许 庆，侯兴明，刘洪林，关雪涛
（航天工程大学，北京 102200）
ADS-B（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，广播式自动相关监视技术），是通过一个专用的无线数据链接不断地广播民航飞机的当前位置、高度、类别、航速、转向、爬升等状态信息的空情监视技术，在民航空情监视领域已得到普及。从分析的角度看，ADS-B 民航飞机空情监视系统能够连续、实时接收ADS-B 数据链下行的广播报文信息，通过分析系统功能需求，在实现接收系统硬件和应用软件的基础上，并进行系统硬件测试与软件联机测试，对于ADS-B 民航飞机空情监视系统投入实践应用具有重要意义。
ADS-B 民航飞机空情监视系统由接收机硬件与应用软件2部分组成。接收机硬件主要由电源、天线、射频放大、检波电路、FPGA 解码运算、数据接口5 部分组成。接收机的功能是接收国际民航组织推荐的ADS-B 的广播数据链1090 MHz Extended Squitter（1090 ES）S 模式长应答信号。该信号由112个信息脉冲构成，其中前88 位为消息位、后24 位为奇偶校验位，民航飞机每隔1 s 广播一次，信息内容包括经度、纬度、方位和速度等。应用软件的功能是实现民航飞机空情显示与管理，既能在二维GIS 地理信息系统上模拟雷达A/R 显示模式在探测范围内民航飞机航迹的位置、航迹、航班等信息，也能对各类信息进行需求项的筛选、提取、记录、回放，从而实现对针对性的民航飞机进行实时监控。应用软件的界面应当包括：系统设置栏、数据管理栏、民航飞机位置信息监控区、民航飞机高度信息监控区、民航飞机航班信息显示区，登录用户可以对当前已完成搜索跟踪的民航飞机进行筛选和监控。在目标信息显示区中，用户可以了解飞机飞行信息参数列表，并进行管理，其具体的显示列有ICAO 地址编号、模式S 标识码、最近数据更新时刻、航空公司、飞机所处的纬度、经度、飞行高度、水平距离、飞行速度和航向等。飞行高度与时间的关系，可以动态地看出飞机的飞行高度变化，横坐标表示飞机进入监控区域的时间长度，纵坐标表示飞机飞行高度，间隔3000 m 画一条标线，不同飞机以不同颜色标志。
在系统联机前，需要对板卡硬件进行调试。通过测量得到板卡的动态范围、接收机灵敏度、带通特性等相关参数，在这些参数满足接收机指标要求的前提下，才可以进行系统的联机测试与运用。硬件调试中所需要的测量仪器设备包括：多用表、Agilent E8257D 型微波高频信号发生器（250 kHz～20 GHz）、Agilent MSO6102A 型示波器（1 GHz 4 Gsa/s）、IFR 2395 型频谱分析仪（9 kHz～26.5 GHz）。
2.1 短路测试
为防止ADS-B 接收机板卡因封装连接不当导致在USB 供电时烧毁，首先要在供电前对ADS-B 接收机板卡进行短路测试。通过多用表测试电源对地电阻的阻值确定板卡连接正确。
2.2 ADS-B 1090 MHz 接收数据测试
如图1 所示，接收机首先通过一个30 dBm 增益的全向天线接收微弱的高频回波信号，经过滤波减小回波中的噪声干扰，再经过信号放大，并从已调信号中检出调制信号，最后解调出所需要的方波信号即S 模式长应答信号发送至接收机输出端口。
图1 板卡调试流程和信号变化
采用Agilent E8257D 型微波高频信号发生器作为输入信号源，设置中心频率为1.09 GHz，调节信号功率值，测试接收机是否能够实现信号接收与放大，当输入信号功率为-50 dBm 时，接收机输出端连接Agilent MSO6102A 型示波器能够观察到清晰且经过放大的脉冲信号，由此证明了接收机正常工作（图2）。
图2 有效接收脉冲信号
动态范围描述了接收机正常工作时所允许的输入信号强度变化范围，用接收机前端最大允许输入功率与最小可检测功率之差表示。如图3 所示，采用Agilent E8257D 型微波高频信号发生器作为输入信号源进行测试，观察在输入不同的信号功率下，得到射频前端的线性变化区域在-33～-89 dBm。当输入信号功率小于-80 dBm 时，接收机射频前端无法有效接收高频脉冲信号；
当输入信号功率在-80～-33 dBm 时，接收机可以有效接收脉冲信号，并随输入信号功率的增加而线性放大；
当输入信号功率大于-33 dBm 时，接收机不再线性放大从而进入饱和区。在测试过程中，测量接收机前端对输入最大功率的耐受度，输入加至24 dBm（信号源最大可能输出功率）时，前端仍未烧毁，但可以看到，接收机已明显饱和。
图3 测量动态范围
解调模块实现了将脉冲信号解算调整为完整形状的方波过程，如图4 所示，通过调整微波高频信号发生器的输入信号功率，利用示波器测试经解调后的脉冲信号，当输入信号小于-75 dBm时，解调模块的出现明显的误码情况，无法满足正常需求。
图4 解调模块得到的脉冲信号
灵敏度表示接收机接收微弱信号的能力，通常用射频末端的最小可检测信号功率来描述接收机实际的灵敏度。当接收机输入信号功率达到灵敏度时，接收机能正常接收。当接收机输入信号功率低于灵敏度时，信号被淹没在噪声中。如图5所示，通过动态调整输入信号功率来观察射频末端的脉冲信号显示，从而记录接收机射频模块可检测信号功率。测试发现，随着输入信号功率的减小，脉冲信号逐渐模糊，在功率为-82 dBm 时还能够观察到脉冲信号，而当功率为-83 dBm 时脉冲信号已经完全淹没在噪声中，由此得到最小可检测信号功率为-82 dBm。
图5 射频前端测量接收机灵敏度
由于没有矢量网络仪，所以利用信号发生器扫频的方式，采用频谱分析仪观察板卡的带通特性。如图6 所示，测试使用的是IFR 2395 型频谱分析仪，可以观察得到接收机解调模块的带通范围，通过噪声频谱图可以测量得到带内平坦度约为10 dB。证明在连接接收天线的条件下，接收机可以有效接收脉冲信号。
图6 带内平坦度测试
2.3 编解码测试
如图7 所示，在连接接收天线的条件下，利用Agilent MSO6102A 型示波器测试接收机FPGA 解码模块末端。通过示波器所显示的脉冲信号与1090ES 数据链的报文标准进行实际比对，前导头包含4 个脉冲，每个脉冲持续0.50～0.05 μs，第2 个、第3 个、第4 个脉冲与第1 个传输脉冲间隔分别为1.0 μs、3.0 μs、4.5 μs。测试结果证明，接收机可以对脉冲信号进行解码得到正确的ADS-B 报文信息。
图7 接收脉冲测试
对基于ADS-B 的空情检测系统工作性能及稳定性进行测试，该系统主要由接收天线、ADS-B 接收机卡板、上位机组成，天线与接收机卡板是通过ARINC 429 接口连接，接收机卡板与上位机是通过USB 接口相连接，将已提供出的端口驱动ADS-B Receiver，安装在上位机设备管理器中作为默认启用的端口驱动，这样，当板卡通过串口与上位机连接后就可以实现软件平台通信设备的启动，接收机连接上位机后运行ADS-B 民航飞机空情监视系统应用软件。由于ADS-B 接收机中没有配置GNSS 自动接收模块，由此需要在上位机进行手动的大地极坐标设置，输入当前系统的经度与维度坐标参数，从而确定民航飞机位置信息监控区的原点中心。在坐标参数设置后，点击系统设置栏的设备开启键，应用软件会进行空域范围内民航飞机搜索并持续获取对应的ADS-B 的广播数据链1090ES 模式长应答信号。通过手动筛选所需要的航班，得到与之对应的目标航迹、当前实时的纬度、经度等位置信息，在监控界面的数据管理栏实现动态显示，飞机高度在民航飞机高度信息监控区实现动态呈现。2021 年5 月25 日在石家庄正定机场进行系统联机测试，在图中成功连续跟踪到了机场方向的民航航班3 架，并进行了录像和图片收集（图8）。
图8 ADS-B 接收系统运行中
结合系统研制的目的，对ADS-B 民航飞机空情监视系统进行了系统硬件调试以及联机测试。通过接收机模块测试，分析终端应用软件，介绍了硬件测试和软件联机测试项目。从结果上看，ADSB 民航飞机空情监视系统能够实时、连续地跟踪飞行目标。
猜你喜欢 监视系统板卡接收机 MACH2系统板卡程序下装平台的研制电子世界(2022年1期)2022-07-23GNSS接收机FLASHADC中比较器的设计导航定位学报(2022年1期)2022-02-17北极监视系统趣味(数学)(2020年12期)2020-06-09车载控制器CVRE板卡显红故障分析及处理铁道通信信号(2020年8期)2020-02-06视频监视系统新型终端设备接入方案铁道通信信号(2019年4期)2019-10-10一种宽带低功耗四合一接收机设计电子制作(2019年24期)2019-02-23一种面向ADS-B的RNSS/RDSS双模接收机设计电子制作(2018年19期)2018-11-14基于组态王软件和泓格PIO-D64 板卡的流水灯控制电子制作(2017年23期)2017-02-02数字接收机故障维修与维护电子制作(2016年1期)2016-11-07一种基于光纤数据传输的多板卡软件程序烧写技术火控雷达技术(2016年3期)2016-02-06