基于單站ADS-B測(cè)向技術(shù)的防欺騙系統(tǒng)研究

楊志強(qiáng)劉愛森

(四川九洲空管科技有限責(zé)任公司,四川 綿陽 621000)

0 引言

陣列天線的單站ADS-B 測(cè)向體制采用干涉儀測(cè)向技術(shù),因其測(cè)向精度高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、原理清晰以及硬件實(shí)現(xiàn)容易,特別適合采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)實(shí)現(xiàn)測(cè)向算法。

1 相關(guān)干涉儀測(cè)向原理

相關(guān)干涉儀原理是將陣列天線接收信號(hào)之間的相位差矢量與本地建立的樣本庫相位差矢量依次相關(guān),相關(guān)后的最大相關(guān)系數(shù)對(duì)應(yīng)的方位角和俯仰角為來波信號(hào)的到達(dá)角估計(jì)值。為同時(shí)計(jì)算出來波信號(hào)的方位角和俯仰角,天線陣列采用圓陣列,圖1為圓陣列的幾何結(jié)構(gòu)。

圖1 均勻圓陣幾何結(jié)構(gòu)

圖1 中為陣元個(gè)數(shù),為圓陣列的半徑,()=()e ,為頻率是的來波窄帶信號(hào),來波信號(hào)到達(dá)天線陣列的俯仰角和方位角分別是和。以原點(diǎn)作為參考坐標(biāo)點(diǎn),任意一個(gè)陣元接收到的信號(hào)滯后于信號(hào)到達(dá)參考點(diǎn)的時(shí)間為τ,陣元接收到的信號(hào)為:

式中:n ()為高斯白噪聲,且(n ())=0,(n ())=。

τ表示為:

相應(yīng)的相移為:

以上為相位差矢量與入射角度的關(guān)系,在建立樣本庫時(shí),將方位角和俯仰角按上式依次遞增,得到樣本相位差矢量庫。

2 ADS-B防欺騙系統(tǒng)方案仿真設(shè)計(jì)

2.1 天線孔徑設(shè)計(jì)

理論上增大天線孔徑可得到更高測(cè)向精度,但增大天線孔徑同樣帶來相位模糊的影響,因此為仿真得到系統(tǒng)的最佳天線孔徑,選定7個(gè)陣元,并在表1的條件下仿真天線孔徑大小對(duì)測(cè)向精度的影響。

智能投顧作為金融科技背景下以數(shù)據(jù)和技術(shù)作為主要競(jìng)爭力的新興金融模式，為用戶提供全委模式的賬戶管理和個(gè)性化私人投資組合定制等服務(wù)，致力于開展智能化投資顧問業(yè)務(wù)以便降低人工成本、擴(kuò)大理財(cái)業(yè)務(wù)。根據(jù)艾瑞咨詢發(fā)布報(bào)告數(shù)據(jù)顯示，2016年中國互聯(lián)網(wǎng)理財(cái)用戶達(dá)3.11億人。預(yù)計(jì)到2017年底，中國互聯(lián)網(wǎng)理財(cái)用戶將達(dá)3.84億，增長率為23.5%。自2015年開始，我國智能投顧市場(chǎng)快速發(fā)展，平臺(tái)數(shù)量逾30家。本文選取典型的智能投顧平臺(tái)進(jìn)行如下分析。并在對(duì)五種不同類型業(yè)務(wù)平臺(tái)的分析中，從多角度出發(fā)深入分析了國內(nèi)智能投顧產(chǎn)業(yè)的發(fā)展困境以及應(yīng)對(duì)措施。

表1 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同天線孔徑下的測(cè)向均方誤差

通過圖2 分析,七元陣列的最佳半徑為=0.495 m(此時(shí)測(cè)向精度為0.6°),

2.2 陣元數(shù)量設(shè)計(jì)

為仿真得到系統(tǒng)的最佳陣元數(shù),選定天線孔徑為0.495 m,并在表1的實(shí)驗(yàn)條件下分別仿真5個(gè)、7個(gè)以及9個(gè)陣元數(shù)在不同信噪比下對(duì)測(cè)向精度的影響,測(cè)向均方誤差與天線陣元數(shù)量的關(guān)系如圖3～5所示。

由圖3和圖4可知,天線陣元數(shù)由5個(gè)增加到7個(gè)時(shí),測(cè)向精度有較大的改善。由圖4和圖5可知,天線陣元數(shù)由7個(gè)增加到9個(gè)時(shí),測(cè)向精度改善并不大,考慮增加1個(gè)通道對(duì)硬件成本提升很大,因此本次設(shè)計(jì)采用七元陣列。

圖3 不同信噪比下的測(cè)向均方誤差(陣元數(shù)為5)

圖4 不同信噪比下的測(cè)向均方誤差(陣元數(shù)為7)

圖5 不同信噪比下的測(cè)向均方誤差(陣元數(shù)為9)

3 ADS-B防欺騙系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 天線陣列設(shè)計(jì)

根據(jù)仿真分析可設(shè)計(jì)天線陣列,如圖6所示。

圖6 ADS-B天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

圖6中,天線陣列的半徑為0.495 m,陣元間距0.43 m。圖中天線1～天線7為ADS-B 防欺騙系統(tǒng)的七元陣列天線,圓陣的中心天線用于天線陣列的校準(zhǔn),中心天線輻射信號(hào),天線1～天線7接收,可用矢量信號(hào)分析儀測(cè)得各個(gè)通道的延時(shí),在后續(xù)信號(hào)處理中加入固定延時(shí)即可。

3.2 系統(tǒng)原理

該方案通過陣列天線提取ADS-B 接收信號(hào)的空間方位,便于真實(shí)信號(hào)的接收譯碼和虛假干擾信號(hào)的抑制,原理如圖7所示。

圖7 基于陣列天線的ADS-B抗干擾防欺騙系統(tǒng)原理

該方案具備很高的方位測(cè)角精度,并能夠真正實(shí)現(xiàn)虛假信號(hào)分離能力,是最能適應(yīng)目前市場(chǎng)需求的單站ADS-B抗干擾防欺騙解決方案。

3.3 硬件實(shí)現(xiàn)

DOA 硬件總體上分為射頻通道、數(shù)字處理以及服務(wù)器三部分,見圖8。射頻部分由接收信道處理組成,數(shù)字部分由數(shù)字采集、數(shù)字波形產(chǎn)生以及信號(hào)處理等部分組成。另外系統(tǒng)對(duì)空聯(lián)調(diào)還需加裝天線和PC服務(wù)器完成點(diǎn)航跡處理、譯碼以及顯控。

圖8 DOA 的硬件架構(gòu)

該射頻前端接收通道數(shù)為7。7路接收通道接收天線的ADSB信號(hào),放大濾波并通過本振源下變頻到60 MHz中頻,信號(hào)處理板以210 MSPS采集信道輸出的中頻信號(hào),進(jìn)一步通過FPGA 實(shí)現(xiàn)測(cè)向算法,并將信號(hào)的幅度相位和測(cè)向方位信息送到PC端進(jìn)一步處理。

測(cè)向系統(tǒng)對(duì)通道一致性要求很高,因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)增加了自校準(zhǔn)功能。圖8中數(shù)字波形產(chǎn)生數(shù)字中頻自檢信號(hào),中頻自檢信號(hào)通過本振源上變頻到1 090 MHz,上變頻后的自檢信號(hào)通過自檢分配網(wǎng)絡(luò)分別送入7通道射頻前端,通過FPGA 實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)算法并完成通道的自校準(zhǔn)。

3.4 相關(guān)干涉算法FPGA 實(shí)現(xiàn)

經(jīng)過對(duì)相關(guān)干涉儀算法的分析可以發(fā)現(xiàn),雖然運(yùn)算量大,但是算法本身比較簡單,適合用FPGA來實(shí)現(xiàn),因此,項(xiàng)目采用FPGA 實(shí)現(xiàn)高速和高精度的相關(guān)計(jì)算。

如圖9所示,天線陣接收外界的ADS-B射頻信號(hào),經(jīng)接收信道部分變頻為中頻信號(hào),再由7路模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)進(jìn)行同步采樣,采樣數(shù)據(jù)做快速傅里葉變換(FFT)處理后計(jì)算出信號(hào)的相位,最后進(jìn)行相關(guān)干涉儀測(cè)向處理得到信號(hào)的方位角和俯仰角。

圖9 FPGA 測(cè)向?qū)崿F(xiàn)方案

XILINX 公司提供了功能強(qiáng)大的設(shè)計(jì)和多種輔助設(shè)計(jì)工具。在使用ISE 進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),可以在各個(gè)階段增加約束條件以便對(duì)整個(gè)流程進(jìn)行控制來滿足設(shè)計(jì)時(shí)序的要求,設(shè)計(jì)比較復(fù)雜,因此設(shè)計(jì)過程中安排管腳和設(shè)置區(qū)域是非常重要的。

4 結(jié)束語

本文從工程實(shí)際出發(fā),依據(jù)仿真結(jié)果,提出了一種應(yīng)用在ADS-B防欺騙系統(tǒng)的圓陣測(cè)向天線設(shè)計(jì)方案,并進(jìn)一步給出了ADS-B 防欺騙系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案。在此方案的基礎(chǔ)上,詳細(xì)設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的硬件架構(gòu)以及基于FPGA 的相關(guān)干涉測(cè)向的信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)流程,實(shí)現(xiàn)了基于陣列天線的ADS-B抗干擾防欺騙系統(tǒng)的原型系統(tǒng)方案,具有重要意義。