S-modu ADS-B lider darbe algılama yöntemi
Wang Yongli, Yao Wangjun, Chen Yanjun, Zhang Peng
(The Sixth Research Institute of China Electronics Information Industry Group Co., Ltd., Beijing 100083)
ADS-B, Uluslararası Sivil Havacılık Örgütü tarafından aktif olarak desteklenen bir navigasyon izleme teknolojisidir. Mod S önde gelen darbe algılama yöntemi, mevcut 1090ES ADS-B alma teknolojisinin kilit ve zor noktasıdır ve sonraki mesajların etkili bir şekilde çıkarılması için öncül ve temeldir. 1090ES ADS-B mesaj sinyali standart iletişim protokolüne dayanarak, mesaj başlangıç eki bölümünün enerji dağılımının özelliklerinden tam olarak yararlanarak, başlangıç eki darbe konumunu bulmak ve mesaj veri bölümündeki DF alanındaki darbe gücünün tutarlılığını doğrulamak için bir dinamik enerji eşleştirme algılama yöntemi önerilmiştir. , Önde gelen nabız algılamanın titizliğini sağlamak için. Deneysel sonuçlar, tespit yönteminin tamamen uygulanabilir olduğunu, daha yüksek bir tespit olasılığına sahip olduğunu ve ayrıca serpiştirme olduğunda başlangıç eki tespiti için uygun olduğunu göstermektedir.
Çin Kütüphanesi Sınıflandırma Numarası: TP273 Belge tanımlama kodu: Bir DOI: 10.19358 / j.issn.2096-5133.2018.08.020
Teklif biçimi: Wang Yongli, Yao Wangjun, Chen Yanjun, ve diğerleri.S-mode ADS-B giriş algılama yöntemi J. Bilgi Teknolojisi ve Ağ Güvenliği, 2018, 37 (8): 83-87.
S modu ADS-B başlangıç sinyalini tespit etmek için bir yöntem
Wang Yongli, Yao Wangjun, Chen Yanjun, Zhang Peng
(The 6th Research Institute of China Electronics Corporation, Beijing 100083, China)
Öz: ADS-B, ICAO'nun aktif olarak teşvik ettiği bir navigasyon izleme teknolojisidir.S modu başlangıç eki darbe algılama yöntemi, mevcut 1090ES ADS-B alım teknolojisinin temel ve zor noktasıdır ve sonraki mesajların etkili bir şekilde çıkarılması için öncül ve temeldir. . 1090ES ADS-B mesaj sinyalinin standart iletişim protokolüne dayalı olarak, bu makale, başlangıç ekindeki enerji dağıtımının özelliklerinden tam olarak yararlanır.Ön ek pulsunun konumunu belirlemek ve tutarlılığı doğrulamak için dinamik bir eşleştirme algılama yöntemi önerilmiştir. Mesaj kısmındaki DF alanının darbe gücünün, böylece başlangıç eki algılamasının kesinliğini sağlar.Deneysel sonuçlar, algılama yönteminin tamamen uygulanabilir olduğunu ve daha yüksek algılama olasılığına sahip olduğunu ve ayrıca mevcut olduğunda başlangıç eki algılaması için uygun olduğunu göstermektedir. serpiştirme.
Anahtar kelimeler: ADS-B; izleme teknolojisi; başlangıç sinyali; interweave; yeniden tetikleme; FPGA
0 Önsöz
Otomatik Bağımlı Gözetim Yayını (ADS-B), modern bir entegre gelişmiş kablosuz veri iletişim teknolojisi, uydu konumlandırma ve navigasyon bilgi iletim teknolojisi ve otomatik gözetim teknolojisi ve diğer ilgili teknolojilerdir. , Havadan havaya veri bağlantısı iletişimi, trafik izleme ve bilgi iletimi için ortaya çıkan hava trafik kontrol teknolojisini tamamlar. Uluslararası Sivil Havacılık Örgütü (ICAO) bu seyrüsefer gözetim teknolojisini aktif olarak teşvik etmekte ve bunu gelecekteki gözetim teknolojisi gelişiminin ana yönü olarak belirlemiştir [1-2].
1090ES (1090 MHz Extended Squitter) ADS-B sistemi, Mode S veri bağlantısına dayalı bir ADS-B teknolojisidir. Sistem, GNSS hava ekipmanı ile desteklenir ve verici, ADS-B mesajları şeklinde hava-hava ve hava-yer veri bağlantısı yayınları ile pozisyon, yükseklik, hız ve diğer durum bilgilerini periyodik olarak yayınlar.
Mevcut 1090ES ADS-B mesaj alma teknolojisi, öncü darbeyi, yani yükselen kenar işaretinin algılama yöntemi, her bir darbe sinyalinin etkin darbe pozisyon işareti ve düşen kenar işaretini ve karşılık gelen standart çıkarımı tespit etmek için temel olarak darbe pozisyonu algılama yöntemini kullanır. Ön pals pozisyonunun [1-5] dışında. Bu algılama yöntemi, sinyal-gürültü oranı yüksek olduğunda daha iyi algılama performansına sahiptir. Bununla birlikte, sinyal-gürültü oranı nispeten düşük olduğunda, özellikle zayıf sinyaller için, gürültü paraziti nedeniyle nabız konumu kararında hatalara neden olmak kolaydır, bu da başarısızlığa ve önde gelen nabız tespiti ve mesaj bilgilerinin kaybına yol açar [3-5]. Bu teknolojinin kusurlarını hedefleyen bu makale, yukarıdaki sorunları etkili bir şekilde çözebilecek bir S-modu ADS-B başlangıç algılama yöntemi önermektedir.
11090ES ADS-B mesaj sinyali yapısı
Şekil 1, 1090ES ADS-B mesaj sinyali formatını [6-7], ön kısım ve sonraki veri blokları dahil gösterir. Bunlar arasında, öndeki kısmın uzunluğu 8 s'dir ve şu şekilde işaretlenen 4 önde gelen darbe içerir: ilk öndeki darbe, ikinci öndeki darbe, üçüncü öndeki darbe ve dördüncü öndeki darbe; her öndeki darbenin standart genişliği 0,5'tir. s; ilk önde gelen darbenin, ikinci önde gelen darbenin, üçüncü öndeki darbenin ve dördüncü öndeki darbenin standart göreli konumları şunlardır: 0,0 0,5 s, 1,0 s 1,5 s, 3,5 s 4,0 s, 4,5 s 5,0 s ; Sonraki veri bloğunun uzunluğu 56 s (56 bit) veya 112 s (112 bit) olup, Manchester kodlama modülasyonu kullanılarak yani her bitin uzunluğu 1 s olup ön / arka yarılardan oluşur. Bit 1, bit 2, ..., bit N anlamına gelir.
1090ES ADS-B alıcı cihazı için, mesajı çözerken tamamlanması gereken ilk işlem, sonraki tüm mesaj işlemenin öncülü ve temeli olan öncü darbe tespitidir.
21090ES ADS-B önde gelen darbe algılama yöntemi
Şekil 1'den görülebileceği gibi, 8 s öncü kısım 0-5 s periyotu ve 5 s-8 s periyotu içerirken, DF alanı 8 s-13 s periyodunda yer almaktadır. Bu yazıda önerilen önde gelen nabız algılama yöntemi temel olarak, darbe enerjisinin 0 5 s zaman periyodunda ve 5 s 8 s zaman periyodu ve 8 s 13 s zaman periyodu boyunca 1090ES ADS-B mesaj standardı puls enerjisi ile dinamik olarak eşleşip eşleşmediğini tespit eder. DF alanının enerji doğrulaması, algılama sonucunun doğru olup olmadığını ve öndeki darbenin geçerli olduğunu doğrular. Şekil 2, 1090ES ADS-B mesaj lideri darbe algılama fonksiyonunun fonksiyonel blok diyagramını göstermektedir.
Şekil 2'deki fonksiyonel modüller aşağıda açıklanmıştır.
S1: Veri örnekleme ve toplama.
1090ES ADS-B dijital temel bant sinyalini örneklemek, 5 s uzunluğunda bir kaydırma yazmacında sırayla depolamak, aynı anda eşleşen 4 önde gelen darbe pozisyonundaki tüm örnekleme noktalarının gücünü ve değerini çözmek ve sonucu "toplam değer" kaydırmasında saklamak Bit kaydı.
S2: Öndeki parçanın ilk 5 s'sinde darbe enerjisi karşılaştırması.
5 s uzunluk penceresinin kaydırma kaydından 4 önde gelen darbe konumunu çıkarın, yani 0,0 s 0,5 s, 1,0 s 1,5 s, 3,5 s 4,0 s, 4,5 s 5,0 s ve bunları hesaplayın Her önde gelen darbenin ortalama güç değeri; buna ek olarak, önde gelen darbesiz 0,5 s 1,0 s, 1,5 s 2,0 s, 3,0 s 3,5 s, 4,0 s 4,5 s içindeki tüm örnekleme noktaları çıkarılır ve her zaman periyodu hesaplanır 1090ES ADS-B mesaj sinyalinin enerji dağıtım özelliklerine göre, karşılık gelen standart enerjiyi karşılaştırın.
S3: Öncü nabız konumu tespiti
Önde gelen nabız konumu tespiti üç bölümden oluşur, özel adımlar aşağıdaki gibidir:
S31: İlk nabız konumu tespiti.
Örnekleme zamanında, "toplam değer" kaydırma yazmacında depolanan değerin arttığı ve öncü parçanın ilk 5 sndeki darbe enerjisi karşılaştırma sonucunun 1090ES ADS-B mesajının önde gelen darbe pozisyon sinyalinin enerji dağılımı ile tutarlı olduğu tespit edilir, ardından ilk öncü darbe pozisyonu bayrağı çıkarılır. .
S32: İkinci önde gelen darbe pozisyonu tespiti.
Birinci öncü darbe pozisyon işareti zamanında, "toplam değer" kaydırma yazmacında saklanan değer büyükten küçüğe değişirse, ikincil öncü darbe konumu işareti çıkarılacaktır.
S33: Nihai lider darbe pozisyonu tespiti.
Eşleşen dört öncü darbe pozisyonu örnekleme noktasının sinyal enerjisi genliği "toplam değeri" en büyük olduğunda, 1090ES ADS-B mesaj standardına uyan 5 s'lik öncü darbe algılanır ve son öncü darbe konumu bayrağı çıkarılır. Yani, ikinci ön darbe konum işaretinin darbe yükselen kenarı, etkili ön darbe konumu işareti olarak ayarlanabilir. Şekil 3, 1090ES ADS-B mesajı öncü darbe pozisyonu tespitinin akış şemasını göstermektedir.
S4: Başlangıç eki darbesinin referans gücünün ikinci en büyük ve ikinci en küçük değeri.
Şekil 4, başlangıç eki referans gücünün ikinci en büyük ve ikinci en küçük değerini hesaplamak için akış şemasını gösterir.
Son öncü darbe pozisyon işareti tespit edildiğinde, dört öncü darbedeki sinyal enerjisi genliğinin ortalama değeri, yani darbenin ortalama güç değeri hesaplanır. Dört başlangıç eki darbesinin en büyük ve en küçük ortalama güç değerlerini çıkarın ve kalan iki ortalama güç değerini başlangıç eki referans gücünün ikinci en büyük ve ikinci en küçük değerleri olarak kullanın.
S5: Öncü nabız konumu doğrulama.
Öndeki nabız pozisyon işaretini tespit etmenin geçerliliğini doğrulamak için aşağıdaki üç bölüme ayrılmıştır:
S51: Başlangıç pals gücü tutarlılığı doğrulaması.
Ön palsın referans gücünün ikinci en büyük değeri ve ikinci en küçük değeri, referans karşılaştırma eşiği olarak belirli bir orana göre sırasıyla büyütülür ve küçültülür ve saptanan 4 öncü darbenin ortalama güç değeri ile karşılaştırılır. 1090ES ADS-B mesaj standardının önde gelen darbe pozisyon sinyalinin enerji dağıtım gereksinimleri karşılanırsa, S52 kısmi doğrulama gerçekleştirilir; aksi takdirde doğrulama yanlıştır ve önde gelen darbe pozisyonu bayrağı geçersizdir.
S52: Baş kısımdan sonra 3 s enerji doğrulaması.
3.5 s ve 4.5 s'de başlangıç sinyalinin ortalama güç değerini 5.0 s ile 8.0 s arasındaki enerji ile karşılaştırın. 1090ES ADS-B mesaj standardının önde gelen darbe pozisyon sinyalinin enerji dağıtım gereksinimleri karşılanırsa, S53 kısmi doğrulama gerçekleştirilir; aksi takdirde doğrulama yanlıştır ve öncü darbe pozisyonu bayrağı geçersizdir.
S53: DF alan darbe gücü tutarlılığı doğrulaması.
1090ES ADS-B mesaj veri bölümündeki DF alanındaki her darbenin ortalama güç değerini S51'deki iki referans eşiği ile karşılaştırın. 1090ES ADS-B mesaj standardının veri kısmının sinyal enerji dağıtım gereksinimlerini karşılıyorsa, doğrulama geçilir ve öncü darbe pozisyonu bayrağı geçerlidir, aksi takdirde geçersizdir.
S6: Harmanlamadan sonra tetikleyin.
Pratik uygulamalarda, bir sinyal serpiştirme olgusu [8-9] olacaktır, yani sonraki çerçevenin 1090ES ADS-B başlangıç atımı önceki çerçeveyle örtüşür ve önceki ve sonraki çerçevelerin sinyal genliklerinin birbirine karışmasına neden olarak önceki ve sonraki çerçevelerin alımını ve işlenmesini etkiler. Önceki ve sonraki çerçevelerin her bir darbe sinyalinin enerjisi benzer ise, etkili veri bloğu bilgisinin çıkarılması zordur. Bu makale sadece bir sonraki çerçevenin güçlü sinyalinin tetiklemeden önce önceki çerçevenin zayıf sinyali ile serpiştirildiği ve sonraki çerçevenin zayıf sinyalinin önceki çerçeve ile zayıf bir şekilde serpiştirildiği durumla ilgilenir. Tekrar tetiklenmesine gerek yoktur.
İkinci güçlü sinyal çerçevesi B'nin ön atımının, önceki zayıf sinyal çerçevesi A'nın içine serpiştirildiği varsayıldığında, bu makale, serpiştirmeden sonra öncü atımın konumunu yeniden tetikleme yöntemini benimser. Spesifik adımlar aşağıdaki gibidir:
S61: Serpiştirmeden sonra önde gelen nabız pozisyon işareti tespiti.
Önceki adımlarla tamamen aynı olan S1'den S3'e kadar olan adımları tekrarlayın ve yeniden tetiklemeden sonra etkili öncü darbe konumunu belirlemek için aynı işlevsel modül işlemeyi kullanın.
S62: Serpiştirmeden sonra başlangıç eki darbesinin referans gücünün ikinci en büyük ve ikinci en küçük değeri.
Serpiştirmeden sonra dört öncü darbenin enerjisinin çıkarılması ve karşılaştırılması, S4 ekstraksiyon stratejisi ile aynıdır. Aradaki fark, bir sonraki en büyük değeri ve sonraki çerçevenin önde gelen darbe referans gücünün bir sonraki en küçük değerini depolamak için bir dizi yeniden tetikleme kaydının seçiminde yatmaktadır.
S63: Serpiştirmeden sonra kararı yargılamak için tetikleyin.
Çerçeve B'nin etkin başlangıç ekinin referans gücünün ikinci en küçük değerinin, çerçeve A'nın etkin başlangıç ekinin ikinci en büyük değerinin 2,5 katından daha büyük olup olmadığını belirleyin. Eğer öyleyse, çerçeve B güçlü bir sinyaldir, zayıf sinyal çerçevesi A ile aralanmıştır ve çerçeve A atılır. B çerçevesinin etkili ön atımı rezerve edilir; aksi takdirde, B çerçevesinin etkili ön atımı atılır ve A çerçevesinin etkili ön atımı korunur.
S64: Serpiştirmeden sonra başlangıç darbe konumu doğrulaması.
S5 Adımı tekrarlanır ve serpiştirmeden sonra başlangıç eki atımının referans gücünün bir sonraki en büyük değeri ve sonraki en küçük değeri, referans karşılaştırma eşiği doğrulaması olarak belirli bir orana göre büyütülmek ve küçültülmek üzere seçilir.
Bu makalede önerilen serpiştirme ve ardından tetikleme saptama yöntemi, güçlü ve zayıf sinyallerin serpiştirilmesi için uygundur ve S3 saptamasından sonra benzer enerjilerin serpiştirilmesi, önce ve sonra serpiştirilmiş çerçeveleri doğrudan atar. Bu yazıda önerilen serpiştirme ve ardından tetikleme saptama yönteminin, bir sonraki çerçevedeki B sinyalinin enerjisi yeterince güçlü olduğunda Şekil 5'te gösterilen üç tamamen örtüşen serpiştirme durumunu algılayabildiği görülebilir [1-2].
Yukarıdaki adım adım açıklamadan, bu makalede sağlanan önde gelen darbe algılama yönteminin temel adımları şunlardır: etkin ön darbe konumunun doğrulanması, önde gelen darbe referans gücünün ikinci en büyük değerinin ve mesaj referans gücünün ikinci en küçük değerinin hesaplanması, ön darbe konumunun doğrulanması ve Birbirinin içine girme durumunun yargı ve ödünleşmeleri.
3 Fonksiyon testi ve simülasyon
1090ES ADS-B alıcı platformu, Altera'nın FPGA yongası olan EP3C40F484 modelini kullanır. Quartus II yazılımı, kart düzeyinde programda hata ayıklamak için kullanılır ve gerçek 1090ES ADS-B mesaj sinyali, simülasyon aracı tarafından çağrılan veri kaynağı dosyasını oluşturmak için Signal Tap II aracılığıyla yakalanır. Veri kaynağı dosyasında işlevsel doğrulama simülasyonu gerçekleştirmek için Mentor'un ModelSim SE 6.5 yazılımını kullanın.
3.1 Signal Tap II sinyal çıkarma
Signal Tap II ile tetiklenen, Şekil 6'da gösterildiği gibi 1090ES ADS-B mesajından oluşan bir çerçeve çıkarılır. Bunlar arasında, "" ve "" sinyalleri, iki kanal tarafından çıkarılan aynı çerçeve 70 MHz ADS-B mesajının modüle edilmiş sinyalleridir; "" ve "" sinyalleri, iki kanal tarafından demodüle edilen 1090ES ADS-B dijital temel banttır. sinyal. Bu şekilden, 1090ES ADS-B mesajının, tetikleyicinin öncü darbe pozisyonu ile doğrulanmasıyla etkin bir şekilde çıkarılabileceği görülebilir.
3.2 ModelSim SE 6.5 simülasyon kaynağı
Şekil 7'de gösterildiği gibi 1090ES ADS-B mesaj sinyali oluşturmak için ModelSim'deki veri kaynak dosyasını çağırın. Dış sinyallerin paraziti nedeniyle, demodüle edilmiş öncü darbe sinyalinin genliğinin önemli ölçüde dalgalandığı, bu da ön darbe yükselen kenar işaretinin, etkili darbe pozisyon işaretinin ve düşen kenar işaretinin etkili bir şekilde çıkarılmasını kolayca etkileyerek tespitin kaçırılması sorununa neden olduğu görülebilir.
3.3 Öncü nabız konumu algılama işareti
Şekil 8, önde gelen darbe pozisyonu saptaması tarafından üretilen bayrak sinyalinin bir diyagramını gösterir. Bunların arasında, 801, bir 1090ES ADS-B mesajının başlangıç kısmıdır, 802 birinci başlangıç eki konum işaretidir, 803 ikinci başlangıç eki konum işaretidir ve 804, etkin başlangıç eki konum işaretidir.
3.4 Serpiştirme sırasında önde gelen darbe konumu algılama bayrağı
Şekil 9, serpiştirme sırasında önde gelen darbe pozisyonu saptama bayrak haritasını gösterir. Bunlar arasında, I, önceki çerçevenin zayıf sinyal öncü darbesinin etkin darbe konumudur ve II, sonraki çerçevenin güçlü sinyal öncü darbesinin etkili darbe konumudur. Şekilden, saptama yönteminin, serpiştirmeden sonra başlangıç eki pulsunu etkili bir şekilde saptadığı ve karşılık gelen bayrağı oluşturduğu görülebilir.
4. Sonuç
Bu yazıda önerilen algılama yöntemi, daha yüksek algılama olasılığına sahip olan ve sinyal-gürültü oranındaki azalmanın neden olduğu kaçırılan algılama oranındaki artışı etkili bir şekilde azaltan bir enerji dinamik eşleştirme algılama yöntemidir; algılama serpiştirme zaman aralığı, önceki mesaj çerçevesinin algılanmasına göre geniştir. Serpiştirme noktası tespiti, önceki çerçeve sinyalinin tüm veri bitleri sona erene kadar, öncü darbe konumundan sonra başlar. Saptama yöntemi, yalnızca serpiştirme olmadığında öncü puls saptama için değil, aynı zamanda serpiştirme olduğunda önde gelen puls saptama için de uygundur ve geniş bir uygulama yelpazesine sahiptir.
Referanslar
[1] Zhu Yun, Mod S Yanıt Alıcısının [D] Dijital İşleme Sisteminin Tasarımı Chengdu: Çin Elektronik Bilim ve Teknoloji Üniversitesi, 2006.
2 Wang Fei. 1090MHZ ES veri bağlantısına dayalı olarak ADS-B'nin anahtar teknolojisi üzerine araştırma D Chengdu: Çin Elektronik Bilim ve Teknoloji Üniversitesi, 2009.
3 Wang Hong, Liu Changzhong, Wang Xuegang, ve diğerleri S-mod lider nabız algılama yöntemi J. Journal of Electronic Science and Technology of China, 2010, 39 (4): 486-489.
4 Xu Zhe, Kang Yong.Geliştirilmiş bir ADS-B sinyali öncü nabız algılama algoritması J. Electronic Science and Technology, 2013, 26 (6): 134-136.
5 Long Chao, Wang Wensheng, Huang Shaobin. Örüntü tanımaya dayalı S-modu ADS-B yanıt sinyali algılama J. Komut Bilgi Sistemi ve Teknolojisi, 2016, 7 (1): 73-77.
6 RTCA. DO-260A: ADS-B ve TIS-B için 1090 minimum operasyonel performans standardı S / OL. (2008-11-14) 2018-05-22 http: //www.rtca. org.
7 RTCA. DO-242A: ADS-B minimum havacılık sistemi performans standardı S / OL. (2008-11-14) 2018-05-22
8 Xu Xiao.S-mode ADS-B sinyal kod çözme simülasyonu sinyal çakışması altında D Guanghan: Sivil Havacılık Uçuş Üniversitesi, 2013.
9 Wu Renbiao, Wu Chenchen, Wang Wenyi. Kümülatif sınıflandırmaya dayalı ADS-B geçmeli sinyal işleme yöntemi J. Sinyal İşleme, 2017, 33 (4): 572-576.
(Geliş Tarihi: 2018-05-20)
Yazar hakkında:
Wang Yongli (1982-), erkek, usta, mühendis, ana araştırma yönü: bilgi güvenliği, sinyal işleme.
Yao Wangjun (1983-), erkek, usta, mühendis, ana araştırma yönü: endüstriyel kontrol sistemleri, devreler ve sistemler, sinyal işleme.
Chen Yanjun (1984-), erkek, usta, mühendis, ana araştırma yönü: gömülü teknoloji, elektronik teknolojisi.
