基于ADS- B 信号的非合作空中飞行器监视系统

李健涛 朱灿杰 陈学伟 陈 涛 赵忠凯

（哈尔滨工程大学信息与通信工程学院，黑龙江 哈尔滨150001）

随着无人机等飞行器的快速发展与应用，越来越多的产品化飞行器进入到空域中，但这也引起了一系列空域问题，如：机场空中防撞管制问题，国家级重点设施的保密性威胁，个人隐私与安全问题，军事低空反侦察问题等。而目前国内外的飞行器监视系统多是应用雷达等接收装置对ADS-B 信号进行解码来实现对飞行器位置的检测。并且雷达受限于工作频段的原因，在极低空情况下无法接收类似无人机等飞行器的信号。而由于该系统使用无线电相位测向和非合作接收信号的方式，可以有效克服以上问题。同时，该系统底层程序是依据Labview平台搭建，方便拓展和修改功能。甚至还可以实现该频段信号的监测，监视干扰等信号，保证空域安全。

1 系统设计和实施方案

该系统是通过USRP 软件无线电平台对飞行器上的ADS-B信号进行接收，之后通过数据线与计算机的板卡连接从而将采集后的数据传输到计算机。再利用Labview图形化编程软件对信号数据进行处理，其中包括接收模块、识别模块、测向模块、USRP 参数配置模块、相位校准模块。将ADS-B 信号的方向数据提取出来之后再通过显示模块将飞行器的位置显示在屏幕上。总体设计方案图1 所示。

图1 系统总体设计方案图

其中Labview 软件设计方案中，首先通过参数配置模块设置USRP 的接收参数，之后通过接收模块提取出ADS-B 基波信号，再通过识别模块来分选出ADS-B 信号。其中相位校准模块用来将两路通道的信号进行相位校准，最后将相位差数据输入到测向模块中进行测向分析。

2 接收模块

图2 匹配流程图

USRP 对信号进行采集之后，通过接收模块实现对信号的处理，信号处理程序通过LABVIEW 编程实现。在接收模块中，提取USRP 中信号的数据，并对其进行处理，信号接收部分数据的处理包括数据提取，下变频、I/Q 解调、阈值比较和数据存储。

数据提取部分及阈值比较部分使用niUSRP Fetch Rx Data.vi 程序及数组索引控件，将数据提取出来，由于USRP 共有四个通道，所以共有四组数据，使用创建数组控件，讲四组数据放到同一个数组中，然后在对其使用复数至极坐标转换控件，对每个通道的数据求幅值，然后用求的幅值与所设定的阈值进行比较，从而确定信号是否采集到，确定信号是否采集到的原则为，若大于阈值，则判定为采集到信号，否则，判定为采集到信号。

当接收到有用信号后，首先要把每次运行USRP 所采集的数据提取出来进行保存，以便于后续我们对这些数据进行处理时的调用，后续数据处理我们要通过这些数据识别出任意波形发生器发射的信号是不是我们需要的ADS-B 信号，同时还要对接收到的ADS-B 信号进行测向以及解码处理，所以此处需要将USRP 中的数据提取出来，然后进行存储，LABVIEW 中数据的存储，可以直接调用LABVIEW 中已经有的检查文件或文件夹是否存在子程序，然后再配合使用创建文件夹，创建路径，拆分路径等控件，实现数据存储到指定路径下的文件夹的程序编写。

3 识别模块

识别模块是将解调出来的信号进行脉宽和脉冲到达时间的测量并分选出系统所需的ADS-B 信号，之后再对识别出来的ADS-B 信号进行脉宽和脉冲匹配并送入到测向模块中。其中为了正确识别ADS-B 信号，必须要对信号的帧结构进行分析。

实现信号的匹配，即将测得信号的脉宽及脉冲到达时间在一定的容错范围内与原信号相匹配，此处检查ADS-B 信号的容错范围为+-0.1us，只要测出的信号的脉冲宽度及脉冲到达时间在此范围内，即认定所接受的信号为ADS-B 信号，其匹配流程图如图2 所示。

4 测向模块

由于USRP 是通过4 根天线接收数据的，并通过PCIE 板卡传递数据给电脑，然后结合LABVIEW 来达到对ADS-B 信号的处理，信号的载频为1090MHz，对应波长为27.5cm，使接收端与发射端之间的距离大于10 倍波长，用相位干涉仪法测向。

USRP 是利用四根天线接收数据，但由于USRP 本身配置的问题，会使四个通道接收数据的幅值存在一定的差异，根据实验发现，在多次的数据接收中，一二两通道的数据相较于其他通道幅值较大，所以本次利用相位干涉仪法测向是通过提取一二两通道的数据，然后采用相应的算法，实现ADS-B 信号的测向的。具体实现过程如下：

a.首先要将一二通道的数据提取出来，由于LABVIEW 在存储这些数据的时候是分IQ 两路数据分别存储的，所以，在用MATLAB 编程实现的时候要将IQ 两路的数据都提取出来，然后对提取的数据求幅值，同时设置一个合适的阈值，将大于等于阈值的点的幅值判为1，小于的判为零。

b.利用find 函数，找出一二通道中同为脉内数据的点数，然后分别提取这些点处一二同IQ 两路的数据。

c.对IQ 两路对应点上的数据利用反正切函数求出相位，然后让两路对应点上测出的相位相减，即可得出两路天线接收信号的相位差。

d.对每个点上求得的相位差求平均，然后带入到公式中，即可得出ADS-B 信号的发射方向。同时对每个点求相位，画出所求相位的图像以便于后续在LABVIEW 前面板上将此图显示出来。

5 系统功能测试

5.1 ADS-B 信号接收的性能测试

信号的接收是通过USRP 实现的，利用USRP 的四个接收通道，接收任意波形发生器发射的信号，然后通过LABVIEW 编程实现所接收信号的显示，对于信号的接收部分的实现，包括了对USRP 的配置，以及对采集到的数据的编程处理，通过阈值比较程序，显示是否接收到有用信号，再通过一些调用文本文件的控件，实现数据的存储，同时通过数据转换控件，将USRP采集到的数据进行合适的坐标转换，以方便我们画出所采集信号的波形，至此即完成了有关信号接收的程序编写。

5.2 ADS-B 信号检测的性能测试

通过对脉宽及脉冲到达时间的匹配，实现前导脉冲的检测，当检测到信号时，其输出界面如图3 所示。

图3 即是我们实现信号检测的输出结果图，在信号的检测中我们对接收到的信号进行了匹配，匹配的原则是首先对测得的信号进行脉宽pw和脉冲到达时间toa 的测量，对测得的脉宽pw和脉冲到达时间toa 分别进行存储，然后再调用这两个数组中的数据，进行脉宽pw和脉冲到达时间toa 的匹配。

图3 信号是否识别成功的显示界面

虽然脉宽和脉冲到达时间都有确定的值，但接收的信号会有一定的噪声存在，所以在匹配的时候要设置一定的容差，在容差范围内的成功匹配都可判为所接收的信号是ADS-B 信号，完成信号的匹配后将匹配结果通过布尔控件输出，同时若ADS-B 信号匹配成功，则输出被测信号的脉宽和脉冲到达时间，否则输出零矩阵。

6 结论

本文介绍了基于ADS-B 信号的非合作空中飞行器监视系统的产品设计原理与仿真实践结果。通过对ADS-B 信号的特征分析、识别、分选、I/Q 值得测量和测向算法的研究，为ADS-B 信号非解码GPS 定位信息形式的接收处理方法提供了实践参考。同时也为未来部分空中飞行器的ADS-B 信号发生装置的安装提供了一种节省成本和简化技术的方案，即只需安装ADS-B 信号发生装置而不需要在发生装置上搭载GPS 定位系统，这项方案极大的减小了ADS-B 信号发生装置的体积，尤其对无人机等中小型飞行器有巨大的优势。同时借助于LABVIEW 图形化编译软件丰富的平台资源和USRP 软件无线电在射频信号接收方面的便利性与强大性能，实现对空中飞行器的实时准确接收。未来可应用到机场等公共区域的空中管制，私人住所、别墅、高档小区的隐私安全保障，国家或事业级保密单位与设施的安全以及军事空中侦察、遭遇战低空侦察等领域。