ADS-B 民航飛機空情監視系統測試

許 慶，侯興明，劉洪林，關雪濤

（航天工程大學，北京 102200）

0 引言

ADS-B（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，廣播式自動相關監視技術），是通過一個專用的無線數據鏈接不斷地廣播民航飛機的當前位置、高度、類別、航速、轉向、爬升等狀態信息的空情監視技術，在民航空情監視領域已得到普及。從分析的角度看，ADS-B 民航飛機空情監視系統能夠連續、實時接收ADS-B 數據鏈下行的廣播報文信息，通過分析系統功能需求，在實現接收系統硬件和應用軟件的基礎上，并進行系統硬件測試與軟件聯機測試，對于ADS-B 民航飛機空情監視系統投入實踐應用具有重要意義。

1 系統功能介紹

ADS-B 民航飛機空情監視系統由接收機硬件與應用軟件2部分組成。接收機硬件主要由電源、天線、射頻放大、檢波電路、FPGA 解碼運算、數據接口5 部分組成。接收機的功能是接收國際民航組織推薦的ADS-B 的廣播數據鏈1090 MHz Extended Squitter（1090 ES）S 模式長應答信號。該信號由112個信息脈沖構成，其中前88 位為消息位、后24 位為奇偶校驗位，民航飛機每隔1 s 廣播一次，信息內容包括經度、緯度、方位和速度等。應用軟件的功能是實現民航飛機空情顯示與管理，既能在二維GIS 地理信息系統上模擬雷達A/R 顯示模式在探測范圍內民航飛機航跡的位置、航跡、航班等信息，也能對各類信息進行需求項的篩選、提取、記錄、回放，從而實現對針對性的民航飛機進行實時監控。應用軟件的界面應當包括：系統設置欄、數據管理欄、民航飛機位置信息監控區、民航飛機高度信息監控區、民航飛機航班信息顯示區，登錄用戶可以對當前已完成搜索跟蹤的民航飛機進行篩選和監控。在目標信息顯示區中，用戶可以了解飛機飛行信息參數列表，并進行管理，其具體的顯示列有ICAO 地址編號、模式S 標識碼、最近數據更新時刻、航空公司、飛機所處的緯度、經度、飛行高度、水平距離、飛行速度和航向等。飛行高度與時間的關系，可以動態地看出飛機的飛行高度變化，橫坐標表示飛機進入監控區域的時間長度，縱坐標表示飛機飛行高度，間隔3000 m 畫一條標線，不同飛機以不同顏色標志。

2 系統硬件測試

在系統聯機前，需要對板卡硬件進行調試。通過測量得到板卡的動態范圍、接收機靈敏度、帶通特性等相關參數，在這些參數滿足接收機指標要求的前提下，才可以進行系統的聯機測試與運用。硬件調試中所需要的測量儀器設備包括：多用表、Agilent E8257D 型微波高頻信號發生器（250 kHz～20 GHz）、Agilent MSO6102A 型示波器（1 GHz 4 Gsa/s）、IFR 2395 型頻譜分析儀（9 kHz～26.5 GHz）。

2.1 短路測試

為防止ADS-B 接收機板卡因封裝連接不當導致在USB 供電時燒毀，首先要在供電前對ADS-B 接收機板卡進行短路測試。通過多用表測試電源對地電阻的阻值確定板卡連接正確。

2.2 ADS-B 1090 MHz 接收數據測試

如圖1 所示，接收機首先通過一個30 dBm 增益的全向天線接收微弱的高頻回波信號，經過濾波減小回波中的噪聲干擾，再經過信號放大，并從已調信號中檢出調制信號，最后解調出所需要的方波信號即S 模式長應答信號發送至接收機輸出端口。

圖1 板卡調試流程和信號變化

采用Agilent E8257D 型微波高頻信號發生器作為輸入信號源，設置中心頻率為1.09 GHz，調節信號功率值，測試接收機是否能夠實現信號接收與放大，當輸入信號功率為-50 dBm 時，接收機輸出端連接Agilent MSO6102A 型示波器能夠觀察到清晰且經過放大的脈沖信號，由此證明了接收機正常工作（圖2）。

圖2 有效接收脈沖信號

動態范圍描述了接收機正常工作時所允許的輸入信號強度變化范圍，用接收機前端最大允許輸入功率與最小可檢測功率之差表示。如圖3 所示，采用Agilent E8257D 型微波高頻信號發生器作為輸入信號源進行測試，觀察在輸入不同的信號功率下，得到射頻前端的線性變化區域在-33～-89 dBm。當輸入信號功率小于-80 dBm 時，接收機射頻前端無法有效接收高頻脈沖信號；當輸入信號功率在-80～-33 dBm 時，接收機可以有效接收脈沖信號，并隨輸入信號功率的增加而線性放大；當輸入信號功率大于-33 dBm 時，接收機不再線性放大從而進入飽和區。在測試過程中，測量接收機前端對輸入最大功率的耐受度，輸入加至24 dBm（信號源最大可能輸出功率）時，前端仍未燒毀，但可以看到，接收機已明顯飽和。

圖3 測量動態范圍

解調模塊實現了將脈沖信號解算調整為完整形狀的方波過程，如圖4 所示，通過調整微波高頻信號發生器的輸入信號功率，利用示波器測試經解調后的脈沖信號，當輸入信號小于-75 dBm時，解調模塊的出現明顯的誤碼情況，無法滿足正常需求。

圖4 解調模塊得到的脈沖信號

靈敏度表示接收機接收微弱信號的能力，通常用射頻末端的最小可檢測信號功率來描述接收機實際的靈敏度。當接收機輸入信號功率達到靈敏度時，接收機能正常接收。當接收機輸入信號功率低于靈敏度時，信號被淹沒在噪聲中。如圖5所示，通過動態調整輸入信號功率來觀察射頻末端的脈沖信號顯示，從而記錄接收機射頻模塊可檢測信號功率。測試發現，隨著輸入信號功率的減小，脈沖信號逐漸模糊，在功率為-82 dBm 時還能夠觀察到脈沖信號，而當功率為-83 dBm 時脈沖信號已經完全淹沒在噪聲中，由此得到最小可檢測信號功率為-82 dBm。

圖5 射頻前端測量接收機靈敏度

由于沒有矢量網絡儀，所以利用信號發生器掃頻的方式，采用頻譜分析儀觀察板卡的帶通特性。如圖6 所示，測試使用的是IFR 2395 型頻譜分析儀，可以觀察得到接收機解調模塊的帶通范圍，通過噪聲頻譜圖可以測量得到帶內平坦度約為10 dB。證明在連接接收天線的條件下，接收機可以有效接收脈沖信號。

圖6 帶內平坦度測試

2.3 編解碼測試

如圖7 所示，在連接接收天線的條件下，利用Agilent MSO6102A 型示波器測試接收機FPGA 解碼模塊末端。通過示波器所顯示的脈沖信號與1090ES 數據鏈的報文標準進行實際比對，前導頭包含4 個脈沖，每個脈沖持續0.50～0.05 μs，第2 個、第3 個、第4 個脈沖與第1 個傳輸脈沖間隔分別為1.0 μs、3.0 μs、4.5 μs。測試結果證明，接收機可以對脈沖信號進行解碼得到正確的ADS-B 報文信息。

圖7 接收脈沖測試

3 系統聯機測試

對基于ADS-B 的空情檢測系統工作性能及穩定性進行測試，該系統主要由接收天線、ADS-B 接收機卡板、上位機組成，天線與接收機卡板是通過ARINC 429 接口連接，接收機卡板與上位機是通過USB 接口相連接，將已提供出的端口驅動ADS-B Receiver，安裝在上位機設備管理器中作為默認啟用的端口驅動，這樣，當板卡通過串口與上位機連接后就可以實現軟件平臺通信設備的啟動，接收機連接上位機后運行ADS-B 民航飛機空情監視系統應用軟件。由于ADS-B 接收機中沒有配置GNSS 自動接收模塊，由此需要在上位機進行手動的大地極坐標設置，輸入當前系統的經度與維度坐標參數，從而確定民航飛機位置信息監控區的原點中心。在坐標參數設置后，點擊系統設置欄的設備開啟鍵，應用軟件會進行空域范圍內民航飛機搜索并持續獲取對應的ADS-B 的廣播數據鏈1090ES 模式長應答信號。通過手動篩選所需要的航班，得到與之對應的目標航跡、當前實時的緯度、經度等位置信息，在監控界面的數據管理欄實現動態顯示，飛機高度在民航飛機高度信息監控區實現動態呈現。2021 年5 月25 日在石家莊正定機場進行系統聯機測試，在圖中成功連續跟蹤到了機場方向的民航航班3 架，并進行了錄像和圖片收集（圖8）。

圖8 ADS-B 接收系統運行中

4 結論

結合系統研制的目的，對ADS-B 民航飛機空情監視系統進行了系統硬件調試以及聯機測試。通過接收機模塊測試，分析終端應用軟件，介紹了硬件測試和軟件聯機測試項目。從結果上看，ADSB 民航飛機空情監視系統能夠實時、連續地跟蹤飛行目標。