一种适用于高灵敏度星载ADS-B接收机的信号处理方法
技术领域
本发明属于航空监视技术领域，涉及一种适用于高灵敏度星载ADS-B接收机的信号处理方法。
背景技术
由于卫星与飞行器距离远，ADS-B信号微弱，信噪比低，经计算需处理最小功率为-102dBm信号，且译码率需达到90％以上，需要高灵敏度的星载ADS-B接收机，而陆基ADS-B接收机仅可处理功率最小为-90dBm信号，信号处理方法不适用。现有星载ADS-B接收机的信号处理针对星基ADS-B接收机的特点，对陆基ADS-B接收机信号处理方法进行改进，但未达灵敏度要求，无法完成对接收天线覆盖范围内经飞行器发射的ADS-B信号的有效接收，影响星载ADS-B接收机的可用性。
现阶段，星基ADS-B接收机信号处理采用基于陆基ADS-B接收机信号处理流程的改进。传统的陆基接收机ADS-B信号信号处理方法如附图1所示，天线接收的Mode S 1090MHzADS-B信号经射频解调得到中频信号，数模转换后经数字下变频解调获得数字基带信号，后经过低通滤波，滤除带外噪声后实施帧头检测进行同步，此处的帧头检测为基于脉冲沿、脉冲形状与脉冲功率的方法，而星载条件下脉冲失真大，此种方法下检测率无法达到星载ADS-B接收机灵敏度要求，帧头检测后进行位判决与置信度提取，位判决采用中心比较法，利用信息少，后对位判决后的消息比特进行CRC检错，不进行纠错，而星载条件下错误位数多，需进行有效纠错提升译码率，CRC如正确，本消息成功译码，若校验错误，丢弃本消息。传统的陆基接收机ADS-B信号处理流程简单，运算量小，且未考虑利用相干解调手段提升灵敏度，无法完成星载条件下微弱信号的译码。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种适用于高灵敏度星载ADS-B接收机的信号处理方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种适用于高灵敏度星载ADS-B接收机的信号处理方法，包括以下步骤：
S1：天线接收的ADS-B信号经射频解调得到中频信号，经数模转换后通过数字下变频解调获得数字基带信号；
S2：将数字基带信号进行低通滤波，初步滤除带外噪声；
S3：进行粗同步检测，提取粗同步信号段；
S4：进行粗频偏与相偏估计和补偿；
S5：经过一个信号带宽的升余弦滤波器，提升信噪比；
S6：进行精同步检测，提取精同步信号段；
S7：进行非相干解调，若非相干解调通过了CRC校验，则输出ADS-B消息；若未通过，则实施步骤S8；
S8：进行精频偏与相偏估计和补偿，并进行相干解调，若相干解调通过了CRC校验，则输出ADS-B消息；若未通过，则丢弃本条数据。
进一步，步骤S2中进行低通滤波的低通滤波器带宽为信号带宽与预留的频偏值之和，避免由于带宽过小导致信号功率的损失，并转换到合适的采样率。
进一步，所述步骤S3具体包括以下步骤：
S31：信号通过低通滤波器，聚集信号能量，提取能量峰值得到可能包含ADS-B信号的时间范围，同时估算此时间范围内本条消息的信噪比；
S32：依据信噪比设置区间，在存储器中提取在此区间范围内的信号段，每个信号段内仅包含一条ADS-B消息，粗同步检测与信号段提取便于提升同步的检测概率、降低同步的虚警率，信号段提取便于后续步骤的并行实现。
进一步，所述步骤S4具体包括：
在每个信号段中采用快速傅里叶变换，估计粗频偏与相偏，在信号段内补偿，将频偏限制在一定范围内。信号实部(虚部)包络的频率降低，便于在精频偏与相偏估计时提升整体频偏与相偏估计的分辨率与估计范围，且为精频偏与相偏估计时进行实部(虚部)包络拟合创造条件，另外由于经过了一定的频偏估计与补偿，可消除绝大部分频偏，使得可用带宽近似为信号带宽的低通滤波器滤除更多带外噪声，提升信噪比。
进一步，所述步骤S6具体包括以下步骤：
由于ADS-B信号的帧头与前3bit波形固定，采用匹配滤波法，滤波器的冲激响应设置为ADS-B信号的帧头与固定的前3bit，在粗频偏与相偏补偿并滤波后的信号段内进行滤波，提取峰值，确定帧头位置，在存储器中提取所述帧头位置后信号长度的信号段。
此时获得了完成同步的ADS-B消息，本发明中的粗同步与精同步结合的同步算法充分利用了信号段与噪声之间的能量差别、帧头和固定数据位的固定波形信息，与原有的基于脉冲沿、脉冲形状与脉冲功率的同步方法相比，虚警率低、检测率高。经过试验验证，在信噪比为1.01dB时，若想达到检测率为100％，“仅精同步”的方法虚警率高达76.9％，而本发明中的同步方法无虚警出现。在信噪比为2.01dB时，本发明中的同步方法检测率相较于原有方法提高了99％。
进一步，步骤S7中所述非相干解调包括以下步骤：
位判决与置信度提取：获得每个可能消息的数据和置信度矩阵，置信度矩阵的提取采用最大似然比法；
检错与纠错：对位判决后的数据进行CRC校验，在CRC校验不通过的情况下，结合所述置信度矩阵进行暴力译码，对暴力译码结果进行CRC校验以验证译码结果。
进一步，步骤S8中所述精频偏与相偏估计和补偿，具体包括：
精频偏与相偏估计采用线性插值后最小二乘拟合的方法，估计出频偏与相偏数值后，在存储器中提取信号段进行补偿。
由于ADS-B信号是脉冲位置调制信号，脉冲位置分布不均，插值可以使最小二乘估计的时间矩阵固定，从而避免求逆运算，降低矩阵运算的复杂度，插值后对相位进行最小二乘拟合，进一步消除频偏与相偏。
本发明中针对星基ADS-B信号设计的频偏与相偏估计和补偿方法使信号在译码时提升了约3dB信噪比，而原信号处理方法中未使用频偏与相偏估计和补偿以实现相干解调提升译码率，且一般的频偏与相偏估计和补偿一般仅利用固定位，而本发明中的方法为利用整段消息，经过实验验证，在SNR(2MHz)＝5.061dB时，非相干解调、相干解调的译码率的译码率分别为58.8％、90.7％，译码率有很大提升且译码率超过90％，相干解调的方法性能提升明显。
进一步，步骤S8中的相干解调步骤与步骤S7中非相干解调步骤相同。
本发明的有益效果在于：
1、本发明提供的信号处理方法灵敏度≥-102dBm(译码率≥90％)，可完成对接收天线覆盖范围内经飞行器发射的ADS-B信号的有效接收。
2、本发明提供的信号处理方法使用了粗信号同步和精信号同步的方法，检测率高，虚警率低，译码成功率相比传统方法高。
3、本发明提供的信号处理方法使用了粗频偏估计与补偿和精频偏与相偏估计和补偿的方法，利用了相位信息提升灵敏度，对发射机、信道、接收处理中造成的频/相偏适应性好，在频/相偏严重时，译码成功率相比传统方法高。
4、本发明提供的信号处理方法针对星上硬件资源设计，便于硬件移植。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为传统的陆基接收机ADS-B信号信号处理方法流程图；
图2为本发明所述适用于高灵敏度星载ADS-B接收机的信号处理方法流程示意图；
图3为本发明实施例所述正确解包率与信号功率的曲线。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
本发明提供一种适用于高灵敏度星载ADS-B接收机的信号处理方法，如附图2所示，天线接收的Mode S 1090MHz ADS-B信号经射频解调得到中频信号，数模转换后数字下变频解调获得数字基带信号，经低通滤波(1)，初步滤除带外噪声，此处的低通滤波器带宽为信号带宽与预留的频偏值之和，避免由于带宽过小导致信号功率的损失，并转换到合适的采样率。
后进行粗同步检测，信号通过低通滤波器，聚集信号能量，提取能量峰值得到可能包含ADS-B信号的时间范围，同时估算此时间范围内本条消息的信噪比，依据信噪比设置区间，在存储器中提取在此区间范围内的信号段，每个信号段内仅包含一条ADS-B消息，粗同步检测与信号段提取便于提升同步的检测概率、降低同步的虚警率，信号段提取便于后续步骤的并行实现。
接下来进行粗频/相偏估计与补偿，在每个信号段中采用快速傅里叶变换，估计粗频/相偏，在信号段内补偿，补偿后将频偏限制在一定范围内，信号实部(虚部)包络的频率降低，便于在精频/相偏估计时提升整体频/相偏估计的分辨率与估计范围，且为精频/相偏估计时进行实部(虚部)包络拟合创造条件，另外由于经过了一定的频偏估计与补偿，可消除绝大部分频偏，使得可用带宽近似为信号带宽的低通滤波器滤除更多带外噪声，提升信噪比，在此处估计后便经过一个信号带宽的升余弦滤波器，为图中的低通滤波(2)，进一步提升信噪比。
后进行精同步检测，由于ADS-B信号的帧头与前3bit波形固定，采用匹配滤波法，滤波器的冲激响应设置为ADS-B信号的帧头与固定的前3bit，在粗频/相偏补偿并滤波后的信号段内进行滤波，提取相关峰值，确定帧头位置，在存储器中提取此帧头位置后信号长度的信号段。
此时获得了完成同步的ADS-B消息，本发明中的粗同步与精同步结合的同步算法充分利用了信号段与噪声之间的能量差别、帧头和固定数据位的固定波形信息，与原有的基于脉冲沿、脉冲形状与脉冲功率的同步方法相比，虚警率低、检测率高。经过试验验证，在信噪比为1.01dB时，若想达到检测率为100％，“仅精同步”的方法虚警率高达76.9％，而本发明中的同步方法无虚警出现。在信噪比为2.01dB时，本发明中的同步方法检测率相较于原有方法提高了99％。
然后首先进行非相干解调，非相干解调分为两个步骤，包括位判决与置信度提取、检错与纠错。位判决与置信度提取获得每个可能消息的数据和置信度矩阵，置信度矩阵的提取采用最大似然比法，对位判决后的数据进行CRC校验，在CRC校验不通过的情况下，结合所述置信度矩阵进行暴力译码，对暴力译码结果进行第CRC校验以验证译码结果。若本非相干解调通过了CRC校验，则输出ADS-B消息，如果没有通过，进行精频/相偏估计与补偿。
精频/相偏估计采用线性插值后最小二乘拟合的方法，估计出频/相偏数值后，在存储器中提取信号段进行补偿。由于ADS-B信号是脉冲位置调制信号，脉冲位置分布不均，插值可以使最小二乘估计的时间矩阵固定，从而避免求逆运算，降低矩阵运算的复杂度，插值后对相位进行最小二乘拟合，进一步消除频/相偏。
本发明中针对星基ADS-B信号设计的频/相偏估计与补偿方法使信号在译码时提升了约3dB信噪比，而原信号处理方法中未使用频/相偏估计与补偿以实现相干解调提升译码率，且一般的频/相偏估计与补偿一般仅利用固定位，而本发明中的方法为利用整段消息，经过实验验证，在SNR(2MHz)＝5.061dB时，非相干解调、相干解调的译码率的译码率分别为58.8％、90.7％，译码率有很大提升且译码率超过90％，相干解调的方法性能提升明显。
精频/相偏估计与补偿后再进行一次相干解调，具体步骤与非相干解调相同，若本相干解调通过校验，则输出ADS-B消息，如果没有通过，则丢弃本条数据。
现仿真产生信号功率为-103～-95dBm的各2000条ADS-B中频信号，经过发明的星载ADS-B接收机的信号处理方法，得到正确解包率与信号功率的曲线如图3所示，-102dBm信号的2MHz带宽信噪比为5.3511dB，满足链路预算得出的信噪比要求，其正确解包率达到96.3％，在信号功率为-102dBm时达到译码率≥90％的要求。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
