王 洪，孫清清，李華瓊，黃忠濤，何東林

(1.電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，成都611731;2.中國(guó)民航局第二研究所，成都610041)

1 引 言

隨著空中交通容量的快速增長(zhǎng)和新技術(shù)的出現(xiàn)，空中交通管制正經(jīng)歷從傳統(tǒng)航空交通管制雷達(dá)信標(biāo)系統(tǒng)到廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視(Automatic Dependent Surveillance－ Broadcast，ADS－ B)的變革。在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，ADS－B 得到了廣泛應(yīng)用。美國(guó)將ADS－ B 作為其NextGen 的重要組成部分，在2014年完成了第二個(gè)階段的計(jì)劃，在全美范圍內(nèi)鋪設(shè)了ADS－B 地面設(shè)備，全面支持ADS－B OUT 服務(wù)，到2020年將增加ADS－B IN 等功能［1］。歐洲則計(jì)劃到2017年實(shí)現(xiàn)ADS－B 的全面應(yīng)用，以滿足歐洲空管一體化計(jì)劃SESAR(Single European Sky ATM Research)的需求［2］?！吨袊?guó)民用航空ADS－B實(shí)施規(guī)劃》也確定，到2015年底，在全國(guó)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)ADS－B 地面設(shè)施的布局［3］。在ADS－B 逐漸應(yīng)用的過程中，出現(xiàn)了新的問題和需求。一方面，二次雷達(dá)、ADS－B、多點(diǎn)定位系統(tǒng)、空中交通避撞系統(tǒng)和敵我識(shí)別器均使用1090 MHz頻率，導(dǎo)致頻譜擁塞［4］。另一方面，ADS－B 的應(yīng)用需求不僅包含監(jiān)視功能，而且發(fā)展到導(dǎo)航和通信功能。除廣播經(jīng)度、緯度、高度、速度、識(shí)別碼和飛行意圖等信息外［5］，還期望發(fā)送航行情報(bào)、交通狀況、機(jī)場(chǎng)情報(bào)通播等上行廣播數(shù)據(jù)和部分機(jī)載座艙顯示器的下行信息。但是，1090ES (1090 MHz Extended Squitter)信號(hào)長(zhǎng)度120 μs，每次只能傳輸112 bit信息，每秒廣播次數(shù)不超過6.2 次［6］，傳輸能力有限。因此，在1090 MHz特殊的頻率上擴(kuò)充容量，不增加1090ES 信號(hào)廣播次數(shù)的條件下傳輸更多信息具有十分重要的意義。

2 擴(kuò)容方法論證

ADS－B 1090ES 數(shù)據(jù)鏈擴(kuò)容的前提是:不改變信號(hào)的工作頻點(diǎn);不增加信號(hào)帶寬;不影響現(xiàn)有ADS－B 系統(tǒng)的安全運(yùn)行;甚至不增加額外的機(jī)載或地面設(shè)備，而僅在原有設(shè)備上增加新的功能。

在上述的前提下，擴(kuò)容的方法選擇有限。第一種容易實(shí)現(xiàn)的方式是增加廣播頻率，突破6.2 次/秒的限制。當(dāng)廣播次數(shù)為6.2 次/秒時(shí)，信號(hào)長(zhǎng)度為120 μs，占空比僅0.074 4%。如果將廣播次數(shù)提高到6.2×4 =24.8 次/秒，新增加的發(fā)射信號(hào)與原信號(hào)依次交替發(fā)送不同信息，則可傳輸額外3 倍的信息，而占空比為0.298%。

但是，上述占空比是對(duì)一部ADS－B 發(fā)射機(jī)計(jì)算的結(jié)果，實(shí)際上，ADS－B 地面接收機(jī)作用距離一般在300 km以上，如我國(guó)九洲集團(tuán)的ADS－B 地面站作用距離為350 km，可同時(shí)接收到多架飛機(jī)的1090ES 信號(hào)［7］?！吨袊?guó)民用航空ADS－B 實(shí)施規(guī)劃》中要求ADS－B 數(shù)據(jù)站可同時(shí)處理128 路信號(hào)、1024 個(gè)目標(biāo)的航跡，德國(guó)研制的Quadrant ADS－B接收機(jī)目標(biāo)容量大于1500 個(gè)［8］。僅以128 個(gè)目標(biāo)為例，按6.2 次/秒和24.8 次/秒廣播，若1090ES 信號(hào)相互不重疊，占空比分別為9.5%和38.1%。但每架飛機(jī)的廣播時(shí)刻相互獨(dú)立，無法實(shí)現(xiàn)信號(hào)的依次輪流廣播，信號(hào)間相互重疊的概率很大，這種同頻干擾容易導(dǎo)致高誤碼率，甚至接收機(jī)的檢測(cè)、解調(diào)和解碼失效。并且還有TCAS、二次雷達(dá)應(yīng)答信號(hào)等的1090 MHz同頻干擾，1090 MHz頻點(diǎn)將十分擁擠。從該頻點(diǎn)使用頻次的角度，增加廣播次數(shù)與增加飛機(jī)數(shù)量效果相同。

為了解決上述矛盾，可以采用一些折衷的方法。一是干擾移除策略(Interference Mitigation Strategies)，典型的方法是在地面站使用扇區(qū)天線，如六扇區(qū)天線，每個(gè)天線只接收60°范圍，從而減少FRUIT 發(fā)生的概率。二是功率控制，限制廣播信號(hào)的功率大小，降低作用距離，目的也是減少發(fā)生FRUIT 的概率，但這與ADS－B 廣播信號(hào)、地面保持監(jiān)視的原旨相背離，只能適用于一些空－空應(yīng)用。三是限制擴(kuò)容的飛機(jī)范圍，只對(duì)有需要的飛機(jī)增加廣播頻率。此外，抗干擾技術(shù)也是有效的方法，例如，采用陣列天線，用投影算法或擴(kuò)展的投影算法，可將混疊的2～3 個(gè)S 模式信號(hào)分離出來［9］。

第二種擴(kuò)容的方法是對(duì)1090ES 信號(hào)進(jìn)行相位調(diào)制，將增加的信息調(diào)制到子脈沖的相位上。S 模式的應(yīng)答信號(hào)［10］前8.0 μs為前導(dǎo)脈沖，后面為脈位調(diào)制(Pulse Position Modulation，PPM)的數(shù)據(jù)塊，數(shù)據(jù)塊為112 bit，每個(gè)bit 周期1 μs，包含兩個(gè)chip(占位和空位)，前一個(gè)chip 高后一個(gè)chip 低為數(shù)據(jù)“1”，后一個(gè)chip 高前一個(gè)chip 低為數(shù)據(jù)“0”。ICAO 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1090 ES 數(shù)據(jù)鏈載頻為1090 MHz，一個(gè)0.5 μs的子脈沖內(nèi)約有545 個(gè)載波周期，目前數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)褂玫腜PM 調(diào)制方式采用連續(xù)相位的載波周期，載波相位并沒有攜帶任何數(shù)據(jù)信息，基于脈沖相位調(diào)制的方法可在不增加頻點(diǎn)使用和廣播次數(shù)的前提下提高信息傳輸容量。因此，本文選擇基于脈沖相位調(diào)制的方法對(duì)1090ES 數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行容量擴(kuò)充。

常用的相位調(diào)制的方式有BPSK、QPSK、8PSK、16PSK 等。調(diào)相的相位越多，可攜帶的信息就越多:如使用QPSK 調(diào)制方式每個(gè)數(shù)據(jù)位攜帶2 bit的相位信息，則每一幀信號(hào)增加了224 bit信息，每秒總共傳輸?shù)男畔?.388 kbit;如使用8PSK 調(diào)制方式，每個(gè)數(shù)據(jù)位攜帶3 bit的相位信息，則每一幀信號(hào)增加了336 bit信息，每秒總共傳輸?shù)男畔?.083 kbit。但是調(diào)相的相位越多，誤碼率和可靠性也相應(yīng)下降，因此，調(diào)相方式的選擇需要在通信性能和傳輸速率間進(jìn)行折衷。

3 擴(kuò)容的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 擴(kuò)容1090ES 信號(hào)的調(diào)制

擴(kuò)容信號(hào)的調(diào)制是一種復(fù)合調(diào)制方法，第一步是PPM 調(diào)制，對(duì)112 bit 數(shù)據(jù)做曼切斯特編碼，然后進(jìn)行幅度調(diào)制，獲得現(xiàn)有的ADS－B 信號(hào);第二步，對(duì)相位調(diào)制的信息進(jìn)行編碼(如8PSK 信號(hào)可采用格雷碼)，然后用于PPM 信號(hào)占位脈沖的脈內(nèi)調(diào)相。前導(dǎo)脈沖和前幾位數(shù)據(jù)脈沖一般不用于數(shù)據(jù)傳輸，而作為同步信號(hào)和零參考相位。

由于國(guó)際民航組織(ICAO)對(duì)1090 MHz頻點(diǎn)的使用有嚴(yán)格限制，信號(hào)的－3 dB 帶寬為2.4 MHz，－6 dB帶寬為8 MHz，因此相位調(diào)制后的頻譜展寬也須控制在這個(gè)范圍內(nèi)。在沒有干擾的情況下，導(dǎo)致脈內(nèi)調(diào)相信號(hào)頻譜展寬的主要原因是相位突變，主要出現(xiàn)在兩個(gè)連續(xù)占位脈沖的高電平鄰接處，即PPM 數(shù)據(jù)出現(xiàn)“01”時(shí)。因?yàn)榍耙粋€(gè)比特?cái)?shù)據(jù)為“0”和后一個(gè)比特為“1”時(shí)，將產(chǎn)生的一個(gè)1 μs的“寬”脈沖，而碼元寬度為0.5 μs，此時(shí)相位調(diào)制可能造成碼元鄰接處的相位突變。采用8PSK 調(diào)制時(shí)，最大的相位突變是180°，如圖1所示。這種相位突變將導(dǎo)致發(fā)射信號(hào)的頻譜展寬，需要采取適當(dāng)?shù)拇胧?/p>

圖1 相位突變示例Fig.1 Example of phase change

我們對(duì)突變相位采用線性過渡的方法。對(duì)1090 MHz的載頻，0.5 μs內(nèi)有545 個(gè)周期，在前一個(gè)脈沖的后半段0.2 μs和后一個(gè)脈沖的前半段0.2 μs之間進(jìn)行相位變化的分段線性過渡。如當(dāng)相位突變180°時(shí)，采用100 個(gè)載波周期進(jìn)行相位過渡，則每個(gè)脈沖周期只需要相位過渡1.8°，該方法可以很大程度上改善信號(hào)的頻譜性能。圖2對(duì)比了線性過渡對(duì)頻譜擴(kuò)展的改善作用，圖中未使用線性過渡的頻譜明顯寬于過渡后的頻譜。

圖2 相位過渡對(duì)頻譜擴(kuò)展的改善Fig.2 Improvement of phase change on spectrum extension

3.2 擴(kuò)容1090ES 信號(hào)的接收

1090ES 信號(hào)的接收主要完成的內(nèi)容有:射頻部分對(duì)信號(hào)的放大、濾波和下變頻至基帶信號(hào)，信號(hào)的檢測(cè)，信號(hào)的解調(diào)和解碼。射頻部分與現(xiàn)有的接收機(jī)類似，但要實(shí)現(xiàn)正交下變頻。根據(jù)前導(dǎo)脈沖的檢測(cè)和信號(hào)長(zhǎng)度判決1090ES 信號(hào)的出現(xiàn)，前導(dǎo)脈沖也做了脈內(nèi)調(diào)相，檢測(cè)針對(duì)信號(hào)的包絡(luò)實(shí)現(xiàn)。信號(hào)的解調(diào)和解碼則分兩部分，從信號(hào)包絡(luò)實(shí)現(xiàn)PPM 信號(hào)的解調(diào)和解碼，而調(diào)相信號(hào)的解調(diào)解碼對(duì)I/Q 兩路實(shí)現(xiàn)MPSK 的映射，在解調(diào)之前需實(shí)現(xiàn)與發(fā)射信號(hào)的同步。

3.3 擴(kuò)容1090ES 信號(hào)的同步

ICAO 規(guī)定的1090ES 信號(hào)的載頻為1090 ±1 MHz，且機(jī)載信號(hào)多普勒頻移都可能達(dá)到幾百甚至幾千Hz，接收端載頻的同步必然很大程度上影響信號(hào)的解調(diào)性能。以8PSK 調(diào)制為例，碼元的相位相隔45°，偏離±22.5°將導(dǎo)致判決錯(cuò)誤，占位脈沖寬0.5 μs，計(jì)算可知載頻偏差不能超過125 kHz。由于ADS－B 地面接收機(jī)作用面臨的ADS－B 發(fā)射機(jī)可能達(dá)到幾十到幾百部，發(fā)射信號(hào)持續(xù)時(shí)間120 μs，脈內(nèi)重復(fù)頻率1～6.2 Hz，因此，擴(kuò)容1090ES 信號(hào)是一種特殊的一對(duì)多的突發(fā)通信，不能采用常規(guī)的鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)同步。

由于1090ES 信號(hào)采用固定格式，數(shù)據(jù)段每1 μs內(nèi)有一個(gè)碼元，碼元的位置可由PPM 脈沖確定，因此，調(diào)相信號(hào)的時(shí)間同步借助PPM 的前導(dǎo)脈沖和數(shù)據(jù)段的占位脈沖來實(shí)現(xiàn)。前導(dǎo)脈沖和前幾位數(shù)據(jù)脈沖做導(dǎo)頻和相位同步使用，提供零參考相位。

載波同步采用特殊的方法。首先估計(jì)信號(hào)的載波頻率，精度達(dá)到kHz 或10 kHz 量級(jí)即可。將1090 ±1 MHz范圍內(nèi)的頻率劃分為16 個(gè)區(qū)間，每個(gè)區(qū)間寬度125 kHz，估計(jì)的載波頻率落入哪個(gè)區(qū)間，則按22.5°的整數(shù)倍進(jìn)行相位補(bǔ)償。在實(shí)際使用中可減小125 kHz區(qū)間寬度和相應(yīng)補(bǔ)償?shù)亩葦?shù)，以防止噪聲、干擾和傳播等因素的影響。

3.4 擴(kuò)容1090ES 信號(hào)的校驗(yàn)

現(xiàn)有的1090ES 信號(hào)采用CRC 冗余編碼方式生成24 bit奇偶校驗(yàn)位來保護(hù)數(shù)據(jù)，接收端發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤后可采用一些糾錯(cuò)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)校正，糾錯(cuò)方法有“保守”技術(shù)和“強(qiáng)力”糾錯(cuò)技術(shù)等［11］。擴(kuò)容信號(hào)增加相位調(diào)制后數(shù)據(jù)信息加長(zhǎng)了M×112 bit，若繼續(xù)采用現(xiàn)有的校驗(yàn)方法［12］，校驗(yàn)位長(zhǎng)度為M×24 bit，編碼效率較低，且前幾位用作同步，沒有攜帶調(diào)制數(shù)據(jù)，因此，無需也不能再按112 bit長(zhǎng)劃分和校驗(yàn)數(shù)據(jù)。對(duì)擴(kuò)充容量的使用將由國(guó)際權(quán)威組織制定標(biāo)準(zhǔn)，但擴(kuò)容數(shù)據(jù)的校驗(yàn)可從整體考慮。

選擇何種編碼方式應(yīng)依據(jù)1090ES 擴(kuò)容數(shù)據(jù)鏈的結(jié)構(gòu)以及1090ES 擴(kuò)容信號(hào)比特信息出錯(cuò)的特點(diǎn)。1090ES 信號(hào)傳輸信道中的干擾、噪聲以及1090ES 擴(kuò)容信號(hào)的衰落都會(huì)使信號(hào)發(fā)生比特錯(cuò)誤，特別是同信道干擾源的影響。1090ES 使用的1090 MHz 信道由多個(gè)電子系統(tǒng)共享使用，頻譜環(huán)境日趨擁塞，F(xiàn)RUIT 和Garble 是主要的干擾形式［13］，需選擇對(duì)突發(fā)錯(cuò)誤具有高效糾錯(cuò)能力的編碼，如RS 碼、LDPC 碼等。RS 碼原理簡(jiǎn)單且實(shí)現(xiàn)方便，對(duì)于短碼和中等碼的性能較優(yōu)，但編碼效率不夠高。LDPC編碼接近香農(nóng)理論極限，利用校驗(yàn)矩陣的稀疏性，可實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通信，是否適合擴(kuò)展數(shù)據(jù)的校驗(yàn)，有待進(jìn)一步的研究。

3.5 可行性與安全性評(píng)估

由于ADS－B 已推廣應(yīng)用，使用這種新技術(shù)的接收機(jī)需兼容PPM 信號(hào)，對(duì)兩種信號(hào)的接收性能需采用實(shí)驗(yàn)和理論分析進(jìn)行評(píng)估。更重要的是，調(diào)相1090ES信號(hào)是否影響現(xiàn)有PPM 信號(hào)的正常運(yùn)行、是否干擾PPM 信號(hào)、是否降低接收機(jī)的性能等還需論證，以確保兩種信號(hào)共存的安全性。

1090ES 對(duì)脈沖的時(shí)域波形和頻譜都有嚴(yán)格的要求，擴(kuò)容信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜特性是否符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)都需要進(jìn)行評(píng)估驗(yàn)證。對(duì)于PPM 和PSK混合調(diào)制信號(hào)的頻譜特性已有過一些相關(guān)的研究，文獻(xiàn)［14］證明了PPM/BPSK 混合調(diào)制的頻譜特性能夠滿足D260B 規(guī)定的1090ES 信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)。隨著調(diào)相技術(shù)的逐漸成熟和樣機(jī)的研制，還需采用外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)等方法做進(jìn)一步的評(píng)估，論證該方法的可行性。

4 結(jié)束語(yǔ)

ADS－ B 具有監(jiān)視、導(dǎo)航和通信功能，增加1090ES信號(hào)傳輸信息的能力對(duì)增強(qiáng)ADS－B 系統(tǒng)的效能、增加新的應(yīng)用和業(yè)務(wù)、降低1090 MHz頻點(diǎn)的擁塞有重要的意義。本文論述了幾種可能的擴(kuò)容方法，并對(duì)基于相位調(diào)制的方法進(jìn)行了詳細(xì)的分析，提出了相位調(diào)制方法所需解決的幾個(gè)關(guān)鍵問題，特別是提出了多發(fā)單收突發(fā)通信的同步方法。該方向的研究?jī)H幾年時(shí)間，技術(shù)尚不成熟，各環(huán)節(jié)采用哪種技術(shù)(如校驗(yàn)方法、數(shù)據(jù)字段的劃分和使用等)也沒有定論，新的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)也只有在這些技術(shù)經(jīng)過嚴(yán)格的驗(yàn)證后才會(huì)形成，但傳輸能力的提高引起了國(guó)際權(quán)威民航組織的高度重視，并且該擴(kuò)容技術(shù)可拓展到S 模式的其他24 種數(shù)據(jù)鏈格式，該技術(shù)的研究將成為航空電子領(lǐng)域的又一個(gè)新熱點(diǎn)。

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