基于SNS的星基ADS-B系統性能仿真

秦定本 李少洋 劉海濤 李保國

摘要：星基廣播式自動相關監視（ADS-B）系統是實現未來民航監視的關鍵技術。為了仿真驗證星基ADS-B系統的監視性能，首先介紹了空間網絡仿真（SNS）軟件，然后基于SNS給出了星基ADS-B系統的仿真模型、飛機節點模型和衛星節點模型，并詳細描述了兩個節點的主要功能，最后使用該模型對系統的性能進行了仿真。仿真結果和理論計算結果的一致性，驗證了仿真模型的正確性。仿真結果表明，星基ADS-B接收機的監視容量決定于空天鏈路的誤碼率和應用子系統所要求的位置報文更新間隔。

關鍵詞：星基ADS-B系統;SNS;仿真;監視容量

中圖分類號：TP3? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）16-0271-05

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1 引言

星基ADS-B系統通過將 ADS-B 接收機部署于低軌道的衛星上，利用多顆低軌道衛星形成覆蓋全球的星基監視系統，可實現對全球范圍內航空器的可靠持續監視，因此成為民航新一代航空器監視技術的核心[1-4]。星基ADS-B系統具有廣泛的應用前景，而且了解其系統性能是設計實現的前提，因此研究系統的監視性能具有重要的意義。

在對星基ADS-B系統的監視性能研究方面，文獻[5]基于大量真實的飛行數據建立了星基ADS-B系統的共信道干擾模型，并使用該模型仿真分析了共信道干擾對位置報文更新間隔性能的影響，仿真結果表明：位置報文更新間隔以95%的概率小于15s。文獻[6]使用仿真器對民航客機的位置報文的最大沖突概率進行了估計。文獻[7]基于Aloha協議仿真了衛星CanX-7接收報文的沖突概率。文獻[8]給出了理想情況下星基ADS-B接收機監視容量的理論計算方法，并仿真驗證理論公式的正確性。

盡管文獻[5-8]建立了系統仿真模型并仿真了系統的監視性能，但是未能給出飛機節點和衛星節點的模型及其主要功能描述，未能實現網絡仿真。為此，本文在SNS仿真軟件平臺上構建星基ADS-B系統的模型及各個節點的模型，并使用構建的模型對系統相關性能進行仿真，以此驗證仿真模型的正確性，從而分析影響系統性能的因素。

2 SNS仿真軟件

2.1 SNS總體架構

空間網絡仿真軟件（Space Network Simulation，SNS）是北京航空航天大學國家空管新航行系統技術重點實驗室自主研發的一套離散時間仿真系統[9]。該仿真軟件具有架構設計可擴展性強、代碼可用性高、可移植性高和學習操作門檻低等特點。SNS仿真軟件采用基于離散事件的仿真機制，支持面向對象的建模方式，可以實現網絡協議的靈活配置，適合于衛星移動網絡的仿真研究與測試[10]。

圖1給出了SNS仿真軟件的總體架構。SNS仿真軟件主要包括仿真主控SNServer、仿真內核SNSimu和外部接口等三部分。其中，仿真主控SNServer部分主要負責各個模塊間的協調和管理控制;仿真內核SNSimu部分是仿真軟件的核心，主要負責各層協議和事件的處理;外部接口部分主要負責連接真實的物理設備。

2.2 SNS仿真流程

如圖2給出了基于SNS的網絡仿真流程。首先是創建工程，然后按照層次化建模依次生成場景、節點和進程模型，并把每個進程關聯到相應的節點;隨后對進程進行模型代碼開發以表明各個進程的特性，接下來進行編譯測試保證代碼編寫正確且系統運行正常;最后產生業務，運行仿真，得到統計結果，并對結果進行分析，得出仿真結論。若結果不符合預期期望，則需返回到模型代碼開發，完善或改進功能函數，再根據流程運行，直至得出預期結果。

3 仿真設計

3.1 系統仿真模型

圖3給出了星基ADS-B系統仿真模型，系統仿真模型中主要包括2類節點：飛機節點、衛星節點。其中衛星節點為1個，在直角坐標系統的坐標為[0，0，H];飛機節點為[N]個，且飛機節點在衛星節點覆蓋半徑[R]范圍內均勻分布，在直角坐標系統的坐標為[x，y，0]，其中[x≤R，y≤R]。每個飛機節點按照相應報文發送的標準，周期性產生位置報文、速度報文、狀態報文及標識報文，并發送給衛星節點。衛星節點對到達的報文進行沖突判斷和解調，得到正確接收的報文。

3.2 飛機節點模型

飛機節點包含應用實體和鏈路實體。飛機節點的應用實體負責位置報文、速度報文、狀態報文以及標識報文的定時周期產生并發送給下層實體，模擬報文的產生過程;飛機節點的鏈路實體有一個FIFO緩沖隊列，鏈路實體負責接收上層實體發送的各種類型的報文消息，按照報文消息到達鏈路實體時間的先后順序依次將報文消息插入到緩沖隊列中，并延時120us（報文長度）將其從緩沖隊列取出并往下層實體繼續發送，模擬報文的傳輸過程。從鏈路實體往下層實體發送的報文消息會通過本飛機節點發送給衛星節點。通過以上過程，便可模擬實現飛機與衛星之間的通信。

3.2.1 實體功能描述

飛機節點的應用實體主要功能是產生報文。在飛機節點的應用實體初始化時讀取對應配置文件，如產生報文的大小等參數;在應用實體初始化完成后，開始發送四個定時空消息用于驅動飛機節點的應用實體定時產生四類報文。用于驅動本飛機產生報文的空消息發送的定時時間到，飛機節點的應用實體開始產生報文并立即發送，且發送定時空消息，用于驅動本飛機節點的下一個此類報文的產生。下面以定時產生位置報文為例，描述飛機節點的應用實體產生并發送位置報文和定時空消息發送過程，流程如下：

飛機節點的鏈路實體主要功能是接收上層實體發送的報文消息，并模擬報文的傳輸過程。在飛機節點的鏈路實體初始化時讀取對應配置文件，如數據鏈路帶寬等參數;上層實體報文消息到達鏈路實體后，開始將報文消息插入到FIFO緩沖隊列中，并發送定時空消息，目的是在報文傳輸完成后將報文消息取出并繼續往下層實體發送。下面分別給出鏈路實體接收報文消息和從隊列取報文消息的過程，具體流程如下：

3.3 衛星節點模型

衛星節點包含應用實體和鏈路實體。衛星節點的鏈路實體負責接收不同飛機發送的位置報文、速度報文、狀態報文及標識報文消息，然后將此報文消息發送給上層實體。衛星節點的應用實體從下層實體接收報文消息，統計所有到達衛星節點的報文數量;對報文進行沖突判斷，統計沖突的報文數量;并對無沖突的報文進行解調，統計成功收到的報文數量;并記錄每一個飛機節點發送且被衛星正確接收的位置報文的到達衛星的時刻。通過以上過程，便可模擬實現衛星對報文的接收。

3.3.1 實體功能描述

衛星節點的鏈路實體主要功能是接收各個飛機節點發送的報文消息，然后將報文消息發送給上層實體，此過程較為簡單，在此不做描述。衛星節點的應用實體主要功能是從下層實體接收報文消息，并進行沖突判斷和解調。下面分別給出報文的沖突判斷過程和正確接收過程，流程如下圖7圖8。

3.4 參數統計

仿真輸出需要統計到達衛星節點總的報文數、沖突的報文數和正確接收的報文數，分別用于計算報文沖突概率、報文正確接收概率;另外還要統計不同飛機發送且被衛星正確接收的位置報文到達時刻，用于計算95%位置報文更新間隔。下面給出系統參數的計算方法，如表1所示：

4 仿真結果

4.1 仿真參數

4.2 仿真結果

為了分析星基ADS-B接收機的監視容量，首先給出報文沖突概率和報文正確接收概率，然后再根據統計的位置報文更新間隔中給出95%位置報文更新間隔，最后給出監視容量。為驗證仿真結果的正確性，下面給出理論參考公式[8]，如表3所示：

圖9顯示給出了位置報文更新時間間隔的直方圖，其中（a）是飛機數量為2500，空天鏈路誤碼率為0.001的位置報文更新時間間隔頻率直方圖;（b）是飛機數量為2500，空天鏈路誤碼率為0.001的位置報文更新時間間隔頻率累計直方圖。從統計結果可以看出，95%的位置報文更新間隔在20.0s之內，與理論結果19.99s相一致，從而驗證了95%位置報文更新間隔仿真的正確性。

圖10顯示給出了星基ADS-B接收機95%位置報文更新間隔與飛機數量的關系曲線，其中，橫坐標代表飛機數量，縱坐標代表95%位置報文更新間隔。從圖中可知：1）仿真結果與理論一致;2）誤碼率對95%位置報文更新間隔的影響較大，鏈路誤碼率為10-3時，4000架飛機的95%位置報文更新間隔為60s，而當鏈路誤碼率惡化至10-2時，4000架飛機的95%位置報文更新間隔提高到180s;3）飛機數量對95%位置報文更新間隔影響較大，隨著飛機數量的增加，95%位置報文更新間隔增大，例如鏈路誤碼率為10-3時，飛機數量為1500時，95%位置報文更新間隔為10s;當飛機增加到3500時，95%位置報文更新間隔顯著提高到40s。

圖11顯示給出了星基ADS-B接收機監視容量與要求的位置報文更新間隔的關系曲線，其中，橫坐標代表位置報文更新間隔，縱坐標代表星基ADS-B接收機監視容量。由圖中可知：1）仿真結果與理論一致;2）誤碼率對監視容量的影響較大，當要求的位置報文更新間隔為12s時，誤碼率為10-2時的監視容量僅為500架，誤碼率下降到10-4時的監視容量則提高到2000架;3）監視容量與位置報文更新間隔近似呈現線性關系，要求的位置報文更新間隔每減小1s，監視容量減少101.5架。

5 結論

為了仿真驗證星基ADS-B系統的監視性能，文章基于SNS軟件對星基ADS-B系統及其衛星節點、飛機節點進行了仿真建模，以網絡仿真的方式對星基ADS-B系統的監視性能進行了仿真驗證。仿真結果與理論值保持一致，驗證了仿真建模的正確性。

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