CN106100786A - 一种基于报头整体相关的星载ads‑b报头检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于报头整体相关的星载ADS‑B报头检测方法，包括：S1、对接收到的ADS‑B基带信号与本地报头信号整体互相关，得到互相关后信号；S2、依据互相关后信号的极值点，进行报头检测；S3、若互相关后信号通过报头检测，则提取报头到达时间；S4、依据报头达到时间，反向确定报头脉冲位置，并计算报头脉冲功率。S5、确认报头。本发明将原有的通过分析ADS‑B基带信号分别得到VPP、ALE、PLE的方式将转变为通过寻找相关峰的位置信息而直接得到报头到达时间HAT的模式。在之后框架检测中，将只利用HAT信息，不再像原来方法那样综合VPP、ALE、PLE信息综合判定。有效利用报头的脉冲宽度及非脉冲部分，在低信噪比情况下检测概率高，能满足星载ADS‑B接收机高灵敏度的要求。

Description

一种基于报头整体相关的星载ADS-B报头检测方法

技术领域

本发明属于数字信号处理领域，涉及一种基于报头整体相关的星载ADS-B报头检测方法。

背景技术

广播式自动相关监视(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，简称ADS-B)采用全向广播，凡是播放其空中位置信息、空中速度信息、身份信息、工作状态及状况信息等，由飞机自动地向周围的飞机、车辆和地面接收装置发送1090M HZ的信号。ADS-B信号接收机除了能实现空对空监视、空对地监视外，还可以实现其它多方面的功能，如：空中飞机可自动识别相互位置，保持安全距离；地面接收站可对航路飞行的飞机进行监控指挥。

目前ADS-B接收机主要是地面接收机。地面接收机的覆盖范围有限，并且会受到地形的限制。例如在广阔的海洋上，地面ADS-B接收机的部署将会十分困难，并且要对大洋的全覆盖则需要数目巨大的地面接收机，其中的花费也将是一个难以承受的数字。如果将ADS-B接收放在卫星上，则可以完美解决这一问题。

星载ADS-B接收机的覆盖半径可以达到3000km，相比于地面接收机的160nm是一个巨大的优势。目前地面ADS-B约覆盖了全球10％的面积，大量的沙漠、海洋等区域由于没有部署ADS-B接收机，无法对飞机进行监视。星载ADS-B***可以将全球覆盖范围会从现在的10％左右提高到100％。这样就可以避免类似马航事件的发生。另外星载ADS-B由于是部署在卫星上，所以不受地形地貌的限制，其综合成本相较于地面接收机更低。

对ADS-B报头检测的算法，国内有部分研究和专利，如论文《基于模式识别的S模式ADS-B应答信号检测》，运用模式识别算法对应答数据进行信号识别，从而定位信号报头的位置；专利CN103199944A提出读取ADS-B报头的上升沿、下降沿及有效脉冲位置对输入信号的脉冲位置进行匹配检测。目前国内尚未有对星载ADS-B报头高灵敏度检测的方案。

传统的ADS-B报头检测采用4脉冲检测算法，从视频信号中提取脉冲的上升沿、下降沿，进而估计有效脉冲位置，最终确定报头位置。这种方法具有较好的检测效果，然而未能有效利用报头的脉冲宽度及非脉冲部分，在低信噪比情况下检测概率较低，无法满足星载ADS-B接收机高灵敏度的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于报头整体相关的星载ADS-B报头检测方法，解决传统的ADS-B报头检测概率较低，无法满足星载ADS-B接收机高灵敏要求度的问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于报头整体相关的星载ADS-B报头检测方法，包括如下步骤：

S1、对接收到的ADS-B基带信号与本地报头信号整体互相关，得到互相关后信号；

S2、依据互相关后信号的极值点，进行报头检测；

S3、若互相关后信号通过报头检测，则提取报头到达时间；

S4、依据报头达到时间，反向确定报头脉冲位置，并计算报头脉冲功率；

S5、确认报头。

为了消除ADS-B基带信号内噪声，使信号平滑，所述S1前还对接收到的ADS-B基带信号进行自相关滤波，得到自相关后信号，然后将该自相关后信号与本地报头信号整体互相关。所述自相关滤波实现过程为：将ADS-B基带信号移入移位寄存器，移位寄存器内相邻两个寄存器做乘法运算后得到两个结果，将这两个结果相加最后截取高16bit数据，得到自相关后信号。

具体地，所述互相关实现过程为：自相关后信号进入长度为162位的移位寄存器，与本地报头信号进行滑窗运算。

进一步地，所述S2中，进行报头检测过程为：

S201、判断互相关后信号是否是一个极值点，判断的原则为：计算前一时刻、当前时刻以及下一时刻ADS-B基带信号与本地报头信号的互相关值，若前一时刻、下一时刻的互相关值小于等于当前时刻的互相关值，则为极值点；

S202、判断当前时刻的互相关值是否大于检测门限值；

S203、若同时满足上述两个条件，则判断报头存在。

由于有些数据位部分与报头有着相似波形，所以在没有报头的地方也会出现较大的相关峰。为了解决这一问题，还设定一个变化门限，当前时刻的峰值与前一时刻峰值的差值大于变化门限时，更新报头位置。

为了进一步确定报头的正确性，在S4之后，还基于报头到达时间，进行数据位认证，最终确认报头。所述数据位认证的实现过程为：

求报头后5个数据位采样点中的最大值，将每一数据位中的最大采样值与参考功率比较，若其差值的绝对值小于门限值的数据位个数不少于4个，则通过数据位验证。

为了更进一步确定报头的正确性，在S4之后，还基于脉冲功率，进行功率相关性检测,最终确认报头。所述功率相关性检测的实现过程为：

计算每一个脉冲的平均功率，分别将每一个脉冲的平均功率与参考功率比较，若满足脉冲的平均功率与参考功率的差值的绝对值小于等于门限的个数至少有4个，则通过功率相关性检测。

本发明的有益效果为：

本发明通过引入极大似然相关原理，将原有的通过分析ADS-B基带信号分别得到VPP、ALE、PLE的方式将转变为通过寻找相关峰的位置信息而直接得到报头到达时间HAT的模式。在之后框架检测中，将只利用HAT信息，不再像原来方法那样综合VPP、ALE、PLE信息综合判定。有效利用报头的脉冲宽度及非脉冲部分，在低信噪比情况下检测概率高，能满足星载ADS-B接收机高灵敏度的要求。

附图说明

图1为本发明-实施例的整体流程图。

图2为本发明-实施例的自相关运算实现示意图。

图3为本发明-实施例互相关运算实现示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

星载接收机的基带处理方法，功能上分为报头提取和数据位解调两大部分，相比于传统的4脉冲检测算法在产生有效脉冲位置的方式和DF认证、框架检测和功率一致性的判定准则上进行了改进。

相比于4脉冲检测方法直接从基带信号重提取出VPP、ALE、PLE等信息不同，本方法的核心在于待检测信号与本地报头的整体相关。传统的报头检测方法，仅仅利用报头脉冲的位置和上升沿来判断报头的存在，而本发明将报头视为一个整体进行处理，不单单利用了报头的脉冲位置信息，还利用了脉冲宽度、非脉冲区等信息。

实施例

如图1所示，一种基于报头整体相关的星载ADS-B报头检测方法，包括步骤：

(a)首先对接收到的ADS-B基带信号S(n)(被检测报头信号)做自相关滤波处理，消除信号内噪声，使信号平滑，得到自相关后信号S_{s_corr}(n)；

(b)用信号S_{s_corr}(n)与本地报头信号S_head(n)做互相关处理，得到互相关后信号S_corr(n)；

(c)寻找信号S_corr(n)相关峰，若相关峰超过设定的门限值，则认为被检测报头信号被为一个报头；

(d)输出该报头到达时间HAT(Header Arrival Time)；

(e)根据报头到达时间HAT(Header Arrived Time)，反算出报头脉冲时刻，并计算报头脉冲功率P。

为了进一步确定报头的正确性，还需进行DF认证、功率一致性检测、重触发判断。通过这一系列的检测后，即可判定检测到报头。

通过引入极大似然相关原理，将原有的通过分析ADS-B基带信号分别得到VPP、ALE、PLE的方式将转变为通过寻找相关峰的位置信息而直接得到报头到达时间HAT的模式。在之后框架检测中，将只利用HAT信息，不再像原来方法那样综合VPP、ALE、PLE信息综合判定。HAT的提取首先要对输入的ADS-B基带信号自相关滤波，从而达到抑制噪声的目的；之后再和本地报头信号序列进行滑窗运算，判断相关值是否达到门限，寻找峰值。当相关值满足报头检测条件时，输出报头达到时间信息。下面对每个过程进行详细阐述。

一、自相关滤波。

相关是对信号相似程度的度量，自相关函数表达了同一过程不同时刻的相互依赖关系。对于噪声而言，其不同时刻的取值相互独立，也就是说不同时刻的自相关为零。而对信号而言，不同时刻的波形幅度值是存在一定的相关性，理论上两个时刻相邻越近相关性越强，随着两个时刻的间距的增大，其相关性会随之减小，但不会为零。因此我们对接收到的随机基带信号(连续信号)s(t)＝x(t)+n(t)做不同时刻的自相关运算，理论上可以完全消除噪声对信号的干扰。

连续信号分析：

$R_{s\_corr}\left(\mathrm{\τ}\right)=E\[s\left(t\right)s(t-\mathrm{\τ})\]=\underset{T\→\mathrm{\∞}}{\lim }\frac{1}{T}{\∫}_{-T/2}^{T/2}s\left(t\right)s(t-\mathrm{\τ})d_t=R_x\left(\mathrm{\τ}\right)+R_n\left(\mathrm{\τ}\right)$

此处，R_{s_corr}(τ)为基带信号的自相关函数，R_x(τ)和R_n(τ)分别是原始信号的自相关函数和噪声的自相关函数。可以假设噪声是零均值的高斯白噪声，即R_n(τ)＝0，故通过自相关运算，可以一定程度消除噪声。

FPGA中实现自相关滤波如图2所示。自相关滤波的核心是一个3*16bit的移位寄存器。ADS-B基带信号移入移位寄存器，在移位寄存器中进行自相关运算。如图2所示，移位寄存器内相邻两个寄存器做乘法运算后得到两个结果，将这两个结果相加最后截取高16bit数据就是自相关滤波后的信号S_{s_corr}(n)。

离散信号分析：

$S_{s\_corr}\left(n\right)=\frac{1}{3}\underset{i=n-2}{\overset{i=n}{\Σ}}S\left(i\right)S(i-1)$

二、利用互相关原理生成报文到达时间HAT，反向确定报头脉冲位置，并计算报头脉冲功率P。

自相关后信号S_{s_corr}(n)还需要和本地报头信号S_head(n)序列进行滑窗运算，得到FVPP判定需要的互相关后信号S_corr(n)。

设需要互相关处理的信号为S_{s_corr}(n)，本地报头信号序为S_head(n)，互相关处理后表达式为：

连续信号分析:

$\begin{array}{c}{R}_{s\_corr,head}\left(\mathrm{\τ}\right)=E\left(S_{s\_corr}\right(t\left)S_{head}\right(t-\mathrm{\τ}\left)\right)\\ =\underset{T\→\mathrm{\∞}}{\lim }\frac{1}{T}{\∫}_{-T/2}^{T/2}{S}_{s\_corr}\left(t\right)S_{head}(t-\mathrm{\τ})d_t=R_{s\_corr,head}\left(\mathrm{\τ}\right)+R_{n,head}\left(\mathrm{\τ}\right)\end{array}$

依据信号与噪声的不相关性，我们可以得到R_n，head(τ)＝0。互相关的结果只和本地报头信号序列相关值有关，所以在滑窗相关过程中，出现了峰值就可以判定输入被检测报头信号与本地报头信号序列最相似的时候，同时若峰值高于一个设定门限值，这时可以提取出峰值的位置从而确定一个报头达到时间HAT，本实施例是提取互相关后信号S_corr(n)中的n位报头到达时间HAT。

互相关实现过程：自相关滤波后信号S_{s_corr}(n)进入长度为162位的移位寄存器，本实施例中，报头的长度为8μs，时钟为20MHz(采样率)，即每个码元由20个点表示，故一个报头共160个点，还需包括前一时刻和后一时刻以判断峰值情况。如图3所示。

离散信号分析：

$S_{corr}\left(n\right)=\frac{1}{160}\underset{i=n-159}{\overset{i=n}{\Σ}}{S}_{head}\left(i\right)S_{s_{corr}}(i-1)$

计算报头脉冲功率P实现过程：

(e1)依据报头达到时间HAT，得到报头脉冲起始位置分别是HAT-160，HAT-140，HAT-110，HAT-90；

(e2)计算报头的参考功率；

$\begin{array}{c}{P}_{refer}=\frac{1}{40}\[\underset{i=HAT-151}{\overset{i=HAT-160}{\Σ}}{S}_{s\_corr}\left(i\right)\underset{i=HAT-131}{\overset{i=HAT-1400}{\Σ}}{S}_{s\_corr}\left(i\right)+\underset{i=HAT-101}{\overset{i=HAT-110}{\Σ}}{S}_{s\_corr}\left(i\right)\\ +\underset{i=HAT-89}{\overset{i=HAT-90}{\Σ}}\left(i\right)\]\end{array}$

三、报头初步检测

每一个时钟内，移位寄存器每移入一个值都计算前一时刻、当前时刻以及下一时刻被检测报头信号与本地报头信号的互相关值，当满足当前时刻相关值大于检测门限值，且前、后时刻相关值小于等于当前时刻相关值这两个条件时，判断报头可能存在。由于有些数据位部分与报头有着相似波形，所以在没有报头的地方也会出现较大的相关峰。为了解决这一问题，我们设定一个变化门限Th_change＝3dB，只有当前峰值大于前一个峰值3dB时才会更新报头的位置。

本实施例具体的实现过程为：

(c1)判断互相关信号S_corr(n)是否是一个极值点，即是否满足

S_corr(n-1)＜S_corr(n)＜S_corr(n+1)

若满足，则令Maximum_old＝Maximum_new，Maximum_new＝S_corr(n)，之后转向(c2)，反之返回步骤(b)；

(c2)判断极值点是否满足Maximum_new-Maximum_old＞Th_change，其中Th_change为一个电平判定的固定门限值；

(c3)判断互相关信号是否满足Maximum_new＞Th，其中Th为一个电平判定的固定门限值。

4、数据位认证

数据位认证的机理是将部分数据位的解调(前5个比特)加入到报头的检测中。在20MHz的采样率下这5比特数据中将会有100个采样点。每20个采样点表示一个比特。1090ESADS-B信号采用的是PPM调制，所以每个比特由2个chip组成，每个chip持续0.5us，若第一个chip有脉冲则表示比特1，若第二个chip有脉冲则表示比特0。所以我们取第8us到15us之间的采样点进行预解调。以20M采样率为例，一个码元周期有20采样点，设为

S₀，S₁，S₂，S₃,...，S₁₇，S₁₈，S₁₉

检测每个比特20个采样点中的最大值MaxS_i，

MaxS_i＝max[S_{s_corr}(20i+161),S_{s_corr}(20i+162),...,S_{s_corr}(20i+179),S_{s_corr}(20i+180)]

i＝1,2,3,4。

将MaxS_i与参考功率P_average做对比，若其差值的绝对值小于门限值，即|P_average-MaxS_i|≤6dB，则此数据位通过检测，在前5位数据位中，若通过的数据位个数不少于4个，则该报头确认通过。

五、功率一致性检测

功率一致性检测机制设定是为了剔除由于强干扰造成数据位难以解调的无效报文，从而提高整个接收***的效率。原方法的判定机制是分别计算4个脉冲的平均功率，然后和参考功率值相比较，如果在一个可以接受的波动范围则判定通过检测，反之丢弃报头。和原方法相比，新的判定方式的主要差别是在有关平均参考功率值计算和每一个脉冲对应参考功率值的计算中。

原方法中平均参考功率的计算先要对提取4个报头脉冲上升沿后的2个点，共8个点。从中找出最大和最小值，最小值作为功率一致性检测中的平均参考功率。每个脉冲的参考功率是报头脉冲对应VPP之后4个采样点的平均值。在新的计算方法中，由于并没有进行脉冲判定，只能使用报头达到时间反过来确定单个的脉冲位置，进而计算脉冲的功率。

本发明改进的方法中，由于不再利用上升沿信息，所以报头到达时间前8us、7us、5us和4us时刻信号的值，计算出平均值作为参考功率。

功率相关性检测的方法描述如下：

1、提取出4个脉冲位置对应信号的值{S_p1}，{S_p2}，{S_p3}，{S_p4}；

2、计算其平均值S_averge；

3、计算各个脉冲的平均值S_p1，S_p2，S_p3，S_p4；

3、如果S_p1，S_p2，S_p3，S_p4都在S_averge的正负3dB之内则判定有效，不满足则判定无效。

按照上述实施例，便可很好地实现本发明。值得说明的是，基于上述设计原理的前提下，为解决同样的技术问题，即使在本发明所公开的结构基础上做出的一些无实质性的改动或润色，所采用的技术方案的实质仍然与本发明一样，故其也应当在本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于报头整体相关的星载ADS-B报头检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、对接收到的ADS-B基带信号与本地报头信号整体互相关，得到互相关后信号；

S2、依据互相关后信号的极值点，进行报头检测；

S3、若互相关后信号通过报头检测，则提取报头到达时间；

S4、依据报头达到时间，反向确定报头脉冲位置，并计算报头脉冲功率；

S5、确认报头。

2.根据权利要求1所述的一种基于报头整体相关的星载ADS-B报头检测方法，其特征在于，在所述S1前还对接收到的ADS-B基带信号进行自相关滤波，得到自相关后信号，然后将该自相关后信号与本地报头信号整体互相关。

3.根据权利要求2所述的一种基于报头整体相关的星载ADS-B报头检测方法，其特征在于，所述自相关滤波实现过程为：将ADS-B基带信号移入移位寄存器，移位寄存器内相邻两个寄存器做乘法运算后得到两个结果，将这两个结果相加最后截取高16bit数据，得到自相关后信号。

4.根据权利要求2或3所述的一种基于报头整体相关的星载ADS-B报头检测方法，其特征在于，所述互相关实现过程为：自相关后信号进入长度为162位的移位寄存器，与本地报头信号进行滑窗运算。

5.根据权利要求1所述的一种基于报头整体相关的星载ADS-B报头检测方法，其特征在于，所述S2中，进行报头检测过程为：

S201、判断互相关后信号是否是一个极值点，判断的原则为：计算前一时刻、当前时刻以及下一时刻ADS-B基带信号与本地报头信号的互相关值，若前一时刻、下一时刻的互相关值小于等于当前时刻的互相关值，则为极值点；

S202、判断当前时刻的互相关值是否大于检测门限值；

S203、若同时满足上述两个条件，则判断报头存在。

6.根据权利要求5所述的一种基于报头整体相关的星载ADS-B报头检测方法，其特征在于，还设定一个变化门限，当前时刻的峰值与前一时刻峰值的差值大于变化门限时，更新报头位置。

7.根据权利要求1或2或3或5或6所述的一种基于报头整体相关的星载ADS-B报头检测方法，其特征在于，在S4之后，还基于报头到达时间，进行数据位认证，最终确认报头。

8.根据权利要求7所述的一种基于报头整体相关的星载ADS-B报头检测方法，其特征在于，所述数据位认证的实现过程为：

求报头后5个数据位采样点中的最大值，将每一数据位中的最大采样值与参考功率比较，若其差值的绝对值小于门限值的数据位个数不少于4个，则通过数据位验证。

9.根据权利要求7所述的一种基于报头整体相关的星载ADS-B报头检测方法，其特征在于，在S4之后，还基于脉冲功率，进行功率相关性检测,最终确认报头。

10.根据权利要求9所述的一种基于报头整体相关的星载ADS-B报头检测方法，其特征在于，所述功率相关性检测的实现过程为：

计算每一个脉冲的平均功率，分别将每一个脉冲的平均功率与参考功率比较，若满足脉冲的平均功率与参考功率的差值的绝对值小于等于门限的个数至少有两个，则通过功率相关性检测。