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分类号：密级：UDC：编号：工学硕士学位论文ADS-B信号解码板设计及报文处理硕士研究生：张辰指导教师：张朝柱学科、专业：信号与信息处理论文主审人：哈尔滨工程大学2013年3月分类号:UDC：密级:编号:工学硕士学位论文ADS-B信号解码板设计及报文处理硕士研究生：张辰指导教师：张朝柱学位级别：工学硕士学科、专业：信号与信息处理 所在单位：信息与通信工程学院论文提交日期：2013年2月论文答辩日期：2013年3月学位授予单位：哈尔滨工程大学Classified Index:U.D.C:A Dissertation for the Degree of M.EngThe design of ADS-B signal decoding board andmessage processingCandidate:Zhang ChenSupervisor:Zhang ChaozhuAcademic Degree Applied for:Specialty:Master of EngineeringSignal and information processingDate of Submission:Feb,2013Date of Oral Examination:Mar,2013University:Harbin Engineering University哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注 明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。作者（签字）：日期：年 月日哈尔滨工程大学学位论文授权使用声明本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作 的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送 交论文的复印件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进 行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，可以公布论文的 全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一 署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。本论文（在授予学位后即可在授予学位12个月后解密后）由哈尔滨工程大 学送交有关部门进行保存、汇编等。作者（签字）：导师（签字）：日期:年 月日年 月日ADS-B信号解码板设计及报文处理摘 要ADS-B(Automatic dependent surveillance-broadcast)技术作为下一代空中交通管理监 视技术已经非常广泛的运用于世界各地。它可以提供地面基站对空间飞机的监视控制同 时也可以完成飞机与飞机之间直接的相关监视。飞行员和地面站的控制人员都可以从中 获益，从而减少事故的发生几率。随着ADS-B技术的完善，我们可以更好的利用它完 成空中交通管制的任务，对于民航事业的发展也起到了巨大的推动作用。传统的ADS-B技术主要基于以下三种数据链传输方式，即：Mode S 1090 ES、UAT 和VDLMODE4。在我们研究的1090MHz数据链的前提下，本文深入探讨ADS-B信息 解码算法，以及对于数据信息的检错纠错过程，并在PC端实现了对数据信息报文的转 换生成，最后提出了硬件实现的方案，并在硬件上完成了信号处理的整体流程。在信号的解码过程中，由于ADS-B信号在送入解码板前的采样频率受前段A/D控 制，并且信号的编码方式为PPM(脉冲相位调制)，由于传统的S模式下ADS-B解码 方式误码率较高，本文所用的解码方式改变了原有的阈值判别方法，充分利用了信号采 样所得到离散幅度信息，完成了信号的解码过程，通过仿真对比所得到的信号误码率低 于原始算法。本文首先描述了 ADS-B系统的发展过程以及国内外现状,ADS-B系统的基本组成,工作原理等，然后介绍了 ADS-B信号基本数据结构，编码方式，论述了 4种数据链格 式，以及在1090ES模式下ADS-B信号的参数设置、组成及特点，接着介绍了对ADS-B 信号解码算法的基本原理，讨论了 CRC检错纠错算法的基本原理，并验证了 CRC纠错 算法的基本原理，包括对信号解码过程的仿真分析。然后介绍了报文处理系统软件的基 本设计流程，包括软件平台的选择，数据信息的提取方式，和报文生成的规范。详细介 绍了 CPR解码的基本原理，并对算法做了一些基于C语言的仿真。最后提出了对信号 解码板的整体的硬件方案设计，包括对DSP芯片的选择，外设的选择，与PC端的接口 方式。并完成了各个算法的测试和系统整体的测试，给出测试结果，验证解码功能。关键词：ADS-B；模式S；数据解码；报文处理；解码板ADS-B信号解码板设计及报文处理ABSTRACTADS-B(Automatic dependent surveillance-broadcast)technology as the next generation of air traffic management monitoring technology has been widely used in the world.It can monitor the space aircraft and provide ground station and can also complete the relevant monitoring directly between plane and plane.Pilots and ground station control personnel can all benefit from it,thereby reducing the risk of accidents.With the development of ADS-B technology,we can make better use of it to complete the air traffic control task,for the development of civil aviation has played a huge role in promoting.The traditional ADS-B technology is mainly based on the three data transmission mode,namely:Mode S 1090 ES,UAT and VDL M0DE4.We study based on the 1090MHz data link,this paper discusses the ADS-B information decoding algorithm,and the data error detection and correction process,and the conversion of data message generation is realized in PC end,finally proposed the hardware implementation scheme,and realize the whole process of signal processing in hardware.In the decoding process of signal,before the ADS-B signal is sent into the decoder board the sampling frequency is controlled by preceding the A/D and signal encoding for the PPM(pulse position modulation),because the S mode of traditional ADS-B decoding has high bit error rate.The decoding method changed the original threshold method;make full use of the signal obtained by sampling from the discrete amplitude information,complete the decoding process signal,the signal error is obtained by simulation rate is lower than the original algorithm.This paper first describes the development process of ADS-B system and the situation at home and abroad,the basic composition of ADS-B system,working principle,and then introduced the ADS-B basic signal data structure,encoding method,discusses 4 kinds of data link format,and the parameters in the 1090ES mode ADS-B signal setting,composition and characteristics,and then introduces the principle the ADS-B signal decoding algorithm,the basic principle of CRC error detection and correction algorithm,and the basic principle of CRC correction algorithm is verified,including the analysis of simulation on signal decoding process.Then this paper introduces the basic design process of message processing system software,including the software platform selection,methods of extracting data information,哈尔滨工程大学硕士学位论文and generating message specification.Finally,the hardware design scheme on the overall signal decoding board,including the choice of DSP chip,peripheral options,interface and PC terminal.And the completion of the test the overall test of the system and each algorithm,gives the test results,verify the decoding function.Key Words:ADS-B;S Mode;data decoding;message processing;Decoder boardADS-B信号解码板设计及报文处理目 录第1章绪论.11.1 课题的背景及意义.11.2 ADS-B系统研究的国外发展现状.41.3 国内应用ADS-B技术现状以及一些不足.51.4 本文研究的内容.61.5 论文的结构安排.7第2章 ADS-B系统原理.92.1 广播式自动相关监视(ADS-B)系统概述.92.2 ADS-B系统的基本结构.102.2.1 ADS-B 系统介绍.102.2.2 ADS-B 系统组成.112.2.3 ADS-B系统工作原理.122.3 本章小结.13第3章 ADS-B信号的数据处理.143.1 ADS-B信号的传输特征.143.2 ADS-B信息解码过程.143.2.1 ADS-B信号解码算法的基本原理.153.2.2 CRC检错算法的基本原理及纠错过程的论述.163.3 数据仿真结果与分析.183.4 本章小结.24第4章 ADS-B报文生成系统.254.1 ADS-B报文基本框架的概述.254.2 报文处理系统的平台选择，软件设计流程.284.2.1 软件的需求分析和软件平台的选择.284.2.2 软件的设计流程.294.2.3 数据库与MFC接口设计.314.3 ADS-B信号报文生成处理中的相关算法论述.314.3.1 数据位CPR解码.314.3.2 广域位置解码(全球解码).34哈尔滨工程大学硕士学位论文4.3.3 局域位置解码（本地解码）.364.4 报文软件系统及CPR测试结果.374.5 本章小结.39第5章 ADS-B硬件系统设计方案及流程.405.1 主处理器选择.405.1.1 FPGA 的选择.405.1.2 DSP 的选择.405.2 总体结构及接口.415.2.1 DSP开发环境介绍.425.2.2 DSP内部设计及电路部分.435.2.3 DSP内部存储空间划分.455.3 DSP硬件调试与测试结果.475.3.1 测试信号的来源.485.3.2 数据解码处理过程.495.3.3 上位机通信过程和报文系统测试结果.515.4 本章小结.54结 论.55参考文献.57攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果.60致 谢.61第1章绪论第1章绪论1.1课题的背景及意义随着民航事业蒸蒸日上，国内外的导航避障技术的迅速发展，使得航空领域已经成 为人们生活中不可缺少的一部分。技术的发展不仅可以推进中国航空事业的发展促使国 内技术运营商寻找更好的解决方案，还可以促进相关监视技术的发展。在众多的监视 系统中，广播式自动相关监视ADS-B(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast)采用全 向广播方式，以空对空报告的形式，从而减少了完全依赖于地面站信息进行避让的缺点,弥补了飞行器在少数偏远地区即无雷达区飞行时，能够满足飞行器之间空对空自我相互 监视的需要，起到了延伸驾驶员的视野的作用，从而使驾驶员提早预知其他飞机的航行广播式自动相关监视系统是一种广泛应用的信息处理系统，如图1.1所示，它可以 让飞机广播自己的身份、状态、对邻近飞机的意图信息和附近的位置情况，以便为所有 的控制部门提供更好的来自空域态势感知信息。在民航系统中，交通管制(ATC)系统 占据着非常重要的位置，它在民航体系中起着非常关键的作用。为了防止航空器与其他 航空器之间因航路繁忙而发生相撞事故，使得如何让飞机空中交通更加方便快捷高效就 成为现今空中管理系统的重要任务。空中交通管理系统是要求实时性和高效性的信息处 理系统，在对于信号的处理方面有效率高速度快等优点，系统所提供的服务主要包括空 中告警服务、交通管制服务和飞行情报服务等。由一些地面站发送的告警信息可以通知 飞行器避免事故为告警服务。航行情报服务主要是向飞行中的飞机或航空设备提供有 助于飞行安全的帮助信息和一些飞行的航路建议信息和情报。对于在有协助工作能力的 交通管理系统还可以分为多个子基站，不同地区的子站会相互传输信息，并将管制信息 哈尔滨工程大学硕士学位论文传输至飞行器以通知飞机的航行方式，每个子站协同工作实时的采集飞机的航行信息，保证对飞机的有效监管。在一般情况下，空管系统(ATC)需要对雷达系统发出的消息进 行实时处理，主要包括飞机的三维位置信息、高度信息、速度信息、状态信息等，很多 时候还系统还需要同时处理多种类型的信息包括气象信息、来自航空公司及地面站或有 关空中管制部门提供的飞行计划信息或者告警信息、人机交互信息、路况信息等。通过 对上述信息进行融合汇总处理，综合分析飞机及其周围存在的信息状况，可以让飞行员 有足够的飞行认知度，即可以保证在飞行时与与其他飞机保证绝对的安全间隔，如果发 生危险或存在的隐藏危险时，可以为飞机提供准确的判断信息，从而避免危险的发生。由于空中交通是当今生活中必不可缺的一部分，而空中安全问题也日益受到各国研 究人员的强烈关注，那么如何提高空中管制系统的及时性、准确性以及可靠性就成为 人们研究的主要问题。由于管制的地区不同，空中管制又可以分为以下三种：塔台管制、区域管制和进近管制。按雷达监视设备的使用情况可以分为雷达管制和程序管制。在 有些偏远的地区，由于雷达的覆盖面积有限，无法完全的覆盖到该区域时，飞机的管制 问题就成为一大难点，而就我国国情而言，从程序管制到雷达管制，再到未来的卫星导 航管制，中国的空中交通管制系统随着民航事业的快速发展而经受巨大的考验。有相关 调查显示，由于受到各种条件的限制，在国内的大部分区域中，只在飞行流量较大的70%的地区实施了雷达管制，而在其他地区仍然继续在用效率低下的程序管制。据调查显示,我国目前雷达管制的航道一般长宽各为20km高600m,在这非常狭窄的航路内只能同时 满足一架飞机飞行。这不仅大大的限制了民航日常的运行，而且如果飞机太多，结果就只 能是“空中塞车，甚至发生航空事故，对于中国新航路的计划就是要开辟一条属于自 己的自由航线，这也是目前急需解决的问题。在这种情况下，我们可以深刻的认识到传统的空管系统有着很多的局限性和不足，最主要的问题就是在雷达探测不到的区域，通常称之为盲区，当飞机经过此类地方时无 法对其进行实时的检测并且在有危险时发出告警信息；同样在大型机场的场面滑行道 上，一些偏远地区即雷达无法覆盖到的盲区是无法对其进行空中管制的。最初的通信系 统即ATC系统，是一种语音通信系统，这种系统主要依靠雷达设备作为地面监控管制的 工具，这样在很多时候这种通信模式会导致严重的通信不足，使得飞机不能有效的了解 其他飞机的航线，而只能听从地面站调度，从而存在安全隐患。在导航方面，现在运行 的系统无法计算最短的运行线路，这样很容易造成资源的浪费，在现今提倡能源优化利 用的大环境下，非常不利于环保。在这种情况下ADS-B技术便应运而生了。ADS-B技术 是实施自由飞行的奠基石，它不仅有效的解决了上述问题，还为“自由航路的概念的推 2第1章绪论广做出了实践性的概念，在ADS-B技术较为成熟的欧洲，早已经提出了前景广阔的“自 由飞行”的概念，为新航路的推广做出了巨大的贡献，而ADS-B技术则是对概念的可行 性的充分证明。这样广播式自动相关监视系统(ADS-B)的应运而生使得我们的交通管制有了新的解 决方法，广播式自动相关监视系统(ADS-B)用全向广播的方式，将飞行信息以断续震荡 模式发送出去，实现飞机与飞机之间的信息交互，能够实现空对空的自我监视。这样无 形中提高了机组的肉眼视程，能够是机组人远和地面管理人员更加迅速有效的感知飞行 冲突，对于运输和通用航空都非常有效。ADS-B系统与传统的空管系统相比有以下几个 优点：1.该技术开辟了新航行系统开发的道路，飞机可以向机组和管制员提供可靠、精确的 冲突信息，管制人员同样可以根据接收到的信息来指示飞行员的行动，从而提高飞行安 全。2.ADS-B系统可以向飞行的有关人员提供传统系统无法提供的冲突信息。3.地面站通过接收ADS-B信息不仅可以知道飞机冲突的位置，还可以知道飞机的实 时高度、速度、方向等信息，利用这些信息，当飞机爬坡，加速，转弯时系统还可清楚 的显示其变化，以便完成对飞机航路的控制。4.由于使用了现行的数字通讯技术，ADS-B系统可以低成本的应用于空管领域。5.通用航空客机可以使用此系统获得文字性的飞机飞行信息服务。ADS-B系统的意义也是未来的航空发展方向，全球推行的新航行系统让自由飞行的 概念变为现实。对于ADS-B比较成功的应用在于它在引入自由飞行概念方面的影响，美 国国家空域系统给出了比较成熟了概念。其实美国很早就提出了自由飞行的概念，他 给出的定义是：“自由飞行是在仪表飞行的规则下的一种安全有效的飞行体系。该体系 中，飞行员可以更加灵活自由的选择适合自己的航路和速度。飞行约束被限制在一定的 范围和时段内，并只有当为了确保飞行间隔，防止机场拥塞，预防特殊空域的非授权飞 行时才适用。”自由飞行是一种概念目的会减少在飞行中的约束，包括允许飞机直接飞 行而不通过地面站的控制，可以在起点和目的地之间保持较大的圆形航迹并且在风向最 优的条件下选择轨迹，并可以根据具体的天气状况选择更合适自己的航路，由于有些空 域是规定为特殊用途的位置即SUA(Special Use Airspace)”也可以根据需要对其特殊管 理。这与目前应用的空中管理系统产生了鲜明的对比，在现今的空管系统中飞机的航行 路线被地面工作站空管员规定好，然而规定好的路线通常会更加的耗费燃料或增加飞行 3哈尔滨工程大学硕士学位论文时间。1.2 ADS-B系统研究的国外发展现状在国内外，ADS-B技术的发展都非常迅速，ADS-B系统应用最成功范例是在澳大利 亚口”在面积7,692,000平方公里广袤的土地上，却分布着非常稀少的人口，所以难以部 署雷达监视网，而且在澳洲中部的区域，是无雷达架设的区域，所以很长时间无法对飞 机进行合理的交通管制，而且以往采用的程序管制方法并不十分有效，在针对这种复杂 情况时，就更加的体现出其低效性。但是当局很合理的应用了ADS-B技术，仅用了3年 就将航路管制间隔缩小到5海里，实现了其预定的高空空域计划。根据澳大利亚航空服 务局公布资料，澳洲全境仅安装23套航管雷达设施。美国是ADS-B系统应用的先行者。在过去的20年里，美国对于航空旅行的需求是以往的2倍以上，这就使得空中安全问题 变得更加严峻，这对新的技术的研发和应用有了更为迫切的需要。美国联邦航空局FAA 评估结果显示主航路上的飞机晚点事故发生率是过去的两倍。美国航空航天局下属的航 空航天技术企业建立了一个目标以提高本土飞机的飞行能力”叫以达到对于安全的要 求。为了达到这个目标他们决定在10年内建造两倍的飞行系统以便应付各种天气变化，并在25年内达到3倍以上。为了达到这项技术目标，美国国家航空航天局NASA创造了空 域系统程序，系统内部开发了航迹路标，飞行员可以很方便的了解飞行的轨迹。在此基 础上，美国联邦航空局与欧洲合作发起了一个技术链合作项目，这个项目评估了3种数 据链以支持ADS-B技术的应用”久在2002年7月1日,FAA正是宣布选择S模式作为ADS-B 数据链模式，以支持航空传输和高性能飞机，UAT模式作为ADS-B数据链的专用航空模 式。在欧洲L全境有较好的雷达覆盖，因此目前欧洲主要考虑在机场场面监视中应用 ADS-B系统。EUROCONTROL联合法国民航总局空中航行服务局DSNA、空客、Thales ATM 和Alticode在图卢兹机场开展了ADS-B试验；法国DSNA同EUROCONTROL,ENAV（意大利），AENA（西班牙）和HCAA（希腊）还将在地中海空域内开展基于 1090 ES的ADS-B系统建设，并将其应用到部分主要机场的先进场面活动引导和控制系 统（A-SMGCS严中。现阶段，为了将ADS-B计划尽快实施，欧洲已经制定了相关政策，发展以雷达、ADS-B、MDS相结合的综合监视系统。欧洲成立了“CRISTAL”机构，保 证ADS-B在欧洲大陆的实验和验证工作整体推进，以达到逐步实现ADS-B在欧洲的覆盖 的效果。国际民航组织（ICAO）ADS-B研究和实施工作组制定了目标任务和最新行动计划。4第1章绪论当前各国采用ADS-B的目标普遍确定为：实现航路类雷达监视服务，评估终端区雷达监 视服务，制定ADS-B空-空监视应用计划。1.3 国内应用ADS-B技术现状以及一些不足随着民航事业的蒸蒸日上,ADS-B技术已经慢慢成为国内外应用最为广泛的空中管 理系统。自从1991年，ADS-B技术首次在瑞典首都Bromma机场演示成功，各个国家 在对新航行系统的研究方面都做出了巨大的贡献，关于ADS-B技术各国也做了卓有成 效的研究。根据有关调查显示，随着对空管系统智能化的要求日益增高和安全性的迫切 需求，ADS-B技术在其应用领域展现出非常好的前景。ADS-B技术应用于雷达系统不能覆盖到的盲区或者无雷达区域时，可以取代雷达的 作用为航行器提供虚拟雷达服务；在雷达可以覆盖到的地区，仍然可以增强雷达系统的 监视能力，提高高效飞行服务，增加飞行容量。利用ADS-B技术，军方可以通过其上 行数据链信息获取重要的情报。ADS-B系统应用于空管系统中将会带来巨大的变革。随着ADS-B技术日趋完善，国内外都对本国的新航行计划有了自己的规划，在 ADS-B技术方面，欧洲空管局指定了详细新航行技术应用计划，计划中详细描述了 ADS-B技术应用于多种复杂情况区域时的监视管理细则，极大限度的应用了 ADS-B技 术。现阶段，国内正在研发两个重要的关于ADS-B的项目，第一个是ADS-B应用评估 工程其目标是评估ADS-B系统在中国西部地区的应用能力，在成都和九寨分别设立了 2 个ADS-B地面站。成都地区更新了 ATC系统以支持处理和显示ADS-B数据，而在九 寨ATC系统融合了 ADS-B和雷达的信息以完成便监视服务。第二个是对于ADS-B系 统的调查和研究工程，其目标是设计一套完整的ADS-B系统包括地面子系统、机载子 系统和数据评估子系统。为了这项工程国内将研发3个ADS-B地面站、3个ADS-B空 中管制中心、3个交通信息服务广播通道、3个驾驶舱交通信息显示系统、3个机载ADS-B 应答机和1个ADS-B工作业绩评估系统。通过对整个系统的完善可以更加深入的了解 系统的运行模式和工作中出现的问题，并针对出现的问题提出符合我国国情的解决方 案。ADS-B技术显然已经得到了国内和国际上的广泛关注，由于其具有低廉的成本、高 效的数据传输能力，随着技术的日益完善ADS-B技术将逐步满足高密度航空交通管制 的需要。中国在ADS-B技术的应用方面起步于1998年，可以说起步并不算晚，在国际航空 组织的帮助下，协助开发了一条基于ADS系统技术的新航路，取名为L888航路阿，这 也切合了中国对于西部开发的战略构想，新航路不仅可以有效的解决当前空中交通的问 5哈尔滨工程大学硕士学位论文题还可以满足西部交通运输的需要，大大提高了飞行效率。新航路L888装备了由FANS 1/A定义的ADS-C地面监视工作站，并且将网络管理数据中心设立在北京，经过两年的 时间，整套系统完成了从评估到测试再到试运营的过程。2004年初，ADS技术先后在 北京、上海、广州三大管制区域落户，为复杂的航空管理提供了强大的安全保障。飞机 运行的自动化系统具有ADS航迹处理的能力，在运行中的飞机可以不通过地面站而自 动的获取周边的飞机传送来的数据信息，并根据分析与地面站的数据做比对，做出准确 的飞行判断，从而大大减少飞机因航路繁忙而带来的危险。经充分验证，新系统可以处 理和显示基于ACARS数据的自动相关监视航迹，也可以实施“航管员/飞行员数据链通 信”(CPDLC)。这项结果标志了中国航空的主要空管设施已经具备了 ADS监视能力。国 内新系统的开发已经逐步的进入了应用阶段，国内的航空公司也逐步扩大自己的运输规 模，实现多架次无间隙的航空飞行，同时他们对机载系统也进行了更新，选择了更为适 合飞行系统的电子设备，提高飞机的通信以及飞行的能力，新系统不仅较原有的更为直 观便捷，而且还具备地空双向数据链通信的能力，从而大大提高了航空运输的效率。中国航空在发展新航行系统中虽然已经迈出了第一步并且根据自己的需要改进了 空中交通监视技术，同时也随着技术的日益成熟开展了针对ADS技术的一些研究活动,但是从总体上来看，在核心技术方面并没有突破ADS-C的技术框架口刀，因此并没有针 对本国航空飞行情况而研发的空中管理系统，所以，当面对国内日益复杂的空管问题时,ADS技术虽然起到了一些作用，但效果并不十分明显，随着ADS-B技术的研究日益深 入，为我国可以从中研发适合本国的新航行系统提供了机会。目前国外的ADS技术已 经进入了应用阶段，而中国才刚刚起步这对于新系统的开发是非常不利的。现今技术领 域是一个以寻求以成本更低、效率更高、用途更广的新航行监视技术取代雷达技术的时 代，但是我们还在加紧部署雷达网络，这无疑会使国内的技术更加落后。所以中国必须 开发探索属于自己的空中管理系统，不应该保守的应用传统的技术而停滞不前。相比之 下，在澳大利亚，其国土全境部署的雷达数量大致上与上海飞行情报区可用的雷达资源 相当，而其主要的空中管制来源于ADS技术，澳大利亚的成功来源于他对于新技术的 准确规划并可以大胆的实施，这为国内ADS-B技术的发展提供了一个非常优秀的参考。1.4本文研究的内容本文首先给出ADS系统的基本结构，以及基本组成原理，讲述了 ADS-B系统的工 作原理，发展现状和应用前景，然后对信号的数学模型和信号的技术指标给出了明确的 规定，对相应的理论知识进行了论述，并深入的探讨信号的解码方法并与其他的算法进 6第1章绪论行横向的比较，然后又讨论了在信号传输中出现误码时，完成CRC检错纠错算法，最 终将正确的数据信息显示在上位机中，最后将得到的数据信息完成报文生成的过程，并 讨论硬件方案的设计与实现，得到硬件实现的结果。由于目前应用于ADS-B系统的数据链主要有三种叫 gp：1090ES模式、UAT 模式和VDL-4模式，本项目所讨论的解码板是基于1090ES模式下的ADS-B信号，由 112或56个信息脉冲构成，解码时对实时性的要求非常严格，从硬件上我们选用了以 DSP作为主要数据处理芯片，而FPGA作为前端报头识别的作用，这样不仅充分利用了 DSP的高效低功耗的数据处理能力，FPGA的并行处理能力，同样可以更有效的为报头 检测和数据预处理提供可靠的依据。这样的设计充分发挥了两者的优点，FPGA和DSP 协同工作可以快速实时的完成信号处理的任务。本设计的硬件体系结构的特点是结构灵 活，信号处理速度快，通用性强，适于模块化设计，极大地提高了单脉冲应答信号处理 器的性能而且相对于以前的设计性价比较高，适合于商用。对于主芯片的选择，我们选 择了 ATERL 公司的FPGA 芯片 Cyclone系列 EP2C8Q208C8N 和 TI公司的 TMS320VC5509ADSP,对于DSP的选择主要由于C5000系列对于语音信号的高效低功 耗处理能力，并能够完成高速处理数据信息的任务。1.5论文的结构安排本文针对ADS-B解码板的实现做了详细的论证并对ADS-B信号的处理过程做了充 分的试验，讨论算法上解码算法与常规算法的不同，并进行比较，最后实现了硬件解码 处理的整个过程，本文分五章，主要章节内容安排如下：第1章为绪论部分，介绍了课题目前的研究背景，主要针对现在应用的空中管理系 统的不足之处提出了一些意见，并比较ADS-B相对于传统的系统有哪些优势。分析了 目前ADS-B系统各国的研究现状，发展的历史等。第2章讨论了 ADS-B系统的组成，ADS-B系统的基本原理包括ADS-B IN系统和 ADS-B OUT系统，并详细叙述了 ADS-B OUT系统的工作原理，基本的数据链格式，标准的信息格式。第3章主要介绍ADS-B信号的处理算法，数据源信号的选择，信号的数据格式等,并给出了整个数据处理流程的MATLAB仿真结果。第4章是报文处理部分，主要介绍了 ADS-B报文的基本数据链格式，包括1090Mhz Extended Squatter(1090ES)-S 模式、Universal Access Transceiver(UAT)模式、VHF/UHF Digital Link.Mode4(VDL-4)模式、Lx Data Link 模式，并对 1090ES 模式详细做了叙述，7哈尔滨工程大学硕士学位论文包括报文格式，数据位信息等，最后给出了 CPR解码算法的原理及步骤，给出了报文 处理系统的软件设计流程和结果。第5章主要介绍了解码板的硬件设计，包括芯片的选择，硬件开发环境，DSP内部 软件设计流程和外设的配置，以及硬件各部分接口设计，内部存储空间分配等。最后给 出了整体系统测试的结果。最后总结全文。8第2章 ADS-B系统原理第2章ADS-B系统原理2.1 广播式自动相关监视(ADS-B)系统概述ADS-B系统是一种适合空对空，空对地的双向数据链传输系统，他具有自动广播监 视的能力，可以收集其他飞机广播消息，飞行员可以通过机载的终端设备观察周围航空 器的飞行情况，以实现提前避让，从而避免了事故的发生，提高了飞机应对飞行冲突时 的能力，由原来被动的等待地面站协调转变为主动的保持距离，保证了飞行安全。在地 面站，管制人员还可以根据飞机的具体情况指挥飞行员完成飞行任务，特别在机场和滑 道上的飞机和车辆同样可以通过ADS技术控制距离间隔，从而实现了自动自主的避让,ADS监视技术的应用不仅提高了空中和地面信息互通的效率还大大增强了机场场面的 监视能力，与传统的雷达监视技术相比，不仅提高了效率更重要的是提高了安全性，ADS-B技术的发展拥有广阔的前景,它的广泛应用势必将替代现有的雷达监视，成 为新一代的航空系统中不可缺少的一部分。传统的空管监视系统一般为一次雷达或二次雷达，其非合作性表现在被监视目标不 需要安装任何相关的设备。尽管一次雷达获取的信息对ATS应用具有局限性，但从某 种意义上说一次雷达监视系统更加稳定可靠，因为监视系统故障只可能发生于地面雷达 系统设备。而二次雷达阳是独立的、合作式监视系统(气压高度表除外)。二次雷达通 过地面询问系统根据询问和机载设备的应答计算目标的距离和方位角。基于S数据链模 式的二次雷达相对于一次雷达有非常巨大的改进，增强了飞机寻址和双向数据链路功 能。管理员通过二次雷达反馈的信息可以实时的了解到应答机的机代码、飞行高度、航 向信息、飞行速度等飞行参数囚。改变了以往雷达只可以作为监管设备的空管模式，使 雷达成为空中交通管制中的重要管理手段。传统上，二次雷达要与一次雷达协同工作，二次雷达的主天线安装在一次雷达上方，与一次雷达共同旋转。二次雷达虽然在技术上 与一次雷达比有较大的进步，但它只可以监视安装了应答机的飞机，对于没有安装应答 机或者应答机失效的飞机则无法完成监视。而ADS-B系统的出现，解决这些问题，与 二次雷达相似，ADS-B系统也需要飞机安装相应的机载设备。但与二次雷达不同的是飞 行器获得的信息可以直接由机载设备中获得，相对二次雷达，ADS-B系统还可以更多的 信息，例如速度和航向等信息。ADS-B系统相对于传统的监视技术，具有成本低，误差 小等特点。在中国某些地区高密度飞行的区域中，为飞行器提供空中交通服务有非常广 阔的应用前景。9哈尔滨工程大学硕士学位论文2.2 ADS-B系统的基本结构ADS-B系统，如图2.1所示，是一个将通信系统与传统的监视系统合二为一的信息 系统Ml,即它既有数据传输通信的功能，同时它又具备传统雷达的监视功能。它由三 个主要部分组成：分别为信息源部分，传输数据链部分，信息处理和显示部分。系统 以广播的形式向外发送飞机的动态信息，如（航迹、高度、经纬度等）并且将飞机的唯 一的识别信息向外发送，以表明飞机的身份。系统发送的这些信息由机载的传感系统 接收处理，传感系统主要包括：（1）惯性导航系统（INS）；（2）全球卫星导航系统（GNSS）I2飞行管理器；（4）惯性参考系统（IRS严6；（5）其它机载传感器。ADS监视系统图2.1 ADS监视系统的基本框架ADS-B的信息传输通道以规范的ADS-B报文形式将数据信息通过断续震荡序列的 模式传输到接收端，信息通过空-空、空-地数据链广播式传播。接收端将接收