ADS-B系統導頻同步算法研究及改進

王忠躍, 梁 源, 向 新

(空軍工程大學航空工程學院,西安 710000)

0 引言

自動相關監視廣播(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast,ADS-B)是一種利用機上傳感器和GNSS信息對外不間斷發送飛機狀態信息的空中交通管理和控制監視系統[1]。1幀ADS-B信息可以包含飛機的位置、高度、速度、航向、識別號等信息[2],在向地面廣播信息的同時,周圍其他航空器也可以收到相關數據,從而達到空中防撞的目的。ADS-B系統最大的特點在于不需要其他地面雷達設備的協助就能完成相應的數據信息收發,這一點在島嶼、沙漠等人口稀少并且航空管制薄弱的地區尤為重要。每一幀信號都包含著某一時刻的飛機狀態數據,但接收過程中受同步算法缺陷的影響,容易發生解析失敗丟包狀況,為提高ADS-B系統接收的可靠性,降低誤包率,改進同步算法尤為重要。

ADS-B系統數據的接收過程包括天線接收、物理層數據處理、信息解析和數據顯示4個部分。物理層數據處理作為ADS-B信號接收過程的前端部分,在整個過程中就顯得十分重要,其中,報頭檢測事關能否準確地從數據流中截選出所需的信息,從而順利地解析飛機的有關狀態[3]。ADS-B廣播數據報頭檢測技術主要分為兩種:一種是脈沖沿檢測法[4],該方法最大的特點就是簡單,原理在于利用脈沖位置及上升沿來判斷報頭的位置和到達時間,但是在DF字段受到干擾時極易導致DF驗證不通過檢測失敗[5];另一種方法是利用匹配濾波的方式檢測報頭[5],該方法特點在于極大地降低了檢測虛警的概率和誤包率。本文研究和改進了ADS-B信號的導頻同步算法,利用基于RTL-SDR檢測ADS-B信號的仿真模塊[6]提出了改進方法。

文獻[5]中提出的基帶信號歸一化的互相關報頭檢測技術,有效解決了直接匹配濾波過程中出現的虛警問題,但是需要進行噪底估計,計算復雜度略大;文獻[7]在改進檢測上升沿標志和脈沖有效位置標志的方式的基礎上,增加了檢測上升沿標志和脈沖有效位置相關性的檢測函數,改進后的算法能夠有效降低信號的漏檢率,但是在低信噪比的情況下還是有很大的漏檢率;文獻[8]提出改變常用的匹配濾波器系數,將原始的脈沖方波序列改進為近似正弦波,并與接收的信號進行互相關檢測,這種方式極大地提高了解包率,但是實際上在噪聲和其他信號影響后的前導序列更趨向于升余弦函數的脈沖序列。

在此基礎上本文根據互相關原理進一步調整匹配濾波器的系數,同時延續了文獻[8]中負電平化匹配濾波器算法,使得到的信號不需要檢測具體能量值大小,僅需找到最大值即可找到脈沖到達時間(TOA),從而進一步完成幀同步過程,最后根據提出的互相關報頭檢測方案對基于RTL-SDR接收ADS-B信號的仿真模塊進行了驗證。

1 導頻同步基本原理

為了解決信號在傳輸過程中的同步問題,常見的解決手段為幀同步,即在發送的數字序列中插入幀同步脈沖或者幀同步碼作為幀的起始標志。因此,S模式的ADS-B信號就是由8 μs的前導脈沖同步序列和56/112 μs的數據位構成的[9],如圖1所示。

圖1 ADS-B信號格式

由圖1可知,前導碼分別在 0 μs、1 μs、3.5 μs、4.5 μs處有4個脈沖位置固定,接收時,利用幀同步原理將接收信號脈沖與鏡像脈沖進行匹配濾波,從而達到信號同步的目的。標準同步頭的濾波器如圖2所示。

圖2 標準同步頭的濾波器

當兩個脈沖序列一致時會有單峰狀的尖波產生,找到數個尖峰中數值最大的那個點的位置即可認為找到ADS-B脈沖前導序列。

2 匹配濾波器優化

通常在進行數字信號接收時要有一個判決時刻,此判決時刻的瞬時功率對噪聲功率平均功率之比達到最大就成為最大信噪比準則,為了達到輸出信噪比最大的濾波器,采用匹配濾波器來實現[10]。

匹配濾波器在實際應用時可以將其視作計算輸入自相關函數的相關器,因此匹配濾波器等同于相關器。根據匹配濾波的定義[10]通過相關接收找到最佳判決點的位置,從而得到輸出信噪比在某一特定時刻最大。

(1)

式中:xn為標準序列;N為序列長度;yn-m為接收的信號序列。

仿真模塊中采用ADS-B系統理想矩形脈沖報頭與信號進行同步接收從而獲得最佳抽樣時刻,通過仿真分析后發現,雖然這種方法在一定程度上可以得到輸出信噪比最大值點,但仍存在比特解析時誤包率大以及抽樣時刻峰值低的問題。

經過分析發現,在信道的傳播過程中,由于信號受到其他S模式信號或者噪聲的干擾,并且信號在經過內插、下采樣等信號處理操作后,進入匹配濾波器前的信號序列已不再是規則的矩形脈沖信號,實際接收時前導脈沖序列如圖3所示,其波形是更接近于升余弦函數,此時再用仿真模塊進行相關接收時顯然就會造成上述問題。本文針對前文方法的不足,在汲取其優點的前提下,提出了優化互相關報頭波形的方法。

圖3 實際前導脈沖序列

在仿真模塊的基礎上,經過大量的波形比對發現,若將匹配濾波器波形改為如圖4所示的類型時將得到較好的接收效果,此時的同步序列能與接收到的前導脈沖序列近似鏡像,并且在一定程度上表明通過改變匹配濾波器波形提高信噪比從而降低比特解析誤包率的方法是可行的。

圖4 優化后濾波器

FIR濾波器是特殊的卷積,但是卷積不一定是常規的FIR濾波器,對應真實的卷積過程來講會產生延時,只有消除延時能將信號同步。仿真模塊的helperAdsbRxPhyPacketSearch函數[6]中并未將延時消除,在函數的第37行的去除延時代碼如下:同步時間=尖峰最大值位置×下采樣后長報文樣點數-前導脈沖的樣點數+第n批×長報文樣點數。此處可以看到,按照此算法在去掉延時的代碼部分時間后未同步,而只是和應同步樣點的前一位對齊,所以應將第37行代碼改為:同步時間=尖峰最大值位置×下采樣后長報文樣點數+2-前導脈沖的樣點數+第n批×長報文樣點數(此處+2是由于模塊中匹配濾波器前有2倍下采樣)。

3 仿真測試

為了驗證優化后的匹配濾波器效果,將設備和仿真模塊在如圖5所示的方式下進行仿真,一方面可以根據匹配濾波器輸出峰值的變化判斷優化前后匹配濾波器的性能是否更佳,另一方面可以判斷比特解析的誤包率變化。

圖5 信號接收同步過程

圖6為濾波器系數調整前后互相關輸出波形對比。

圖6 濾波器系數調整前后輸出波形對比

由圖6可以看到,優化后的匹配濾波器輸出信號尖峰值較原始匹配濾波器輸出信號的尖峰值更高,證明調整后的匹配濾波器系數與ADS-B信號的前導脈沖相關度更高且性能更好。

將優化前后兩組同步模塊分別處理同一段已采集好的ADS-B信號,此數據包為開源數據[6],通過比較長報文誤包率前后變化,可以十分清楚地了解此方式的效果。報文誤包率(PER)表示為

(2)

圖7所示為修改濾波器系數前后長報文PER對比。

圖7 修改濾波器系數前后長報文PER對比

從圖7看出,修改參數后的濾波器輸出信號報文的誤包率基本保持在12.10%,修改前的報文誤包率為32.0%,相比較使用矩形脈沖波形的匹配濾波器的誤包率下降了62.5%,證明優化后的匹配濾波器更有利于尋找匹配相關最大值等信號處理工作。文獻[7]在信噪比為0 dB條件下誤包率可達到10.0%,但相比較改進為正弦函數的前導序列[7],本文算法可達到同等效果且技術實現更為簡單。

4 總結

對ADS-B信號前導序列的處理是接收模塊中承上啟下的關鍵環節,為了提高信號處理的效率,本文首先根據互相關原理,提出改進原始標準序列的方式,以另一種更貼近真實信號報頭的負電平化匹配濾波器系數,使得匹配濾波器輸出互相關峰值得到較大提升,提升了低功率下的輸出信噪比,有效降低了接收ADS-B數據信號的誤包率;同時在匹配濾波器延時理論的基礎上,優化了仿真模塊中的去除延時的代碼,最后經過仿真實驗,證實了此方式提高信號接收的解包率可行性。