基于软件无线电的ADS-B收发一体机及方法与流程

本发明涉及无线电技术，尤其涉及一种基于软件无线电的ads-b收发一体机及方法。

背景技术：

随着低空空域改革的逐步推进，各类通航飞行器与地面保障车辆日益剧增，目前还没有有效监视手段，给航空安全带来了隐患；广播式自动相关监视(ads-b)是国际民航组织确定的未来主要监视技术。ads-b技术将卫星导航、通信技术、机/车载设备以及地面设备等先进技术相结合，可以自动地从相关机载设备获取参数向其他飞机/车辆或地面站广播飞机/车辆的位置、高度、速度、航向、识别号等信息与现有的雷达相比，其特点是：目标监视精度高、更新速率快、建设成本低。可以实现空-空监视、地-空监视和地-地监视。因此，对于通航飞行器与地面保障车辆选用ads-b监视终端是主流趋势。

现有的标准ads-b机载系统是为大型、通用飞机的装机环境专门设计的，功能齐全，但价格昂贵、功耗大、体积偏大、重量偏重不适合在轻小型通航飞机与地面保障车辆上使用，而在机场场面监视应用领域，由于机场范围相对较小、航空器车辆的密度较高，车辆和航空器之间，以及航空器/车辆与机场监控中心之间的距离较近，不需要大功率和高灵敏度的发射和接收设备；同时，为防止车辆发生跑道入侵和运行失误，车辆驾驶员希望获得与机场监控中心相同的场面运行态势，因此需要适合于车辆搭载的便携式可移动的接收机，当前的接收机设备就很难满足要求。

技术实现要素：

发明目的：本发明针对现有通航飞机与机场保障车辆不能有效监控问题，提供一种基于软件无线电的ads-b收发一体机及方法，本发明结合现有的空管监视系统，能实现通航飞机及地面保障车辆的有效监控，保障航空安全，而且制造成本低，维护成本低。

技术方案：本发明所述的基于软件无线电的ads-b收发一体机，包括gnss传感器、气压高度传感器、嵌入式计算机、软件无线电收发板、发射天线、功率放大器、低噪声放大器和接收天线，所述gnss传感器、气压高度传感器和软件无线电收发板分别连接所述嵌入式计算机，所述功率放大器和低噪声放大器分别连接所述软件无线电收发板，所述发射天线连接功率放大器，所述接收天线连接低噪声放大器，所述嵌入式计算机用于采用软件模块实现以下功能：获取gnss传感器采集的定位数据和气压高度传感器采集的高度数据，并编码为指定消息格式，再驱动软件无线电收发板调制后发送至功率放大器，使得功放后经发射天线发射出去，以及驱动软件无线电收发板获取经低噪声放大器放大的ads-b信号，并驱动软件无线电收发板进行解调、并在本机上解码后输出航空器/车辆的ads-b信息。

进一步的，所述嵌入式计算机的linux平台上采用编程语言实现以下软件模块：

数据采集模块，用于获取gnss传感器采集的定位数据和气压高度传感器采集的高度数据，并修正高度数据；

消息编码模块，用于将定位数据和高度数据编码为1090mhz扩展电文格式和uat格式的帧，并通过udp报文传输至消息调制模块；

ppm调制驱动模块，用于驱动软件无线电收发板将接收到的1090mhz扩展电文格式的帧由二进制转换为复数数据，并将复数数据转换为脉冲码后经ppm调制为1090mhz的ads-b信号；

cpfsk调制驱动模块，用于驱动软件无线电收发板将接收到的uat格式的帧由二进制转换为复数数据，并将复数数据转换为脉冲码后经cpfsk调制为978mhz的ads-b信号；

信号发送驱动模块，用于驱动软件无线电收发板根据设置的传输参数，将经调制得到的1090mhz的ads-b信号和978mhz的ads-b信号发送至功率放大器进行功率放大后，传输至发射天线进行发射；

消息接收驱动模块，用于驱动软件无线电收发板获取低噪声信号放大器放大后的ads-b信号，其中，所述ads-b信号由接收天线接收，频率为1090mhz或978mhz；

ppm解调校验驱动模块，用于驱动软件无线电收发板将获取的1090mhz的ads-b信号，经ppm解调为有效的连续脉冲信号，并根据1090mhz扩展电文格式所确定的前导脉冲，将连续脉冲信号转换为1090mhz扩展电文格式的帧，再基于前导脉冲瞬时相关特性的ads-b信号检测算法，判断帧是否有效，将有效的帧通过udp报文传输至消息解码模块；

cpfsk解调校验驱动模块，用于驱动软件无线电收发板将获取的978mhz的ads-b信号经cpfsk解调为有效的连续脉冲信号，并根据uat格式所确定的前导脉冲，将连续脉冲信号转换为uat格式的帧，再基于前导脉冲瞬时相关特性的ads-b信号检测算法，判断帧是否有效，将有效的帧通过udp报文传输至消息解码模块；

消息解码模块，用于对接收到的帧依据1090mhz扩展电文格式或uat格式进行规范解码；

消息发送模块，用于将规范解码的1090mhz扩展电文格式或uat格式的ads-b数据发送至预设置的目的地。

进一步的，所述发射天线包括1090mhz发射天线和978mhz发射天线。所述gnss传感器通过串口转usb连接嵌入式计算机，所述气压高度传感器通过i2c转usb连接嵌入式计算机。所述软件无线电收发板包括发射子板和接收子板，所述发射子板用于在嵌入式计算机驱动下对接收的信号进行ppm调制和cpfsk调制，并发送至功率放大器，所述接收子板用于在嵌入式计算机驱动下接收低噪声信号放大器放大后的ads-b信号，并进行ppm解调或cpfsk解调，以及对解调后的信号通过检测前导脉冲成帧后发送至嵌入式计算机。

本发明所述的基于软件无线电的ads-b收发方法，包括发射部分和接收部分，其中，发射部分包括步骤：

(1)gnss传感器周期性的采集航空器/车辆的定位数据，气压高度传感器周期性的采集航空器/车辆的高度信息，并传输至嵌入式计算机；

(2)嵌入式计算机获取gnss传感器采集的定位数据和气压高度传感器采集的高度数据，并编码为指定消息格式；

(3)在嵌入式计算机驱动下，由软件无线电收发板将制定消息格式的数据调制后发送至功率放大器；

(4)所述功率放大器将信号放大后，传输至发射天线进行发射；

接收部分包括步骤：

(5)接收天线接收其他航空器/车辆发送的ads-b消息，并传输至低噪声放大器进行放大；

(6)在嵌入式计算机驱动下，由软件无线电收发板将低噪声放大器放大的信号进行解调；

(7)嵌入式计算机在本机上将解调后的数据解码后输出航空器/车辆的ads-b信息。

进一步的，所述步骤(2)通过在嵌入式计算机的linux平台上采用编程语言实现，步骤(2)具体包括：

(2-1)数据采集模块获取gnss传感器采集的定位数据和气压高度传感器采集的高度数据，并修正高度数据；

(2-2)消息编码模块将定位数据和高度数据编码为1090mhz扩展电文格式和uat格式的帧，并通过udp报文传输至软件无线电收发板。

进一步的，步骤(3)具体包括：

(3-1)在嵌入式计算机的ppm调制驱动模块驱动下，软件无线电收发板将接收到的1090mhz扩展电文格式的帧由二进制转换为复数数据，并将复数数据转换为脉冲码后经ppm调制为1090mhz的ads-b信号；

(3-2)在嵌入式计算机的cpfsk调制驱动模块驱动下，软件无线电收发板将接收到的uat格式的帧由二进制转换为复数数据，并将复数数据转换为脉冲码后经cpfsk调制为978mhz的ads-b信号；

(3-3)在嵌入式计算机的信号发送驱动模块驱动下，软件无线电收发板根据设置的传输参数将经调制得到的1090mhz的ads-b信号和978mhz的ads-b信号发送至功率放大器进行功率放大后，传输至发射天线进行发射。

进一步的，步骤(6)具体包括：

(6-1)在嵌入式计算机的消息接收驱动模块驱动下，软件无线电收发板获取低噪声信号放大器放大后的ads-b信号，其中，所述ads-b信号由接收天线接收，频率为1090mhz或978mhz；

(6-2)在嵌入式计算机的ppm解调校验模块驱动下，软件无线电收发板将获取的1090mhz的ads-b信号，经ppm解调为有效的连续脉冲信号，并根据1090mhz扩展电文格式所确定的前导脉冲，将连续脉冲信号转换为1090mhz扩展电文格式的帧，再基于前导脉冲瞬时相关特性的ads-b信号检测算法，判断帧是否有效，将有效的帧通过udp报文传输至消息解码模块；

(6-3)在嵌入式计算机的cpfsk解调校验驱动模块驱动下，软件无线电收发板将获取的978mhz的ads-b信号经cpfsk解调为有效的连续脉冲信号，并根据uat格式所确定的前导脉冲，将连续脉冲信号转换为uat格式的帧，再基于前导脉冲瞬时相关特性的ads-b信号检测算法，判断帧是否有效，将有效的帧通过udp报文传输至消息解码模块。

进一步的，步骤(7)具体包括：

(7-1)嵌入式计算机的消息解码模块对接收到的帧依据1090mhz扩展电文格式或uat格式进行规范解码；

(7-2)嵌入式计算机的消息发送模块将规范解码的1090mhz扩展电文格式或uat格式的ads-b数据发送至预设置的目的地。

有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：

1、本发明采用软件无线电来来完成如工作频段、调制解调类型、数据格式、通信协议等各种功能，因此具有较高的灵活性和开放性。其利用现代化软件来操纵、控制传统的“纯硬件电路”的无线通信技术，使得建造该设备无需复杂的无线电硬件设备，不但制造成本低，而且使用及维护成本低。

2、本发明的ads-b收发一体机体积小、重量轻、功耗小、功能全，可以用于低空飞行器与机场保障车辆，实现对低空空域飞行器和场地车辆的运行状态进行监视，保障航空安全。

附图说明

图1是本发明提供的基于软件无线电的ads-b收发一体机的结构示意图；

图2是本发明的工作原理图；

图3是本发明提供的基于软件无线电的ads-b收发一体机的应用场景图；

图4是本发明提供的基于软件无线电的ads-b收发方法中发射部分的流程示意图；

图5是本发明提供的基于软件无线电的ads-b收发方法中接收部分的流程示意图。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供了一种基于软件无线电的ads-b收发一体机，如图1所示，包括gnss传感器、气压高度传感器、嵌入式计算机、sdr硬件(软件无线电收发板)、发射天线、功率放大器、低噪声放大器和接收天线，所述gnss传感器通过串口转usb连接嵌入式计算机，所述气压高度传感器通过i2c转usb连接嵌入式计算机，所述功率放大器和低噪声放大器分别连接所述软件无线电收发板，所述发射天线连接功率放大器，所述接收天线连接低噪声放大器。所述发射天线包括1090mhz发射天线和978mhz发射天线。所述软件无线电收发板包括发射子板和接收子板，所述发射子板用于在嵌入式计算机驱动下对接收的信号进行ppm调制和cpfsk调制，并发送至功率放大器，所述接收子板用于在嵌入式计算机驱动下接收低噪声信号放大器放大后的ads-b信号，并进行ppm解调或cpfsk解调，以及对解调后的信号通过检测前导脉冲成帧后发送至嵌入式计算机。

其中，如图2所示，嵌入式计算机的linux平台上采用编程语言实现以下软件模块：

数据采集模块，用于在linux平台下，利用java语言编程获得gnss传感器的基于nema-0183协议的定位数据，包括(经纬度、高度、速度等信息)；如果是用于机载发射，则还需利用java语言编程获得气压高度传感器回传数据，并修正高度信息。

消息编码模块，用于将定位数据和高度数据编码为1090mhz扩展电文格式和uat格式的帧，并通过udp报文传输至消息调制模块；其中，传输根据不同的信号传输方式，ads-b信号的编码方式不同，以民航空中管制领域主要采用的modes1090es为例，s模式下的ads-b帧息由8微秒的前导报头脉冲和112微秒的数据信息位脉冲组成。s模式下的ads-b帧格式如表1所示。根据rtcado206b规范，航空器和车辆发送的ads-b消息具有不同的数据格式，因此，ads-b帧中，针对车辆的下传链路格式为df18，通航飞机则为df17；第二个字段子类型描述描述s模式应答机能力；第三个字段描述飞行器的icao地址或车辆的特定编号；第四个字段是56位的ads-b数据，包含关于航空器高度、纬度和经度等信息；最后一个字段是奇偶校验，长度为24位，按该数据格式将数据编码。

表1s模式下的ads-b帧格式

ppm调制驱动模块，用于驱动软件无线电收发板将接收到的1090mhz扩展电文格式的帧由二进制转换为复数数据，并将复数数据转换为脉冲码后经ppm调制为1090mhz的ads-b信号；其中，数据类型转换可以方便变频到rf(1090mhz)；其中，ads-b帧包括前导脉冲和数据脉冲，ppm调制时，根据对前导脉冲和数据脉冲的脉冲宽度和脉冲位的要求将ads-b帧转化为脉冲码，应用gnuradio软件，采用模块化编程，编写调制ads-b脉冲的gnuradio调制程序，利用该gnuradio调制程序驱动软件无线电收发板将ads-b脉冲调制为1090mhz。

cpfsk调制驱动模块，用于驱动软件无线电收发板将接收到的uat格式的帧由二进制转换为复数数据，并将复数数据转换为脉冲码后经cpfsk调制为978mhz的ads-b信号。

信号发送驱动模块，用于驱动软件无线电收发板根据设置的传输参数将1090mhz的ads-b信号和978mhz的ads-b信号发送至功率放大器进行功率放大后，传输至发射天线进行发射；其中，设置的传输参数包括ip地址、采样率、传输增益和天线选择，传输增益默认设置为4，运行该程序时的最佳增益在1和4之间，发射天线选择tx；该模块通过gnuradio软件，采用模块化编程，编写gnuradio程序后运行实现。

消息接收驱动模块，用于驱动软件无线电收发板获取低噪声信号放大器放大后的ads-b信号，其中，所述ads-b信号由接收天线接收，频率为1090mhz或978mhz；该模块通过应用linux平台上的gnuradio软件，采用模块化编程，编写gnuradio程序后运行实现。

ppm解调校验驱动模块，用于驱动软件无线电收发板将获取的1090mhz的ads-b信号，经ppm解调为有效的连续脉冲信号(包括8微秒的前导报头脉冲和112微秒的数据信息位脉冲)，并根据1090mhz扩展电文格式所确定的前导脉冲，将连续脉冲信号转换为1090mhz扩展电文格式的帧，再基于前导脉冲瞬时相关特性的ads-b信号检测算法，判断帧是否有效，将有效的帧通过udp报文传输给在linux平台上运行的java监听端口；该模块通过应用linux平台上的gnuradio软件，采用模块化编程，编写gnuradio解调程序后运行实现。

cpfsk解调校验驱动模块，用于驱动软件无线电收发板将获取的978mhz的ads-b信号经cpfsk解调为有效的连续脉冲信号，并根据uat格式所确定的前导脉冲，将连续脉冲信号转换为uat格式的帧，再基于前导脉冲瞬时相关特性的ads-b信号检测算法，判断帧是否有效，将有效的帧通过udp报文传输给在linux平台上运行的java监听端口；该模块通过应用linux平台上的gnuradio软件，采用模块化编程，编写gnuradio解调程序后运行实现。

消息解码模块，用于采用java语言编写ads-b报文监听程序，一旦监听到有效的消息即运行解码程序，解码程序为将接收到的帧依据1090mhz扩展电文格式或uat格式进行规范解码；例如，对于表1所示帧格式，依次进行解码，ads-b消息的第一个字段是df类型；例如航空器，采用df17类型，二进制位表示为10001；第二个字段为子类型字段这个字段描述s模式应答机能力。第三个字段描述飞行器的icao地址或车辆的特定编号；第四个字段是56位的ads-b数据，包含关于航空器高度、纬度和经度等信息；最后一个字段是奇偶校验，长度为24位。

消息发送模块，设置数据发送ip地址和端口号，输出1090mhz扩展电文的格式或uat的数据格式的规范解码的航空器/车辆的ads-b信息，如采用asterixcat021格式。

ads-b收发一体机应用简图如图3所示，应用包括车载ads-b收发一体机和机载ads-b收发一体机。装载了车载ads-b收发一体机的车辆，和机载ads-b收发一体机的航空器，将gnss传感器、气压高度传感器获取的航空器/车辆ads-b信息，通过数据前处理和信号调制后向外发射。ads-b地面站以及装载了车载ads-b收发一体机的车辆、机载ads-b收发一体机的航空器，接收邻近航空器/车辆ads-b信号，依次通过信号解调和数据解码后生成航空器/车辆的ads-b信息。发送至显示端进行显示，增强航空器/车辆对机场与周围空域的动态感知，对于防止机场跑道入侵、保持空中间隔和空中防撞具有重要应用价值。

实施例2

本实施例提供了一种基于软件无线电的ads-b收发方法，该方法基于实施例1的一体机实现，包括发射部分和接收部分，其中，发射部分包括：

本发明所述的基于软件无线电的ads-b收发方法，包括发射部分和接收部分。

如图4所示，发射部分包括步骤：

(1)gnss传感器周期性的采集航空器/车辆的定位数据，气压高度传感器周期性的采集航空器/车辆的高度信息，并传输至嵌入式计算机。

(2)嵌入式计算机获取gnss传感器采集的定位数据和气压高度传感器采集的高度数据，并编码为指定消息格式。该步骤通过在嵌入式计算机的linux平台上采用编程语言实现，具体包括：

(2-1)数据采集：在linux平台下，利用java语言编程获得gnss传感器的基于nema-0183协议的定位数据，包括(经纬度、高度、速度等信息)；如果是用于机载发射，则还需利用java语言编程获得气压高度传感器回传数据，并修正高度信息；

(2-2)消息编码：将定位数据和高度数据编码为1090mhz扩展电文格式和uat格式的帧，并通过udp报文传输至消息调制模块；其中，传输根据不同的信号传输方式，ads-b信号的编码方式不同，以民航空中交通管制领域主要采用的modes1090es为例，s模式下的ads-b帧息由8微秒的前导报头脉冲和112微秒的数据信息位脉冲组成。s模式下的ads-b帧格式如表1所示。根据rtcado206b规范，航空器和车辆发送的ads-b消息具有不同的数据格式，因此，ads-b帧中，针对车辆的下传链路格式为df18，通航飞机则为df17；第二个字段子类型描述描述s模式应答机能力；第三个字段描述飞行器的icao地址或车辆的特定编号；第四个字段是56位的ads-b数据，包含关于航空器高度、纬度和经度等信息；最后一个字段是奇偶校验，长度为24位，按该数据格式将数据编码。

(3)在嵌入式计算机驱动下，由软件无线电收发板将制定消息格式的数据调制后发送至功率放大器。具体包括：

(3-1)ppm调制：在嵌入式计算机的ppm调制驱动模块驱动下，软件无线电收发板将接收到的1090mhz扩展电文格式的帧由二进制转换为复数数据，并将复数数据转换为脉冲码后经ppm调制为1090mhz的ads-b信号；其中，数据类型转换可以方便变频到rf(1090mhz)；其中，ads-b帧包括前导脉冲和数据脉冲，ppm调制时，根据对前导脉冲和数据脉冲的脉冲宽度和脉冲位的要求将ads-b帧转化为脉冲码，应用gnuradio软件，采用模块化编程，编写调制ads-b脉冲的ppm调制驱动程序，利用该程序将ads-b脉冲调制为1090mhz；

(3-2)cpfsk调制：在嵌入式计算机的cpfsk调制驱动模块驱动下，软件无线电收发板将接收到的uat格式的帧由二进制转换为复数数据，并将复数数据转换为脉冲码后经cpfsk调制为978mhz的ads-b信号，并传输至信号发送驱动模块；

(3-3)信号发送：在嵌入式计算机的信号发送驱动模块驱动下，软件无线电收发板根据设置的传输参数将1090mhz的ads-b信号和978mhz的ads-b信号发送至功率放大器进行功率放大后，传输至发射天线进行发射；其中，设置的传输参数包括ip地址、采样率、传输增益和天线选择，传输增益默认设置为4，运行该程序时的最佳增益在1和4之间，发射天线选择tx。

(4)所述功率放大器将信号放大后，传输至发射天线进行发射。

如图5所示，接收部分包括步骤：

(5)接收天线接收其他航空器/车辆发送的ads-b消息，并传输至低噪声放大器进行放大。

(6)在嵌入式计算机驱动下，由软件无线电收发板将低噪声放大器放大的信号进行解调。具体包括：

(6-1)消息接收：在嵌入式计算机的消息接收驱动模块驱动下，软件无线电收发板获取低噪声信号放大器放大后的ads-b信号，其中，所述ads-b信号由接收天线接收，频率为1090mhz或978mhz；该模块通过应用linux平台上的gnuradio软件，采用模块化编程，编写gnuradio解调程序后运行实现；

(6-2)ppm解调校验：在嵌入式计算机的ppm解调校验模块驱动下，软件无线电收发板将获取的1090mhz的ads-b信号，经ppm解调为有效的连续脉冲信号(包括8微秒的前导报头脉冲和112微秒的数据信息位脉冲)，并根据1090mhz扩展电文格式所确定的前导脉冲，将连续脉冲信号转换为1090mhz扩展电文格式的帧，再基于前导脉冲瞬时相关特性的ads-b信号检测算法，判断帧是否有效，将有效的帧通过udp报文传输给在linux平台上运行的java监听端口；

(6-3)cpfsk解调校验：在嵌入式计算机的cpfsk解调校验驱动模块驱动下，软件无线电收发板将消息接收驱动模块获取的978mhz的ads-b信号经cpfsk解调为有效的连续脉冲信号，并根据uat格式所确定的前导脉冲，将连续脉冲信号转换为uat格式的帧，再基于前导脉冲瞬时相关特性的ads-b信号检测算法，判断帧是否有效，将有效的帧通过udp报文传输给在linux平台上运行的java监听端口。

(7)嵌入式计算机在本机上将解调后的数据解码后输出航空器/车辆的ads-b信息。具体包括：

(7-1)消息解码：采用java语言编写ads-b报文监听程序，一旦监听到有效的消息即运行解码程序，解码程序为将接收到的帧依据1090mhz扩展电文格式或uat格式进行规范解码；例如，对于表1所示帧格式，依次进行解码，ads-b消息的第一个字段是df类型；例如航空器，采用df17类型，二进制位表示为10001；第二个字段为子类型字段这个字段描述s模式应答机能力。第三个字段描述飞行器的icao地址或车辆的特定编号；第四个字段是56位的ads-b数据，包含关于航空器高度、纬度和经度等信息；最后一个字段是奇偶校验，长度为24位。

(7-2)消息发送：设置数据发送ip地址和端口号，输出1090mhz扩展电文的格式或uat的数据格式的规范解码的航空器/车辆的ads-b信息，如采用asterixcat021格式。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。