王偉瑋，涂榫
(78009部隊，四川 成都 610000)
摘要：介紹了ADS-B技術和1090ES數據鏈并分析了其報文格式，繼而介紹了軟件無線電技術和RTL-SDR技術。將ADS-B和RTL-SDR技術相結合，搭建了一個涵蓋硬件和軟件的監控系統，詳細描述了系統的組成和實現，并對系統的接收天線進行了設計和改進，用大量的實驗數據驗證了改進的效果。該監控系統可以較好地達到監控目的，實現成本低，可以作為相關領域技術研究的試驗及測試系統，如果加以完善，甚至可以應用到專業領域。
關鍵詞：ADS-B；1090ES數據鏈；RTL-SDR；監控系統
0引言
伴隨我國經濟的高速發展，民航事業蓬勃壯大，也導致了空中交通壓力倍增，由此而生的ADS-B技術［1］成為了今后航空管制技術的大勢所趨。
本文基于已有的ADS-B技術，將軟件無線電技術與ADS-B技術相結合，在極低的成本下搭建了一個涵蓋硬件和軟件的監控系統平臺。利用RTL-SDR技術接收ADS-B信號，并用軟件解調的方式解調了原始采樣信號；利用VC編寫代碼解析還原了1090ES數據鏈報文；為了直觀地對飛機進行監控，將STK(Satellite Tool Kit)和GoogleEarth無縫集成到系統中作為輸出顯示。系統分為天線、接收器和計算機三個部分，天線和接收器作為硬件，主要實現信號的接收和解調，計算機作為軟件部分，以編寫軟件代碼的方式實現報文的解析還原，最終圖形化顯示給用戶。
1簡介
1.1ADS-B簡介
ADS-B即廣播式自動相關監視（Automatic Dependent SurveillanceBroadcast），其中Automatic表示自動運行，無人值守；Dependent表示相關，需要借助GPS定位數據；Surveillance表示監視，獲取飛機坐標、飛行速度和高度、方向、航班代碼及其他信息；Broadcast表示廣播，類似于網絡數據傳輸中的廣播，無需詢問，飛機之間或飛機與地面站之間互相廣播各自信息。ADS-B系統包括多個機載站和多個地面站，系統組網方式可以是網狀或者是多點對多點方式，繼而實現數據雙向通信。ADS-B技術可以在多個方面發揮作用，主要包括：空對空監視、地對空監視和場面監視［2］。相對于傳統的雷達監視技術，ADS-B技術提高了遠程信息的獲取能力，簡化統一了信息格式，從而降低了信息的處理成本，使得共享飛行信息具備了現實可行性。ADS-B系統結構圖如圖1。
目前支持ADS-B技術的數據鏈有三種：1090ES(1 090 MHz擴展振蕩)、UAT(通用訪問收發信機)和VDL-4(甚高頻數據鏈模式4)。其中1090ES數據鏈是ICAO(國際民用航空組織)推薦的用于全球商用航空飛機、支持ADS-B應用的數據鏈系統，所以本文涉及到的內容全部基于該數據鏈。
1.21090ES數據鏈簡介及報文格式解析
數據鏈系統是ADS-B技術的主要組成內容，它基于S模式應答機。S模式應答機的數據傳輸能力很強，擁有高達1 677萬個地址碼，可以滿足全球航空器唯一地址的需求［3］，飛機通過標識該編碼來應答地面站的詢問信號。S模式的雙向數據鏈可用于飛機間或地面站同飛機間的雙向數據交流，其詢問信號和應答信號均為56 bit或112 bit的數據塊。
下面以實際的ADS-B數據來進行說明，假設收到的兩個數據幀如下（十六進制）：
8D75804B580FF2CF7E9BA6F701D0
8D75804B580FF6B283EB7A157117
（1）第1個字節8D（10001101）。其中，前5個比特為10001，指示DF=17，表明該幀為S模式的ADSB消息，后3個比特為101，指示CA=5，意味著至少有Comm.A或Comm.B的能力。
（2）第2-4個字節即75804B給出了ICAO地址。75804B（hex） = 01110101 10000000 01001011（binary），前9個比特 ：011101011，根據ICAO Annex 10 Volume III規定，指示了該架飛機屬于菲律賓，制造商是Airbus，Model為A-319112，Reg / Opr信息為CEB ［5J］Cebu Pacific Air。
（3）5-11字節為ME字段。該字段含有兩種類型，分別為空中和地面位置信息，其中：
1-5比特：類型碼TC=11，指明了該數據為空中位置數據。
6、7比特：監視狀態標識位，值為0表示無情景信息。
8比特：天線指示，取0表示使用了單天線，取1表示使用了雙天線。
9-20比特：高度指示域，當 9≤TC≤18時，使用大氣壓高度來標識高度信息，當 20≤TC≤22時，使用橢球體上的 GNSS 高度（HAE）來報告高度信息，本數據中TC=11，使用的是大氣壓高度。其中第16比特定義為“Q”比特，Q=1時，編碼使用25英尺增量的高度報告，高度指示的比特中除去“Q”比特外其余都用于高度編碼即N=00001111111(二進制)=127(10進制)。由大氣壓高度公式：H=25×N-1 000±12.5 英尺，得出飛行高度為：H=25×127-1 000±12.5=2 175英尺。Q=0時，使用100英尺增量高度報告。
21比特：對于空中位置，該比特用于指出有效時間點是否是準確的 0.2 s UTC 時間點。
22比特：指示使用了哪種CPR（簡潔位置報告）格式來編碼經緯度信息，1為奇格式，0為偶格式，所以第1幀為偶格式，第2幀為奇格式。
23-39比特：編碼后的緯度信息。
40-56比特：編碼后的經度信息。
Lat(0) = 10110011110111111 or 92095
Lat(1) = 10101100101000001 or 88385
Lon(0) = 01001101110100110 or 39846
Lon(1)= 11110101101111010 or 125818
解碼經緯度信息可分為以下幾步：
①計算緯度Zone尺寸AirDlat
其中NL為緯度Zone的個數，等于15。
得到：
②計算緯度索引值j
j=floor(((59×Lat(0)-60×Lat(1))/131 072)+0.5)=1
其中floor表示向下取整。
③計算奇偶形式的緯度值rLat
rLat(0)=AirDlat(0)×(mod(j,60)+Lat(0)/131 072)
rLat(1)=AirDlat(1)×(mod(j,59)+Lat(1)/131 072)
其中mod函數表示取模。
代入步驟①中得到的AirDlat(0)=6和AirDlat(1)=360°/59，得：
rLat(0)=10.21577453613281
rLat(1)=10.21621445478019
④計算奇偶緯度值所對應的經度Zone的數量NL，利用公式：
得：NL(0)=59=NL(1)
如果NL(0)和NL(1)不相等，則丟棄該緯度值。
⑤計算經度Zone的尺寸AirDlon
其中：n(i)=max［NL(rLat(i)-i),1］
得到：
⑥計算經度索引M
M=floor((((Lon(0)×(NL(i)-1))-(Lon(1)×NL(i)))/131 072)+0.5)=-39
⑦計算全球經度值rLon
由公式rLon=AirDlon(i)×(mod(M,n(i))+Lon(i)/131 072)
代入上面已求相關值得：
rLon(0)=123.8888187731727
rLon(1)=123.8891285863416
經過上面的步驟就能還原出飛機的經緯度位置：
1.3SDR和RTL-SDR技術介紹
軟件定義無線電實質上就是在個人電腦或者嵌入式系統中用軟件實現的方法來代替典型的硬件功能的無線電通信系統，例如混頻器、濾波器、放大器，調制器和解調器、感應器等都可以用軟件來實現［4］。一個基本的軟件無線電系統可以由一臺包含了聲卡或者模數轉換器，或一些其他形式的射頻前端的個人計算機組成。其工作原理如圖2。
RTL-SDR作為軟件無線電系統的一個分支，其原理是使用了RTL2382U芯片的電視接收器中未處理的原始基帶采樣信號可以被直接訪問，這樣通過更新接收器的驅動擴展了接收頻率后，將信號通過USB傳遞到電腦，就可以將電視接收器變成一個寬帶軟件無線電，極大降低了軟件無線電的研究和開發門檻。
1.4接收天線的設計及改進
ADS-B采用的是垂直極化信號，接收到的信號質量不僅取決于接收點到飛機的距離、天線附近的障礙物和無線電干擾，還取決于接收天線本身的設計，ADS-B信號的天線設計應該滿足以下要求［5］：
（1）當天線不接地時，天線長度應該為目標無線電信號半波長的整數倍；當天線接地時，考慮到地面鏡像效應，天線長度應該為目標無線電信號1/4波長的整數倍，利用波長公式：W=V/f，得出：
W=300 000 km/s1 090 MHz≈0.275 m
L=0.5×27.5 cm×f=11.68 cm(不接地)
L=0.25×27.5 cm×f=5.84 cm(接地)
其中，f為速度因子,同軸電纜一般取0.85。
（2）為了減小信號傳輸時的衰減，要盡量保證饋線長度盡可能短，并使用質量好的同軸電纜，或者通過增加一個低噪聲放大器（LNA）來減少信號衰減。
（3）阻抗匹配。接收器輸入阻抗和饋線阻抗應匹配。
電視棒配套的鞭狀天線作為一個全向天線可以接收DVBT、DAB、FM信號，當然也包括ADSB信號，但是如果作為專用的ADS-B信號接收天線可能就略顯不足。在參考了部分ADS-B天線的設計后，這里提出了兩種改進方案：
（1)環狀天線
該天線由一段帶多個環路的銅線和一個連接頭組成，如圖3。
銅線被環路分割為長度不同的三段，第一段長度為λ/2，第二段為3λ/4，第三段略小于3λ/4，這樣設計的目的是為了減少電容效應的影響。經過測試該天線的增益可達到6 dBi。
（2)多節天線
如圖4所示，多節天線主要由一根同軸電纜和連接頭制作而成。
每一節的長度L=0.5×λ×f(f為速度因子,同軸電纜一般取0.85)，所以L=0.5×27.5×0.85≈11.6 cm，制作時每節之間用膠帶阻隔。通過比較發現，長度超過12節時，接收效果不再有明顯的改善，從體積上考慮，8節的長度L=11.6 cm×8=92.8 cm最理想。
為了驗證天線改進后的效果，連續5天在同一時間段(14：50~15：10)進行了數據的統計。選取該時間段主要是考慮到大部分國內航線飛行時間相對固定，選取固定的時間段進行數據采集有利于數據的橫向比較。統計結果如圖5。
由圖5可以看到，改進后的天線在接收效果上有了明顯的改善，在同一個時間段監控到的數量分別提高了大約36%（環狀天線）和43%（多節天線）。
2系統介紹
2.1系統組成和工作流程
監控系統主要由3部分組成：天線、接收器和計算機，如圖6所示。
（1)ADS-B信號經天線到達接收器,在接收器內部完成信號的放大、變頻、濾波及數字化。
（2)通過USB接口將數據發送到計算機，用軟件的方式對信號進行解調得到未解碼的ADS-B信息。
（3)根據天線位置，室內如果能保證信號良好，則可以在本地計算機上完成信息的解析還原；如果室內信號較差，那么可以將天線放置于室外，前端完成信號的接收和解調，通過網絡將解調后的信號傳輸到后端完成解析工作。
（4)將還原后的ADS-B信息生成標準的STK信息［6］和KML格式［7］信息，在STK的2D和3D模塊中動態顯示或者導入到Google Earth中顯示。
2.2系統使用
該監控系統利用VC2008編寫而成，界面如圖7。分為6個區域，分別為:
（1）2D顯示區域。該區域的作用是在2D圖像中顯示出飛機的飛行軌跡。
（2）3D顯示區域。該區域的作用是在3D圖像中顯示飛機的飛行軌跡，能夠體現出飛機的高度信息。3D顯示有兩種模式：GoogleEarth模式和STK模式。
（3）動畫控制區域。該區域是實現對STK的2D和3D模擬場景的動畫控制，包括播放、暫停、倒退等，還包括2D圖形的放大和縮小功能控制。
（4）場景及對象設置區域。該區域包括創建、載入模擬場景、保存及關閉當前模擬場景等操作。
（5）本地及遠程參數設置區域。本地模式用來導入本地數據，遠程模式用來實時地接收遠程數據。
（6）監控飛機列表區。用來列表顯示監控到的飛機信息，包括飛機的ICAO代碼、航班代號、飛行速度、飛行高度、經度和緯度，所有信息都實時更新。
3結束語
本文基于航空管制中的ADS-B技術結合軟件無線電中的RTLSDR技術搭建了一個涵蓋硬件和軟件的監控系統平臺，詳細描述了該系統的原理及實現方法。該監控系統實現成本低，能很好地達到監控的目的，可以作為相關領域技術研究的試驗系統，加以逐步完善甚至可以應用到專業領域。
參考文獻
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