论文总字数：21112字

摘 要

广播式自动相关监视（ADS-B）是下一代航空运输系统的关键元素之一。由于航空系统变得越来越复杂，雷达技术的高成本问题，ADS-B技术逐渐取代了雷达技术的位置。利用ADS-B获取飞机信息是目前航空领域采用的方案，本次设计旨在熟悉ADS-B技术，利用最少的成本制作出便携的ADS-B接收机，发现ADS-B的优点以及存在的不足。但同时，ADS-B技术也存在着相关安全问题。

本文主要探讨了ADS-B协议的机理，并且利用简单的硬件设备和软件平台进行ADS-B消息的捕获。本文主要工作包括：

1.学习和研究相关理论知识，包括ADS-B协议、GNURADIO平台等。

2.通过分析ADS-B相关的协议标准，从中解调出需要的飞机的位置等信息。

3.设计并搭建了航空飞行器追踪系统。SDR接收机接收到ADS-B消息，通过软件无线电平台进行解调，最后将飞机的位置进行显示。

关键词： ADS-B协议，GNURADIO，SDR接收机

Design and implement air vehicle trajectory tracking

Abstract

Automatic dependent surveillance broadcast (ads-b) is one of the key elements of the next generation air transportation system.Because the aviation system is becoming more and more complex, radar technology of the high cost problem, ads-b technology gradually replace the position of radar technology.Ads-b is used to collect the plane information is the solution that is used by the aviation sector this is designed to be familiar with the ads-b technology, using the least amount of cost to produce portable ads-b receiver, find the advantages and existing shortcomings of ads-b.But at the same time, ads-b technology also exists the security problem related.

This paper mainly discusses the mechanism of ads-b agreement, and use simple hardware and software platform for the capture of ads-b message.In this paper, the main work includes:

1. Study and research on the related theory knowledge, including ads-b agreement, GNURADIO platform, etc.

2. Through the analysis of the protocol of ads-b related standards, get the demodulation needs the information such as the location of the plane.

3. Design and build the air vehicle tracking system.The SDR receiver receives ads-b message, through the software radio platform for demodulation, finally will be according to the location of the plane.

KEY WORDS: ADS-B protocol , GNURADIO, SDR receiver

目录

摘 要 I

Abstract II

目录 III

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 发展与现状 2

1.3 本文工作 3

1.4 论文结构 3

第二章 相关理论和协议概述 4

2.1 ADS-B技术 4

2.2 GNURADIO平台 7

2.2.1 LINUX基本概念 7

2.2.2 RTL2832接收机——SDR前端 7

2.3 SDR 8

第三章 航空飞行器轨迹追踪设计与实现 9

3.1 总体设计 10

3.1.1 设计目标 10

3.1.2 系统架构 10

3.1.3 方案比较 13

3.1.4 系统环境 14

第四章 系统测试及分析 16

4.1 测试概述 16

4.1.1 测试环境 16

4.1.2 测试 16

4.1.3分析比较 16

第五章 总结与展望 18

参考文献 19

致谢 19

第一章 绪论

1.1 引言

随着智能交通技术的迅速发展，航空领域的发展也变得异常快速。为了适应航空领域的发展，雷达技术不断的发展起来。但是随着航线的扩张以及雷达技术的高额成本，雷达技术已经不能适用于普通民航的要求。因此，人们为了适应需求研发了ADS-B技术。在空中交通管理上就应用到了ADS-B技术，它是一种虚拟的类似雷达系统的服务，可以帮助那些没有雷达设备的地区进行有效的空中交管；而已经装备有雷达的地区，可以在现有的条件基础上通过运用ADS-B技术来减少空中交通管制的成本，也同时提高了航空交通的运行效率。通过在ADS-B地面站的多设备连接通信，在雷达系统的基础上实行较高效率的监视。ADS-B的监视范围也是相当的可观的，并且实现了对航空飞行器的动态监视，改善飞行质量。飞机在飞行过程中周期的传播ADS-B消息，保证了与其他飞行器之间的良好沟通，确保飞行的安全性和实时性。综上所述，ADS-B技术的迅速发展，标志着空中交通监视将会发生翻天覆地的变化。

ADS-B技术的一大特点就是能够高效的实现飞机与飞机之间的互相监视。ADS-B消息的发送时自发式的，因此，它避免了应答式机载避撞系统所需要的先发出询问信号再进行接收，因此极大的提高了必装系统的性能，可以使飞机能够在确保安全的情况下实现最小距离飞行。ADS-B技术的这一特点，将飞行的安全监视问题更多的交给了飞机与飞机之间的相互监视，减少了地面站的压力，从而也就实现了空中交通管制的灵活性。

ADS-B技术同时也运用在了地面站的监视。其优点是能够降低地面监视所需要的成本。就拿雷达系统作为例子，由于机场的占地面积相当的庞大，因此即使在地面站安装了雷达，也无法完完全全的覆盖到每个角落，实现无死角的地面监视。而利用ADS-B技术可以通过对其发送出的消息的解析，对飞行器在地面也实施有效的监视，为雷达系统提供更加全面的监视信息，从而实现有效的地面监视管理。

ADS-B技术可以使空中飞行器的资源完全共享化。在对飞行器进行监视的过程中获取的ADS-B消息中解析出来的飞机信息，既对空中交管提供了非常高效且实时的帮助，也对航空公司的管理提供了显著的资源。ADS-B技术完美的取代了传统监视技术监视信息国语复杂，获取信息成本较高，远程监视能力差等诸多问题，加快了空中交管的发展，推动了新一代航空管理体制的改革。

1.2 发展与现状

1.美国的研究现状：美国是国际航空业最发达的国家，其空管系统的建设、运行和管理方面十分完备和值得借鉴[2]。

从2000年开始，在阿拉斯加实施CAPSTONE项目，项目目的是为了测试和分析ADS-B技术。因为阿拉斯加的地形险恶不利于建设雷达设备，所以ADS-B技术在该地区就凸显出了其绝对性的优势；美国目前来看有约180架飞机装载了基于UAT 的ADS-B设备。美国联邦航空管理局在2001年批准了阿拉斯加部分地区的ADS-B设备装载，从统计数据上看，仅用了两年的时间，阿拉斯加地区的飞行事故率降低了86%，死亡事故率降低来了90%，飞行安全的问题终于有了非常明显的解决。

美国联邦航空管理局的中期规划的描述：

利用ADS-B消息解析出来了的飞行器的位置、速度、方向等信息，加强空中交管的监视能力。一些安装了ADS-B设备的地面站，需实时的发送当前的交通信息，以便装载了ADS-B设备的飞行器能够获取与地面站一致的当前空中交通状况。使用UAT数据链发送ADS-B OUT消息，以便安装了UAT接收机的飞行器获取有效的信息。

2012年以后：

除了民用的飞机之外，一些商用飞行器也需配备ADS-B设备以确保达到各航空领域的飞行要求，所有的ADS-B消息体制能够按照流程进行高效的持续的运转，而通用的航空依然配备ADS-B设备，由美国生产专用飞机标准机构提供信息广播。

2.欧洲发展现状：

在21世纪初期，由于欧洲实现了一体化，新一代航空技术的发展和应用也在欧洲得到了很好的实施。欧洲空管在2004年5月发布了欧洲实施新航行技术的政策，制定了一个“欧洲民航委员会通过新通信和监视技术应用推进空管一体化”(o-operative ATS through Surveillance and Communication Applications Deployed in ECAC—CASCADE)的实施计划，打响了欧洲的空中交通管制的去啊年改革的第一枪。

3.国内发展现状：

我国并非最早开始研究ADS-B技术的一员，并且我国的技术水平和发展现状并没有达到国外的标准，因此，我国结合实际情况提出了空中交通管理的发展战略。首先，对于ADS-B技术进行有效的测试和评估，以便验证该系统的稳定性和实用性，还有就是要证明当前发展的ADS-B系统是否能够解决我国航空交通管理对飞机进行监视的具体要求，确保飞行器安全可靠的飞行。如果已经满足了上述要求，则首先选择我国的西部地区进行ADS-B系统的安装应用，从而解决西部地区空中交管匮乏的问题，降低西部地区飞行事故的发生率，促进我国各地区和谐发展。不断的引进国外最先进的ADS-B技术的研究成果，逐步在全国各地区实现ADS-B技术的推进工作，从而提高整个国家的航空领域监视能力和航空领域的使用，以便满足不断扩大的航空空域的需求和航空安全的要求。在现有的雷达技术的基础上融入ADS-B技术，提高监视的效率和降低运营成本。

1.3 本文工作

本文主要探讨了ADS-B协议的机理，并且利用简单的硬件设备和软件平台进行ADS-B消息的捕获。本文主要工作包括：

1. 学习和研究相关理论知识，包括ADS-B协议、GNURADIO平台等。
2. 通过分析ADS-B相关的协议标准，从中解调出需要的飞机的位置等信息。
3. 设计并搭建了航空飞行器追踪系统。SDR接收机接收到ADS-B消息，通过软件无线电平台进行解调，最后将飞机的位置进行显示。

1.4 论文结构

本论文共分为五章：

第一章，绪论：介绍课题背景、研究现状以及论文的主要工作和结构。

第二章，介绍了ADS-B协议、软件无线电平台等知识。

第三章，设计航空飞行器追踪系统。

第四章，对所设计的航空飞行器追踪系统进行测试，将接收机放置于飞机场几百米范围内，观察所得到航迹。

第五章，结束语：对毕设的课题总体的概括分析，找出了存在的问题，提出了改进的方案，供以后参考学习。

第二章 相关理论和协议概述

2.1 ADS-B技术

2.1.1 ADS-B简介

ADS-B技术即广播式自动相关监视技术，[3]是下一代空中交管体制的核心技术，是卫星雷达的继任者。我们领空的增加交通拥堵需要更高效的空中交通管理。为了满足未来的需求,世界各地的航空当局目前正在从传统的空中交通管理进行重大升级为新一代航空运输系统(NextGen)系统。NextGen系统的一个重要的元素就是ADS-B技术。不同于标准雷达监测技术如主监视雷达(PSR)和二次监视雷达(SSR)的飞机从地面天线测量距离和方位，ADS-B允许飞机使用全球导航卫星系统(GNSS)来确定自己的位置，然后通过地面站无线电频率定期播放接近其他飞机。因此, NextGen的主要优势之一是能够不断广播信息高度、航向、速度、和其他航班信息,降低了昂贵的和相对不准确的PSR和SSR的需求。这显著提高了飞行员和空中交通管制员的整体态势感知，空中交通监视的同时减少成本。

图2_1 ADS-B工作原理

由图2_1可以看出，首先，通过飞机上安装的机载GPS设备，获取本机的位置，高度等重要信息；然后将信息传输给机载的处理设备（机载应答机）处理设备将信息重组，形成符合规范要求的消息格式（即ADS-B消息）后，通过机载的上下天线将ADS-B消息发送出去；最后，ADS-B地面站或安装了ADS-B消息接收设备的其他飞机可以接收此ADS-B消息，通过对报文的解析，获取此飞机的位置信息，从而实现对飞机的监视。ADS-B消息的发送方式是周期性的、自动广播的，信息包括本机的身份（包括航班号以及飞机的全球指定的唯一的24位地址码）、经纬度、高度、速度、飞机状态等数据。

ADS-B技术分为ADS-B IN和ADS-B OUT，分别应用于飞机与飞机之间的监视和地面对飞机的监视。ADS-B技术可选的数据链技术有以下三种：

Mode S 1090 ES：本数据链是国际民航组织规定使用的国际通用的数据链。

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