CN109657340B - 一种1090es信号交叠概率的估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种1090ES信号交叠概率的估计方法，通过对射频工作在1090MHz频点上的二次雷达模式A/C应答信号和1090ES信号的到达时间进行仿真和模型化分析，提出了基于泊松分布模型的1090ES信号交叠概率的估计算法。该算法能够根据场景中二次雷达部数、帧扫描周期和询问周期，以及空中目标个数参数，在假定模式A/C应答信号、1090ES信号到达某ADS‑B地面站时到达时间随机分布情况下，可以直接由解析数学表达式对1090ES信号的交叠概率进行估算。

Description

一种1090ES信号交叠概率的估计方法

技术领域

本发明属于空管监视技术领域，具体涉及一种1090ES信号交叠概率的估计方法。

背景技术

空管监视技术是空中交通管理***中最重要的技术之一，监视的任务是对航空器及其他目标进行可靠的探测，提供准确的航空器及其他探测目标的位置、状态和告警信息，它为空管***信息管理提供目标的实时动态信息。目前，空管***中常用的监视手段主要有一次监视雷达(PSR)、场面监视雷达、二次监视雷达(SSR)、广播式自动相关监视(ADS-B)和多点定位(MLAT)。在全球航行计划和中国组块升级计划中，在当前及未来相当长时期内，仍然会以上述几种监视技术为主要监视手段。

ADS-B是基于GPS全球卫星定位***和空地、空空数据链通信的航空器运行监视***。ADS-B***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。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。与传统二次雷达***相比，ADS-B***能够提供实时和准确的航空器位置、速度等信息，而且该***具有建设投资小，维护费用低，使用寿命长等优点。1090ES(1090Extended Squitter，1090扩展电文)是实现ADS-B功能的三种数据链之一，其射频工作于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。

随着航空运输业的迅猛发展，飞行器数量持续增加，二次雷达、多点定位和1090ES等主要监视手段均使用1090MHz这一频点。对于繁忙的机场空域或航路，随着目标数量的增加，1090MHz频点的同频干扰问题日益严重，同频干扰会使得信号漏检并导致航迹跳点，严重时目标航迹发生中断。由于监视技术在空管***的重要地位，研究1090MHz信号，特别是1090ES信号受干扰的概率及干扰抑制技术，对于ADS-B地面站建设方案设计具有非常重要的指导作用。当1090ES信号交叠概率过大时，应考虑采用多个扇区天线分空域进行信号接收，以降低信号交叠概率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种1090ES信号交叠概率的估计方法，应用于估计1090ES信号被其他射频工作于1090MHz频点的信号交叠串扰的概率，为ADS-B地面站建设方案的设计提供依据。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种1090ES信号交叠概率的估计方法，其特征是，包括以下过程：

S1，计算工作在1090MHz频点上的信号占空比因子；

S2，根据仿真拟合出的平均交叠次数因子与信号占空比因子之间的关系，计算出平均交叠次数因子；

S3，根据平均交叠次数因子，计算平均交叠发生次数；

S4，根据平均交叠发生次数，计算1090ES信号交叠概率。

进一步的，S1中，计算工作在1090MHz频点上的信号占空比因子公式为：

其中，f_S-112和f_S-56分别为S-112位和S-56位平均每秒每批目标发射次数；t_S-112和t_S-56分别为S-112位和S-56位信号时长；

为对应第i部二次雷达平均每秒每批目标应答次数；t_A/C为A/C信号时长；N_SSR为二次雷达部数；k_D的量纲为秒。

进一步的，S2中，平均交叠次数因子k_λ与信号占空比因子k_D之间的关系为：

k_λ＝6.78k_D-0.0032

其中，上式中的两个系数通过蒙特卡洛仿真得到。

进一步的，仿真过程为：

假定在1090MHz信道内，ADS-B地面站接收到的空中目标发射各类信号在单位时间段内随机到达；

结合各信号的时长判断每个信号是否与其他信号有交叠，统计有交叠的信号个数，计算信号交叠概率；

由信号交叠概率计算平均交叠次数因子，绘制出平均交叠次数因子与信号占空比因子之间的关系。

进一步的，计算平均交叠发生次数过程为：

根据计算所得的平均交叠次数因子乘上预定的目标批数N计算平均交叠发生次数。

进一步的，利用经典泊松分布模型，计算信号交叠概率。

进一步的，信号交叠概率的计算公式如下：

P＝1-e^-λ

其中，λ是平均交叠发生次数。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明提出的估算方法基于泊松分布模型，根据场景中空中目标总数、二次雷达部数及其帧扫描周期和询问周期等参数，由数字解析表达式直接计算1090ES信号被其他信号交叠的概率。

附图说明

图1为平均交叠次数因子与信号占空比因子之间的线性关系；

图2为本发明方法的流程示意图；

图3为目标批数和二次雷达部数与信号交叠概率之间的对应关系。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

由国际民航组织(ICAO)发布的航空电信规范附件10可知，1090ES信号与二次雷达模式S应答信号格式相同，1090ES信号分为长格式(S-112位)和短格式(S-56位)两种。每个S-112位信号时长120us，每个目标每秒发射5.2次；每个S-56位信号时长64us，每个目标每秒发射1次。每个目标不仅要应答来自二次雷达的多种模式的询问，还要主动广播发射1090ES信号。模式A和模式C应答信号格式相同，每个模式A/C应答信号的时长为20.75us，每秒应答次数由场景中的二次雷达部数、帧扫描周期、模式A/C询问周期等参数所决定。由于目标的位置、速度、S模代码等重要参数均包含在S-112位内容中，因此，本发明针对1090ESS-112位信号估算其交叠概率。

本发明的一种1090ES信号交叠概率的估计方法，参见图2所示，包括以下过程：

步骤S1，计算工作在1090MHz频点上的信号占空比因子；

根据场景中二次雷达部数、每部二次雷达扫过某批目标时使目标发生模式A/C应答的次数、目标总个数等参数，计算信号占空比因子k_D，即每个目标每秒发射模式A/C应答信号、1090ES S-112位信号、1090ES S-56位信号等所有射频工作在1090MHz频点上的信号的总时长k_D；

其中，f_S-112和f_S-56分别为S-112位和S-56位平均每秒每批目标发射次数；t_S-112和t_S-56分别为S-112位和S-56位信号时长；

为对应第i部二次雷达平均每秒每批目标应答次数；t_A/C为A/C信号时长；N_SSR为二次雷达部数；k_D的量纲为秒。

步骤S2，根据仿真拟合出的平均交叠次数因子与信号占空比因子之间的线性关系，计算出平均交叠次数因子。

因为各信号到达ADS-B地面站的时间无规律可循，最常用的假定就是：假定在1090MHz信道内，ADS-B地面站接收到的空中目标发射各类信号在单位时间段内随机到达。

在此假定下，再结合各信号的时长判断每个信号是否与其他信号有交叠，统计有交叠的信号个数，计算信号交叠概率。再由信号交叠概率计算平均交叠次数因子，即可绘制出如图1所示结果，并拟合出固定的直线方程。

所得的k_D和下式计算平均交叠次数因子k_λ；

k_λ＝6.78k_D-0.0032

其中，上式中的两个系数通过蒙特卡洛仿真得到。系数6.78来自于(t_S-112+t_A/C)/t_A/C比值，这是由于1090MHz信道内模式A/C应答信号个数较多，1090ES发生交叠几乎都是与模式A/C应答信号产生，1090ES信号之间发生交叠的情况非常少；系数-0.0032来自蒙特卡洛仿真。

步骤S3，根据计算所得的k_λ和事先假定的目标批数N计算平均交叠事件发生次数λ。

交叠事件平均发生次数的计算公式如下：

λ＝k_λN

步骤S4，根据平均交叠次数，计算1090ES S-112位信号交叠概率。

因为各信号到达时间在单位时间内随机，适用泊松分布模型。利用经典泊松分布模型，信号交叠概率的计算公式如下：

P＝1-e^-λ

实施例

如某场景中，有4部二次雷达，每部二次雷达扫描一周时间为4秒，每扫过一个目标过程中会引发20次应答，则在不同目标个数时估计交叠概率的具体实施步骤如下：

(1)根据上述条件和下式计算信号占空比因子k_D，即每个目标每秒发射模式A/C应答信号、1090ES S-112位信号、1090ES S-56位信号等所有射频工作在1090MHz频点上的信号的总时长；

(2)根据步骤(1)计算所得的k_D和下式计算平均交叠次数因子k_λ；

k_λ＝6.78k_D-0.0032

＝0.00428

(3)设定目标个数的起始值为N＝50，根据步骤(2)计算所得的k_λ和计算平均交叠次数λ；

λ＝k_λ×N＝0.00428×50＝0.214

(4)利用泊松分布模型计算1090ES S-112位信号交叠概率

P＝1-e^-λ＝1-e^-0.214＝0.19

一般来说，都是根据目标批数和二次雷达部数来计算相应的交叠概率，对于空管人员来说比较直观。

(5)设定不同目标个数：100—1000(间隔为50)，重复步骤(3)计算不同目标个数时的交叠概率并记录数据；

(6)再假定场景中的二次雷达部数分别为3、2、1、0，重复上述步骤(1)—(5)，计算不同二次雷达部数情况下的交叠概率并记录数据；交叠概率与二次雷达部数紧密相关，因为二次雷达不断的询问空中目标，从而会引发目标的A/C应答，而密度较大的A/C应答信号会与1090ES信号产生交叠。

(7)根据步骤(5)和(6)记录下的数据绘制曲线，如图3所示(图中SSR是二次雷达的英文缩写)，随着目标批数的增加和二次雷达部数的增加，1090ES信号交叠概率显著上升。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种1090ES信号交叠概率的估计方法，其特征是，包括以下过程：

S1，计算工作在1090MHz频点上的信号占空比因子；其中，计算工作在1090MHz频点上的信号占空比因子公式为：

其中，f_S-112和f_S-56分别为S-112位和S-56位平均每秒每批目标发射次数；t_S-112和t_S-56分别为S-112位和S-56位信号时长；

为对应第i部二次雷达平均每秒每批目标应答次数；t_A/C为A/C信号时长；N_SSR为二次雷达部数；k_D的量纲为秒；

S2，根据仿真拟合出的平均交叠次数因子与信号占空比因子之间的关系，计算出平均交叠次数因子；其中，平均交叠次数因子k_λ与信号占空比因子k_D之间的关系为：

k_λ＝6.78k_D-0.0032

其中，上式中的两个系数通过蒙特卡洛仿真得到；

S3，根据平均交叠次数因子，计算平均交叠发生次数；

S4，根据平均交叠发生次数，计算信号交叠概率。

2.根据权利要求1所述的一种1090ES信号交叠概率的估计方法，其特征是，仿真过程为：

假定在1090MHz信道内，ADS-B地面站接收到的空中目标发射各类信号在单位时间段内随机到达；

结合各信号的时长判断每个信号是否与其他信号有交叠，统计有交叠的信号个数，计算信号交叠概率；

由信号交叠概率计算平均交叠次数因子，绘制出平均交叠次数因子与信号占空比因子之间的关系。

3.根据权利要求1所述的一种1090ES信号交叠概率的估计方法，其特征是，计算平均交叠发生次数过程为：

根据计算所得的平均交叠次数因子乘上预定的目标批数计算平均交叠发生次数。

4.根据权利要求1所述的一种1090ES信号交叠概率的估计方法，其特征是，利用经典泊松分布模型，计算信号交叠概率。

5.根据权利要求4所述的一种1090ES信号交叠概率的估计方法，其特征是，信号交叠概率的计算公式如下：

P＝1-e^-λ

其中，λ是平均交叠发生次数。

Images