胡鐵喬，李陽波，張露露

（中國民航大學(xué)天津市智能信號與圖像處理重點實驗室，天津 300300）

星基ADS-B 系統(tǒng)是一種把ADS-B 接收機(jī)安裝在衛(wèi)星上的新型ADS-B 技術(shù)。與地基ADS-B 系統(tǒng)相比，星基ADS-B 系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：系統(tǒng)運(yùn)行于近地軌道，單一衛(wèi)星接收機(jī)的覆蓋范圍可達(dá)3 000 km，遠(yuǎn)大于地面接收機(jī)的覆蓋范圍；使用多星組網(wǎng)可實現(xiàn)全球無縫覆蓋[1]，減少了地面站的建設(shè)數(shù)量；可實現(xiàn)對地基ADS-B 系統(tǒng)無法覆蓋的極區(qū)、洋區(qū)等區(qū)域的覆蓋[2]。世界各國正大力發(fā)展星基ADS-B 技術(shù)，2015年，中國國防科技大學(xué)自主研發(fā)的“天拓三號”衛(wèi)星成功發(fā)射，其搭載的星基ADS-B 接收機(jī)可完成對報文中目標(biāo)位置、速度、ICAO 地址等信息的解析[3]；美國銥星公司2013年提出將星基ADS-B 接收機(jī)搭載到其銥星二代衛(wèi)星上，目前其在軌星基ADS-B 衛(wèi)星，已達(dá)30 顆，預(yù)計2020年前提供全球商業(yè)化服務(wù)[4]。

星基ADS-B 系統(tǒng)的研究處于起步階段，尚未投入實際應(yīng)用。為保證系統(tǒng)的可靠性，利用星基ADS-B模擬信號對星基ADS-B 接收機(jī)進(jìn)行地面測試，在星基ADS-B 接收機(jī)的設(shè)計和研制過程中有著重要作用。電子科技大學(xué)的胡晨波設(shè)計了一款S 模式ADS-B多目標(biāo)模擬器[5]。艾法斯公司生產(chǎn)的IFR 6000 設(shè)備可用于測試MODE A/C/S 應(yīng)答機(jī)、DME、TCAS、ADS-B和TIS 等航空電子系統(tǒng)[6]。這些設(shè)備都是針對地基ADS-B系統(tǒng)，還沒有專門針對星基ADS-B 信號特性而設(shè)計的ADS-B 信號模擬設(shè)備問世。

星基ADS-B 信號，顧名思義就是星基ADS-B 接收機(jī)接收到的ADS-B 信號。對星基ADS-B 信號的模擬主要是對信號多普勒頻移和功率的模擬。近地軌道衛(wèi)星的運(yùn)行速度可達(dá)7 400 m/s，衛(wèi)星與目標(biāo)間的相對速度很大，信號多普勒頻移十分可觀[7]；星基ADS-B接收機(jī)部署在衛(wèi)星上，覆蓋范圍廣、監(jiān)控目標(biāo)較多，信號經(jīng)過衛(wèi)星通信鏈路損耗，功率較低（-110～-90 dBm）。針對星基ADS-B 信號的特點，設(shè)計了一款星基ADSB 信號模擬與顯示軟件：對一顆四天線低軌道衛(wèi)星建模，仿真多個目標(biāo)的航跡，仿真目標(biāo)發(fā)送ADS-B 信號的多普勒頻移和功率，實現(xiàn)對星基ADS-B 信號的模擬；完成對衛(wèi)星覆蓋區(qū)域、目標(biāo)航跡、背景地圖顯示；將星基ADS-B 數(shù)據(jù)發(fā)送給下位機(jī)，下位機(jī)實時生成星基ADS-B 模擬信號。

1 星基ADS-B 信號模擬與顯示軟件設(shè)計方案

1.1 星基ADS-B 信號模擬原理

對星基ADS-B 信號的模擬是對信號多普勒頻移和功率的模擬。星基ADS-B 系統(tǒng)多采用多波束天線，每個波束分割一部分覆蓋區(qū)[8]。為實現(xiàn)對星基ADS-B信號的模擬，對一顆載有4 個定向天線，處于瞬時運(yùn)動狀態(tài)的低軌道衛(wèi)星建模，每個天線波束形成一個覆蓋區(qū)，通過對文獻(xiàn)[9]中衛(wèi)星瞬時覆蓋區(qū)域算法的分析，對四波束覆蓋區(qū)域邊界進(jìn)行解算；對波束內(nèi)飛行目標(biāo)的航跡進(jìn)行仿真，仿真目標(biāo)按照大圓航線飛行[10]。已知目標(biāo)相對于衛(wèi)星的徑向速度，可利用多普勒頻移公式計算信號的多普勒頻移，已知目標(biāo)與衛(wèi)星之間的距離，可利用衛(wèi)星上行鏈路公式[11]求得信號功率。信號模擬算法原理如圖1所示。

圖1 星基ADS-B 信號模擬原理Fig.1 Simulation principle of satellite-based ADS-B signal

1.2 軟件系統(tǒng)架構(gòu)

多目標(biāo)星基ADS-B 信號模擬與顯示軟件基于Visual Studio 2012 開發(fā)平臺，使用MFC 建立交互界面。主要有以下功能：完成對4 個波束內(nèi)1 000 個目標(biāo)航跡的仿真和對目標(biāo)發(fā)送的星基ADS-B 信號的模擬；完成對四波束覆蓋區(qū)、背景地圖和目標(biāo)航跡的顯示；將星基ADS-B 數(shù)據(jù)發(fā)送給下位機(jī)，下位機(jī)實時生成星基ADS-B 模擬信號。為實現(xiàn)上述功能，設(shè)計軟件系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

軟件系統(tǒng)由參數(shù)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)生成模塊、顯示模塊和通信模塊4 部分組成。數(shù)據(jù)生成模塊根據(jù)參數(shù)設(shè)置模塊設(shè)置的參數(shù)生成各類數(shù)據(jù)作為通信模塊和顯示模塊的數(shù)據(jù)源。外部依賴于地圖數(shù)據(jù)文件作為背景地圖顯示的數(shù)據(jù)源。與1 臺下位機(jī)相連，下位機(jī)接收到軟件發(fā)送的星基ADS-B 數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)信息生成星基ADS-B 模擬信號。各模塊功能如圖3所示。

圖2 多目標(biāo)星基ADS-B 信號模擬與顯示軟件系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 System architecture of multi-target satellite-based ADS-B signal simulation and display software

圖3 多目標(biāo)星基ADS-B 信號模擬與顯示軟件功能模塊設(shè)計Fig.3 Functional module design of multi-target satellite-based ADS-B signal simulation and display software

1.3 參數(shù)設(shè)置模塊

參數(shù)設(shè)置模塊用于設(shè)置仿真參數(shù)包括：衛(wèi)星參數(shù)、仿真航跡參數(shù)、仿真時間。仿真時間為整個仿真過程的時長，取值范圍是1～600 s。衛(wèi)星參數(shù)包括：衛(wèi)星高度、星下點位置、衛(wèi)星軌道傾角。通過這3 個參數(shù)，數(shù)據(jù)生成模塊可生成衛(wèi)星位置、衛(wèi)星速度和四波束覆蓋區(qū)邊界數(shù)據(jù)。航跡參數(shù)包括：波束選擇、目標(biāo)個數(shù)、飛行高度。波束選擇確定需要仿真的波束；目標(biāo)個數(shù)表示所選波束內(nèi)仿真目標(biāo)個數(shù)，取值范圍是1～250，4個波束最多可選擇1 000 個目標(biāo)；飛行高度表示仿真目標(biāo)的飛行高度。

1.4 數(shù)據(jù)生成模塊

數(shù)據(jù)生成模塊是星基ADS-B 信號模擬與顯示軟件的核心模塊，根據(jù)參數(shù)配置模塊所提供的參數(shù)可生成衛(wèi)星數(shù)據(jù)、航跡數(shù)據(jù)和星基ADS-B 數(shù)據(jù)。其中衛(wèi)星數(shù)據(jù)包含衛(wèi)星的位置、速度和四波束覆蓋區(qū)邊界數(shù)據(jù)。航跡數(shù)據(jù)包含目標(biāo)每個航跡點的位置信息、速度信息、時間信息、波束信息、信號多普勒頻移信息和功率信息。星基ADS-B 數(shù)據(jù)包含目標(biāo)在航跡點處發(fā)送的星基ADS-B 信號信息：波束信息、時間信息、信號多普勒頻移信息、功率信息和ADS-B 報文。

1.5 顯示模塊

顯示模塊用于對四波束覆蓋區(qū)、背景地圖和目標(biāo)航跡的顯示。覆蓋區(qū)域和目標(biāo)航跡的顯示以數(shù)據(jù)生成模塊生成的四波束覆蓋區(qū)邊界數(shù)據(jù)和航跡數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)來源，背景地圖顯示以內(nèi)存初始化文件（MIF）作為數(shù)據(jù)來源。MIF 是地理信息系統(tǒng)軟件（MapInfo）通用數(shù)據(jù)交換格式，用來保存圖形信息。軟件啟動時自動加載預(yù)設(shè)的MIF 文件，可實現(xiàn)對中國地理邊界、省、市、縣級行政單位的顯示。在仿真開始后將目標(biāo)航跡動態(tài)顯示在地圖背景上。

1.6 通信模塊

通信模塊用于實現(xiàn)軟件和下位機(jī)的數(shù)據(jù)交互。仿真開始后，軟件系統(tǒng)通過通信模塊把數(shù)據(jù)生成模塊生成的星基ADS-B 數(shù)據(jù)發(fā)送給下位機(jī)。根據(jù)數(shù)據(jù)信息，下位機(jī)實時生成星基ADS-B 模擬信號，同時顯示模塊將目標(biāo)航跡顯示在背景地圖上。為保證顯示模塊和通信模塊同時工作，采用多線程技術(shù)。

1.7 軟件系統(tǒng)的工作流程

軟件系統(tǒng)通過參數(shù)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)生成模塊、顯示模塊和通信模塊這4 個模塊共同完成對星基ADSB 信號模擬和顯示功能，其工作流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)工作流程Fig.4 System working procedure

2 星基ADS-B 信號模擬與顯示軟件實現(xiàn)方案

2.1 數(shù)據(jù)處理

軟件數(shù)據(jù)生成模塊生成3 類數(shù)據(jù)：衛(wèi)星數(shù)據(jù)、航跡數(shù)據(jù)和星基ADS-B 數(shù)據(jù)，3 種數(shù)據(jù)生成原理如圖5所示。對航跡數(shù)據(jù)中航跡點的位置信息、速度信息進(jìn)行編碼得到ADS-B 報文，ADS-B 報文、多普勒頻移信息、功率信息等可構(gòu)成星基ADS-B 數(shù)據(jù)。

圖5 數(shù)據(jù)生成流程Fig.5 Data generation procedure

衛(wèi)星數(shù)據(jù)用結(jié)構(gòu)體變量來存儲，定義數(shù)據(jù)類型如下：

星基ADS-B 數(shù)據(jù)的存儲使用STL vector 實現(xiàn)，vector 是一種能夠存放多種數(shù)據(jù)類型的動態(tài)數(shù)組。將星基ADS-B 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體類型保存在動態(tài)數(shù)組vector中，即可用vector 實現(xiàn)對星基ADS-B 數(shù)據(jù)的存儲。建立vector 對象sate_ads_b_date 的代碼如下：

2.2 顯示功能的實現(xiàn)

1）大地坐標(biāo)到客戶區(qū)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換

顯示模塊用于對四波束覆蓋區(qū)、背景地圖和目標(biāo)航跡的顯示。四波束覆蓋區(qū)、背景地圖和目標(biāo)航跡的顯示是在客戶區(qū)顯示，實現(xiàn)以上信息的繪制工作需要把其對應(yīng)像素點的大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為客戶區(qū)坐標(biāo)。其轉(zhuǎn)換流程如圖6所示。

圖6 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換流程Fig.6 Coordinate transformation procedure

采用墨卡托投影作為投影方式，墨卡托投影公式[12]為

其中：（lon，lat）為像素點大地坐標(biāo)；（x，y）為像素點經(jīng)過墨卡托投影后在墨卡托直角坐標(biāo)系的位置；a 為地球橢球長半軸值；e 為地球橢球第一偏心率。再由墨卡托直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化到客戶區(qū)坐標(biāo)系為

其中：（sx，sy）為客戶區(qū)坐標(biāo)系坐標(biāo)值；（x，y）為墨卡托直角坐標(biāo)系坐標(biāo)值；（x0，y0）為墨卡托直角坐標(biāo)系原點；（sx0，sy0）為客戶區(qū)坐標(biāo)系原點坐標(biāo)；g 為比例尺，完成坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。四波束覆蓋區(qū)的經(jīng)緯度信息來源于衛(wèi)星數(shù)據(jù)；背景地圖的經(jīng)緯度信息來源于外部MIF 文件，其中包含中國地圖邊界、省、市、縣級行政單位的經(jīng)緯

度信息；目標(biāo)航跡的經(jīng)緯度信息來源于航跡數(shù)據(jù)。

2）繪制流程

顯示模塊對四波束覆蓋區(qū)、背景地圖和目標(biāo)航跡的繪制流程圖如圖7所示。通過調(diào)用畫筆類（CPen）、畫刷類（CBrush）和設(shè)備上下文類（CDC）的成員函數(shù)來完成繪制。重要函數(shù)包括：設(shè)置背景函數(shù)SetBkMode()、文本輸出函數(shù)ExtTextOut()、畫線函數(shù)Polyline()、繪制封閉圖形函數(shù)Polygon()。在對航跡進(jìn)行繪制時，通過周期性調(diào)用消息處理函數(shù)OnPaint()刷新界面，將目標(biāo)航跡動態(tài)顯示在地圖上。

圖7 繪制流程Fig.7 Drawing procedure

2.3 通信功能的實現(xiàn)

TCP/IP 協(xié)議具有開放性強(qiáng)，可靠性高的特點。為保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸，軟件與下位機(jī)的通信采用TCP/IP 協(xié)議來實現(xiàn)。上位機(jī)采用Windows Socket 編程[13]實現(xiàn)客戶端功能，獲得與下位機(jī)（服務(wù)器）的通信。服務(wù)器與客戶端建立通信的流程如圖8所示。

圖8 TCP/IP 通信協(xié)議建立流程Fig.8 Building procedure of TCP/IP communication protocol

服務(wù)器端先通過socket()函數(shù)創(chuàng)建套接字，然后使用bind()函數(shù)將套接字綁定在服務(wù)器的IP 地址和端口上。通過listen()函數(shù)設(shè)置服務(wù)器為監(jiān)聽模式，等待客戶端的請求。當(dāng)客戶端向服務(wù)器發(fā)送連接請求時，執(zhí)行accept()函數(shù)，可獲得客戶端的socket 地址，accept()函數(shù)執(zhí)行成功時返回1 個新的連接socket，該socket 唯一地標(biāo)識了被接受的連接，服務(wù)器和客戶端可通過讀寫該socket 來實現(xiàn)通信。

3 軟件系統(tǒng)功能驗證

3.1 信號模擬功能驗證

信號模擬功能指軟件向下位機(jī)發(fā)送的星基ADSB 數(shù)據(jù)能夠被下位機(jī)接收，下位機(jī)正確讀取數(shù)據(jù)中的多普勒頻移信息、功率信息，生成對應(yīng)的星基ADS-B模擬信號。ADS-B 信號是脈沖信號，無法直接通過頻譜分析儀測得信號頻率和功率。下位機(jī)系統(tǒng)有載波輸出功能，啟動這項功能，可直接輸出星基ADS-B 模擬信號的載波。

軟件向下位機(jī)發(fā)送固定頻移、固定功率的星基ADS-B 數(shù)據(jù)，通過頻譜分析儀測試星基ADS-B 模擬信號載波頻率和功率，完成對信號模擬功能的驗證。使用的頻譜分析儀為鼎陽公司生產(chǎn)的SIGLENT SSA3201X。軟件向下位機(jī)發(fā)送頻移-10 000 Hz，功率-90 dBm 和頻移10 000 Hz，功率-100 dBm 星基ADSB 數(shù)據(jù)。

經(jīng)測試可知當(dāng)發(fā)送頻移為-10 000 Hz，功率為-90 dBm 數(shù)據(jù)時，生成信號的載波頻率為1 089.990 000 MHz，功率為-90.05 dBm；當(dāng)發(fā)送頻移為10 000 Hz，功率為-100 dBm 數(shù)據(jù)時，生成信號的載波頻率為1 090.010 001 MHz，功率為-100.01 dBm。生成信號的頻偏和功率誤差很小，頻偏誤差小于10 Hz，功率誤差小于0.5 dBm，說明此系統(tǒng)可實現(xiàn)對星基ADS-B 信號的模擬功能。

3.2 顯示功能驗證

參數(shù)設(shè)置部分如圖9、圖10 所示，設(shè)置衛(wèi)星軌道高度為600 km，星下點位置為（112.550 663 48°N，37.870 585 713°E）（太原機(jī)場），軌道傾角為90°。設(shè)置目標(biāo)飛行高度為9 000 m，在波束一內(nèi)仿真5 個目標(biāo)，波束二內(nèi)仿真10 個目標(biāo)，波束三內(nèi)仿真80 個目標(biāo)，波束四內(nèi)仿真250 個目標(biāo)，仿真時間為600 s。仿真開始后軟件運(yùn)行效果如圖11 所示。

圖9 衛(wèi)星參數(shù)設(shè)置Fig.9 Satellite parameter setting

圖10 目標(biāo)航跡參數(shù)設(shè)置Fig.10 Target trajectory parameter setting

圖11 星基ADS-B 信號模擬與顯示軟件運(yùn)行效果Fig.11 Operation effect of multi-target satellite-based ADS-B signal simulation and display software

波束一、波束二覆蓋區(qū)局部放大圖如圖12、圖13所示，可看到波束一內(nèi)的5 個目標(biāo)和波束二內(nèi)的10個目標(biāo)。每個目標(biāo)的標(biāo)牌上顯示了此刻發(fā)送信號的多普勒頻移和功率。

圖12 波束1 覆蓋區(qū)局部放大圖Fig.12 Local enlargement of Beam One coverage

圖13 波束2 覆蓋區(qū)局部放大圖Fig.13 Local enlargement of Beam Two coverage

4 結(jié)語

針對星基ADS-B 信號的特點設(shè)計了星基ADS-B信號模擬與顯示軟件。為了仿真目標(biāo)所發(fā)送信號的多普勒頻移和功率值，對四天線低軌道衛(wèi)星進(jìn)行建模，對目標(biāo)航跡進(jìn)行仿真，通過計算目標(biāo)相對于衛(wèi)星的徑向速度來求得多普勒頻移，通過衛(wèi)星與目標(biāo)間的距離計算信號功率，實現(xiàn)對星基ADS-B 信號的模擬。利用墨卡托投影原理和繪制函數(shù)實現(xiàn)了對四波束覆蓋區(qū)、背景地圖、目標(biāo)航跡的顯示。測試結(jié)果證明軟件運(yùn)行正常，可實現(xiàn)對星基ADS-B 信號的模擬和顯示功能。