王 洪，孙清清，李华琼，黄忠涛，何东林

(1.电子科技大学 电子工程学院，成都611731;2.中国民航局第二研究所，成都610041)

1 引 言

随着空中交通容量的快速增长和新技术的出现，空中交通管制正经历从传统航空交通管制雷达信标系统到广播式自动相关监视(Automatic Dependent Surveillance－ Broadcast，ADS－ B)的变革。在欧美发达国家，ADS－B 得到了广泛应用。美国将ADS－ B 作为其NextGen 的重要组成部分，在2014年完成了第二个阶段的计划，在全美范围内铺设了ADS－B 地面设备，全面支持ADS－B OUT 服务，到2020年将增加ADS－B IN 等功能［1］。欧洲则计划到2017年实现ADS－B 的全面应用，以满足欧洲空管一体化计划SESAR(Single European Sky ATM Research)的需求［2］。《中国民用航空ADS－B实施规划》也确定，到2015年底，在全国范围内实现ADS－B 地面设施的布局［3］。在ADS－B 逐渐应用的过程中，出现了新的问题和需求。一方面，二次雷达、ADS－B、多点定位系统、空中交通避撞系统和敌我识别器均使用1090 MHz频率，导致频谱拥塞［4］。另一方面，ADS－B 的应用需求不仅包含监视功能，而且发展到导航和通信功能。除广播经度、纬度、高度、速度、识别码和飞行意图等信息外［5］，还期望发送航行情报、交通状况、机场情报通播等上行广播数据和部分机载座舱显示器的下行信息。但是，1090ES (1090 MHz Extended Squitter)信号长度120 μs，每次只能传输112 bit信息，每秒广播次数不超过6.2 次［6］，传输能力有限。因此，在1090 MHz特殊的频率上扩充容量，不增加1090ES 信号广播次数的条件下传输更多信息具有十分重要的意义。

2 扩容方法论证

ADS－B 1090ES 数据链扩容的前提是:不改变信号的工作频点;不增加信号带宽;不影响现有ADS－B 系统的安全运行;甚至不增加额外的机载或地面设备，而仅在原有设备上增加新的功能。

在上述的前提下，扩容的方法选择有限。第一种容易实现的方式是增加广播频率，突破6.2 次/秒的限制。当广播次数为6.2 次/秒时，信号长度为120 μs，占空比仅0.074 4%。如果将广播次数提高到6.2×4 =24.8 次/秒，新增加的发射信号与原信号依次交替发送不同信息，则可传输额外3 倍的信息，而占空比为0.298%。

但是，上述占空比是对一部ADS－B 发射机计算的结果，实际上，ADS－B 地面接收机作用距离一般在300 km以上，如我国九洲集团的ADS－B 地面站作用距离为350 km，可同时接收到多架飞机的1090ES 信号［7］。《中国民用航空ADS－B 实施规划》中要求ADS－B 数据站可同时处理128 路信号、1024 个目标的航迹，德国研制的Quadrant ADS－B接收机目标容量大于1500 个［8］。仅以128 个目标为例，按6.2 次/秒和24.8 次/秒广播，若1090ES 信号相互不重叠，占空比分别为9.5%和38.1%。但每架飞机的广播时刻相互独立，无法实现信号的依次轮流广播，信号间相互重叠的概率很大，这种同频干扰容易导致高误码率，甚至接收机的检测、解调和解码失效。并且还有TCAS、二次雷达应答信号等的1090 MHz同频干扰，1090 MHz频点将十分拥挤。从该频点使用频次的角度，增加广播次数与增加飞机数量效果相同。

为了解决上述矛盾，可以采用一些折衷的方法。一是干扰移除策略(Interference Mitigation Strategies)，典型的方法是在地面站使用扇区天线，如六扇区天线，每个天线只接收60°范围，从而减少FRUIT 发生的概率。二是功率控制，限制广播信号的功率大小，降低作用距离，目的也是减少发生FRUIT 的概率，但这与ADS－B 广播信号、地面保持监视的原旨相背离，只能适用于一些空－空应用。三是限制扩容的飞机范围，只对有需要的飞机增加广播频率。此外，抗干扰技术也是有效的方法，例如，采用阵列天线，用投影算法或扩展的投影算法，可将混叠的2～3 个S 模式信号分离出来［9］。

第二种扩容的方法是对1090ES 信号进行相位调制，将增加的信息调制到子脉冲的相位上。S 模式的应答信号［10］前8.0 μs为前导脉冲，后面为脉位调制(Pulse Position Modulation，PPM)的数据块，数据块为112 bit，每个bit 周期1 μs，包含两个chip(占位和空位)，前一个chip 高后一个chip 低为数据“1”，后一个chip 高前一个chip 低为数据“0”。ICAO 标准规定的1090 ES 数据链载频为1090 MHz，一个0.5 μs的子脉冲内约有545 个载波周期，目前数据链使用的PPM 调制方式采用连续相位的载波周期，载波相位并没有携带任何数据信息，基于脉冲相位调制的方法可在不增加频点使用和广播次数的前提下提高信息传输容量。因此，本文选择基于脉冲相位调制的方法对1090ES 数据链进行容量扩充。

常用的相位调制的方式有BPSK、QPSK、8PSK、16PSK 等。调相的相位越多，可携带的信息就越多:如使用QPSK 调制方式每个数据位携带2 bit的相位信息，则每一帧信号增加了224 bit信息，每秒总共传输的信息为1.388 kbit;如使用8PSK 调制方式，每个数据位携带3 bit的相位信息，则每一帧信号增加了336 bit信息，每秒总共传输的信息为2.083 kbit。但是调相的相位越多，误码率和可靠性也相应下降，因此，调相方式的选择需要在通信性能和传输速率间进行折衷。

3 扩容的关键技术

3.1 扩容1090ES 信号的调制

扩容信号的调制是一种复合调制方法，第一步是PPM 调制，对112 bit 数据做曼切斯特编码，然后进行幅度调制，获得现有的ADS－B 信号;第二步，对相位调制的信息进行编码(如8PSK 信号可采用格雷码)，然后用于PPM 信号占位脉冲的脉内调相。前导脉冲和前几位数据脉冲一般不用于数据传输，而作为同步信号和零参考相位。

由于国际民航组织(ICAO)对1090 MHz频点的使用有严格限制，信号的－3 dB 带宽为2.4 MHz，－6 dB带宽为8 MHz，因此相位调制后的频谱展宽也须控制在这个范围内。在没有干扰的情况下，导致脉内调相信号频谱展宽的主要原因是相位突变，主要出现在两个连续占位脉冲的高电平邻接处，即PPM 数据出现“01”时。因为前一个比特数据为“0”和后一个比特为“1”时，将产生的一个1 μs的“宽”脉冲，而码元宽度为0.5 μs，此时相位调制可能造成码元邻接处的相位突变。采用8PSK 调制时，最大的相位突变是180°，如图1所示。这种相位突变将导致发射信号的频谱展宽，需要采取适当的措施。

图1 相位突变示例Fig.1 Example of phase change

我们对突变相位采用线性过渡的方法。对1090 MHz的载频，0.5 μs内有545 个周期，在前一个脉冲的后半段0.2 μs和后一个脉冲的前半段0.2 μs之间进行相位变化的分段线性过渡。如当相位突变180°时，采用100 个载波周期进行相位过渡，则每个脉冲周期只需要相位过渡1.8°，该方法可以很大程度上改善信号的频谱性能。图2对比了线性过渡对频谱扩展的改善作用，图中未使用线性过渡的频谱明显宽于过渡后的频谱。

图2 相位过渡对频谱扩展的改善Fig.2 Improvement of phase change on spectrum extension

3.2 扩容1090ES 信号的接收

1090ES 信号的接收主要完成的内容有:射频部分对信号的放大、滤波和下变频至基带信号，信号的检测，信号的解调和解码。射频部分与现有的接收机类似，但要实现正交下变频。根据前导脉冲的检测和信号长度判决1090ES 信号的出现，前导脉冲也做了脉内调相，检测针对信号的包络实现。信号的解调和解码则分两部分，从信号包络实现PPM 信号的解调和解码，而调相信号的解调解码对I/Q 两路实现MPSK 的映射，在解调之前需实现与发射信号的同步。

3.3 扩容1090ES 信号的同步

ICAO 规定的1090ES 信号的载频为1090 ±1 MHz，且机载信号多普勒频移都可能达到几百甚至几千Hz，接收端载频的同步必然很大程度上影响信号的解调性能。以8PSK 调制为例，码元的相位相隔45°，偏离±22.5°将导致判决错误，占位脉冲宽0.5 μs，计算可知载频偏差不能超过125 kHz。由于ADS－B 地面接收机作用面临的ADS－B 发射机可能达到几十到几百部，发射信号持续时间120 μs，脉内重复频率1～6.2 Hz，因此，扩容1090ES 信号是一种特殊的一对多的突发通信，不能采用常规的锁相环实现同步。

由于1090ES 信号采用固定格式，数据段每1 μs内有一个码元，码元的位置可由PPM 脉冲确定，因此，调相信号的时间同步借助PPM 的前导脉冲和数据段的占位脉冲来实现。前导脉冲和前几位数据脉冲做导频和相位同步使用，提供零参考相位。

载波同步采用特殊的方法。首先估计信号的载波频率，精度达到kHz 或10 kHz 量级即可。将1090 ±1 MHz范围内的频率划分为16 个区间，每个区间宽度125 kHz，估计的载波频率落入哪个区间，则按22.5°的整数倍进行相位补偿。在实际使用中可减小125 kHz区间宽度和相应补偿的度数，以防止噪声、干扰和传播等因素的影响。

3.4 扩容1090ES 信号的校验

现有的1090ES 信号采用CRC 冗余编码方式生成24 bit奇偶校验位来保护数据，接收端发现错误后可采用一些纠错技术进行数据校正，纠错方法有“保守”技术和“强力”纠错技术等［11］。扩容信号增加相位调制后数据信息加长了M×112 bit，若继续采用现有的校验方法［12］，校验位长度为M×24 bit，编码效率较低，且前几位用作同步，没有携带调制数据，因此，无需也不能再按112 bit长划分和校验数据。对扩充容量的使用将由国际权威组织制定标准，但扩容数据的校验可从整体考虑。

选择何种编码方式应依据1090ES 扩容数据链的结构以及1090ES 扩容信号比特信息出错的特点。1090ES 信号传输信道中的干扰、噪声以及1090ES 扩容信号的衰落都会使信号发生比特错误，特别是同信道干扰源的影响。1090ES 使用的1090 MHz 信道由多个电子系统共享使用，频谱环境日趋拥塞，FRUIT 和Garble 是主要的干扰形式［13］，需选择对突发错误具有高效纠错能力的编码，如RS 码、LDPC 码等。RS 码原理简单且实现方便，对于短码和中等码的性能较优，但编码效率不够高。LDPC编码接近香农理论极限，利用校验矩阵的稀疏性，可实现高速数据通信，是否适合扩展数据的校验，有待进一步的研究。

3.5 可行性与安全性评估

由于ADS－B 已推广应用，使用这种新技术的接收机需兼容PPM 信号，对两种信号的接收性能需采用实验和理论分析进行评估。更重要的是，调相1090ES信号是否影响现有PPM 信号的正常运行、是否干扰PPM 信号、是否降低接收机的性能等还需论证，以确保两种信号共存的安全性。

1090ES 对脉冲的时域波形和频谱都有严格的要求，扩容信号的时域波形和频谱特性是否符合相应的标准都需要进行评估验证。对于PPM 和PSK混合调制信号的频谱特性已有过一些相关的研究，文献［14］证明了PPM/BPSK 混合调制的频谱特性能够满足D260B 规定的1090ES 信号标准。随着调相技术的逐渐成熟和样机的研制，还需采用外场实验等方法做进一步的评估，论证该方法的可行性。

4 结束语

ADS－ B 具有监视、导航和通信功能，增加1090ES信号传输信息的能力对增强ADS－B 系统的效能、增加新的应用和业务、降低1090 MHz频点的拥塞有重要的意义。本文论述了几种可能的扩容方法，并对基于相位调制的方法进行了详细的分析，提出了相位调制方法所需解决的几个关键问题，特别是提出了多发单收突发通信的同步方法。该方向的研究仅几年时间，技术尚不成熟，各环节采用哪种技术(如校验方法、数据字段的划分和使用等)也没有定论，新的国际标准也只有在这些技术经过严格的验证后才会形成，但传输能力的提高引起了国际权威民航组织的高度重视，并且该扩容技术可拓展到S 模式的其他24 种数据链格式，该技术的研究将成为航空电子领域的又一个新热点。

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