一种1090ES信号自动检测方法及系统与流程

本发明涉及信号检测技术领域，特别涉及一种1090ES信号自动检测方法及系统。

背景技术：

广播式自动相关监视(ADS-B)系统是目前国际民航系统通用的一种空中交通管制技术，是基于GPS全球卫星定位系统和空地、空空数据链通信的航空器运行监视系统。ADS-B系统通过飞行器主动发送自身相关信息的方式来实现地面或空中对目标的监视功能。与传统二次雷达系统相比，ADS-B系统能够提供实时和准确的航空器位置、速度等信息，而且该系统具有建设投资小，维护费用低，使用寿命长等优点。因此，国际民航组织(ICAO)将其确定为未来监视技术发展的主要方向，国际航空界正在积极推进该项技术的应用。

目前，实现ADS-B功能常用的三种数据链为1090Extended Squitter(1090ES)、UAT以及VDL-4，其中，以1090ES数据链为运用最为广泛。1090ES的射频工作于1090MHz，与二次雷达S模式应答信号的格式相同，其一帧信号由一系列的脉冲组成，这些脉冲中包含了飞行器的位置、速度、航向、状态等重要信息。国际民航组织(ICAO)已经明确到2020年所有民航飞行器都必须安装ADS-B机载设备用于取代二次雷达，特别推荐了1090ES数据链。

另外，在国际民航组织(ICAO)成员国第38届大会上通过的《2013-2028全球空中航行计划》；航空系统组块升级(ASBU)是《全球空中航行计划》的主要组成部分。航空系统组块升级(ASBU)提出了旨在为未来15年全球空中航行系统的发展提供指导，为各国航行技术革新提供指南，促进全球空中交通持续、稳定、快速发展。ASBU的技术领域由通信、导航、监视、信息管理和航空电子系统五个部分组成。其中，监视技术主要包括ADS-B、一二次雷达、多点定位等。另外，导航技术方面也提出了稳步推进星基导航技术的应用。例如Aireon公司，已计划在2018开始实施其星基ADS-B计划，实现全球ADS-B信号接收覆盖。

由此可见，如何进一步提高1090ES信号框架脉冲组的检测概率以及进一步提高1090ES数据位脉冲信号解调正确率等，对于空管监视系统至关重要。目前，虽然有一些提高1090ES信号检测的可靠性的方法，但是检测结果仍然不够理想。

技术实现要素：

本发明的目的是提供了一种1090ES信号自动检测方法及系统，以提高1090ES信号框架脉冲组的检测概率以及数据位脉冲信号解调正确率。

本发明的技术方案是：

一种1090ES信号自动检测方法，包括如下步骤：

步骤一、构建二值化的1090ES信号框架脉冲组的已知波形以及二值化的1090ES信号数据位脉冲的已知波形，其中，所述框架脉冲组的已知波形具有第一预定时长，所述数据位脉冲的已知波形具有第二预定时长；另外，构建已知波形时可以根据国际民航组织发布的1090ES信号技术规范进行，详见说明书附图1。

需要说明的是，通常框架脉冲组波形时长为8us，单个数据位脉冲波形时长为1us。数据位段有短格式和长格式两种，分别为56-bit和112-bit。数据位脉冲波形通过包括两种，由于1090ES信号所定义的数据位脉冲的调制方式为脉位调制，数据脉冲在1us区间内只有两种可能，即在前0.5us或后0.5us位置上，因此，数据位脉冲波形通常只用定义其中的一种。

步骤二、对微波接收机输出的信号进行数字采样，形成数字视频信号；主要通过模数转换器(ADC)来进行。

步骤三、将所述数字视频信号进行双门限检测，形成二值化视频信号；同样，此步骤可以选择在FPGA中进行处理。

步骤四、通过延时窗对所述二值化视频信号进行延时处理，其中，所述延时窗的长度与所述第一预定时长或所述第二预定时长相同；同样，此步骤可以选择在FPGA中进行处理。

步骤五、将经过延时处理的所述二值化视频信号与所述二值化的1090ES信号框架脉冲组的已知波形进行按位异或，并对异或后的一维向量中1的个数进行统计，获取两者间相关程度的第一指标值，也即延时窗内与已知波形样本相同的视频信号样点个数corr_F；同样，此步骤可以选择在FPGA中进行处理。

步骤六、将所述第一指标值与第一预定门限值范围进行比较；仅当所述第一指标值处于所述第一预定门限值范围内时，则判断1090ES信号框架脉冲组已检测到，并进行步骤七；同样，此步骤可以选择在FPGA中进行处理。

步骤七、将经过延时处理的所述二值化视频信号与所述1090ES信号数据位脉冲的已知波形进行按位异或，并对异或后的一维向量中1的个数进行统计，获取两者间相关程度的第二指标值，也即延时窗内与已知波形样本相同的视频信号样点个数corr_D；同样，此步骤可以选择在FPGA中进行处理。

步骤八、将所述第二指标值与第二预定门限值范围进行比较；仅当所述第二指标值处于所述第二预定门限值范围内时，则判断1090ES信号数据位脉冲已检测到，完成1个1090ES信号数据位脉冲的脉位调制解调；同样，此步骤可以选择在FPGA中进行处理。

步骤九、重复步骤八，完成全部1090ES信号数据位脉冲的脉位调制解调。

可选的，在所述步骤一中，二值化的1090ES信号框架脉冲组的已知波形的向量表示为：

F＝[F(0),F(1),...,F(N-1)]^T；

其中，向量中各元素即F(0)、F(1)、、、F(N-1)的取值为0或1。

可选的，在所述步骤一中，二值化的1090ES信号数据位脉冲的已知波形的向量表示为：

D＝[D(0),D(1),...,D(M-1)]^T；

其中，向量中各元素的取值为0或1。

可选的，在所述步骤四中，进行延时处理的二值化视频信号的向量表示为：

V＝[V(0),V(1),...,V(N-1)]^T；或

V＝[V(0),V(1),...,V(M-1)]^T；

其中，向量中各元素的取值为0或1。

可选的，在所述步骤五中，是通过如下关系式获取所述第一指标值：

${\mathrm{corr}}_F=\underset{i=0}{\overset{N-1}{\Σ}}{(V\⊕F)}_i;$

在所述步骤七中，是通过如下关系式获取所述第二指标值：

${\mathrm{corr}}_D=\underset{i=0}{\overset{M-1}{\Σ}}{(V\⊕D)}_i.$

可选的，所述步骤六中的第一预定门限值范围是[a，b]，其中，a为所述第一预定时长的90％，b等于所述第一预定时长。

可选的，在所述步骤一中，所述框架脉冲组的已知波形包括两种，分别为第一已知波形或第二已知波形；

在所述步骤八中：

当所述框架脉冲组的已知波形为第一已知波形时，所述第二预定门限值范围是[c，d]，其中，c为所述第二预定时长的80％时，d等于所述第二预定时长；

当所述框架脉冲组的已知波形为第二已知波形时，所述第二预定门限值范围是[e，f]，其中，e为0，d为所述第二预定时长的20％时。

可选的，在所述步骤一中，所述框架脉冲组的已知波形包括两种，分别为第一已知波形或第二已知波形；

在所述步骤八中：

当所述框架脉冲组的已知波形为第一已知波形时，所述第二预定门限值范围是[c，d]，其中，c为0，d为所述第二预定时长的20％时。

当所述框架脉冲组的已知波形为第二已知波形时，所述第二预定门限值范围是[e，f]，其中，e为所述第二预定时长的80％时，f等于所述第二预定时长。

可选的，在所述步骤二中，当所述微波接收机输出的信号为中频信号时，还包括：

将进行数字采样后形成的数字中频信号进行正交变换和数字检波处理，形成视频信号；同样，此步骤可以选择在FPGA中进行处理。

本发明还提供了一种1090ES信号自动检测系统，包括：

波形构建模块：用于构建二值化的1090ES信号框架脉冲组的已知波形以及二值化的1090ES信号数据位脉冲的已知波形；

信号采样模块：对微波接收机输出的信号进行数字采样；微波接收机输出的信号中可能为中频信号或视频信号，当为中频信号时，经过数字采样后形成数字中频信号；当为视频信号时，经过数字采样后形成数字视频信号；

第一信号处理模块：用于将所述信号采样模块中的数字中频信号进行正交变换和数字检波，形成数字视频信号；

第二信号处理模块：用于将数字视频信号进行双门限检测，形成二值化视频信号；

第三信号处理模块：用于通过延时窗对所述第二信号处理模块传递的二值化视频信号进行延时处理；

第一信号匹配模块；用于将所述第三信号处理模块传递的二值化视频信号与所述波形构建模块构建的所述二值化的1090ES信号框架脉冲组的已知波形进行按位异或，并根据匹配结果判断1090ES信号框架脉冲组的检测结果；

第二信号匹配模块；用于在所述第一信号匹配模块中检测到1090ES信号框架脉冲组时，将所述第三信号处理模块传递的二值化视频信号与所述1090ES信号数据位脉冲的已知波形进行按位异或，并根据匹配结果判断1090ES信号框架脉冲组的检测结果，并最终完成1090ES信号数据位脉冲的脉位调制解调。

发明效果：

本发明的1090ES信号自动检测方法及系统，通过构建二值化的1090ES信号框架脉冲组和数据位脉冲的已知波形，利用波形自动匹配的方法实现视频信号框架脉冲组的检测及其后续数据位脉冲的检测；由于采用了匹配滤波的方法，信号在检测过程获得了信噪比增益，提高了框架脉冲组的检测概率和数据脉冲解调正确率。

附图说明

图1是1090ES信号技术规范；

图2是本发明1090ES信号自动检测方法系统中一个优选实施例的二值化的1090ES信号框架脉冲组波形；

图3是本发明1090ES信号自动检测方法系统中一个优选实施例的二值化的1090ES信号数据位脉冲波形；

图4是本发明1090ES信号自动检测方法系统中另一个优选实施例的二值化的1090ES信号数据位脉冲波形；

图5是发明1090ES信号自动检测方法流程图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

下面结合附图1至图5对本发明1090ES信号自动检测方法系统做进一步详细说明。

本发明提供了一种1090ES信号自动检测系统，可以包括信号采样模块以及集成在FPGA内部的波形构建模块、第一信号处理模块、第二信号处理模块、第三信号处理模块、第一信号匹配模块以及第二信号匹配模块；其中，FPGA即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物；作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。需要说明的是，在其他优选实施例方式中，FPGA也可以替换成其他的适合的器部件。

波形构建模块用于构建二值化的1090ES信号框架脉冲组的已知波形以及二值化的1090ES信号数据位脉冲的已知波形。信号采样模块为模数转换器(ADC)，用于对微波接收机输出的信号进行数字采样。

第一信号处理模块用于将信号采样模块中形成的数字中频信号进行正交变换和数字检波，形成数字视频信号。第二信号处理模块用于将数字视频信号进行双门限检测，形成二值化视频信号。第三信号处理模块用于通过延时窗对所述第二信号处理模块传递的二值化视频信号进行延时处理。

第一信号匹配模块用于将所述第三信号处理模块传递的二值化视频信号与所述波形构建模块构建的所述二值化的1090ES信号框架脉冲组的已知波形进行按位异或，并根据匹配结果判断1090ES信号框架脉冲组的检测结果。第二信号匹配模块用于在所述第一信号匹配模块中检测到1090ES信号框架脉冲组时，将所述第三信号处理模块传递的二值化视频信号与所述1090ES信号数据位脉冲的已知波形进行按位异或，并根据匹配结果判断1090ES信号框架脉冲组的检测结果，并最终完成1090ES信号数据位脉冲的脉位调制解调。

本发明的1090ES信号自动检测系统，通过构建二值化的1090ES信号框架脉冲组和数据位脉冲的已知波形，利用波形自动匹配的方法实现视频信号框架脉冲组的检测及其后续数据位脉冲的检测；由于采用了匹配滤波的方法，信号在检测过程获得了信噪比增益，提高了框架脉冲组的检测概率和数据脉冲解调正确率。

进一步，本发明还提供了一种1090ES信号自动检测方法，能针对不同的长度、数据率的1090ES信号进行检测；本优选实施例中，将以视频信号的数据率50MHz、第一预定时长(长度)为400点、第二预定时长(长度)为50点的实例来对本发明的自动检测方法进行详细。

本发明1090ES信号自动检测方法，具体实施步骤如下：

步骤S101、构建二值化的1090ES框架脉冲组已知波形，长度为400点，如图2所示，其数学表达式如下：

F＝[F(0),F(1),...,F(399)]^T；

进一步，构建二值化的数据位脉冲的已知波形，长度为50点；其中，二值化的数据位脉冲的已知波形可以根据需要选择为如图3(即第一波形或第二波形)或图4(相对于图3，图4即第二波形或第一波形)所示的波形的一种，此处选择图3的波形，其数学表达式如下：

D＝[D(0),D(1),...,D(49)]^T。

步骤S102、对微波接收机输出的信号进行数字采样，形成数字视频信号。

进一步，在步骤S102中又包括步骤S1021：

步骤S1021、用于将所述信号采样模块中形成的数字中频信号进行正交变换和数字检波，形成数字视频信号。

步骤S103、对视频信号进行双门限检测形成二值化的视频信号。

步骤S104、对二值化的视频信号进行延时；对于框架脉冲组，延时窗长度与框架脉冲组波形的第一预定时长一致，其向量表示形式如下所示；

V＝[V(n),V(n+1),...,V(n+399)]^T；

对于数据位脉冲，延时窗长度与数据位脉冲波形的第二预定时长一致，其向量表示形式如下所示；

V＝[V(n),V(n+1),...,V(n+49)]^T；其中，n取0。

步骤S105、将延时窗上框架脉冲组的二值化视频信号与已定义的二值化框架脉冲组波形进行按位异或，对异或后的一维向量中1的个数进行统计，获取两者间相关程度的第一指标值，也即延时窗内与已知波形样本相同的视频信号样点个数corr_F，其表达式如下：

${\mathrm{corr}}_F=\underset{i=0}{\overset{399}{\Σ}}{(V\⊕F)}_i.$

进一步，设定第一预定门限值范围，将corr_F值与该门限范围进行比较，如果匹配的样点个数落入第一门限值范围，则判断框架脉冲组已检测到。门限值最小通常设定为已知波形样本长度的90％，由于框架脉冲组已知波形样点数为400，因此，此处门限最小设定为360。

步骤S106、将第一指标值与第一预定门限值范围进行比较；仅当第一指标值处于第一预定门限值范围内时，则判断1090ES信号框架脉冲组已检测到，并进行步骤S107；否则，继续匹配后续信号。

步骤S107、当检测到框架脉冲组，则启动数据位脉冲的检测处理。同样地，将延时窗上数据位脉冲的二值化视频信号与已定义的二值化数据脉冲波形进行按位异或，获取两者间的相关性第二指标值，也即延时窗内与已知波形样本相同的视频信号样点个数corr_D，其表达式如下：

${\mathrm{corr}}_D=\underset{i=0}{\overset{49}{\Σ}}{(V\⊕D)}_i.$

需要说明的是，二值化的数据位脉冲的已知波形可以根据需要选择为如图3或图4所示的波形的一种；在理想情况下，只有与定义的其中一种波形(例如第一已知波形)相似程度较高，而与另一种波形(例如第二已知波形)相似程度较低。但实际空中信号有一定信号重叠的情况，此时，可以引入数据位置信度模型，当二值化视频信号与其中一种波形相似程度达到80％，或者与另一种波形相似程度低于20％，则置信度置高，此时判断1090ES信号数据位脉冲已检测到，完成1个1090ES信号数据位脉冲的脉位调制解调；若波形相似程度在20％～80％范围时，则置信度置低，判断1090ES信号数据位脉冲未检测到。此置信度值可用于后续软件数据处理中的数据位CRC纠错处理。

根据corr_D的值，进行数据位数值和置信度值判断的规则如下：

表中，置信度值为1时表示高置信度，反之则为低置信度。

步骤S108、重复步骤S107，完成全部1090ES信号数据位脉冲的脉位调制解调，形成56-bit或112-bit的检测数据，用于后续的目标位置解算、航迹起始等处理；其中，短格式循环56次；长格式循环112次。

本发明的1090ES信号自动检测方法，通过构建二值化的1090ES信号框架脉冲组和数据位脉冲的已知波形，利用波形自动匹配的方法实现视频信号框架脉冲组的检测及其后续数据位脉冲的检测；由于采用了匹配滤波的方法，信号在检测过程获得了信噪比增益，提高了框架脉冲组的检测概率和数据脉冲解调正确率。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。