基于USRP教學(xué)平臺的ADS-B接收實驗設(shè)計與驗證

陳翔 陳志浩 農(nóng)姍珊

[摘 要] 隨著軟件無線電技術(shù)的成熟與普及，依托軟件編程實現(xiàn)通信原理實驗的基礎(chǔ)教學(xué)已成為高校通信工程類專業(yè)相關(guān)實驗教學(xué)的不二選擇。依托通用軟件無線電硬件平臺（Universal Software Radio Peripheral，USRP）為基礎(chǔ)的教學(xué)平臺，圍繞系統(tǒng)性通信原理教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)新與案例設(shè)計需求，引入當(dāng)今航空界主流的空中交通管制監(jiān)視技術(shù)——廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（Automatic Dependent Surveillance Broadcast，ADS-B）技術(shù)為學(xué)習(xí)與實踐目標(biāo)，完成了ADS-B航空通信收發(fā)技術(shù)實驗的設(shè)計與驗證。在實驗案例中，重點討論了多普勒頻偏和設(shè)備頻率穩(wěn)定度對系統(tǒng)性能的影響，完成了涵蓋航空器ADS-B數(shù)據(jù)采集、報文解析、數(shù)據(jù)庫存儲、實時定位、航跡展示等完整的實驗內(nèi)容設(shè)計。通過教學(xué)案例的設(shè)計，滿足了“通信原理實驗”擴展性設(shè)計實驗教學(xué)的需要，為基于USRP平臺的教學(xué)實踐提供了一個鮮活的應(yīng)用案例。

[關(guān)鍵詞] 通信原理實驗;廣播式自動相關(guān)監(jiān)視;軟件無線電外設(shè);航空器定位

[基金項目] 2019年度教育部——NI產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目“基于USRP的ADS-B數(shù)據(jù)接收與分析研究”（201902219023）

[作者簡介] 陳 翔（1980—），男，湖南長沙人，博士，中山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院副教授，主要從事無線與移動通信、衛(wèi)星通信、物聯(lián)網(wǎng)研究;陳志浩（1999—），男，廣東梅州人，中山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院2017級通信工程專業(yè)本科生，研究方向為無線通信;農(nóng)姍珊（1995—），女，廣西百色人，中山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院2017級微電子學(xué)與固體電子學(xué)專業(yè)碩士研究生，中山大學(xué)助理實驗師，研究方向為數(shù)字集成電路設(shè)計。

[中圖分類號] TN911.72 ? [文獻標(biāo)識碼] A ? [文章編號] 1674-9324（2021）52-0065-04 ?[收稿日期] 2021-04-27

一、引言

實驗教學(xué)平臺[1]是通信工程學(xué)科實驗教學(xué)內(nèi)容建設(shè)的核心載體，是學(xué)科和信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物。恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)平臺選擇，將激發(fā)學(xué)生對理論知識進行實際探索的極大好奇心，也為培養(yǎng)通信工程類專業(yè)學(xué)生綜合素質(zhì)提供極大支撐。

傳統(tǒng)基于硬件模塊的集成化實驗箱固化了實驗內(nèi)容，限制了學(xué)生的思維。而軟件無線電思想的提出，為通信工程實驗教學(xué)帶來了新的思路[2]。在引入通用軟件無線電外設(shè)（Universal Software Radio Peripheral，USRP）后，以USRP為基礎(chǔ)的通信工程實驗教學(xué)平臺得到了不斷的發(fā)展。在如何牽引更多學(xué)生在系統(tǒng)設(shè)計實驗階段做更多嘗試的思路指引下，前期已經(jīng)有了在AIS、RFID、MIMO信道測量上的有效探索。為進一步豐富系統(tǒng)設(shè)計實驗內(nèi)容，牽引更多專業(yè)學(xué)生的實驗探索興趣，本文嘗試在USRP平臺中嵌入當(dāng)今航空界主流的空中交通管制監(jiān)視技術(shù)——廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（Automatic Dependent Surveillance Broadcast，ADS-B）技術(shù)[3]實驗作為教學(xué)目標(biāo)，設(shè)計了2周共計8學(xué)時的系統(tǒng)實驗教學(xué)內(nèi)容，在已有的通信接收機框架下，完成ADS-B信號解調(diào)、報文解析與應(yīng)用呈現(xiàn)[4]，并提煉了教學(xué)中的難點，深化了學(xué)生的通信系統(tǒng)觀念。

二、實驗案例設(shè)計牽引

（一）ADS-B介紹

早期航空界使用二次雷達(dá)作為空中交通管制的主要監(jiān)視手段，但隨著航空業(yè)的發(fā)展，二次雷達(dá)的缺陷也愈發(fā)嚴(yán)重。為了更好地維護空中秩序，ADS-B技術(shù)應(yīng)運而生。ADS-B技術(shù)是一種精度更高、價格更低、適用范圍更廣且監(jiān)視能力更強的技術(shù)，逐漸得到各國的廣泛應(yīng)用[5]。

ADS-B技術(shù)在我國也得到了長足的發(fā)展和應(yīng)用。飛常準(zhǔn)（VariFlight）航班出行服務(wù)App便使用了ADS-B實時跟蹤技術(shù)。此外，由于ADS-B信號是廣播式信號，USB dongle模塊配合相關(guān)軟件即可對航空ADS-B信號進行接收，監(jiān)測航班的飛行情況。因此，利用航空器天然的吸引力，以及USB dongle的業(yè)務(wù)展示能力，我們在課堂向?qū)W生演示接收效果，并講述ADS-B系統(tǒng)基本原理，從而引導(dǎo)學(xué)生自主完成相關(guān)核心模塊的搭建。

三、實驗案例內(nèi)容設(shè)計

（一）ADS-B信號原理性講解

ADS-B信息格式依據(jù)RTCA DO-260B[6]標(biāo)準(zhǔn)射頻標(biāo)準(zhǔn)頻率為1090MHz，帶寬2MHz，廣播總長120μs，包含8μs的幀頭和112μs的數(shù)據(jù)位。數(shù)據(jù)位由DF、CA、AA、ME和PI共5個字段組成，如表1所示。

（二）ADS-B信號的產(chǎn)生與接收驗證

1.ADS-B信號的產(chǎn)生。機載設(shè)備獲取要廣播的除PI字段外的數(shù)據(jù)位后，進行CRC生成校驗碼和PPM編碼，加上幀頭，經(jīng)由2ASK調(diào)制后將信號向外廣播[7]。通過上述對信號產(chǎn)生過程的講解，將使學(xué)生對該通信協(xié)議有一定的理解。

2.USB dongle接收驗證。在牽引學(xué)生興趣的基礎(chǔ)上，我們將USB dongle作為驗證的方式，從而對自主設(shè)計接收機的實驗結(jié)果有一定的預(yù)期。以圖1為例，我們在教學(xué)實驗室現(xiàn)場接收了若干航空器ADS-B信號。學(xué)生通過自主設(shè)計實現(xiàn)對ADS-B的信號接收，將結(jié)果與圖1進行比對，將有效驗證實驗結(jié)果的正確性。

（三）ADS-B接收機的設(shè)計

1.接收機設(shè)計原理。接著，將依托USRP+LabVIEW架構(gòu)，設(shè)置1090MHz為中心頻點對空中信號進行接收，并送至上位機獲取采樣數(shù)據(jù)，對信號進行幀同步、解調(diào)、解碼等處理，得到原始報文并解析，建立數(shù)據(jù)庫，最后完成航跡展示功能。

2.核心模塊。該接收機核心模塊包括：幀同步、CRC校驗、報文解析、數(shù)據(jù)存儲等模塊。學(xué)生通過給出的接收機基本框架，完成核心模塊內(nèi)部邏輯和接口的設(shè)計，即可搭建完整的ADS-B接收機，如圖2所示。

3.報文解析過程。報文解析模塊是最為核心的模塊，它包含了對于各種類型信息的解析過程，決定了在獲取原始報文后能否解析出正確結(jié)果。

在數(shù)據(jù)位中，ME字段的前5位為TYPE位，決定了ME字段包含信息的類型。主要類型包括“航班號、空中位置、速度、飛行器狀態(tài)”等[7，8]。根據(jù)不同的信息類型，通過協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)中的定義，學(xué)生可以學(xué)習(xí)不同信息類型的編解碼算法并動手實現(xiàn)，完成報文解析。表2為教學(xué)實驗室本地解析報文示例。

4.擴展應(yīng)用設(shè)計。為更直觀、準(zhǔn)確地驗證實驗結(jié)果的正確性，達(dá)到與商用軟件類似的效果，我們通過API接口在LabVIEW中嵌入開源地圖，可實現(xiàn)簡單的航跡顯示UI。對實時數(shù)據(jù)的接收、解析和航跡展示，可以讓學(xué)生從引發(fā)興趣到親自實踐完成，不僅在實踐中更充分地掌握理論知識，積累在USRP和LabVIEW上的開發(fā)經(jīng)驗，更能引導(dǎo)學(xué)生對通信學(xué)科有更深的理解。圖3展示了實際接收的ADS-B信號中包含的經(jīng)緯度變化信息。

四、本實驗內(nèi)容難點解析

（一）頻偏矯正

信號在航空器高速運行的情況下會出現(xiàn)多普勒效應(yīng)[9]，同時，USRP平臺存在時鐘源的晶振頻率偏差為2.5ppm。針對這些特點，需要考慮ADS-B信號的頻偏問題。一幀ADS-B信號的最大頻偏為：

（二）UI的友好性設(shè)計

在搭建完整的ADS-B接收機鏈路的前提下，如何更好地展示實驗成果對于實驗教學(xué)的作用也是一個重要方面。對于UI設(shè)計而言，需要做到的是：整體美觀、操作簡單、重點信息突出等。友好的UI設(shè)計，能夠體現(xiàn)學(xué)生對于實驗思路的充分理解和系統(tǒng)性認(rèn)知，培養(yǎng)學(xué)生綜合性的實操能力。

五、實驗案例效果和展望

（一）實驗案例效果

本文以系統(tǒng)實驗設(shè)計為中心目標(biāo)，在基于USRP的實驗教學(xué)平臺上，重點規(guī)劃了ADS-B接收系統(tǒng)的實驗內(nèi)容方案，設(shè)計了完整的實驗內(nèi)容，并給出了系統(tǒng)實現(xiàn)難點，通過對比分析商用模塊與自主設(shè)計接收機實現(xiàn)結(jié)果，引發(fā)學(xué)生思考，拓寬了學(xué)生的通信系統(tǒng)和協(xié)議知識面，鍛煉了學(xué)生的系統(tǒng)實踐能力。

本實驗內(nèi)容已嵌入筆者所在學(xué)院2018級學(xué)生課堂教學(xué)環(huán)節(jié)中。在120人的教學(xué)班級中，超過10%的學(xué)生選擇將此實驗內(nèi)容作為擴展系統(tǒng)設(shè)計部分選題，雖然難度較大，但在教師和助教的協(xié)助指導(dǎo)下，達(dá)到了總體完成度90%的良好結(jié)果。

（二）未來展望

ADS-B接收實驗的設(shè)計與驗證通過鮮活的例子，起到了牽引學(xué)生系統(tǒng)實踐興趣的作用。但受限于外場實驗條件和硬件設(shè)備的限制，如何與線上“虛擬化”仿真結(jié)合將是我們未來嘗試的方向。事實上，基于USRP教學(xué)平臺的教學(xué)案例，目前已經(jīng)覆蓋了無線通信的“空—天—地—海”多種場景，而圍繞無線通信信道的虛擬仿真項目也通過我們的前期建設(shè)上線。未來，我們將把ADS-B接收實驗與無線信道虛擬仿真結(jié)合，突破“時空限制”，讓學(xué)生“虛實結(jié)合”地感受無線通信的魅力。

參考文獻

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