一种针对时变ads-b报文时延的自适应估计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及自适应信号处理技术领域，涉及到民航ADS - B报文的时延估计方法， 特别涉及到利用基于扩展的最大相关熵递归自适应算法对时变的ADS - B报文进行时延估 计和跟踪的方法。
【背景技术】
[0002] 广播式自动相关监视 ADS - B (Automatic Dependent Surveillance - Broadcast) 系统是航空器通过广播模式数据链将机载导航设备和定位系统生成的数据自动广播出去 的监控系统，与传统雷达相比，在更新率、连接方式和传送方式等诸多方面都有优势，因而 逐渐成为空中交通管制（Air Traffic Control，ATC)不可或缺的手段。
[0003] 但是作为承载民航飞行器的飞行状态如位置和速度等信息的ADS - B报文却因为 该系统的报文信息采集和报文生成机制，而存在时变的随机时延。该类时延会降低ADS - B 报文承载的位置和速度等信息的准确性和可靠性。由于ADS -B技术是一门新兴技术，针对 ADS - B报文的时延估计方法还有待进一步完善。
【发明内容】
[0004] 本发明需要解决的技术问题是针对现有技术中无法对时变的ADS - B报文时延进 行动态、实时的估计和跟踪的缺陷，提供一种ADS-B报文时延动态估计和跟踪的方法，采用 的技术方案是通过对脉冲噪声具有较强抑制能力的自适应滤波算法来实现对民航ADS - B 报文时延的动态估计和跟踪。所用到的自适应滤波算法是扩展的递归最大相关熵自适应算 法。
[0005] 本发明是基于抑制脉冲噪声的ADS - B报文时延自适应估计方法，首先通过载频 估计获取从飞机散射信号中承载的未受ADS -B报文时延影响的多普勒频移特征曲线，然后 利用多普勒频移公式计算获取了受到ADS -B报文时延影响的多普勒频移特征曲线，最后利 用抑制脉冲噪声的自适应滤波算法对时变ADS -B报文的时延进行估计，技术方案包括以下 具体步骤：
[0006] 第一步，基于辅助信号源的利用载频估计方法获取未受到ADS -B报文时延影响的 多普勒频移时频曲线。
[0007] (1)在民航航线附近发射具有载波分量的调制信号发射源。
[0008] (2)对经过飞机散射的调制信号混频至零中频，并进行采样和接收。
[0009] (3)对接收到的信号进行分段。将第一步（2)中获得的数据进行等时间长度的重 叠分段，每段数据所占时间长度可在〇. 5 - 2秒范围内选取。除第一段和最后一段外，其他 段均与该段之前和该段之后的数据重叠，重叠长度为该段长度的一半。
[0010] (4)估计每一段数据所对应的多普勒频移。对第一步（3)中每一段数据进行快速 傅里叶变换，并获得对应数据的频谱，根据频谱中峰值的位置估计与该段数据相对应的多 普勒频移。傅里叶变换的公式为：
[0012] 其中，x(t)表示随时间t变化的信号，X(j Ω)表示信号多对应的频谱。
[0013] (5)组成多普勒频移曲线。利用第一步（4)中获得多普勒频移组成未受到ADS - Β报文时延影响的多普勒频移曲线，由于每一处多普勒频移均对应于不同时刻的数据段，故 该多普勒频移曲线是关于时间变量的曲线。
[0014] (6)获得更密集的多普勒频移曲线。对第一步（5)中的多普勒频移曲线进行线性 插值和抽取，将多普勒曲线的时间点精确到〇. 05 - 0. 2秒范围内的某一时亥I」，以获得更密 集的随时间变化的未受到ADS - Β报文时延影响的多普勒频移特征曲线。
[0015] 第二步，基于ADS -Β的速度报文和位置报文计算受到时延影响的多普勒频移时频 曲线。
[0016] (1)对ADS - Β的速度报文和位置报文信息进行线性插值，获得每个整时间精 度处的飞行器的位置和速度信息。首先将速度报文和位置报文的接收时刻四舍五入至 0. 05 - 0. 2秒范围内的某一时间精度，该时间精度与第一步（6)中的时间精度相同，然后按 照此时间精度进行插值，获得更密集的随时间变化的飞行器的位置和速度信息。
[0017] (2)利用插值后获取的飞行器的位置和速度信息，计算受到ADS - Β报文时延影响 的多普勒频移曲线。由于插值后速度报文和位置报文的起止时刻不同，故以位置信息和速 度信息同时存在的最长的时间范围作为ADS -Β报文的有效时间范围，并利用该有效范围内 的位置信息和速度信息，通过多普勒频移公式计算受到ADS -Β报文时延影响的多普勒频移 特征曲线，多普勒频移公式为⑴=fcd-VpU)1' · dpt(t)/c) (l_vp(t)T · UtVcX，其 中dpt(t)表示由辅助源的发射机指向飞机位置的单位方向矢量，Ut)表示由接收机指向 飞机位置的单位方向矢量，另外^表示飞机的速度信息，f。表示发射信号的载波频率，c表 示光的速度。
[0018] 第三步，利用抑制脉冲噪声的自适应方法对时变ADS -B报文时延进行动态估计和 跟踪。
[0019] (1)以第一步和第二步所获取的两条多普勒频移特征曲线同时存在的最大时间范 围为准，分别选取该时间范围内的多普勒频移特征曲线。将第一步获取的未受到ADS -B报 文时延影响的多普勒频移曲线作为自适应算法的输入信号，记作fP(n)。将第二步获取的受 到ADS - B报文时延影响的多普勒频移曲线作为自适应算法的期望信号，记作fc(n);其中， η为整数，表示离散时间变量。
[0020] (2)将起始时刻到当前时刻的输入信号和期望信号对
输入抑制 脉冲噪声的自适应算法中，对时变的时延进行估计和跟踪；其中，Ν表示当前时刻。该自适 应算法名为扩展的递归最大相关熵自适应算法，其流程为：
[0021] 首先，在η = 0时刻，对信号参数进行初始化
[0022] w(0) = 0, Ρ(0) = λ 4，
[0023] 其中w表不滤波器的权系数向量，Ρ表不该段输入信号自相关矩阵的逆矩阵，λ表 示遗忘因素，I表示单位阵。
[0024] 其次，当η多1时，按照如下过程递归求解滤波器的系数：
[0027] w (η) = a w (n_l)+e (n) k (η)
[0028] P (η) = α 2P (n_l) - a k (n) uT (η) P (n_l)
[0029] 其中，u(n)表示自适应算法的输入向量，从第三步⑴中fP(n)所包含的数 据中获得，d(n)表示期望信号，由第二步（1)中fP(n)所包含的数据构成，e(n)表示误 差，k(n)表示增益。α可以在[0.9,0. 9999]范围内选取，体现了时延的时变程度。
表示高斯核函数。
[0030] (3)通过第三步（2)中的自适应算法，能够获得每一个时刻滤波器的权系数向量， 进一步利用最大的权系数根据惯常的自适应滤波时延估计方法对ADS -Β时延进行估计。通 过上述自适应算法，不但能够对非时变ADS - Β报文时延进行估计，还能够对时变的ADS - Β报文时延进行估计和跟踪。
[0031] 本发明可以实现时变ADS - Β报文的时延的估计和跟踪，并为ADS - Β报文的时延 补偿提供了依据，通过补偿，提升了 ADS -Β报文承载的位置和速度信息的准确性和可靠性。
【附图说明】
[0032] 附图1是本发明的ADS - Β报文时延估计方法的总体流程图。
[0033] 附图2是本发明中具有抑制脉冲噪声的自适应算法的流程图。
[0034] 附图3是本发明中飞机散射信号的时间-频率谱。
[0035] 附图4是本发明中未估计和补偿时延时的多普勒频移特征曲线对比图。
[0036] 附图5是本发明中已估计和补偿时延时的多普勒频移特征曲线对比图。
【具体实施方式】
[0037] 下面结合附图和技术方案详细说明一种针对时变ADS - Β报文时延的自适应估计 方法，整体流程图如图1所示：
[0038] 第一步.基于辅助信号源的利用载频估计方法获取未受到ADS - Β报文时延影响 的多普勒频移时频曲线。
[0039] (1)在民航航线附近发射具有载波分量的调制信号发射源。针对电磁波能量空间 损耗规律以及发射机功率，在航线附近选择辅助无线电信号发射源的位置，避让民航通信 频段，以保证即使发射功率较小，仍能够在接收机处获得的飞机散射的信号具有较高的信 噪比。
[0040] (2)对经过飞机散射的调制信号进行接收，并混频至零中频。以辅助源发射信号的 载波频率作为混频依据，将接收到的信号混频至零中频。
[0041] (3)对接收到的信号进行频率估计，并用各个时刻的估计结