ADS‑B机载抗干扰接收与处理方法与流程

本发明涉及数字信号处理技术领域，具体涉及一种ADS-B机载抗干扰接收及处理方法。

背景技术：

广播式自动相关监视(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，简写为ADS-B)技术，是基于卫星定位和地/空数据链通信的航空器运行监视技术，不仅成功应用于无雷达地区的远程航空器监视，而且与传统的雷达监视技术相比，ADS-B技术具有使用成本低、精度误差小、监视能力强等明显优势，对于高密度飞行区域的空中交通服务也有着广泛的应用前景。

ADS-B系统按设备可分为机载设备和地面设备，目前的ADS-B设备有3种数据链模式:基于S模式的1090ES模式、UAT模式和VDL-4模式。目前适用较为广泛的ADS-B机载设备是一种基于S模式的1090ES模式的自相关监视设备，一般包括接收和发送两种功能。发射功能是指以广播的形式向周边发送航空器识别信息、位置、高度、速度、方向和爬升率等信息，监视设备可以通过接收该信息来监视空中交通状况。接收功能是指接收其他航空器发送的位置信息或地面站发送的服务广播信息，为机组提供运行支持或周边空域监视，维护飞行安全。

ADS-B机载设备与ADS-B地面接收机不同，由于机内电磁环境复杂，对S模式的方波脉冲调制信号干扰较多。另外，ADS-B机载设备采用收发一体机载天线，所以增益较小，一般为0dB，同时发射机发射信号产生的耦合信号会直接进入接收机中，成为接收机接收信号时的同频干扰信号。并且，机载天线与接收机之间的射频电缆需在机内布线，长度较长，进一步引入插损，恶化了信号质量。所以，接收机实际接收到的信号往往存在信号强度小，低噪大以及与发射机发射的信号耦合等问题，使得进一步出现信号处理效率低、误码率高、灵敏度低等问题。

技术实现要素：

本发明提供一种ADS-B机载抗干扰接收及处理方法，以解决现有技术中ADS-B机载设备接收到的信号存在信号强度小、低噪大以及与发射机发射的信号耦合等问题。

本发明提供一种ADS-B机载抗干扰接收及处理方法，所述方法包括：

在ADS-B机载设备接收到信号后，判断所述信号是否存在叠加情况；

若否，则对所述信号依次进行动态门限阈值设置和整形预处理，获取处理后的所述信号；

对所述信号进行前导脉冲检测，并在检测通过后计算所述信号的参考功率电平，然后根据所述参考功率电平对所述信号进行验证；

在通过验证后，对所述信号进行数据位提取和置信度计算处理，输出所述信号的数据位内容和数据位置置信度。

作为本发明的优选方式，若ADS-B机载设备接收到的所述信号存在叠加情况，则根据信号叠加处理机制对所述信号以及与所述信号叠加的叠加信号进行处理。

作为本发明的优选方式，所述信号叠加处理机制为对所述信号进行的前导脉冲检测一直持续到对所述信号进行验证之后，若在前导脉冲检测过程中检测到了所述叠加信号的前导脉冲，则在检测通过后分别计算所述信号和所述叠加信号的参考功率电平，并对所述信号和所述叠加信号进行验证；通过验证后，判断所述信号和所述叠加信号的参考功率电平是否满足预设条件，若满足预设条件，则停止处理所述信号，并在提高动态门限阈值后，选择处理所述叠加信号，否则，则选择继续处理所述信号。

作为本发明的优选方式，所述预设条件为所述叠加信号的参考功率电平是否比所述信号的参考功率大3dB。

作为本发明的优选方式，所述验证包括功率一致性检测、前导重叠验证和DF位验证，所述功率一致性检测、所述前导重叠测试和所述DF位验证同步进行。

本发明提供的一种ADS-B机载抗干扰接收及处理方法，采用设置动态门限阈值的方式，在不同状态下通过改变门限阈值，可有效抑制噪声和干扰对信号处理的影响；采用整形预处理的方式，可对信号的底部黏连部分进行有效分离，减少对信号处理造成的误码影响；采用对信号进行三种同步进行的验证方式，可提高对信号检测的可靠性，确保接收数据的准确度。本发明对空间信号存在的各种情况提供了充分全面的验证处理解决方法，能有效应对空间信号的干扰和叠加等问题，确保接收信号的准确。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种ADS-B机载抗干扰接收及处理方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的经过整形预处理后的波形图；

图3为本发明实施例提供的两信号到达时间差为1μs时的重叠示意图；

图4为本发明实施例提供的两信号到达时间差为3.5μs时的重叠示意图；

图5为本发明实施例提供的两信号到达时间差为4.5μs时的重叠示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明实施例公开了一种ADS-B机载抗干扰接收及处理方法，参照图1所示，该方法包括：

在ADS-B机载设备接收到信号后，判断信号是否存在叠加情况；

若否，则对信号依次进行动态门限阈值设置和整形预处理，获取处理后的信号；

对信号进行前导脉冲检测，并在检测通过后计算信号的参考功率电平，然后根据参考功率电平对信号进行验证；

在通过验证后，对信号进行数据位提取和置信度计算处理，输出信号的数据位内容和数据位置置信度。

进一步地，在上述实施例的基础上，该方法中，若ADS-B机载设备接收到的信号存在叠加情况，则根据信号叠加处理机制对信号以及与该信号叠加的叠加信号进行处理。具体地，该信号叠加处理机制为对信号进行的前导脉冲检测一直持续到对该信号进行验证之后，若在前导脉冲检测过程中检测到了叠加信号的前导脉冲，则在检测通过后分别计算该信号和叠加信号的参考功率电平，并对该信号和叠加信号进行验证；通过验证后，判断该信号和叠加信号的参考功率电平是否满足预设条件，若满足预设条件，则停止处理该信号，并在提高动态门限阈值后，选择处理叠加信号，否则，则选择继续处理该信号。其中，该预设条件为叠加信号的参考功率电平是否比该信号的参考功率大3dB。

在上述的实施例中，所述的验证包括功率一致性检测、前导重叠验证和DF位验证，功率一致性检测、前导重叠测试和DF位验证这三个验证过程同步进行。

在上述实施例中，各个处理过程具体如下：

1、信号的动态门限阈值的设置过程

(1)首先设定初始的门限阈值，考虑到噪声和动态灵敏度指标，最小触发门限的初始值设定为MTL＝-84dbm，初始的条件下动态门限阈值DMTL＝MTL；

(2)通过脉冲获取和判断的条件，当接收到信号的第一个有效脉冲时，提高动态门限阈值DMTL＝MTL+8dbm，以保证后续脉冲和数值的判断脱离噪声的干扰；

(3)当4个前导脉冲判断失败或整个112位数据包接收完毕，将动态门限阈值DMTL恢复到初始门限MTL,即DMTL＝MTL；

(4)在前导脉冲处理过程中，当判断有叠加信号时，如果叠加信号的参考功率电平值Ref_over高于之前信号参考功率电平值Ref的+3dbm，则将动态门限阈值更改为之前信号的参考功率电平值，即DMTL＝Ref_over，否则动态门限阈值保持不变。

2、信号的整形预处理

在实际的空间信号当中，随着飞机的距离变化，接收信号有强有弱，要求对信号的接收能随信号大小进行快速检波处理。目前有两种通用的检波方式，其一是AGC检波，该方法能够将小信号进行放大，对大信号进行压缩，以保证适当的信号比例，但该种方式最大的缺陷是AGC切换速度慢，无法适应接收远近飞机信号的快速切换问题；另外一种方式是采用对数检波方式，该方式能适应快速切换问题，但缺陷是当信号较大时，检波信号的底部会产生黏连，造成数据信息的误码率增加。

目前本发明中的ADS-B机载设备采用了对数检波的处理方式，针对检波信号的底部黏连问题所采取的措施是对检波信号进行整形预处理。

其具体处理过程如下：

(1)将AD模数转换器的采样值S，在采样时钟的触发下依次存入5个内部寄存器(即P1<＝S；P2<＝P；P3<＝P2；P4<＝P3；P5<＝P4)。P1代表最新的采样值，P2、P3、P4、P5依次代表之前4个旧的采样值；

(2)将5个寄存器的值P1、P2、P3、P4、P5与动态门限阈值DMTL进行比较，当同时满足P1、P2、P3、P4大于动态门限阈值，且P5小于动态门限阈值的条件时(即P1>DMTL；P2>DMTL；P3>DMTL；P4>DMTL；P5<DMTL)，找出P1、P2、P3、P4这4个值中的最大值PMAX(即PMAX<＝MAX(P1、P2、P3、P4))，进入第(3)步；否则继续执行第(2)步。

(3)将第(2)步获取的最大值PMAX减去一个400mv数值，当(PMAX-400mv数值)>DMTL时，将该值作为整形门限ZT＝PMAX-400mv数值；当(PMAX-400mv数值)<＝DMTL时，将动态门限作为整形门限ZT＝DMTL(注：400mv的数值是依据测量波形获取的经验参考值)。当获取到新的PMAX时，更新ZT，否则保持整形门限ZT值不变；

(4)将寄存器P5的数值，在采样时钟的触发下，依次与整形门限值ZT比较，将小于ZT的值设置为0，将大于ZT的值保留原值，将这组整形后的数据作为后续的处理采样数据Si，以此达到剔除黏连波形的目的。整形后的波形如图2所示。

3、信号的前导脉冲检测

判断是否为一个脉冲需要两个条件：一个是要有脉冲的上升沿(即后一个采样点与前一个采样点之差要大于门限阈值)；另一个是要具备脉冲位置(即包括上升沿在内的连续四个采样点的幅值都要大于设定的动态门限阈值DMTL)，满足这两个条件说明存在确定的一个脉冲。

信号的前导脉冲由4个脉冲组成，当在0us、1us、3.5us、4.5us脉冲上升沿的时间点上存在满足单个脉冲的判定条件，则通过前导脉冲检测。具体步骤如下：

(1)首先设置4个前导脉冲的时间计数器Count_Win，计数周期为5us，用于记录脉冲出现的时间位置；

(2)将整形后的数据Si作为后续处理的采样数据，将Si依次存储于上升沿判断寄存器Edge_buf1<＝Si；Edge_buf2<＝Edge_buf1；以及脉冲位置判断寄存器Vpp_buf1<＝Si；Vpp_buf2<＝Vpp_buf1；Vpp_buf3<＝Vpp_buf2；Vpp_buf4<＝Vpp_buf3；

(3)在Count_Win计数器计数的每一个计数值Count_Win_i处，判定上升沿是否存在。当Edge_buf1>2*Edge_buf2且Edge_buf1>DMTL则设置上升沿标志位Edge_flag_i＝‘1’；否则设置上升沿标志位Edge_flag_i＝‘0’；

(4)在Count_Win计数器计数的每一个计数值Count_Win_i处，判定脉冲位置是否存在。当Vpp_buf1>DMTL，Vpp_buf2>DMTL，Vpp_buf3>DMTL，Vpp_buf4>DMTL同时满足时，则设置脉冲位置存在标志位Vpp_flag_i＝‘1’；否则设置脉冲位置存在标志位Vpp_flag_i＝‘0’；

(5)在前导脉冲检测进程中，当计数器Count_Win记录的时间在0us、1us、3.5us、4.5us的标志寄存器当中同时存在脉冲的上升沿标志和脉冲位置标志，即Edge_flag_00＝‘1’，Edge_flag_10＝‘1’，Edge_flag_35＝‘1’，Edge_flag_45＝‘1’且Vpp_flag_00＝‘1’，Vpp_flag_10＝‘1’，Vpp_flag_35＝‘1’，Vpp_flag_45＝‘1’则表示通过了前导脉冲检测，设置4个脉冲得到标志Flag_4P_Got＝‘1’，否则未通过检测，Flag_4P_Got＝‘0’。

4、计算信号的参考功率电平

(1)选取4个前导脉冲每个上升沿之后的3个采样点，共计12个点，记为Si(i＝1，2……12)，从这些点中计算产生参考功率电平值；

(2)对12个采样点中的每一个采样点，计算该点±1dB值，然后考察其他采样点在该采样点值±1dB范围内的数目，统计数目的最大值，如果这个数目的最大值唯一，那么就将产生这个数目最大值对应的采样点作为最终的参考功率电平Ref；

(3)当统计±1dB范围内的最大值数目所对应的采样点不少于2个时，将数目小于最大值的采样点丢弃，在剩下的采样点中找到最小值对应的采样点，计算其+2dB所对应的值，舍弃大于其+2dB采样点，最后将剩余采样点的电平值计算平均值，作为最终的参考功率电平Ref。

计算完参考功率电平之后，进入到信号的三个条件的验证过场，即同步进行功率一致性检测、前导重叠测试、DF位验证。

5、功率一致性检测

功率一致性检测就是用每个前导脉冲的平均功率值与参考功率电平值比较，考察信号波形是否出现参差不齐的情况，如果比较结果确定出现这种情况，则认定信号受到干扰较大，后续处理困难，则丢弃此信号，重新进入前导脉冲检测。具体步骤如下：

(1)计算每个前导脉冲上升沿之后的4个采样点的平均值；

(2)比较每个前导脉冲的平均值与参考功率电平值之差，若至少有2个脉冲同时满足差值在参考功率电平值的±3dB内，则通过功率一致性检测，否则丢弃该信号，重新进入前导脉冲检测。

6、前导重叠测试

在实际情况中，经常会出现在监视空域中出现多个ADS-B飞机同时广播的情况，由于频繁的空-地通信和空-空通信，将导致在接收方出现两种情况：(1)报头的重叠，即前后两个不同报文的前导脉冲位置重叠，如果不采取措施，将无法正确分析两报文；(2)过于频繁的报文接收，虽然报文不重叠，但由于过于频繁的接收和处理，将严重考验DSP的处理速度，过多的中断也将频繁打断DSP的数据处理。

当目标重叠情况下，系统会优先处理信号距离接收机较近的目标广播的，优先处理信号幅度较大的广播信息。本发明中采用前导重叠测试对重叠的报文进行前导脉冲分离和解析。而对频繁接收报表，采用重叠和邻近原理对报文进行取舍。

在两个模式S报文在接收端相交织(报文相交)时，可能出现部分的重叠(脉冲代码相重叠)和完全重叠，采用采样点的判定算法进行处理，以下提出了三种脉冲完全重叠的情况，同样部分重叠算法与完全重叠一样，处理结果也相同。

信号的前导脉冲完全重叠的情况有如下几种可能：

a、两信号到达时间差为1μs，且后一条信号幅度较强，如图3所示。

b、两信号到达时间差为3.5μs，且后一条信号幅度较强，如图4所示。

c、两信号到达时间差为4.5μs，且后一条信号幅度较强，如图5所示。

对应的前导重叠测试分为三种，1μs试、3.5μs测试，4.5μs测试。

(1)1μs测试：为了解决这个问题，在前导脉冲检测后的下一步时检测在起始时间后的1.0、2.0、4.5、5.5μs脉冲位置上是否有额外的功率。对于这些脉冲位置来说，各用一个采样点来估计在当时那个脉冲的功率。设T＝0是在第一个前导脉冲上升沿之后的第一个采样点的时间，那么4个前导脉冲的功率就可分别由T＝1.0、2.0、4.5和5.5μs的采样点来估计。找出这4个功率值的最小值MinSi，与T＝0和3.5μs两个采样点的最大功率值MaxSj进行比较：如果MaxSj-MinSi≤-3dB，那么丢弃第一个前导脉冲pre_num，选择第二个前导脉冲pre_num+1，并将num+1改成num,即num:＝num+1；如果MaxSj-MinSi>-3dB，那么进入下一步3.5μs测试。

(2)3.5μs检测：用一个相似的过程来检测是否有一个比pre_num晚3.5μs的强信号pre_num+1与之重叠。取T＝3.5、4.5、7.0、8.0μs样点的最小功率值MinSi与T＝0、1.0μs的最大功率值MaxSj进行比较，如果MaxSj-MinSi≤-3dB，那么丢弃第一个前导脉冲pre_num,选择第二个前导脉冲pre_num+1，并将num+1改成num,即num:＝num+1。否则，进入下一步4.5μs测试。

(3)4.5μs检测：一个相似的检测来检测出是否有一个比第一个晚4.5μs的强信号与之重叠，取T＝4.5、5.5、8.0、9.0μs样点的最小功率值与T＝0、1.0、3.5μs的最大功率值进行比较，如果MaxSj-MinSi≤-3dB，那么丢弃这第一个前导脉冲。否则，选择这个前导脉冲，进入下一步功率一致性测试。

(4)重触发：检测到一个前导脉冲后，通过重叠测试和后面所述的DF认证和功率一致性检测后，在13μs内，继续寻找前导脉冲，如果该前导脉冲同样通过上述所有测试。将它的前导脉冲参考值正在处理中前导脉冲参考幅度值比较。如果这个新信号比旧信号幅度至少高3dB，那么丢弃旧信号，处理新信号。否则，忽略新信号，继续处理旧信号。

7、信号的DF位验证

DF信息是由5位数据位组成，它表示该组数据的报头信息类型，接收的5位数据与所需接收的数据类型一致，则表示通过DF验证，进行后续数据信号的接收，否则舍弃该组信号，重新进入前导脉冲检测，进行新一组信号接收。具体步骤如下：

(1)根据脉冲有效位置的判定条件，通过采样数据确定DF所处的5个代码脉冲对应的位置是否存在脉冲位置。如果存在则准入下一步计算，否则重新开始前导脉冲的检测；

(2)采用DF位5个脉冲的上升沿之后的3个采样点，分别求出每个脉冲选定3个点的平均值；

(3)将得到的平均值和前导脉冲的参考功率电平值比较，如果每个代码脉冲的平均值都在参考功率电平的±3dB范围内则通过DF验证，否则丢弃该报头重新开始前导脉冲的检测。

8、接收数据信息处理

当采样的数据波形通过功率一致性检测、前导重叠测试、DF位验证等三个条件的验证后，进入到飞机定位数据信息的接收进程。具体步骤如下：

(1)将每个数据位的10个采样点分别标记为S1～S10，一个数据的前半部分和后半部分分别标记为chip1、chip2；

(2)分别找出chip1和chip2中与参考功率电平值的差值在±3dB范围内的采样点；再确定chip1和chip2中比参考功率电平值低6dB的采样点。

(3)根据采样点的位置分别加权，chip1和chip2中的边沿采样点乘1，中间3个采样点乘2(即，加权值分别为：1，2，2，2，1)

(4)计数时采样点分为4类：(A表示采样点在±3dB范围内；B表示采样点比参考功率电平值低6dB；1表示一个数据的前0.5us；0表示一个数据的后0.5us)，分别标记为A1，B0，A0，B1。

A1：表示1个数据前0.5us中±3dB范围内的采样数据的加权值；

A0：表示1个数据后0.5us中±3dB范围内的采样数据的加权值；

B1：表示1个数据前0.5us中低于6dB的采样数据的加权值；

B0：表示1个数据后0.5us中低于6dB的采样数据的加权值。

(5)然后计算两个累加值，S1为衡量与理想数据“1”的匹配程度，S0为衡量与理想数据“0”的匹配程度。

S1＝A1-A0+B0-B1；

S0＝A0-A1+B1-B0；

(6)比较S1和S0的大小，数值大的作为判定接收到一位数据为“1”或“0”的输出。

(7)按照上面的接收数据的判定算法，持续接收后面的数据为＝位，直到112位ADS-B数据信息接收完毕，重新进入前导脉冲的判断步骤，开始新一组数据的判定和接收。

本发明对空间信号存在的各种情况提供了充分全面的验证处理解决方法，能有效应对空间信号的干扰和叠加等问题，确保接收信号的准确。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。