吳仁彪，張露露，胡鐵喬

（中國(guó)民航大學(xué)天津市智能信號(hào)與圖像處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300300）

空域環(huán)境的日益復(fù)雜，電信行業(yè)的蓬勃發(fā)展，導(dǎo)致各種電磁干擾大量增加[1]，加之廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視（ADS-B,automatic dependent surveillance-broadcast）系統(tǒng)的廣播特性和信號(hào)非加密特點(diǎn)[2]，使得ADS-B 信號(hào)很容易受到干擾的影響。主要的干擾類型有欺騙式干擾、壓制性干擾、交織干擾以及FRUIT（false replies unsynchronized in time）干擾等。目前，中國(guó)民航正在積極開展ADS-B 系統(tǒng)的實(shí)施[3-4],而國(guó)內(nèi)外的ADS-B 接收機(jī)大多沒有抗干擾功能[5-6]。因此，設(shè)計(jì)一種ADS-B自適應(yīng)抗干擾接收機(jī)，對(duì)中國(guó)ADS-B 系統(tǒng)的推廣具有重要意義。接收機(jī)監(jiān)控軟件控制著接收機(jī)工作模式，關(guān)系著接收數(shù)據(jù)的處理、顯示，是接收機(jī)工作過程中不可或缺的重要部分。

ADS-B自適應(yīng)抗干擾接收機(jī)的研究還處于起步階段，沒有投入到實(shí)際應(yīng)用。因此，對(duì)抗干擾接收機(jī)設(shè)備性能和指標(biāo)的測(cè)試是其中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)?，F(xiàn)有的接收機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)普遍沒有抗干擾功能，無法滿足ADS-B 抗干擾接收機(jī)設(shè)備的指標(biāo)和性能鑒定要求。

針對(duì)上述接收機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種滿足ADS-B自適應(yīng)抗干擾接收機(jī)功能需求的實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件。軟件通過對(duì)接收機(jī)干擾抑制模塊的參數(shù)配置和功能控制，來實(shí)現(xiàn)整個(gè)接收系統(tǒng)的抗干擾功能。該軟件不僅適用于抗干擾接收機(jī)，也能滿足普通接收機(jī)的監(jiān)控需求，實(shí)用性較強(qiáng)。軟件通過解析ADS-B報(bào)文可以提供空域內(nèi)的飛機(jī)信息和機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面的交通態(tài)勢(shì)信息。同時(shí)，還能對(duì)接收機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，對(duì)接收機(jī)的工作模式進(jìn)行控制。監(jiān)控軟件不僅可以滿足用戶對(duì)交通態(tài)勢(shì)實(shí)時(shí)監(jiān)視的要求，還可以通過監(jiān)控接收機(jī)來測(cè)試設(shè)備性能，大大縮短接收機(jī)的研制周期，為實(shí)現(xiàn)ADS-B 抗干擾接收機(jī)的自主研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。此外，接收機(jī)監(jiān)控軟件還可以用于課堂教學(xué)，解決教學(xué)過程中存在的很多問題，能真正應(yīng)用到實(shí)際中。

1 軟件系統(tǒng)組成架構(gòu)

軟件界面是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的重要部分，ADS-B自適應(yīng)抗干擾接收機(jī)監(jiān)控軟件基于Visual Studio 2012開發(fā)平臺(tái)，建立了科學(xué)、便捷的人機(jī)交互界面，用于實(shí)現(xiàn)接收機(jī)的數(shù)據(jù)監(jiān)視、狀態(tài)監(jiān)視以及功能控制。針對(duì)ADS-B 抗干擾接收機(jī)的功能需求，設(shè)計(jì)的軟件總體框架如圖1所示。

圖1 監(jiān)控軟件總體框架Fig.1 Overall framework of monitoring software

監(jiān)控軟件包括監(jiān)視數(shù)據(jù)顯示模塊、接收機(jī)狀態(tài)監(jiān)視模塊、接收機(jī)控制模塊、通信模塊4 部分，各個(gè)模塊的具體功能如圖2所示。

圖2 監(jiān)控軟件功能模塊Fig.2 Function module of monitoring software

1.1 監(jiān)視數(shù)據(jù)顯示模塊

監(jiān)視數(shù)據(jù)顯示模塊分為地圖背景顯示和飛行目標(biāo)航跡信息顯示兩部分。

地圖背景顯示是飛行目標(biāo)航跡顯示的基礎(chǔ)[7]，其通過導(dǎo)入外部地理信息文件實(shí)現(xiàn)。當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)，軟件會(huì)自動(dòng)加載預(yù)設(shè)的地圖數(shù)據(jù)文件，從而完成中國(guó)地圖邊界以及文本元素的繪制，同時(shí)還可以對(duì)地圖進(jìn)行放大、縮小、拖動(dòng)等操作。地圖顯示功能通過調(diào)用相關(guān)的控件及函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地圖的基本操作，并對(duì)顯示內(nèi)容進(jìn)行設(shè)置。通過解析ADS-B 報(bào)文可得到飛機(jī)航跡顯示的數(shù)據(jù)信息，該功能不僅可為用戶提供實(shí)時(shí)的飛行目標(biāo)航跡數(shù)據(jù)顯示，還能對(duì)接收機(jī)的接收性能進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

1.2 接收機(jī)狀態(tài)監(jiān)視模塊

接收機(jī)狀態(tài)監(jiān)視模塊通過采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)確定系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，完成對(duì)接收機(jī)各個(gè)部件的工作狀態(tài)和工作模式的監(jiān)視。一般狀態(tài)參數(shù)用于監(jiān)測(cè)報(bào)文接收時(shí)間、連續(xù)工作時(shí)間、報(bào)文正確接收率等信息。設(shè)備參數(shù)用于監(jiān)測(cè)各部件溫度、電壓、設(shè)備的工作狀態(tài)等。狀態(tài)監(jiān)視模塊能夠?qū)邮諜C(jī)工作中的存在的風(fēng)險(xiǎn)發(fā)出預(yù)警，提醒用戶及時(shí)排查故障。

1.3 接收機(jī)控制模塊

接收機(jī)控制模塊通過分析監(jiān)視數(shù)據(jù)，完成控制命令的發(fā)送，實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)的功能控制。模塊分為4 部分包括：基本設(shè)置、網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)置、抗干擾設(shè)置、中頻控制設(shè)置。

基本設(shè)置包括登錄密碼設(shè)置，輸出報(bào)文設(shè)置，看門狗設(shè)置等各類控制信息。網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)置用于對(duì)本地IP 地址、3個(gè)客戶IP 地址以及各個(gè)數(shù)據(jù)端口進(jìn)行設(shè)置，以完成設(shè)備間的通信?？垢蓴_設(shè)置包括各類干擾抑制，并根據(jù)干擾抑制情況進(jìn)行解碼數(shù)據(jù)選擇。中頻控制對(duì)8 路下變頻器通道進(jìn)行衰減補(bǔ)償設(shè)置，并設(shè)置本振頻率和全部通道衰減補(bǔ)償?shù)取?/p>

1.4 通信模塊

通信模塊采用TCP/IP 協(xié)議來實(shí)現(xiàn)上位機(jī)軟件和下位機(jī)之間的信息傳輸。由于監(jiān)控軟件各個(gè)模塊所使用數(shù)據(jù)的特點(diǎn)不同，需要采用不同的傳輸協(xié)議。為實(shí)時(shí)顯示飛行目標(biāo)航跡，軟件需要高速處理ADS-B 報(bào)文，因而采用傳輸速度快的用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議(UDP,user datagram protocol)完成顯示模塊與下位機(jī)間的通訊。接收機(jī)狀態(tài)監(jiān)視模塊及控制模塊對(duì)通訊質(zhì)量要求較高，為保證數(shù)據(jù)可靠傳輸，選擇傳輸控制協(xié)議(TCP,transmission control protocol)進(jìn)行通訊。

2 關(guān)鍵單元設(shè)計(jì)

2.1 報(bào)文解析及航跡顯示

2.1.1 報(bào)文解析

報(bào)文解析系統(tǒng)需要處理接收機(jī)高速發(fā)送的ADSB Category(Cat)021（簡(jiǎn)稱Cat021）報(bào)文，為了有效監(jiān)測(cè)接收機(jī)工作性能，需要對(duì)Cat021 報(bào)文進(jìn)行準(zhǔn)確全面的解析，分析飛行目標(biāo)的位置、狀態(tài)等信息。通過分析Cat021 報(bào)文標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)幀格式，設(shè)計(jì)了報(bào)文解析算法[8]和數(shù)據(jù)處理程序的功能結(jié)構(gòu)，對(duì)接收的報(bào)文進(jìn)行實(shí)時(shí)解析，并將結(jié)果分類存儲(chǔ)以供航跡信息顯示使用。報(bào)文解析流程如圖3所示。

圖3 報(bào)文解析流程圖Fig.3 Flowchart of message decoding

2.1.2 地圖繪制

地圖背景繪制需要載入外部數(shù)據(jù)文件，由于所使用的數(shù)據(jù)文件采用的是世界大地坐標(biāo)系(WGS-84,world geodetic system-1984 coordinate system)，因此需要先進(jìn)行大地坐標(biāo)到客戶區(qū)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，才能完成地圖繪制。監(jiān)控軟件顯示界面的地理信息坐標(biāo)轉(zhuǎn)換采用墨卡托投影[9-10]實(shí)現(xiàn)，地圖背景的繪制由可以實(shí)現(xiàn)不同功能的各類完成。其中，CoorTranslate類用于坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，提供了坐標(biāo)轉(zhuǎn)換函數(shù)，CMapDefin類用于存儲(chǔ)地圖繪制所需的顏色、字體，CMapDraw類通過LoadLBHMap()和DrawBackground()等函數(shù)完成地圖文件的加載和地理元素的繪制。

2.1.3 飛行目標(biāo)及信息顯示

飛行數(shù)據(jù)監(jiān)視是接收機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，通過對(duì)Cat021 報(bào)文解碼，實(shí)現(xiàn)航跡信息的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示。顯示內(nèi)容主要分為飛行目標(biāo)和飛行信息兩部分。飛行目標(biāo)顯示包括飛機(jī)圖標(biāo)、飛行航向、歷史航跡、飛機(jī)標(biāo)牌等內(nèi)容，飛行信息則以列表方式顯示飛行目標(biāo)的經(jīng)緯度、當(dāng)前高度層、當(dāng)前速度、航跡角等各項(xiàng)詳細(xì)數(shù)據(jù)。此外，每隔一段時(shí)間對(duì)飛機(jī)顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，若長(zhǎng)時(shí)間未更新，則刪除當(dāng)前飛機(jī)圖標(biāo)和相關(guān)信息。飛行目標(biāo)及信息顯示流程如圖4所示。

圖4 飛行目標(biāo)及信息顯示流程圖Fig.4 Flowchart of flight target and information display

2.2 通信協(xié)議定義

為了實(shí)現(xiàn)監(jiān)控軟件與下位機(jī)之間通信的及時(shí)性與可靠性，定義了適用于ADS-B 抗干擾接收機(jī)監(jiān)控軟件的TCP 傳輸協(xié)議。傳輸協(xié)議規(guī)定了運(yùn)行數(shù)據(jù)接收和控制命令發(fā)送兩部分。運(yùn)行數(shù)據(jù)接收部分通過讀取接收機(jī)的狀態(tài)數(shù)據(jù)和設(shè)備工作參數(shù)來監(jiān)測(cè)接收機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，并對(duì)異常情況進(jìn)行報(bào)告。控制命令發(fā)送部分通過改變工作參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)的控制。此外，還根據(jù)數(shù)據(jù)特點(diǎn)對(duì)不同類型數(shù)據(jù)制定了不同傳輸周期，使頻率變化高的狀態(tài)數(shù)據(jù)能及時(shí)傳輸、實(shí)時(shí)顯示，如設(shè)備溫度、電壓、接收?qǐng)?bào)文數(shù)等；而頻率變化低的接收機(jī)控制參數(shù)只在軟件初始運(yùn)行和參數(shù)發(fā)生變化時(shí)進(jìn)行傳輸。

2.2.1 數(shù)據(jù)幀格式定義

傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀由幀頭、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、命令字、數(shù)據(jù)信息、校驗(yàn)和等幾部分組成。傳輸消息起始字符為2 字節(jié)長(zhǎng)度的特定數(shù)據(jù)，起始字符可自由定義，結(jié)束字符為1 字節(jié)的校驗(yàn)和，數(shù)據(jù)信息的長(zhǎng)度根據(jù)傳輸內(nèi)容的不同而相應(yīng)改變。各消息命令的數(shù)據(jù)幀具體格式如表1所示。

上位機(jī)與下位機(jī)連接成功后監(jiān)控軟件會(huì)接收到狀態(tài)數(shù)據(jù)，界面顯示窗口根據(jù)接收信息解析數(shù)據(jù)并進(jìn)行狀態(tài)更新，更新頻率為每秒1 次，如圖5所示為一條狀態(tài)信息包含的數(shù)據(jù)內(nèi)容。

表1 數(shù)據(jù)幀格式定義Tab.1 Data frame format definition

圖5 接收機(jī)狀態(tài)信息Fig.5 Status information of receiver

2.2.2 數(shù)據(jù)傳輸流程

數(shù)據(jù)接收時(shí)，需要對(duì)數(shù)據(jù)幀的幀頭、消息類型和校驗(yàn)和進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)通過后按數(shù)據(jù)長(zhǎng)度循環(huán)接收數(shù)據(jù)，即可得到完整的數(shù)據(jù)幀。數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，需按照通信協(xié)議約定生成控制命令，再將其填入發(fā)送緩沖區(qū)，狀態(tài)數(shù)據(jù)接收和控制命令發(fā)送的實(shí)現(xiàn)流程分別如圖6、圖7所示。

圖6 運(yùn)行信息接收流程圖Fig.6 Operational information receiving flowchart

圖7 控制命令發(fā)送流程圖Fig.7 Control information sending flowchart

2.3 監(jiān)控功能設(shè)計(jì)

2.3.1 總體類型設(shè)計(jì)

監(jiān)控軟件功能主要圍繞接收機(jī)數(shù)據(jù)監(jiān)視、工作狀態(tài)監(jiān)視以及接收機(jī)控制幾部分設(shè)計(jì)。軟件界面采用微軟基礎(chǔ)類庫(kù)（MFC,microsoft foundation classes）實(shí)現(xiàn)，利用多個(gè)不同功能的類實(shí)現(xiàn)用戶與軟件顯示界面之間的交互操作。軟件主要類型如下。

1）CSurveillanceCtrlDlg 軟件的主窗口類，該類完成各參數(shù)初始化、文件配置、線程控，設(shè)置定時(shí)器，并處理各類事件、各消息響應(yīng)函數(shù)，以實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面交互功能。

2）CTarAnalysis 數(shù)據(jù)解析類，完成Cat021 報(bào)文數(shù)據(jù)的解析，主要包含各數(shù)據(jù)項(xiàng)字段的提取、解析和數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，并對(duì)解析數(shù)據(jù)進(jìn)行分類存儲(chǔ)。

3）CTrackDisplay 航跡顯示類，實(shí)現(xiàn)飛行目標(biāo)和目標(biāo)詳細(xì)信息的實(shí)時(shí)顯示，通過飛行數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)接收機(jī)工作性能的監(jiān)測(cè)，包含各類消息結(jié)構(gòu)體定義及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換函數(shù)。

4）CSubComputerControl 下位機(jī)控制類，是接收機(jī)控制功能的主窗口類，主要完成軟件與下位機(jī)的連接，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，及各設(shè)備功能配置。

5）CAntiJamming 抗干擾模塊設(shè)置類，用于抗干擾功能設(shè)置，主要包括抗欺騙式干擾和抗壓制式干擾兩部分，并根據(jù)干擾抑制情況選擇解碼通道。

6）CDownConverter 中頻控制類，完成中頻控制功能，對(duì)下變頻器各個(gè)通道進(jìn)行衰減補(bǔ)償，并設(shè)置本振頻率。

7）CInterfaceSet網(wǎng)絡(luò)設(shè)置類，完成各IP 地址和網(wǎng)絡(luò)端口的設(shè)置。

8）CReceiverStatus 接收機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)類，用于存儲(chǔ)、顯示設(shè)備狀態(tài)，主要包括設(shè)備溫度、電壓、運(yùn)行情況等，并對(duì)異常情況發(fā)出預(yù)警。

2.3.2 抗干擾模塊設(shè)計(jì)

抗干擾模塊是ADS-B自適應(yīng)抗干擾接收機(jī)監(jiān)控軟件的重要部分，完成對(duì)接收機(jī)干擾抑制模塊的監(jiān)視和控制?？垢蓴_模塊包含的主要內(nèi)容有抗干擾參數(shù)設(shè)置，抗干擾模式的切換以及根據(jù)接收機(jī)干擾抑制情況選擇信號(hào)解碼通道等。軟件中抗干擾模塊的設(shè)計(jì)主要通過類CAntiJamming 實(shí)現(xiàn)，類中包含的重要函數(shù)有信息采集函數(shù)DataInput()、信息顯示函數(shù)InfoShow()、設(shè)置更改函數(shù)InfoChange()以及命令發(fā)送函數(shù)InfoOutput()。

抗干擾模塊的運(yùn)行流程如圖8所示，監(jiān)控軟件收到下位機(jī)發(fā)送的設(shè)備信息后，解碼信息內(nèi)容并對(duì)下位機(jī)干擾抑制模塊進(jìn)行監(jiān)視。當(dāng)更改功能模式時(shí)，將更改數(shù)據(jù)添加到發(fā)送信息對(duì)應(yīng)表中，發(fā)送變更數(shù)據(jù)到網(wǎng)絡(luò)，并啟動(dòng)下位機(jī)對(duì)應(yīng)處理程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾抑制模塊的控制。

圖8 抗干擾模塊運(yùn)行流程圖Fig.8 Working flow of anti-interference module

3 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果驗(yàn)證

通過航跡數(shù)據(jù)監(jiān)視的基本功能設(shè)置界面，設(shè)置目標(biāo)有效時(shí)間為10 s，最大監(jiān)視目標(biāo)數(shù)為100，屏幕刷新周期為2 s。此外，還能對(duì)地圖、航跡等顯示內(nèi)容進(jìn)行設(shè)置。

圖9為下位機(jī)控制界面，用于對(duì)接收機(jī)工作模式進(jìn)行設(shè)置，包括抗干擾抑制、網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)置、中頻控制等，同時(shí)可顯示一些主要的統(tǒng)計(jì)信息，如報(bào)文接收數(shù)目、已收到的飛機(jī)數(shù)、故障碼等。此外，還能顯示接收機(jī)工作狀態(tài)參數(shù)，如各部件的溫度、電壓，并對(duì)異常情況發(fā)出故障警報(bào)。

圖9 下位機(jī)控制界面Fig.9 Subcomputer control interface

為驗(yàn)證ADS-B 抗干擾接收機(jī)監(jiān)控軟件在實(shí)際應(yīng)用中的性能，采集了天津?yàn)I海國(guó)際機(jī)場(chǎng)飛行數(shù)據(jù)，并根據(jù)上述參數(shù)對(duì)航跡顯示和接收機(jī)的工作模式進(jìn)行了設(shè)置，實(shí)時(shí)顯示飛機(jī)架數(shù)為33 架，運(yùn)行顯示界面局部放大圖如圖10所示。

圖10 監(jiān)控系統(tǒng)界面局部放大圖Fig.10 Partial enlargement of monitoring system interface

4 結(jié)語(yǔ)

從實(shí)際出發(fā)，針對(duì)抗干擾接收機(jī)的需求，設(shè)計(jì)了用于ADS-B自適應(yīng)抗干擾接收機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件。通過接收天津?yàn)I海國(guó)際機(jī)場(chǎng)的實(shí)際飛行數(shù)據(jù)，對(duì)監(jiān)控軟件的各項(xiàng)功能進(jìn)行了逐一測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明該監(jiān)控軟件能夠可靠運(yùn)行，符合設(shè)計(jì)要求，且有著良好的實(shí)時(shí)性、靈活性、可靠性和擴(kuò)展性，縮短了ADS-B自適應(yīng)抗干擾接收機(jī)的研發(fā)周期，節(jié)約了成本。實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)需要靈活擴(kuò)展功能，具有一定的實(shí)用價(jià)值。