1090ESADS-B地面站技术指标解析及测试方法推荐

1090ESADS-B地面站技术指标解析及测试方法推荐Techniquespecificationandtestingmethodof1090ESADS-Bgroundstation1.引言广播式自动相关监视ADS-B(AutomaticDependentSurveillance-Broadcast)是一种基于全球卫星定位系统和利用空地、空空数据链通信完成交通监视和信息传递的空管监视新技术[1]。国际民航组织已经将ADS-B作为未来监视技术的主要发展方向，国外许多国家和地区都在积极推进该项技术的应用。中国民航结合自身监视的现状和未来发展的需求，确定了我国运输航空ADS-B采用1090MHz扩展电文（简称1090ES）数据链技术，并制定了ADS-B发展规划、应用原则和总体策略，提出了中国民航ADS-B地面站的建设实施路线。为了保证ADS-B实施和建设的质量，中国民航努力推行地面站（接收）设备使用许可测试工作，颁布了相应的行业标准《1090兆赫扩展电文广播式自动相关监视地面站（接收）设备技术要求（MHT4036-2012）》（简称技术要求），旨在规范地面站设备的设计与制造过程，保证地面站设备的产品质量及性能指标能够满足应用要求。由于ADS-B技术在国内的应用还比较少，国内大多数民航从业者未实际接触过地面站设备，对技术要求中的各种指标及其测试方法也不甚了解。因此，有必要针对其中的部分技术指标进行解释和说明，并在此基础上推荐合理的测试方法，使其可作为地面站（接收）设备的使用许可测试、工厂及现场验收、定期维护等工作的参考。2.1090ESADS-B地面站（接收）设备1090ES地面站（接收）设备是ADS-B系统的重要组成部分，它通过接收、解码由航行器和场面车辆广播的信息，经处理后产生标准的数据报告传给用户。符合技术要求规定的地面站系统框架如图1所示。信标机1090ES地面站主机#2GNSS天线1090ES地面站主机#1GNSS天线以太网交换机#1以太网交换机#2RF天线RF天线监控维护用户1090ESADS-B地面站（接收）设备图11090ESADS-B系统框架图地面站可以同时向多个用户系统提供服务，为了确保与现有监视数据处理系统的兼容，采用标准的ASTERIXCategory021[2]报文作为其报告输出格式。该报告输出模式包含数据驱动传输模式和周期性传输模式两种，其中前者被大多数国内外设备生产厂家所采用，它是在每次成功解码ADS-B信息后产生报文输出的传输模式；而后者是一种时间可设置的周期性报文输出模式。此外，ADS-B服务还可以包括周期性输出地面站状态报告（ASTERIXCategory023[3]）和ASTERIX版本报告（ASTERIXCategory247[4]）。3.1090ESADS-B地面站（接收）设备测试模型3.1测试设备连接地面站（接收）设备大部分技术指标的测试方法基本使用相同或类似的测试仪表和设置，所以有必要给出一个标准的测试模型，见图2。1090ESADS-B地面站（接收）设备UTC时间基准ASTERIX报告记录分析仪电源信号源干扰源图2标准测试模型信号源：能够同时模拟多于600个目标，每个目标每秒可包含位置信息、速度信息、航空器识别信息、目标状态信息、航空器运行状态信息等多个种类的射频信息，信息编码需要满足航空无线电技术委员会（RTCA）的DO-260A[5]文件的要求，同时要求输出的射频功率可调。干扰源：能够产生模式A/C和模式S长、短信息的射频信号，其个数及输出的射频功率可调。ASTERIX报告记录分析仪：实时侦听并接收网络上的ASTERIX数据报文，为每一条接收到的报文标记时间戳，并对报文数据进行逐项解析，判断其正确性和完整性，统计接收的数据报文数量，以及给出各类统计报告。若报文出错，会自动给出提示及报告。UTC时间基准：时间基准信号用于同步地面站内部时钟。3.2地面站测试前的初始状态按照图2所示连接测试设备，各设备处于正常工作状态，能正常接收UTC时间基准信号。ASTERIXCategory021报告输出模式应选择数据驱动传输模式。信号源模拟产生的目标在每次测试前需完成目标位置信息的初始化，初始化过程从接收到目标的第一个信息开始，在初始化期间，地面站并不会产生ASTERIXCategory021报告。典型的做法是在正确接收到2个奇偶信息对后确定获取目标，并输出报告。没有特殊说明，干扰源一直处于无输出状态。4.技术指标及其测试方法以下的测试均忽略了线缆的损耗，在实际测试中应予以考虑。4.1接收机正确探测解码率正确探测解码率是指地面站接收机正确接收并解码的信息占总输入信息的比例。由于不是所有的地面站设备都具有原始脉冲信息输出的能力，所以一般无法直接测量接收机的正确探测解码率。如果假定这些正确接收并解码后的信息，在后续的处理、输出过程中没有产生错误，那么通过统计最终输出的报告个数，可以计算正确探测解码率。在不同的条件下（例如不同的输入功率、不同的干扰信号等），对地面站设备的正确探测解码率会有不同的要求。4.2接收机灵敏度接收机灵敏度可以理解为MTL（最低触发电平），它是指输入信号的频率在1089MHz-1091MHz范围内，在没有干扰和重叠的情况下，当接收机的正确探测解码率为90%时，输入信号的射频功率电平。同时，它还应该满足以下要求：在1089MHz-1091MHz的范围内，在没有干扰和重叠的情况下，输入信号电平为-88dBm时，接收机正确探测解码率应不小于90%；输入信号电平为-91dBm时，接收机正确探测解码率应不小于15%。参考测试步骤：1）地面站处于测试前的初始状态。2）ASTERIX报告记录分析仪统计正确探测解码率。3）设置信号源模拟产生300个目标，每个目标每秒产生4个信息。4）设置射频频率为1090MHz，逐渐降低信号源的射频功率，直至正确探测解码率不小于90%时，测试信号源输出的射频功率即为MTL。5）重复步骤4得到信号源载波频率为1089MHz和1091MHz时的MTL。6）分别设置射频频率为1089MHz、1090MHz和1091MHz，设置射频功率为-88dBm，确认此时的正确探测解码率应不小于90%。7）分别设置射频频率为1089MHz、1090MHz和1091MHz，设置射频功率为-91dBm，确认此时的正确探测解码率应不小于15%。4.3接收机动态范围在没有干扰和重叠的情况下，输入信号电平从MTL+3dB开始在整个动态范围内，地面站接收机的正确探测解码率应不小于99.9%。参考测试步骤：1）地面站处于测试前的初始状态。2）ASTERIX报告记录分析仪统计正确探测解码率。3）设置信号源模拟产生300个目标，每个目标每秒产生4个信息。4）设置射频频率为1090MHz，信号源的射频功率为MTL+3dB，确认正确探测解码率不小于99.9%。5）以10dB为步进逐渐增大信号源的射频功率至MTL+78dB，确认每次测得的正确探测解码率不小于99.9%。4.4目标处理能力技术要求中规定设备的目标处理能力应大于每秒600批目标（均匀分布）。目标处理能力实际上就是系统的处理容量，是指在没有干扰和重叠的情况下，1090ES地面站在一秒钟内可以处理的独立目标的个数，这些目标必须以符合DO-260/A标准的速率广播信息，同时以最大的每个目标每秒4个的速率输出ASTERIXCategory021报告。参考测试步骤：1）地面站处于测试前的初始状态。如果地面站设备具有处理能力门限参数设置选项，建议设置该参数值高于信号源所产生的目标数。2）设置信号源模拟产生600个目标，设置射频频率为1090MHz，输出功率应大于或等于MTL+3dB。注：输出的功率值应保证接收机的正确探测解码率不小于99.9%。3）在信号源输出10秒后，ASTERIX报告记录分析仪开始记录数据。这里说明一下，延迟10秒才开始记录是为了保证全部的目标初始化过程已完成。4）记录的时间根据不同的精度要求而定，但至少应持续2分钟。5）统计记录的数据，确认每秒收到600个目标的报告，每个目标每秒的平均报告数量为4±1%。6）如果地面站输出ASTERIXCategory023报告，同时应确认项目I023/100的ODP位为0，表示目标没有超载。4.5设备处理延时技术要求中规定设备处理延时应不大于50ms。这里的处理延时应该是在一定的FRUIT干扰环境[6]下，从接收到ADS-B信息到输出目标报告的最大延迟时间，这个指标只在数据驱动传输模式下适用。这个时间实际上无法使用仪器仪表去测量，一般是测量信号源从产生模拟信号至记录输出报告的最大时间，如果这个时间符合要求，那么设备的处理延时就符合要求。值得注意的是，在整个测试过程中必须使各个设备和仪表保持时间同步。参考测试步骤：1）地面站处于测试前的初始状态。2）设置信号源模拟产生30个固定或移动的目标，为了便于鉴别和分析，这些目标可使用连续的地址码。设置射频频率为1090MHz，输出功率应大于或等于MTL+3dB。3）设置干扰源产生FRUIT干扰信号，S模式的干扰信号可使用随机的地址码，但必须不同于前面30个目标信号的地址码。4）使模拟信号和干扰信号在时间上不产生重叠，将以上信号注入地面站设备，记录产生模拟信号时的UTC时间。5）ASTERIX报告记录分析仪开始记录数据。6）记录一段时间后，分析记录的报告，查找每个报告对应的输入信息，计算报告与信息产生的时间差。4.6抗干扰能力技术要求中要求地面站设备应具有抗多径干扰和同频干扰的能力，以及分辨二重交织码的能力。同时地面站接收机在每秒4000次的应答串扰情况下，正确探测解码率应不小于90%。多径干扰主要是由于信息经反射后延迟到达，对正常接收的信息造成的干扰。测量是否具备抗多径干扰，可考虑让地面站接收机连续接收同一个目标信息多次，每次产生的信息较前一个信息延迟一段时间，如果地面站只输出一个数据报文，说明其具备抗多径干扰能力。由于每个厂家的设计有所不同，针对抗多径的延时时间也会有所不同，而且不可能太大，一般延时时间的选择不超过200微妙。由于没有明确说明，所以同频干扰应考虑1090MHz的载波干扰和脉冲干扰两种。A/C模式的应答串扰实际上就是同频脉冲干扰，测量时可使干扰源每秒产生4000个A/C模式的应答，实际情况下应答的脉冲有一半的几率存在，可使用7070等应答码作为干扰脉冲。信号源应产生足够的信息量，与干扰源产生的1090MHz载波或脉冲信号叠加后送入地面站，通过调整干扰源的输出功率，使正确探测解码率不小于90%。从测试结果看，同频载波信号的干扰效果明显高于同频脉冲信号的干扰。ADS-B信息的二重交织可以设计三种交织程度，第一种是使前一个信息与后一个信息的前导脉冲相交织，也即后一个信息在时间上延时前一个112至120微妙之间；第二种情况可以使两个信息深度交织，延时时间在8至112微妙之间；最后一种情况是使两个信息完全交织，延时时间在0值8微妙之间。5．结束语技术要求中规定的技术指标还有很多，限于篇幅，在这里就不全面介绍。一些较好理解且测试方法规范的功能性指标也没有必要在这里做过多的描述，大家可以通过本文举一反三地去组织自己的测试方法。参考文献[1]顾春平.空中交通管制新技术监视新技术简介[J].现代雷达,2010,32(9):1-7.[2]EUROCONTROL,STANDARDDOCUMENTFORSURVEILLANCEDATAEXCHANGEPart12:Category021ADS-BMessages,Edition0.26,2005.[3]EUROCONTROL,STANDARDDOCUMENTFORSURVEILLANCEDATAEXCHANGEPart16:Category023CNS/ATMGroundStationandServiceStatusReports,Edition1.2,2009.[4]EUROCONTROL,STANDARDDOCUMENTFORSURVEILLANCEDATAEXCHANGEPart