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用于ads-b验证和导航的使用到达角测量的装置、系统和方法

xiaoxiao2020-07-22  2

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用于ads-b验证和导航的使用到达角测量的装置、系统和方法
【专利摘要】本发明涉及用于ADS-B验证和导航的使用到达角测量的装置、系统和方法。针对用于目标飞行器的广播式自动相关监视(ADS-B)验证的接收器,该接收器包括用于接收来自目标飞行器的飞行跟踪信息的第一输入端,其中飞行跟踪信息指示目标飞行器的位置信息。所述接收器还包括用于接收位置和前进方向信息的第二输入端和处理模块,其中位置和前进方向信息指示经配置以连接到接收器的多元阵列天线的位置和方向,处理模块产生源自到达角度数据的测量导向角和源自所指示的目标飞行器的位置信息与限定接收器位置和方向的位置和前进方向信息的目标飞行器的期望导向角。比较器对期望导向角和测量导向角进行比较并验证目标飞行器的ADS-B飞行跟踪信息以及基于该验证输出认证指示。
【专利说明】用于ADS-B验证和导航的使用到达角测量的装置、系统和方法

【技术领域】
[0001]此处介绍的实施例的【技术领域】针对面向时间多路复用天线阵列与基于软件的接收器技术,从而能够获得在960-1215MHZ波段中进行信号到达角(AOA)测量的机会到达角。这些AOA测量的使用允许认证从其他飞行器的广播式自动相关监视(ADS-B)传输,因此使已接收的ADS-B信号的未检测欺骗变得困难。此外,在来自已经工作在960-1215MHZ波段上的各种系统的信号上使用AOA测量能够实现独立的导航功能,其给卫星导航提供选择。

【背景技术】
[0002]ADS-B是一种用于追踪飞行器的监视技术,其作为下一代空中运输系统的部分,并且将取代一些作为控制飞行器的主要监视方法的地面雷达系统。通过使飞行器可视化和实时性,ADS-B增强了空中交通控制(ATC)和其他适当配备的具有每秒都有位置和速率数据传输的ADS-B飞行器的安全性。ADS-B也为廉价飞行跟踪、规划和调度提供数据基础架构。
[0003]ADS-B使用常规全球导航监视系统(GNSS)技术和相对简单的广播式通讯数据链路(ADS-B单元)作为其基础组件。ADS-B包括两种不同的服务,传输的“ADS-B出”信号和接收的“ADS-B进”信号。存在两种已被证明的ADS-B数据链路类型,但是由工作在1090MHz上的商业航空运输飞行器最常使用的其中一种本质上是一种改进的模式S应答机。目前在使用的另一个ADS-B标准被称为全球通用传讯机(UAT),其工作在978MHz上。国际民航组织(ICAO)已经公布了用于那两种系统和工作在VHF频段(118-136)的第三系统(所谓的VHF数据链路模式-4)的标准。此处本发明的描述仅仅考虑到工作在USA( S卩,延伸的模式-S间歇振荡器在1090MHz上,而UAT在978MHz上)的ADS-B系统。然而,通用原理能够应用到任何频段上并且可以应用到其他ADS-B系统,比如VDL模式-4。
[0004]ADS-B使飞行器能够使用普通的GNSS (GPS, GLONASS, GALILEO等)接收器从GNSS星群得到其精确位置,然后将该位置与飞行器状态信息(如速度、前进方向、高度和航班号)组合。然后这个信息通过“ADS-B出”信号被同时地传输给其他有ADS-B功能的飞行器,并传输到ADS-B地面或卫星通讯收发器,然后该收发器实时地中继飞行器的位置和额外信息给ATC中心。
[0005]然而,ADS-B不包括验证接收自传送源的ADS-B信号的规定。欺骗的ADS-B信号相对简单并且可以限制ADS-B的最终用处。GNSS干扰设备广泛可使用,并且ADS-B欺骗可利用现成的设备来完成。地面系统能够使用带有雷达系统的多边法或交叉校验来检测假的ADS-B报告。然而,那两个选择都具有巨额的成本。此处的公开内容介绍了关于那些和其他考虑。


【发明内容】

[0006]应当明白所提供的该概要旨在以简化形式介绍概念的选择,这些概念在下面的【具体实施方式】中会进一步描述。该概要并不旨在用来限制所要求保护的主题的范围。
[0007]在此处公开的一个实施例中,一种用于目标飞行器的ADS-B验证的飞行器接收器包括在接收器端接收来自目标飞行器的ADS-B飞行跟踪信息的第一输入端。ADS-B飞行跟踪信息包括目标飞行器的指示的位置信息。飞行器接收器还包括用于接收位置信息和前进方向信息的第二输入端,其中所述位置信息和前进方向信息指示经配置以连接到接收器的多元阵列天线的位置和方向。飞行器接收器还包括产生源自到达角数据的测量导向角和目标飞行器的期望导向角的处理模块。目标飞行器的期望导向角源自目标飞行器的指示的位置信息和限定接收器位置和方向的位置信息和前进方向信息。处理模块还包括用来比较期望导向角和测量导向角,并验证目标飞行器的ADS-B飞行跟踪信息的比较器。飞行器接收器还包括输出装置,用来基于验证目标飞行器的ADS-B飞行跟踪信息而输出认证指示。
[0008]在此公开的另一个实施例中,一种用于ADS-B验证的系统包括具有接收来自目标飞行器的ADS-B信号的多单元天线阵列的天线阵列组件,其中ADS-B信号包括指示的位置数据。系统还包括经配置以接收来自天线阵列组件的ADS-B信号并测量相对于天线阵列组件的方向的ADS-B信号的到达角的接收器。该接收器还包括在接收器端接收来自目标飞行器的ADS-B飞行跟踪信息的第一输入端,其中ADS-B飞行跟踪信息包括目标飞行器的指示的位置信息。该接收器还包括接收位置信息和前进方向信息的第二输入端,其中位置信息和前进方向信息指示接收器的位置和方向。该接收器还包括处理模块,其产生源自到达角数据的测量导向角和源自目标飞行器的指示的位置信息和限定经配置以连接到接收器的多元阵列天线的位置和方向的位置信息和前进方向信息的期望导向角。该接收器还包括用于比较期望导向角和测量导向角并验证目标飞行器的ADS-B飞行跟踪信息的比较器。然后输出装置基于验证目标飞行器的ADS-B飞行跟踪信息而输出认证指示。
[0009]在此公开的另一个实施例中,一种测量到达角(AOA)的方法包括基于从接收器的模数(A/D)转换器接收到的的同步信号而循环多元阵列天线中的每个天线单元之间的换向固态开关。然后该方法继续在多元阵列天线处接收至少一个信号并在A/D转换器处将至少一个信号转换为每个离散信号的多个天线单元具体数字样本。然后该方法开始将多个天线单元具体数字样本解复用为多元阵列天线中的每个天线单元的离散数字数据流,并开始基于测量在换向多元阵列天线中的各个天线单元的每个离散数据流中识别的载波信号的相对相位而确定至少一个信号的测量Α0Α。
[0010]根据本发明的一个方面,提供一种用于目标飞行器的广播式自动相关监视(ADS-B)验证的飞行器接收器,其包括:用于在接收器处接收来自目标飞行器的ADS-B飞行跟踪信息的第一输入端,所述ADS-B飞行跟踪信息包括目标飞行器的指示的位置信息;
[0011]用于接收指示经配置以连接到接收器的多元阵列天线的位置和方向的位置信息和前进方向信息的第二输入端;处理模块,其操作以产生源自到达角数据的测量导向角,和源自目标飞行器的指示的位置信息和限定接收器的位置和方向的位置信息和前进方向信息的目标飞行器期望导向角;用于比较期望导向角和测量导向角并验证目标飞行器的ADS-B飞行跟踪信息的比较器;和基于验证目标飞行器的ADS-B飞行跟踪信息而输出认证指示的输出装置。
[0012]飞机接收器中的处理模块进一步操作以基于指示的位置信息计算从接收器位置到目标飞行器的航向,并且其中计算航向是基于接收指示多元阵列天线的位置的来自全球导航监视系统(GNSS)的位置信息。
[0013]飞行器接收器中的处理模块进一步操作以基于前进方向信息将航向从地面参考系转换到飞行器参考系,所述前进方向信息包括产生于惯性基准单元(IRU)的指示多元阵列天线的位置的俯仰、侧翻和前进方向数据。
[0014]飞行器接收器中的处理模块进一步操作以基于测量第一输入端中识别的载波信号的相对相位而产生测量导向角。
[0015]飞行器接收器还包括模数(A/D)转换器,其用于处理在第一输入端处接收的信号,其中A/D处理将同步信号传送到将该信号馈送到第一输入端的换向多元阵列天线。
[0016]根据本公开的一个方面,提供一种用于广播式自动相关监视(ADS-B)验证的接收器,其包括处理模块,该处理模块接收来自目标飞行器的包括指示的位置数据的ADS-B信号,并操作以产生源自ADS-B信号的到达角的检测的测量导向角以及产生源自ADS-B信号的指示的位置数据和经配置以连接到接收器的多元阵列天线的位置和方向的位置和前进方向信息的期望导向角;用于比较期望导向角和测量导向角并验证目标飞行器的ADS-B指示的位置数据的比较器;以及输出装置,其基于验证目标飞行器的ADS-B指示的位置数据而输出认证指示。
[0017]接收器中的处理模块进一步操作以基于指示的位置数据计算从接收器位置到目标飞行器的航向,其中计算航向是基于接收指示多元阵列天线的位置的来自全球导航监视系统(GNSS)的位置信息。
[0018]接收器中的处理模块进一步操作以基于前进方向信息将航向从地面参考系转换到飞行器参考系,所述前进方向信息包括产生于惯性基准单元(IRU)的指示多元阵列天线的位置的俯仰、侧翻和前进方向数据。
[0019]接收器中的处理模块进一步操作以基于测量来自目标飞行器的ADS-B信号的载波信号的相对相位而产生测量导向角。
[0020]接收器还包括模数(A/D)转换器,其处理从目标飞行器接收到的ADS-B信号,其中A/D处理被同步到将ADS-B信号馈入到接收器的换向多元阵列天线。
[0021]根据本公开的一个方面,提供一种用于广播式自动相关监视(ADS-B)验证的系统,该系统包括具有接收来自目标飞行器的ADS-B信号的多元天线阵列的天线阵列组件,所述ADS-B信号包括指示的位置数据;和经配置以接收来自天线阵列组件的ADS-B信号并测量相对于天线阵列组件的方向的ADS-B信号的到达角的接收器,其中所述接收器包括在接收器端接收来自目标飞行器的ADS-B飞行跟踪信息的第一输入端,ADS-B飞行跟踪信息包括目标飞行器的指示的位置信息;接收指示接收器位置和方向的位置信息和前进方向信息的第二输入端;操作以产生源自到达角数据的测量导向角以及产生源自目标飞行器的指示的位置信息和限定接收器位置和方向的位置信息和前进方向信息的期望导向角的处理模块;用于比较期望导向角和测量导向角并验证目标飞行器的ADS-B飞行跟踪信息的比较器;以及基于验证目标飞行器的ADS-B飞行跟踪信息而输出认证指示的输出装置。
[0022]所述系统中的天线阵列组件还包括在多元阵列天线中的每个天线单元之间循环的换向固态开关。
[0023]所述系统中的接收器还包括模数(A/D)转换器,其接收ADS-B信号并利用同步信号控制换向固态开关的循环。
[0024]所述系统中的处理模块还操作以通过ADS-B信号解调制过程将来自目标发送机的指示的位置数据从多元阵列天线中的单个天线单元的一个离散数字数据流中解码;以及确定源自解码的目标发送机的指示的位置数据、限定接收器位置的位置信息和限定天线阵列组件的方向的前进方向信息的目标发送机的期望AOA0
[0025]所述系统中的处理模块进一步操作以比较期望AOA和测量Α0Α,以便在接收的ADS-B信号中验证来自目标发送机的指示的位置数据;以及基于验证来自目标发送机的指示的位置数据提供认证指示。
[0026]根据本公开的一个方面,提供一种测量到达角(AOA)的方法,该方法包括基于自接收器系统接收的同步信号在多元阵列天线中的每个天线单元之间循环换向固态状态开关;在多元阵列天线处接收至少一个信号以使换向固态状态开关的输出端处接受到时间多路复用RF信号;基于同步信号在模数(A/D)转换器处把时间多路复用RF信号转换为相对于每个离散信号的多个天线单元具体数字样本;将多个天线单元具体数字样本解复用为多元阵列天线中的每个天线单元的离散数字数据流;以及基于测量在换向多元阵列天线的相应的天线单元的每个离散数据流中识别的载波信号的相对相位,确定所述至少一个信号的测量AOA。
[0027]所述方法中的信号包括ADS-B信号,该ADS-B信号包括来自目标发送机的指示的位置数据。
[0028]所述方法还包括通过ADS-B信号解调制过程,将来自目标发送机的指示的位置数据从多元阵列天线的单个天线单元一个离散数字数据流中解码的;确定源自来自目标发送机的解码的指示的位置数据、限定接收器系统位置的位置信息和限定接收器系统的天线子系统的方向的前进方向信息的目标发送机的期望AOA ;比较期望AOA和测量AOA以验证接收到的ADS-B信号中的来自目标发送机的指示的位置数据;以及基于验证来自目标发送机的指示的位置数据的验证提供认证指示。
[0029]所述方法中的至少一个信号包括多个来自至少两个机会信号发射器的信号。
[0030]所述方法还包括从数据库检索各个发射器的标识;基于来自数据库的各个发射器的标识确定每个发射器的位置;基于测量在换向多元阵列天线中的各个天线单元的每个离散数据流中识别的载波信号的相对相位,确定来自各个发射器的每个信号的Α0Α;以及基于AOA位置和各个发射器位置,计算接收器系统的天线子系统的独立安装位置。
[0031]已经讨论的上述特征、功能和优点能够在本公开的各种实施例中独立实现或在其他实施例中被组合,参见下问描述和附图能够看到其进一步细节。

【专利附图】

【附图说明】
[0032]根据下列详细描述和附图,将更加全面地理解本文中提出的实施例,其中:
[0033]图1示出根据此处公开的至少一个实施例的天线阵列组件和接收器的原理性组件图。
[0034]图2示出根据此处公开的至少一个实施例的验证真实的ADS-B信号的示意图。
[0035]图3示出根据此处公开的至少一个实施例的检测非真实的ADS-B信号的示意图。
[0036]图4示出根据此处公开的至少一个实施例的用于确定独立安装位置的接收器系统的示意图。
[0037]图5示出根据此处公开的至少一个实施例的一种方法的逻辑流程图。
[0038]图6示出根据此处公开的至少一个实施例的来自图5中的方法的逻辑流程图的延续。
[0039]图7示出根据此处公开的至少一个实施例的图5中的方法的逻辑流程图的进一步延续。
[0040]图8示出根据此处公开的至少一个实施例的AOA处理器的地面联网接收器系统的示意图。

【具体实施方式】
[0041]下面的详细描述与基于软件的接收器连用的时间多路复用天线阵列,以能够获得960-1215MHZ波段中的信号到达角(AOA)测量的机会MHz。那些AOA测量的使用允许验证从其他飞行器的ADS-B传输以检测ADS-B信号的欺骗,并允许使用接收已经工作在960-1215MHZ波段上的各种系统的信号机会的独立导航功能,从而提高对卫星导航的选择
[0042]此处介绍的装置和方法实施例解决关于ADS-B的两个问题,第一个是当前的ADS-B广播没有自建安全性或认证能力。这使得系统易受电子欺骗攻击,这时危险分子能够广播假的飞行器位置报告,这会引起空中或地面系统中的错误警报。地面系统可以包括一些额外的感测能力(比如,雷达或是多边法)来应对这种攻击。可是,实现和维护这种系统是昂贵的。而且,也不存在类似的空中供替代方案。在此介绍的实施例提供认证从发送机广播的ADS-B信号的手段,该发送机具有到包含在位置报告中的位置的相对正确的导向。
[0043]第二个问题是空中交通管理系统变得越来越依靠全球导航卫星系统(GNSS)或卫星导航(SatNav)技术如全球定位系统(GPS)。可是,这些技术会因RF干扰而被抑制,并且可能被欺骗而给出错误结果。此处介绍的实施例使用现有的960-1215MHZ波段中的机会广播信号而能够具有完全独立的导航能力。使用这种技术的空中接收器能够确定到各种地面发送机的相对导向,该地面发送机包括测距设备站(DME)、ADS-B转播站、二次监视雷达、全球通用传讯机(UAT)地面站和ADS-B转播站等等。通过组合若干导向角测量值和发送机的已知位置相关的信息(在机载数据库中携带),能够确定用户的位置。为了增强错误检测和错误减轻能力,这种角度测量还可以与GNSS测量、惯性测量或其他以合适设计的卡尔曼滤波或其他类型的估计算法获得的导航测量组合。用这种方法,能够检测到GNSS欺骗并限制未检测到的欺骗攻击的潜在影响。
[0044]图1描述的是此处介绍的包括接收器系统10的第一实施例,该接收器系统10具有天线阵列组件100和接收器子系统120的组合。天线阵列组件100包括若干天线单元102,其中至少两个或更多(此处是四个104,106,,108和110)设置为一定的几何形状(未示出),例如,正方形形状,其中四个天线单元104-110被设置为与相邻的天线单元等距。天线单元104-110连接到换向固态开关器件112,该开关器件操作以在一时间上将天线单元104-110中的一个的输入切换到低噪声放大器(LNA) (114) 一段时间以产生天线阵列组件100的输出信号。换向固态开关阵列112被构造为使得无论何时任意给定的天线单元连接到输出端,所有其他的天线单元连接到50欧姆或其他高的电阻负荷。
[0045]换向固态开关器件112和LNA114经由电压供电,所述电压涉及单个同轴电缆118的中心导体116上的天线阵列组件100,该同轴电缆118连接接收器120和天线阵列组件100。采样时钟151产生的定时信号119(通过单个同轴电缆118由虚线示出)也可以通过从接收器子系统120到天线阵列组件100的同轴电缆116供给天线。定时信号119确定换向开关阵列切换通过每个天线单元102的速度。定时信号119也被提供给A/D转换器124以控制转换器的采样次数。天线单元102和其他天线阵列组件单元被设计为工作在960-1215MHZ波段中的信号上。然而,在此处描述的RF多路复用系统通常可以应用到具有合适设计的天线单元的任何频率波段。天线阵列组件100配置的结果是来自每个天线单元104-110的RF信号都被多路复用到单个同轴电缆118上并被传送(若有必要,则在适当放大之后)到接收器子系统120。天线单元102的转换在高速率(如ΙΟ-ΙΟΟΜΗζ)上完成,但是低于阵列中的若干单元(在这里指的是104-110)分割的目标最低频率的尼奎斯特频率。在此描述的实施例包括在能较简单安装的单个同轴电缆118上使用RF时间多路复用的系统,即接收器和天线阵列组装之间的单个同轴电缆,其中,现有的交通冲突避免系统(TCAS)使用四个天线单元,所述四个天线单元使用到天线阵列中的每个独立单元的四个分离的同轴电缆。
[0046]接收器系统10从天线阵列组件100中获得时间多路复用的RF信号,并在下变频器122处将信号向下变频为中间频率。然后该中间信号被施加到A/D转换器124,所述转换器124以中间信号的尼奎斯特频率的两倍之上采样该信号。作为选择地,如果使用足够高的采样速率,多路复用的RF信号可以直接被采样,而无需在下变频器122处进行向下变频。无论两者之中是哪一种方法,操作原理如下所述是一样的。采样速率和天线单元切换速率被设置以使RF的至少一个样本在天线单元(104-110)被连接的时间段内被获得。A/D转换124后,数字信号被传到信号处理装置130,其在软件和/或硬件域中处理该数字信号。然后已采样的RF信号在数字解复用器132中被解复用为用于每个天线单元104-110的单独的数据流。
[0047]其中一个包含来自至少一个天线单元(104-110)的目标信号的数据流133在解调和信息解码单元134处被使用以解调该目标信号,从而确定广播ADS-B信号的位置信息。此后该数据流133被称为初级采样信号。空中接收器单元10从车载GPS接收器140接收本舰GPS位置,并利用两个位置,在航向计算单元138中计算本舰位置和已接收的ADS-B信号中指示的位置之间的航向。空中接收器10也接收来自车载惯性基准单元(IRU)系统144的飞行器俯仰、侧翻和前进方向信息并在航向转换单元142中将该航向从地面参考系转换到飞行器参考系。以后,根据已接收的ADS-B位置在计算的AOA单元146中计算期望的AOA信号“ Θ e”。
[0048]因此,天线阵列组件100的方向与确定载有空中接收器单元10的平台的位置和方向直接相关,接收器单元120在交通工具内可以具有任意方向;然而,天线阵列组件100空间内的方向必须是已知的,以便计算广播相应的ADS-B信号的目标飞行器的期望AOA0
[0049]来自其他天线单元的初级信号133的采样“副本”与期望AOA信号计算并行处理,并被用于在AOA测量单元136中测量目标信号的相对到达角(AOA)。初级信号133能够被用于检测被脉冲的信号(比如ADS-B报告或测距装置(DME)应答脉冲)的存在。然后,当信号存在的时间段被验证时,使用数字信号处理算法中实现的相对比较器测量每个采样的天线单元信号之间的载波的相对相位。每个信号的相位能够使用Costas环(科斯塔斯环)、数字基准振荡器或通过其他公知的手段确定。数字基准振荡器的精确频率能够通过采样信号的快速傅里叶变换(FFT)块处理来确定。然后,根据每个天线单元上的信号的相对相位并基于天线单元的几何结构知识,能够确定测量AOA信号“ 0 m”。为了较好的帮助AOA测量,可以设计天线单元的几何结构。一旦获得测量AOA和期望Α0Α,在AOA比较单元148中比较这些值以输出关于目标ADS-B位置信息的正确性的目标正确性指示150。
[0050]因此,可以确定具有相对稳定的载波频率的任意信号的A 0A。在此处介绍的其中一个实施例中,可以出于两个不同的目的进行AOA测量:1)如图2-3中显示的,提供ADS-B报告源的确认;和2)如图4中显示的,使用来自960-1215MHZ波段中的各种地面发送机的AOA测量创建独立的位置方案。给定充足的处理能力和中间频率和采样速率的明智选择,由图1的接收器10示出的系统能够同时支持此处描述的这两种功能。然而,接收器系统10还可以被设计为仅实现那些功能中的其中一个或每次实现一个功能。
[0051]图2示出具有前进方向202和来自北导向角(或称为方位角,即bearing) 204的相应的前进方向导向角“ 9h”的飞行器200。飞行器在其空中接收器单元(类似于图1中的接收器10)上接收来自目标飞行器250的ADS-B信号,该信号具有与飞行器250的所声称的位置有关的信息。空中接收器单元10解调并解码ADS-B信号以确定飞行器250的所声称的位置信息。空中接收器单元10进一步接收飞行器250的本舰GPS位置并利用那两个位置计算本舰位置和已接收的ADS-B信号中所声称的位置之间的航向。空中接收器单元10继续接收来自车载惯性基准单元(IRU)系统的本舰的俯仰、侧翻和前进方向信息,并将该航向从地面参考系转换到飞行器参考系以根据接收的ADS-B位置产生期望AOA导向角“ Θ e,,。
[0052]接收器10同时处理从飞行器250接收到的ADS-B信号并根据每个天线单元上的信号的相对相位确定测量AOA导向角“ 0 m”(如上所述)。对于飞行器250而言,期望AOA导向角0e和测量AOA导向角0 m之间的任何差值都会成为能够用在假设检验中的检测统计量。该假设是ADS-B报告实际上来自ADS-B消息中所报告的位置(此处是目标飞行器250)。期望AOA导向角0e和测量AOA导向角Θ m之间的任何差值与一阈值相比,以实现错误检测的可接受概率,其中该阈值基于AOA测量值的精度得到。在图2中,由于飞行器250的期望AOA导向角Θ e和飞行器250的测量AOA导向角Θ m都在所选阈值建立的容差内,因此接收器10可以给出飞行器250的所声称的位置确实是真实的指示。
[0053]图3示出具有前进方向302和来自北导向角304的相应的前进方向导向角0h的飞行器300。飞行器在其空中接收器单元(类似于图1中的接收器10)上接收来自发送机360的ADS-B信号,该信号具有与所声称的目标飞行器350的所声称的位置有关的信息。空中接收器单元10解调并解码ADS-B信号以确定目标飞行器350的所声称的位置信息。空中接收器单元10进一步接收目标飞行器350的本舰GPS位置并利用那两个位置计算本舰位置和已接收的ADS-B信号中所声称的位置之间的航向。空中接收器10继续接收来自车载惯性基准单元(IRU)系统的本舰的俯仰、侧翻和前进方向信息,并将该航向从地面参考系转换到飞行器参考系以根据所接收的ADS-B位置产生期望AOA信号“ Θ e”。
[0054]接收器10同时处理从发送机360接收到的ADS-B信号并根据每个天线单元上的信号的相对相位确定测量AOA导向角“ Θ m” (如上所述)。在图3的情况下,飞行器350的期望AOA导向角Ge和测量AOA导向角Θ m之间的差值被用在假设检验中,如上所述,其中ADS-B报告实际上来自ADS-B消息中所报告的位置(此处是目标飞行器350)。期望AOA导向角Qe和测量AOA导向角Qm之间的差值Δ Θ m_e与一阈值比较,并且在这种情况下,该差值足够大以触发由接收器10输出的指示或警报,因此给出飞行器350的所声称的位置是不真实的指示,即,它被发送机360的位置处所传输的信号“欺骗”。接收器10输出的警告指示可以进一步输出可以识别具有无效ADS-B信号的目标飞行器350的指示。
[0055]使用测量AOA值的第二个应用包括替换的位置确定系统,如图4所示。使用上述技术,可以对各种地面发送机进行基于每个采样的天线单元信号之间的载波的相对相位的AOA测量,其中的地面发送机广播用于各种其他用途的信号。那些“机会信号”很多而且实质上可以存在于任何波段中。在此处描述的其中一个实施例中,该测量包括960-1215MHZ波段中的信号广播。选择这个波段是因为那些“机会信号”是由波段中的航空服务提供商提供的源广播的,所述波段由国际电信联盟(ITU)针对生命安全应用分配的。因此航空局接受那些信号的使用应该是可能的。将被使用的信号可以包括下列信号,但不限于此。
[0056]1-测距设备(DME)应答脉冲。这些脉冲是由DME地面站广播的脉冲对以应答空中用户的讯问。应答脉冲可以是旨在用于AOA导航系统常驻的飞行器,或者它们可以被认为是对来自其他飞行器的讯问的应答。仅使用AOA信息而忽略与DME测距关联的定时。DME应答脉冲也由地面站产生而没有任意相关的讯问脉冲,从而保持发送机的占空比在可接受范围内。
[0057]2-1090MHzADS-B转播消息,它从用于使用非1090MHz ADS-B的飞行器的飞行器位置地面告知的ADS-B报告广播。
[0058]3-来自已知位置上的二次监视雷达(SSR)的1030MHzSSR讯问。
[0059]4-未来L-波段数字航空通讯系统(LDACS)通讯传输。存在一个提议,用于新的通信系统的被称为LDACS的系统旨在存在于960-1215MHZ波段中。还提议LDACS可以提供范围确定函数,其可以容易地适于所预想的接收器系统中。除了 LDACS测距之外,这种AOA测量可被应用于进一步认证和/或错误检测和缓解。
[0060]5-未来基于DME波段的“伪卫星信号”。其中一个用于未来非GNSS位置确定信号的提议是在DME波段中实现新的地面测距源。AOA测量信号可以利用那些信号,正如他们曾经应当存在一样。
[0061]6-全球通用传讯机(UAT)地面站传输。用于美国使用的ADS-B的其中一个标准包括在978MHz处的地面传输。UAT技术允许通过FIS-B (广播式飞行信息系统)将额外的信息从地面站向上传输到飞行器。这种信息包括天气和临时飞行限制(TFR)信息。
[0062]图4示出基于AOA确定的导航系统,其中飞行器400具有空中接收器设备(类似于图1中的接收器10),该导航系统包括已知发送机的数据库和它们的位置。空中接收器将基于当前估计的位置和区域中已知存在的发送机选择审查频率(多个)。如果位置未知,发送机能够通过搜索1030和1090MHz寻找从固定位置的发送而开始。一旦发现信号,直到发现积极应答通道时能够搜索到DME频率。一旦足够的发射机角度已知,则频率被发现,并且通过浏览具有相同频率的地面站的所有可能组合而能够将算法应用于确定位置,然后发现AOA测量产生自治位置的组合。能够测量的地面站越多,则越快地产生超确定位置的解决方案。
[0063]如4示出具有前进方向402和来自北导向角404的相应的前进方向导向角0h的飞行器400。飞行器400上测量AOA值的接收器(类似于图1中的接收器10)可以接收来自发送应答脉冲到所有用户的第一 DME应答器D1410的信号,并测量八(^,记作9D1。飞行器400上的接收器可以接收来自地面ADS-B转发送源A420的信号,并测量AOA,记作θ A。类似地,飞行器400上的接收器可以接收来自与定位器组成一对的地面DME应答器P430的信号并测量八(^,记作ΘΡ。同样的,飞行器400上的接收器接收来自发送应答脉冲到所有用户的第二地面DME应答器D2440的信号,并测量Α0Α,记作Θ D2。并且类似地,飞行器400上的接收器可以接收来自具有已知位置的雷达R450的信号并测量Α0Α,记作
[0064]Θ R0
[0065]此处描述的实施例与其他提出的替换性位置导航定时(APNT)系统不同,区别在于,它们不给空中接收器提供精确的时间转换,但是它们也不要求地面或空中以精确时间同步来精确地工作。此处描述的实施例能够仅基于导向角测量而无需范围测量而产生位置估计。此处描述的实施例不需要任何新的地面基础设施,而仅需要空中设备。此处描述的实施例也可以用在地面接收器中,提供位置确定能力。此处描述的实施例允许更简单、更廉价的地面系统能够提供独立的位置能力。
[0066]在此描述的实施例提出的上述解决方案,以相对简单容易的方式安装接收器包,并解决了缺乏ADS-B认证(因为没有其他充分的解决方案被提出用于空中设备)的问题。。通过组合若干导向角测量值和与发送机的已知位置有关的信息(车载数据库中携带),用户的位置能够被确定。为了增强错误检测和缓解能力,这种角度测量可以与GNSS测量、惯性测量或其他以合适设计的卡尔曼滤波或其他类型的估计算法获得的导航测量组合。以这种方法,能够检测到GNSS的欺骗并限制未检测到的欺骗攻击的潜在影响。
[0067]图5示出测量到达角(AOA)的方法的逻辑流程图,包括基于从接收器系统10的模数转换器(A/D) 124接收的同步信号,在多元阵列天线102中的每个天线单元之间循环500换向固态开关112。在多元阵列天线102处接收502至少一个信号并在A/D转换器124处将至少一个信号转换504为每个离散信号的多个天线单元具体数字样本。继续将多个天线单元具体数字样本解多路复用506为多元阵列天线中的每个天线单元的离散数字数据流,此后,基于测量在换向多元阵列天线中的相应的天线单元的每个离散的数字数据流中识别的载波信号的相对相位,确定508至少一个信号的测量Α0Α。
[0068]在510处,接收器可以做出确定,即采取什么类型的功能性应用进一步处理所接收到的信号。因为不同类型的信号在不同的频率上传送,所以当接收器调整到具体频率上时,接收器10知道它所处理的信号类型。此外,当测量相位时,接收器利用关于普通信号结构的知识确定测量Α0Α,如上所述。当接收器采用提供ADS-B认证512的功能时,与上述执行的与测量AOA计算相比,接收器端接收的ADS-B信号被进一步与天线阵列位置和方向信息一起处理,以验证那个位置信息的认证。图6示出图5的方法的逻辑流程图的延续,该方法进一步通过ADS-B信号解调过程,将来自目标发送机的所指示的位置数据从发送多元阵列天线中的单个天线单元的其中一个离散数字数据流中解码600。根据从目标发送机解码的指示位置数据、限定接收器系统的位置的位置信息和限定接收器系统的天线子系统的方向的前进方向信息,确定602目标发送机的期望Α0Α。比较604期望AOA和测量Α0Α,验证已接收的ADS-B信号中来自目标发送机的指示位置数据。最后,基于验证来自目标发送机的指示位置数据,提供606认证指示。
[0069]当接收器采取图5中510处的提供导航和位置确定的功能时,来自机会发射器的多个信号可以在接收器单元10处接收,用于进一步处理,如图7所示,其中图7为图5的逻辑流程图的延续。接收器10能够同时接收960-1215MHZ波段中的许多类型的信号,并且在工作在导航和位置确定功能上时,接收器可以调整到具体频率以分析所使用的信号的具体类型。在这个实例中,该方法包括接收来自至少两个地面发射器的多个信号。基于载波频率和发射器的信号类型,从数据库中检索700每个相应的发射器的标识。然后,继续基于每个相应的发射器的标识,从数据库中检索702每个发射器的位置。每个相应的发射器信号的AOA被继续基于测量在换向多元阵列天线中的相应的天线单元的每个离散数字数据流中识别的载波信号的相对相位而被确定704。最后,基于AOA测量值和每个相应的发射器的位置,计算706接收器系统的天线子系统的独立安装位置。
[0070]图8示出联网AOA接收器810-830和网络设备850的地面系统800的示意图,其处理和认证ADS-B信号(其中,飞行器802上的位置信息被提供给这两者),并且可以检测和定位传送不存在真实位置的ADS-B信号的恶劣行为者或欺骗者的源头。基于上述实施例的原理,联网的地面AOA接收器810-830可以独立地确定所有飞行器位置,并因此可以充当“援助”监视系统的作用,而没有任何精确时间同步的要求。
[0071]上述实施方式可以使用地面AOA接收器810-830的已知位置及它们到空中目标(比如目标飞行器802)的相应的测量导向角Θ 1-Θ 3,独立地确定目标的位置。测量结果与目标经由ADS-B信号信息报告的位置进行比较。测量的位置对报告的位置的任何差值被用作经典假设检验中的检验统计量,以检测空中目标的欺骗。从而在没有欺骗者的协作下,也能确定欺骗者的位置,并且当GPS信息被拒绝或不可用时,也能够获得AOA监视备份能力,独立地确定所有ADS-B交通的位置。上述主题仅仅通过示例方式被提供,而不应当被认为是限制性的。在没有偏离下文权利要求所阐述的本发明的真实精神和范围的情况下,可以对此处示出和描述的示例性实施例和应用进行各种修改和改变,而不需要遵循所示出和所描述的。
【权利要求】
1.用于目标飞行器的广播式自动相关监视验证的飞行器接收器,即ADS-B验证的飞行器接收器,所述接收器包括: 第一输入端,其用于在所述接收器处接收来自所述目标飞行器的ADS-B飞行跟踪信息,所述ADS-B飞行跟踪信息包括所述目标飞行器的指示的位置信息; 第二输入端,其用于接收指示经配置以附接到所述接收器的多元阵列天线的位置和方向的位置信息和前进方向信息; 处理模块,其操作以产生源自到达角度数据的测量导向角,以及产生源自所述目标飞行器的所述指示的位置信息和限定所述接收器位置和方向的所述位置信息和前进方向信息的所述目标飞行器的期望导向角; 比较器,其用于比较所述期望导向角和所述测量导向角并验证所述目标飞行器的所述ADS-B飞彳了跟踪彳目息;和 输出装置,其基于验证所述目标飞行器的所述ADS-B飞行跟踪信息,输出认证指示。
2.如权利要求1所述的飞行器接收器,其中所述处理模块进一步操作以基于所述指示的位置信息计算从所述接收器位置到所述目标飞行器的航向,并且 其中计算所述航向基于接收来自指示所述多元阵列天线的所述位置的来自全球导航监视系统即GNSS的所述位置信息。
3.如权利要求2所述的飞行器接收器,其中所述处理模块进一步操作以将所述航向从地面参考系转换到基于所述前进方向信息的飞行器参考系,所述前进方向信息包括惯性基准单元即IRU产生的指示所述多元阵列天线的方向的俯仰、侧翻和前进方向数据。
4.如权利要求1所述的飞行器接收器,其中所述处理模块进一步操作以基于测量所述第一输入端中识别的载波信号的相对相位,产生所述测量导向角。
5.如权利要求1所述的飞行器接收器,进一步包括模数即A/D转换器,其用于处理在所述第一输入端上接收的信号, 其中所述A/D处理将同步信号传输到将所述信号馈送到所述第一输入端的换向多元阵列天线。
6.用于广播式自动相关监视验证即ADS-B验证的接收器,包括: 处理模块,其接收来自目标飞行器的包括指示位置数据的ADS-B信号,并操作以产生源自所述ADS-B信号的到达角的检测的测量导向角,并产生源自所述ADS-B信号的所述指示位置数据和经配置以连接到所述接收器的多元阵列天线的位置和方向的位置和前进方向信息的期望导向角; 比较器,其用于比较所述期望导向角和所述测量导向角并用于验证所述目标飞行器的所述ADS-B指示位置数据;和 输出装置,其用于基于验证所述目标飞行器的所述ADS-B指示位置数据,输出认证指/Jn ο
7.如权利要求6所述的接收器,其中所述处理模块进一步操作以基于所述指示位置数据,计算从所述接收器位置到所述目标飞行器的航向, 其中计算所述航向基于接收指示所述多元阵列天线的所述位置的来自全球导航监视系统GNSS的所述位置信息。
8.如权利要求7所述的接收器,其中所述处理模块进一步操作以将所述航向从地面参考系转换到基于所述前进方向信息的飞行器参考系,所述前进方向信息包括惯性基准单元即IRU产生的指示所述多元阵列天线的所述位置的俯仰、侧翻和前进方向数据。
9.如权利要求6所述的接收器,其中所述处理模块进一步操作以基于测量来自所述目标飞行器的所述ADS-B信号的载波信号的相对相位,产生所述测量导向角。
10.如权利要求6所述的接收器,进一步包括模数即A/D转换器,其处理从所述目标飞行器接收的ADS-B信号, 其中所述A/D处理被同步到将所述ADS-B信号馈送到所述接收器的换向多元阵列天线。
【文档编号】G06F17/30GK104134373SQ201410180613
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年4月30日 优先权日:2013年5月2日
【发明者】T·A·墨菲, W·M·哈里斯 申请人:波音公司

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