1090ES ADS-B消息信號，生成仿真工具調用的數據源文件。采用Mentor 公司的ModelSim SE 6.5軟件對數據源文件做功能驗證仿真。

3.1 Signal Tap II信號提取

通過Signal Tap II觸發，提取了一幀1090ES ADS-B消息，如圖6所示。其中，信號“①”和“②”為兩路信道提取的同一幀70 MHz ADS-B消息已調制信號；信號“③”和“④”為兩路信道解調出的1090ES ADS-B數字基帶信號。從該圖可以看出，通過前導脈沖位置驗證觸發，可有效提取1090ES ADS-B消息。

3.2 ModelSim SE 6.5仿真源

在ModelSim中調用數據源文件，生成1090ES ADS-B消息信號，如圖7所示。可以看出，由于受到外界信號干擾，解調出的前導脈沖信號幅度上下波動顯著，因此很容易影響前導脈沖上升沿標志、有效脈沖位置標志和下降沿標志的有效提取，從而引起漏檢問題。

3.3 前導脈沖位置檢測標志

圖8所示為經過前導脈沖位置檢測生成的標志信號圖。其中，801為一幀1090ES ADS-B消息前導部分，802為初次前導脈沖位置標志，803為二次前導脈沖位置標志，804為有效前導脈沖位置標志。

3.4 交織時前導脈沖位置檢測標志

圖9所示為交織時前導脈沖位置檢測標志圖。其中，I處為前一幀弱信號前導脈沖的有效脈沖位置，II處為后一幀強信號前導脈沖的有效脈沖位置。從圖中可以看出，該檢測方法有效地檢測到交織后前導脈沖，并生成相應的標志。

4  結論

本文提出的檢測方法為一種能量動態匹配檢測方法，具有更高檢測概率，有效減少因信噪比降低而引起漏檢率上升問題；檢測交織的時間范圍大，從檢測到前一幀消息的前導脈沖位置后就開始交織點檢測，直到前一幀信號所有數據位結束。該檢測方法既適用于不存在交織時的前導脈沖檢測，也適用于存在交織時的前導脈沖檢測，適用范圍廣。

參考文獻

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［7］ RTCA. DO-242A: ADS-B minimum aviation system performance standard［S/OL］. （2008-11-14）［2018-05-22］http://www.rtca.org. 

［8］ 許曉. 信號交疊下S模式ADS-B信號解碼仿真 ［D］.廣漢：中國民用航空飛行學院，2013.

［9］ 吳仁彪，吳琛琛，王文溢. 基于累加分類的ADS-B交織信號處理方法 ［J］.信號處理, 2017, 33(4): 572-576.

（收稿日期：2018-05-20）

作者簡介： 

王永利（1982-），男，碩士，工程師，主要研究方向：信息安全、信號處理。 

姚旺君（1983-），男，碩士，工程師，主要研究方向：工業控制系統、電路與系統、信號處理。 

陳嚴君（1984-），男，碩士，工程師，主要研究方向：嵌入式技術、電子技術。