基于ADS- B 信號的非合作空中飛行器監視系統

李健濤 朱燦杰 陳學偉 陳 濤 趙忠凱

（哈爾濱工程大學信息與通信工程學院，黑龍江 哈爾濱150001）

隨著無人機等飛行器的快速發展與應用，越來越多的產品化飛行器進入到空域中，但這也引起了一系列空域問題，如：機場空中防撞管制問題，國家級重點設施的保密性威脅，個人隱私與安全問題，軍事低空反偵察問題等。而目前國內外的飛行器監視系統多是應用雷達等接收裝置對ADS-B 信號進行解碼來實現對飛行器位置的檢測。并且雷達受限于工作頻段的原因，在極低空情況下無法接收類似無人機等飛行器的信號。而由于該系統使用無線電相位測向和非合作接收信號的方式，可以有效克服以上問題。同時，該系統底層程序是依據Labview平臺搭建，方便拓展和修改功能。甚至還可以實現該頻段信號的監測，監視干擾等信號，保證空域安全。

1 系統設計和實施方案

該系統是通過USRP 軟件無線電平臺對飛行器上的ADS-B信號進行接收，之后通過數據線與計算機的板卡連接從而將采集后的數據傳輸到計算機。再利用Labview圖形化編程軟件對信號數據進行處理，其中包括接收模塊、識別模塊、測向模塊、USRP 參數配置模塊、相位校準模塊。將ADS-B 信號的方向數據提取出來之后再通過顯示模塊將飛行器的位置顯示在屏幕上。總體設計方案圖1 所示。

圖1 系統總體設計方案圖

其中Labview 軟件設計方案中，首先通過參數配置模塊設置USRP 的接收參數，之后通過接收模塊提取出ADS-B 基波信號，再通過識別模塊來分選出ADS-B 信號。其中相位校準模塊用來將兩路通道的信號進行相位校準，最后將相位差數據輸入到測向模塊中進行測向分析。

2 接收模塊

圖2 匹配流程圖

USRP 對信號進行采集之后，通過接收模塊實現對信號的處理，信號處理程序通過LABVIEW 編程實現。在接收模塊中，提取USRP 中信號的數據，并對其進行處理，信號接收部分數據的處理包括數據提取，下變頻、I/Q 解調、閾值比較和數據存儲。

數據提取部分及閾值比較部分使用niUSRP Fetch Rx Data.vi 程序及數組索引控件，將數據提取出來，由于USRP 共有四個通道，所以共有四組數據，使用創建數組控件，講四組數據放到同一個數組中，然后在對其使用復數至極坐標轉換控件，對每個通道的數據求幅值，然后用求的幅值與所設定的閾值進行比較，從而確定信號是否采集到，確定信號是否采集到的原則為，若大于閾值，則判定為采集到信號，否則，判定為采集到信號。

當接收到有用信號后，首先要把每次運行USRP 所采集的數據提取出來進行保存，以便于后續我們對這些數據進行處理時的調用，后續數據處理我們要通過這些數據識別出任意波形發生器發射的信號是不是我們需要的ADS-B 信號，同時還要對接收到的ADS-B 信號進行測向以及解碼處理，所以此處需要將USRP 中的數據提取出來，然后進行存儲，LABVIEW 中數據的存儲，可以直接調用LABVIEW 中已經有的檢查文件或文件夾是否存在子程序，然后再配合使用創建文件夾，創建路徑，拆分路徑等控件，實現數據存儲到指定路徑下的文件夾的程序編寫。

3 識別模塊

識別模塊是將解調出來的信號進行脈寬和脈沖到達時間的測量并分選出系統所需的ADS-B 信號，之后再對識別出來的ADS-B 信號進行脈寬和脈沖匹配并送入到測向模塊中。其中為了正確識別ADS-B 信號，必須要對信號的幀結構進行分析。

實現信號的匹配，即將測得信號的脈寬及脈沖到達時間在一定的容錯范圍內與原信號相匹配，此處檢查ADS-B 信號的容錯范圍為+-0.1us，只要測出的信號的脈沖寬度及脈沖到達時間在此范圍內，即認定所接受的信號為ADS-B 信號，其匹配流程圖如圖2 所示。

4 測向模塊

由于USRP 是通過4 根天線接收數據的，并通過PCIE 板卡傳遞數據給電腦，然后結合LABVIEW 來達到對ADS-B 信號的處理，信號的載頻為1090MHz，對應波長為27.5cm，使接收端與發射端之間的距離大于10 倍波長，用相位干涉儀法測向。

USRP 是利用四根天線接收數據，但由于USRP 本身配置的問題，會使四個通道接收數據的幅值存在一定的差異，根據實驗發現，在多次的數據接收中，一二兩通道的數據相較于其他通道幅值較大，所以本次利用相位干涉儀法測向是通過提取一二兩通道的數據，然后采用相應的算法，實現ADS-B 信號的測向的。具體實現過程如下：

a.首先要將一二通道的數據提取出來，由于LABVIEW 在存儲這些數據的時候是分IQ 兩路數據分別存儲的，所以，在用MATLAB 編程實現的時候要將IQ 兩路的數據都提取出來，然后對提取的數據求幅值，同時設置一個合適的閾值，將大于等于閾值的點的幅值判為1，小于的判為零。

b.利用find 函數，找出一二通道中同為脈內數據的點數，然后分別提取這些點處一二同IQ 兩路的數據。

c.對IQ 兩路對應點上的數據利用反正切函數求出相位，然后讓兩路對應點上測出的相位相減，即可得出兩路天線接收信號的相位差。

d.對每個點上求得的相位差求平均，然后帶入到公式中，即可得出ADS-B 信號的發射方向。同時對每個點求相位，畫出所求相位的圖像以便于后續在LABVIEW 前面板上將此圖顯示出來。

5 系統功能測試

5.1 ADS-B 信號接收的性能測試

信號的接收是通過USRP 實現的，利用USRP 的四個接收通道，接收任意波形發生器發射的信號，然后通過LABVIEW 編程實現所接收信號的顯示，對于信號的接收部分的實現，包括了對USRP 的配置，以及對采集到的數據的編程處理，通過閾值比較程序，顯示是否接收到有用信號，再通過一些調用文本文件的控件，實現數據的存儲，同時通過數據轉換控件，將USRP采集到的數據進行合適的坐標轉換，以方便我們畫出所采集信號的波形，至此即完成了有關信號接收的程序編寫。

5.2 ADS-B 信號檢測的性能測試

通過對脈寬及脈沖到達時間的匹配，實現前導脈沖的檢測，當檢測到信號時，其輸出界面如圖3 所示。

圖3 即是我們實現信號檢測的輸出結果圖，在信號的檢測中我們對接收到的信號進行了匹配，匹配的原則是首先對測得的信號進行脈寬pw和脈沖到達時間toa 的測量，對測得的脈寬pw和脈沖到達時間toa 分別進行存儲，然后再調用這兩個數組中的數據，進行脈寬pw和脈沖到達時間toa 的匹配。

圖3 信號是否識別成功的顯示界面

雖然脈寬和脈沖到達時間都有確定的值，但接收的信號會有一定的噪聲存在，所以在匹配的時候要設置一定的容差，在容差范圍內的成功匹配都可判為所接收的信號是ADS-B 信號，完成信號的匹配后將匹配結果通過布爾控件輸出，同時若ADS-B 信號匹配成功，則輸出被測信號的脈寬和脈沖到達時間，否則輸出零矩陣。

6 結論

本文介紹了基于ADS-B 信號的非合作空中飛行器監視系統的產品設計原理與仿真實踐結果。通過對ADS-B 信號的特征分析、識別、分選、I/Q 值得測量和測向算法的研究，為ADS-B 信號非解碼GPS 定位信息形式的接收處理方法提供了實踐參考。同時也為未來部分空中飛行器的ADS-B 信號發生裝置的安裝提供了一種節省成本和簡化技術的方案，即只需安裝ADS-B 信號發生裝置而不需要在發生裝置上搭載GPS 定位系統，這項方案極大的減小了ADS-B 信號發生裝置的體積，尤其對無人機等中小型飛行器有巨大的優勢。同時借助于LABVIEW 圖形化編譯軟件豐富的平臺資源和USRP 軟件無線電在射頻信號接收方面的便利性與強大性能，實現對空中飛行器的實時準確接收。未來可應用到機場等公共區域的空中管制，私人住所、別墅、高檔小區的隱私安全保障，國家或事業級保密單位與設施的安全以及軍事空中偵察、遭遇戰低空偵察等領域。