一种具备单脉冲测向功能的ADS‑B地面站的制作方法

本发明涉及一种保障飞机飞行安全的空管监视技术，属于航空技术领域，特别涉及一种具备单脉冲测向功能的ADS-B地面站。

背景技术：

传统的ADS-B(1090MHz)地面站对航空器的监视依赖于ADS-B OUT的间歇广播，如果飞机未安装ADS-B OUT设备或星载定位系统出现数据异常，ADS-B地面站将无法完成对航空器的定位或者出现错误的航空器位置信息，影响飞行安全。

技术实现要素：

本发明的发明目的在于提供一种具备单脉冲测向功能的ADS-B地面站，利用信号比幅方法完成对航空器的测向，根据收发信号时间差完成测距，从而完成对航空器的定位，这种定位方式不依赖于ADS-B广播的星载定位信息，可作为ADS-B位置信息准确性校验的方法，也可作为备用的监视手段，增强监视定位的准确度和可靠性。

本发明的发明目的通过以下技术方案实现：

一种具备单脉冲测向功能的ADS-B地面站，包含4个定向天线、4个射频收发组件、1个地面站主机，其特征在于：

所述4个定向天线分别设置在0°、90°、180°和270°四个方向；

所述4个射频收发组件用于分别接收定向天线感应的射频信号并送往地面站主机；接收地面站主机发来的A/C模式询问信号送往定向天线；

所述地面站主机用于从四路射频信号中选择最强及次强的射频信号进行差分计算获得射频信号发送方的角度信息；若射频信号为A/C模式询问信号的应答信号，则根据A/C模式询问信号的发送时间与应答信号的接收时间获得射频信号发送方的距离信息；将角度信息与距离信息融合生成监视信息。

优选地，所述的一种具备单脉冲测向功能的ADS-B地面站还包含1个GNSS天线，所述地面站主机还用于在接收到的射频信号为ADS-B信号时，先对ADS-B信号进行解码获取ADS-B原始报文，再通过对GNSS天线的采集获取供ADS-B原始报文解析所需的本地参考位置和信息输出时间基准；最后对ADS-B原始报文解析，提取飞机位置信息，将监视信息与提取的飞机位置信息进行校验，生成最终监视信息。

优选地，所述射频收发组件包含低噪放电路、功率放大电路、收发开关电路和电源及控制信号处理电路，所述收发开关电路根据电源及控制信号处理电路发来的收发开关信号，选择收发模式；当处于接收模式时，来自定向天线的射频信号依次经过收发开关电路及低噪放电路送往地面站主机；当处于发射模式时，来自地面站主机的A/C模式询问信号依次经过功率放大电路及收发开关电路送往定向天线。

优选地，所述地面站主机包含收发处理模块、中央处理模块；

所述收发处理模块用于对射频收发组件发送的四路1090MHz的射频信号分别进行滤波、放大、检波，形成四路射频信号的解调信号，再选择最强和次强的二路解调信号进行差分放大获得射频信号发送方的角度信息，将角度信息、解调后的射频信号输出给中央处理模块，对来自中央处理模块的A/C模式询问信号的原始信息进行调制生成上行1030MHz的A/C模式询问信号；

所述中央处理模块用于若射频信号为A/C模式询问信号的应答信号，则根据A/C模式询问信号的发送时间与射频信号的接收时间获得射频信号发送方的距离信息，再将各角度信息和距离信息融合获得监视信息；若射频信号为ADS-B信号则先对ADS-B信号进行解码，获得ADS-B信号的原始报文，再从ADS-B信号的原始报文中提取飞机位置信息，将监视信息与提取的飞机位置信息进行校验，生成最终监视信息。

优选地，所述地面站主机还包含电源模块、母板，所述收发处理模块和中央处理模块通过母板交换数据，所述电源模块给收发处理模块、中央处理模块和母板供电。

优选地，所述中央处理模块由PowerPC主处理器电路、FPGA逻辑控制电路、信号采集电路、外部通信接口电路、外部授时电路、外部存储器电路、状态监控模块电路、隔离电路以及电源电路；

所述信号采集电路采集收发处理模块发来的角度信息、射频信号通过隔离电路发送给FPGA逻辑控制电路；

所述FPGA逻辑控制电路用于若从隔离电路接收到的解调后的射频信号为A/C模式询问信号的应答信号，则根据A/C模式询问信号的发送时间与射频信号的接收时间获得射频信号发送方的距离信息，若从隔离电路接收到的射频信号为ADS-B信号，则对ADS-B信号进行解码、纠错处理，得到ADS-B的原始报文，将角度信息、距离信息或ADS-B的原始报文发送给PowerPC主处理器电路；所述FPGA逻辑控制电路还用于将从PowerPC主处理器电路接收到的A/C模式询问信号的原始报文发送给收发处理模块；

所述PowerPC主处理器电路用于对从FPGA逻辑控制电路接收到的角度信息、距离信息进行计算处理形成空域内的监视信息，对从FPGA逻辑控制电路接收到ADS-B信号的原始报文进行解析，获得飞机位置信息，将飞机位置信息与监视信息进行校验，生成最终监视信息；所述PowerPC主处理器电路还用于生成A/C模式询问信号的原始报文发送给FPGA逻辑控制电路；

所述外部通信接口电路完成与外部通信接口的协议解析；

外部授时电路用于通过对GNSS天线的采集提供供PowerPC主处理器电路对ADS-B原始报文解析所需的本地解码的位置参考和信息输出时间基准；

外部存储电路提供中央处理模块的软件及配置数据的存储；

状态监控模块完成对设备工作电压和温度的监控；

电源电路完成模块所需电压的转换输出。

优选地，所述中央处理模块还用于实现SNMP、UDP、TCP/IP控制协议，管理登陆用户权限，为维护管理系统与地面站主机交互提供接口，通过SNMP通信协议实现对地面站远程控制、维护功能。

优选地，所述收发处理模块包含滤波电路、放大电路、收发开关电路、检波电路、选择器、差分放大器和调制电路，射频信号依次经过收发开关电路、滤波电路、放大电路、检波电路、选择器和差分放大器送到中央处理模块；A/C模式应答信号依次经过调制电路、收发开关电路送到射频收发组件。

有益效果：

现有的ADS-B(1090MHz)地面站对航空器的定位完全依赖于ADS-B OUT功能的星载定位信息，如果无ADS-B功能或者星载定位信息失效时，ADS-B地面站将无法完成对航空器的有效定位。

本发明提出了将单脉冲测向算法、时间差测距算法应用于ADS-B(1090MHz)地面站的设计方法，具有以下特点：

采用单脉冲定位方法，使监视定位不依赖于星基定位信息；

采用比幅的测向体制，具有测向精度高的特点；

融合单脉冲定位与ADS-B技术，具有监视飞机种类广、监视容量大的特点；

将不同源监视信息进行校验，具有防欺骗的功能。

附图说明

图1单脉冲测向功能的ADS-B(1090MHz)地面站系统交联图

图2单脉冲测向功能的ADS-B(1090MHz)地面站主机功能框图。

图3单脉冲测向功能的ADS-B(1090MHz)地面站天线方向图。

图4单脉冲测向功能的ADS-B(1090MHz)地面站主机收发处理模块功能框图。

图5单脉冲测向功能的ADS-B(1090MHz)地面站主机中央处理模块功能框图。

图6单脉冲测向功能的ADS-B(1090MHz)地面站射频收发组件功能框图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

本发明的发明原理是采用四单元天线阵列，其天线方向图在四周的方向上具有很宽的波束，相邻的两个天线阵列形成相互交叠的天线方向图，并且它们中心线对等强信号方向偏离的角度相同。计算两个天线阵列对应答机同一信号的振幅差，通过振幅差值计算即可获得航空器对等强信号角位置偏移量，振幅差值的符号为等强信号相对于目标的偏离方向。对相邻天线阵列的信号振幅的计算比较即可获得航空器相对于地面站的角度信息。

ADS-B(1090MHz)地面站对航空器发出询问信号并记录信号发出时间OT1，ADS-B地面站接收航空器的应答信号并记录信号的接收时间OT2，将OT2与OT1的进行时间差值计算，通过计算比较与标准测量信号距离的时间差值可以获得航空器相对于ADS-B地面站的距离。

ADS-B地面站将上述角度和距离信息变换为WGS-84坐标系的位置坐标，同时地面站对航空器在单位时间内位置变化获得航空器的速度信息。如果该航空器的应答机无ADS-B OUT功能，该监视信息将被输出显示。如航空器的应答机有ADS-B OUT功能，该监视信息将与ADS-B提供的星载定位信息进行校验，生成精确和可靠的监视信息。

如图1所示，一种具备单脉冲测向功能的ADS-B地面站由4个定向天线、4个射频收发组件、1个地面站主机、1个GNSS天线组成。射频收发组件通过射频线缆连接定向天线和地面站主机，GNSS天线直接连接地面站主机。地面站主机通过以太网将监视信息传输到管制中心，向管制员提供监视信息。

ADS-B地面站主机是ADS-B地面站的核心部件，其功能框图如图2所示，用于从四路射频信号中选择最强及次强的射频信号进行差分计算获得射频信号发送方的角度信息；若射频信号为A/C模式询问信号的应答信号，则根据A/C模式询问信号的发送时间与应答信号的接收时间获得射频信号发送方的距离信息；将角度信息与距离信息融合生成监视信息。若射频信号为ADS-B信号则先对ADS-B信号进行解码，获得ADS-B信号的原始报文，再从ADS-B信号的原始报文中提取飞机位置信息，将监视信息与提取的飞机位置信息进行校验，生成最终监视信息。。授时定位信号包含地面站的位置信息和UTC时间信息，ADS-B信号包含飞机位置、速度、航班号等各类信息，在将ADS-B原始报文解析过程中需要授时定位信号中地面站的位置作为参考的基准值，在ADS-B解析完成后需要将信息编码生成标准的数据格式，生成标准数的据格式需要使用到授时定位信号中UTC时间信息。

地面站主机由收发处理模块、中央处理模块、母板和电源模块组成。所述收发处理模块用于对射频收发组件发送的四路1090MHz的射频信号分别进行滤波、放大、检波，形成四路射频信号的解调信号，再选择最强和次强的二路解调信号进行差分放大获得射频信号发送方的角度信息，将角度信息、射频信号输出给中央处理模块，对来自中央处理模块的A/C模式询问信号的原始信息进行调制生成上行1030MHz的A/C模式询问信号。所述中央处理模块用于若射频信号为A/C模式询问信号的应答信号，则根据A/C模式询问信号的发送时间与射频信号的接收时间获得射频信号发送方的距离信息，再将各角度信息和距离信息融合获得监视信息；若射频信号为ADS-B信号则根据GNSS天线提供的授时定位信号对ADS-B信号进行解码，将监视信息与解码后的ADS-B信号进行校验，生成最终监视信息。收发处理模块和中央处理模块通过母板交换数据，电源模块给收发处理模块、中央处理模块和母板供电。

收发处理模块功能框图如图4示，收发处理模块主要由滤波电路、放大电路、收发开关电路、检波电路、选择器、差分放大器和调制电路等组成。该模块接收四路来自射频收发组件的下行1090MHz信号，经过收发开关电路、滤波电路、放大电路、检波电路、选择器和差分放大器送到中央处理模块，由选择器从四路射频信号中选择最强及次强的二路射频信号中，由差分放大器根据信号的振幅差，通过振幅差值计算即可获得航空器对等强信号角位置偏移量，即角度信息；接收来自中央处理模块的A/C模式应答信号通过调制电路产生PPM信号，生成上行1030MHz信号，送往射频收发组件；收发处理模块通过射频电缆对射频收发组件进行馈电并发送控制信号，频率综合器可以接收中央处理控制产生所需频率。

中央处理模块由PowerPC主处理器电路、FPGA逻辑控制电路、信号采集电路、外部通信接口电路、外部授时电路、外部存储器电路、状态监控模块电路、隔离电路以及电源电路等组成，功能框图如图5所示。FPGA与PowerPC主处理器电路通过本地总线连接，PowerPC主处理器电路运行Vxworks操作系统。中央处理模块通过母板、射频电缆与收发处理模块互联。

所述信号采集电路采集收发处理模块发来的角度信息、射频信号通过隔离电路发送给FPGA逻辑控制电路；

所述FPGA逻辑控制电路用于若从隔离电路接收到的射频信号为A/C模式询问信号的应答信号，则根据A/C模式询问信号的发送时间与射频信号的接收时间获得射频信号发送方的距离信息，若从隔离电路接收到的射频信号为ADS-B信号，则根据外部授时电路提供的授时定位信号对ADS-B信号进行解码、纠错处理，得到ADS-B的原始报文，将角度信息、距离信息或ADS-B的原始报文发送给PowerPC主处理器电路；所述FPGA逻辑控制电路还用于将从PowerPC主处理器电路接收到的A/C模式询问信号的原始报文发送给收发处理模块；

所述PowerPC主处理器电路用于对从FPGA逻辑控制电路接收到的角度信息、距离信息进行计算处理形成空域内的监视信息，对从FPGA逻辑控制电路接收到ADS-B信号的原始报文与监视信息进行校验，生成最终监视信息；所述PowerPC主处理器电路还用于生成A/C模式询问信号的原始报文发送给FPGA逻辑控制电路；

所述外部通信接口电路完成与外部通信接口的协议解析；

外部授时电路用于通过GNSS天线的采集信息提供ADS-B协议解析的时间基准和本地解码的参考位置确认；

外部存储电路提供中央处理模块的软件及配置数据的存储；

状态监控模块完成对设备工作电压和温度的监控；

电源电路完成模块所需电压的转换输出。

中央处理模块还用于实现SNMP、UDP、TCP/IP控制协议，管理登陆用户权限，为维护管理系统与地面站主机交互提供接口，通过SNMP通信协议实现对地面站远程控制、维护功能。

射频收发组件功能框图如图6所示，射频收发组件主要由低噪放电路、功率放大电路、收发开关电路和电源及控制信号处理电路等组成。该组件根据电源及控制信号处理电路发来的收发开关信号，选择收发模式。当处于接收模式时，接收来自地面站定向天线的感应的1090MHz信号，经收发开关及低噪放电路将信号送往地面站主机；当该模块处于发射模式时，接收主机发来的1030MHz上行信号，经功率放大电路(PA)及收发开关，送往定向天线，完成上行发射功能。

本专利的ADS-B地面站不同于一般的ADS-B地面站，其主要差别在单脉冲测向和测距方面，相关计算处理过程如下：

1.幅度比较单脉冲测向

本发明ADS-B(1090MHz)地面站选用四单元天线，该天线由四个定向天线阵列组成，天线在0°、90°、180°和270°四个方向的天线方向图如图3所示。

ADS-B 1090MHz地面站主机的收发处理模块功能如图2所示，首先收发处理模块对四个定向天线单元接收的航空器射频信号进行滤波、放大、检波，选择接收最强及次强信号幅度的两幅天线单元，计算这两幅天线单元经过对数放大器之后功率电平之比，通过对功率电平、天线位置夹角的计算获得航空器的角度信息。

2.询问应答测距

使用前现先进行ADS-B 1090MHz地面站距离校准。计算地面站发出询问信号与接收到标准测试设备在2海里处应答信号的时间差T1，同理获得4海里处的时间差T2。

实际应用中，ADS-B 1090MHz地面站通过询问应答测定航空器距离。计算地面站收发询问与获得应答信号时间差值T3，通过对上述时间差值的计算获得航空器距离。

3.数据校验

如果应答信号由无ADS-B OUT功能的应答机发出，则将航空器的角度与距离进行坐标变换获得航空器的WGS-84坐标，将定位信息转换为ASTERIX CAT021格式输出。

如果应答信号由ADS-B OUT应答机发出，则接收扩展信息报文，通过CPR解码获得航空器的星载定位信息，将该定位信息转变为以ADS-B 1090MHz地面站为中心的极坐标，判断该坐标是否在地面站的误差范围内。如误差位于允许的范围内，则输出解析的星载定位信息，否则将航空器的角度与距离通过坐标变换获得航空器的WGS-84坐标并输出。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。