一种用于OPNET中1090MHz ADS－B系统的性能仿真模型

摘要

一种用于OPNET中1090MHz ADS－B系统的性能仿真模型，分为网络层、节点层和进程层，网络层用来定制适合整个通信系统的网络背景环境，包括位于节点层中的飞机节点模型和地面站节点模型；飞机节点模型用于广播ADS－B消息和对地面站节点模型中的二次雷达进行应答，其包括位于进程层中的：二次雷达应答模块、1090数据源模块、飞机节点销毁模块、1090MHz发射机模块、1030MHz接收机模块及飞机MAC模块；地面站节点模型用于接收ADS－B广播消息和对飞机节点模型中二次雷达的询问，其包括位于进程层中的：1090MHz接收机模块、1030MHz发射机模块、地面站节点销毁模块、二次雷达数据源模块及地面站MAC模块。本发明该模型适用于在1090MHz ADS－B系统在OPNET中进行分层设计和建模仿真，为后续用户的使用和升级提供便利。

说明书

技术领域

本发明涉及一种1090MHz ADS-B系统的仿真模型，作为对于仿真工具OPNET原有标准库的扩充，属于航空通信领域。

背景技术

空中交通管制的根本目的是使航线上的飞机安全、有效和有计划的在空域中飞行，管制员需要对管制空域内飞机的飞行动态进行实时监视。

传统的雷达监视手段采用询问应答方式对目标探测。从长远来看，雷达系统自身具有很多局限性，限制了监视性能的提高。雷达波束的直线传播形成了大量雷达盲区，无法覆盖海洋和荒漠等地区；雷达旋转周期限制了数据更新率的提高，从而限制了监视精度的提高；无法获得飞机的计划航路、速度等态势数据，限制了跟踪精度的提高和短期冲突检测告警STCA的能力。因此，需要开发新的监视手段。

广播式自动相关监视ADS-B利用航空器自动广播由机载星基导航和定位系统生成的精确定位信息，地面设备和其他航空器通过航空数据链接收此信息，卫星系统、飞机以及地基系统通过高速数据链实现空天地一体化协同监视。ADS-B不仅克服了传统雷达监视手段的一些问题，并且具有精度高、更新率高、应用范围广、地面设备建设和维护费用低等优势。

数据链路是ADS-B的重要组成部分，以广播方式传输飞行器状态、位置、速度等重要监视信息，目前ADS-B可选的数据链技术有以下三种：Mode S 1090 ES、VDL MODE 4和UAT。ICAO、IATA、FAA、S等模式的1090 ES数据链是EUROCONTROL等通过大量的分析、论证等研究和试验后一致同意决定作为近期实施ADS-B的数据链。“1090”是指系统使用1090MHz作为下行传输频率，“ES”是extended squitter，指信息格式是模式S的扩展电文消息，扩展是指将56bit的消息扩展到112bit的包里。它使用S模式应答机发送和接收ADS-B信息，S模式应答机(即Mode S Transponder)的下行频率是1090MHz，信息的编码格式是简单的脉冲位置编码。

OPNET提供了一些关于无线通信网络的标准模型，包括数据链路层、网络层、路由协议、传输层协议、物理层、实用程序、综合仿真目标、应用层、无线模型、厂商设备模型等，但是可直接用于ADS-B系统的则较少。

作为一种新技术，需要在实际应用前对其性能进行评估验证。而用于民航领域的评估工程成本很高并带有一定的风险，并且用于评估的某些条件和环境很难达到要求，所以在场地评估前需要先进行模拟仿真，来弥补场地评估的不足并为场地评估提供一定的依据。

目前，很多国家都有关于1090MHz ADS-B系统性能的仿真模型，如美国的RTCA，早在2001年3月就出过ADS-B TLAT(Technical Link Assessment Team)Report)，但是由于以上研究都是以美国的民航现状和当地的地理环境为基础，对我国民航并不适应，且没有公布相关的技术细节。而在国内并没有相关方面的研究。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种用于OPNET中1090MHzADS-B系统的性能仿真模型，该模型适用于在1090MHz ADS-B系统在OPNET中进行分层设计和建模仿真，为后续用户的使用和升级提供便利。

本发明的技术解决方案：一种用于OPNET中1090MHz ADS-B系统的性能仿真模型，其特征在于包括：网络层、节点层和进程层，其中：

网络层包含网络模型，主要用来定制一个适合整个通信系统的网络背景环境，所述的网络模型包括位于节点层中的n个飞机节点模型和一个地面站节点模型，其中n≥1；

所述的飞机节点模型用于广播ADS-B消息和对地面站节点模型中的二次雷达进行应答，其包括位于进程层中的：二次雷达应答模块、1090数据源模块、飞机节点销毁模块、1090MHz发射机模块、1030MHz接收机模块、及作为中心控制的飞机MAC模块，二次雷达应答模块、1090数据源模块和1030MHz接收机的输出消息分别输入至飞机MAC模块中，由飞机MAC模块进行判断，如果是二次雷达应答模块产生的二次雷达应答消息和1090数据源产生的ADS-B消息，则飞机MAC模块通过1090MHz发射机模块广播ADS-B消息和二次雷达应答消息至地面站节点模型，如果是从1030MHz接收机模块接收来的地面站节点模型中的二次雷达消息，飞机MAC模块则将上述消息送至飞机节点销毁模块进行销毁；

所述的地面站节点模型用于接收ADS-B广播消息和对飞机节点模型中二次雷达的询问，其包括位于进程层中的：1090MHz接收机模块、1030MHz发射机模块、地面站节点销毁模块、二次雷达数据源模块、及作为中心控制模块的地面站MAC模块，二次雷达数据源模块和1090MHz接收机模块输出的消息分别送至地面站MAC模块中，由所述的地面站MAC模块进行判断，如果是二次雷达数据源模块产生的二次雷达消息，地面站MAC模块则通过1030MHz发射机模块广播ADS-B消息至飞机节点模型，如果是1090MHz接收机模块接收的来自飞机节点模型广播的ADS-B消息，地面站MAC模块则上述消息送至地面站节点销毁模块进行销毁。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明由于包括网络层、节点层和进程层，其中网络层包含网络模型和飞机节点模型，网络模型又包括位于节点层中的n个飞机节点模型和一个地面站节点模型等，飞机节点模型和一个地面站节点模型又根据1090MHz ADS-B系统进行了设计，因此特别适用于在1090MHz ADS-B系统在OPNET中进行分层设计和建模仿真，为后续用户的使用和升级提供便利。

附图说明

图1为本发明的仿真模型的总体框图；

图2为本发明的网络模型示意图；

图3为本发明的飞机节点模型和地面站节点模型之间的通信关系示意图；

图4为本发明的飞机节点模型的组成框图；

图5为本发明的地面站节点模型的组成框图；

图6为本发明的飞机MAC模块的工作流程图；

图7为本发明的地面站MAC模块的工作流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明自上而下包括：网络层、节点层和进程层。网络层包含网络模型，主要用来定制一个适合整个通信系统的网络背景环境，网络模型的实现过程为：

(1)根据实际机场情况在OPNET中选择网络的拓扑结构，配置网络规模和背景地图；

(2)创建一个位于节点层中的子网模型，将该子网模型放置到地图的某一处，并设置子网的地理范围等属性；

(3)在该子网模型中放置多个飞机节点模型和一个地面站节点模型，并设置相应属性，如高度、轨迹等。

具体到本发明实现过程可以为：搭建一个以北京为中心的地图和多驾飞机与一个地面站通信的场景。相应属性设置如：地图大小为1500*1000km，飞机节点高度为9000feet，地面站节点高度为30feet等，如图2所示。

2.飞机节点模型和地面站节点模型的通信

如图3所示，本发明的飞机节点模型与地面站通信系统的功能，飞机节点模型上配备有Mode S发射机和ATCRBS(二次雷达)的接收机，地面站节点模型配备有Mode S接收机和ATCRBS(二次雷达)的发射机。

通信系统主要包括两部分功能：

(a)ADS-B广播消息：飞机节点模型通过1090ES数据链协议完成来广播消息，有合适装备的终端都可以接收到ADS-B消息。

(b)二次雷达SSR：地面站节点模型通过1030MHz发射SSR询问信号，飞机节点模型成功接收后，通过1090MHz发送SSR应答信号。

3.飞机节点的模型和地面节点模型的组成及其实现

(1)飞机节点的模型

飞机节点模型的功能包括广播ADS-B消息和对地面的SSR应答。飞机节点模型包括位于进程层中的：二次雷达应答模块，1090数据源模块，飞机节点销毁模块，1090MHz发射机模块，1030MHz接收机模块和飞机MAC模块。

飞机MAC模块处于中心位置，完成其它各模块数据流转换的任务；

飞机MAC模块的输入模块包括：二次雷达应答模块，1090数据源模块和1030MHz接收机模块；

飞机MAC模块的输出模块包括：1090MHz发射机模块和飞机节点销毁模块。

各模块功能如下：

二次雷达应答模块：对地面二次雷达的应答。

1090数据源模块：模拟产生Mode S ADS-B消息的数据源模块。

飞机销毁模块：销毁所有飞机节点接收到的信息。

1030MHz接收机模块：接收来自地面站SSR的询问信号。

1090MHz发射机模块：广播ADS-B信息。

各模块实现方式如下：

二次雷达应答模块：采用一个简单的数据源产生模块来模拟飞机对地面站的二次雷达应答信息，并设置相关参数如包大小、发送速率等。

1090数据源模块：采用一个简单的数据源产生模块，设置如消息格式为1090数据链规定的包格式，包大小为112bit，发送间隔为0.5秒。

飞机节点销毁模块：采用OPNET中默认的销毁模块模拟销毁过程。

1030MHz接收机模块：采用OPNET中的无线接收机模块，相关配置如工作频率，传输速率，调制方式，功率等。

1090MHz发射机模块：采用OPNET中的无线接收机模块，相关配置如工作频率，传输速率，调制方式，功率等。

如图6飞机MAC模块的实现过程：根据MAC模块要完成的功能来划分状态，包括初始状态、各种消息状态(位置类消息状态、速度类消息状态、状态类消息状态、标识类消息状态)、二次雷达应答状态、二次雷达接收状态和空闲状态。

初始状态：数据初始入口，完成参数和各种统计变量的初始化工作，并立即进入空闲状态。

空闲状态：此状态下程序等待直到有中断产生，并进行中断处理。

各种消息状态：包括位置类消息状态、速度类消息状态、状态类消息状态、标识类消息状态四类。程序触发中断后，根据不同的中断来判断不同类型的消息，并依据消息速率的不同来设定不同的延迟，最后发送至1090MHz发射机进行广播。

二次雷达应答状态：接收来自二次雷达应答模块的数据，并发送至1090MHz发射机。

二次雷达接收状态：接收来自地面站节点SSR的询问信号，即地面站1030MHz发射机的数据，并发送至飞机节点销毁模块进行数据销毁。

(2)地面站节点的模型

地面站节点模型的功能包括接收ADS-B广播消息和对飞机节点模型的SSR询问。地面站节点模型包括位于进程层中的：1090MHz接收机模块，1030MHz接收机模块，地面站节点销毁模块，二次雷达数据源模块，地面站MAC模块。

地面站MAC模块处于中心位置，完成其它各模块数据流转换的任务。

地面站MAC模块的输入模块：1090MHz接收模块和二次雷达数据源模块。

地面站MAC模块的输出模块：1030MHz接收模块和地面站节点销毁模块。

上述各模块实现方式如下：

二次雷达数据源模块：采用一个简单的数据源产生模块来模拟飞机对地面站的二次雷达应答信息，并设置相关参数如包大小、发送速率等。

地面站节点销毁模块：采用OPNET中默认的销毁模块模拟销毁过程。

1090MHz接收机模块：采用OPNET中的无线接收机模块，修改可接收组的管道模型，相关配置如工作频率，传输速率，调制方式，功率等。

1030MHz发射机模块：采用OPNET中的无线接收机模块，相关配置如工作频率，传输速率，调制方式，功率等。

如图7地面站MAC模块的实现过程：根据MAC模块要完成的功能来划分状态，包括初始状态、二次雷达发送状态、ADS-B数据接收状态和空闲状态。

初始状态：数据初始入口，完成参数和各种统计变量的初始化工作，并立即进入空闲状态。

空闲状态：此状态下程序等待直到有中断产生，并进行中断处理。

二次雷达发送状态：接收来自二次雷达数据源模块的数据，并发送至1030MHz发射机。

ADS-B数据接收状态：接收来自飞机节点的ADS-B信号，即飞机1090MHz发射机的数据，并发送至地面站节点销毁模块进行数据销毁。

如图7所示，地面站MAC模块的实现过程：根据MAC模块要完成的功能来划分状态，包括初始状态、二次雷达发送状态、ADS-B数据接收状态和空闲状态。初始状态：数据初始入口，完成参数和各种统计变量的初始化工作，并立即进入空闲状态。空闲状态：此状态下程序等待直到有中断产生，并进行中断处理。二次雷达发送状态：接收来自二次雷达数据源模块的数据，并发送至1030MHz发射机。ADS-B数据接收状态：接收来自飞机节点的ADS-B信号，即飞机1090MHz发射机的数据，并发送至地面站节点销毁模块进行数据销毁。