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基于SNS的星基ADS-B系统性能仿真

范文

秦定本李少洋刘海涛李保国

摘要：星基广播式自动相关监视（ADS-B）系统是实现未来民航监视的关键技术。为了仿真验证星基ADS-B系统的监视性能，首先介绍了空间网络仿真（SNS）软件，然后基于SNS给出了星基ADS-B系统的仿真模型、飞机节点模型和卫星节点模型，并详细描述了两个节点的主要功能，最后使用该模型对系统的性能进行了仿真。仿真结果和理论计算结果的一致性，验证了仿真模型的正确性。仿真结果表明，星基ADS-B接收机的监视容量决定于空天链路的误码率和应用子系统所要求的位置报文更新间隔。

关键词：星基ADS-B系统;SNS;仿真;监视容量

中图分类号：TP3? ? ? ? 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）16-0271-05

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

1 引言

星基ADS-B系统通过将 ADS-B 接收机部署于低轨道的卫星上，利用多颗低轨道卫星形成覆盖全球的星基监视系统，可实现对全球范围内航空器的可靠持续监视，因此成为民航新一代航空器监视技术的核心[1-4]。星基ADS-B系统具有广泛的应用前景，而且了解其系统性能是设计实现的前提，因此研究系统的监视性能具有重要的意义。

在对星基ADS-B系统的监视性能研究方面，文献[5]基于大量真实的飞行数据建立了星基ADS-B系統的共信道干扰模型，并使用该模型仿真分析了共信道干扰对位置报文更新间隔性能的影响，仿真结果表明：位置报文更新间隔以95%的概率小于15s。文献[6]使用仿真器对民航客机的位置报文的最大冲突概率进行了估计。文献[7]基于Aloha协议仿真了卫星CanX-7接收报文的冲突概率。文献[8]给出了理想情况下星基ADS-B接收机监视容量的理论计算方法，并仿真验证理论公式的正确性。

尽管文献[5-8]建立了系统仿真模型并仿真了系统的监视性能，但是未能给出飞机节点和卫星节点的模型及其主要功能描述，未能实现网络仿真。为此，本文在SNS仿真软件平台上构建星基ADS-B系统的模型及各个节点的模型，并使用构建的模型对系统相关性能进行仿真，以此验证仿真模型的正确性，从而分析影响系统性能的因素。

2 SNS仿真软件

2.1 SNS总体架构

空间网络仿真软件（Space Network Simulation，SNS）是北京航空航天大学国家空管新航行系统技术重点实验室自主研发的一套离散时间仿真系统[9]。该仿真软件具有架构设计可扩展性强、代码可用性高、可移植性高和学习操作门槛低等特点。SNS仿真软件采用基于离散事件的仿真机制，支持面向对象的建模方式，可以实现网络协议的灵活配置，适合于卫星移动网络的仿真研究与测试[10]。

图1给出了SNS仿真软件的总体架构。SNS仿真软件主要包括仿真主控SNServer、仿真内核SNSimu和外部接口等三部分。其中，仿真主控SNServer部分主要负责各个模块间的协调和管理控制;仿真内核SNSimu部分是仿真软件的核心，主要负责各层协议和事件的处理;外部接口部分主要负责连接真实的物理设备。

2.2 SNS仿真流程

如图2给出了基于SNS的网络仿真流程。首先是创建工程，然后按照层次化建模依次生成场景、节点和进程模型，并把每个进程关联到相应的节点;随后对进程进行模型代码开发以表明各个进程的特性，接下来进行编译测试保证代码编写正确且系统运行正常;最后产生业务，运行仿真，得到统计结果，并对结果进行分析，得出仿真结论。若结果不符合预期期望，则需返回到模型代码开发，完善或改进功能函数，再根据流程运行，直至得出预期结果。

3 仿真设计

3.1 系统仿真模型

图3给出了星基ADS-B系统仿真模型，系统仿真模型中主要包括2类节点：飞机节点、卫星节点。其中卫星节点为1个，在直角坐标系统的坐标为[0，0，H];飞机节点为[N]个，且飞机节点在卫星节点覆盖半径[R]范围内均匀分布，在直角坐标系统的坐标为[x，y，0]，其中[x≤R，y≤R]。每个飞机节点按照相应报文发送的标准，周期性产生位置报文、速度报文、状态报文及标识报文，并发送给卫星节点。卫星节点对到达的报文进行冲突判断和解调，得到正确接收的报文。

3.2 飞机节点模型

飞机节点包含应用实体和链路实体。飞机节点的应用实体负责位置报文、速度报文、状态报文以及标识报文的定时周期产生并发送给下层实体，模拟报文的产生过程;飞机节点的链路实体有一个FIFO缓冲队列，链路实体负责接收上层实体发送的各种类型的报文消息，按照报文消息到达链路实体时间的先后顺序依次将报文消息插入到缓冲队列中，并延时120us（报文长度）将其从缓冲队列取出并往下层实体继续发送，模拟报文的传输过程。从链路实体往下层实体发送的报文消息会通过本飞机节点发送给卫星节点。通过以上过程，便可模拟实现飞机与卫星之间的通信。

3.2.1 实体功能描述

飞机节点的应用实体主要功能是产生报文。在飞机节点的应用实体初始化时读取对应配置文件，如产生报文的大小等参数;在应用实体初始化完成后，开始发送四个定时空消息用于驱动飞机节点的应用实体定时产生四类报文。用于驱动本飞机产生报文的空消息发送的定时时间到，飞机节点的应用实体开始产生报文并立即发送，且发送定时空消息，用于驱动本飞机节点的下一个此类报文的产生。下面以定时产生位置报文为例，描述飞机节点的应用实体产生并发送位置报文和定时空消息发送过程，流程如下：

飞机节点的链路实体主要功能是接收上层实体发送的报文消息，并模拟报文的传输过程。在飞机节点的链路实体初始化时读取对应配置文件，如数据链路带宽等参数;上层实体报文消息到达链路实体后，开始将报文消息插入到FIFO缓冲队列中，并发送定时空消息，目的是在报文传输完成后将报文消息取出并继续往下层实体发送。下面分别给出链路实体接收报文消息和从队列取报文消息的过程，具体流程如下：

3.3 卫星节点模型

卫星节点包含应用实体和链路实体。卫星节点的链路实体负责接收不同飞机发送的位置报文、速度报文、状态报文及标识报文消息，然后将此报文消息发送给上层实体。卫星节点的应用实体从下层实体接收报文消息，统计所有到达卫星节点的报文数量;对报文进行冲突判断，统计冲突的报文数量;并对无冲突的报文进行解调，统计成功收到的报文数量;并记录每一个飞机节点发送且被卫星正确接收的位置报文的到达卫星的时刻。通过以上过程，便可模拟实现卫星对报文的接收。

3.3.1 实体功能描述

卫星节点的链路实体主要功能是接收各个飞机节点发送的报文消息，然后将报文消息发送给上层实体，此过程较为简单，在此不做描述。卫星节点的应用实体主要功能是从下层实体接收报文消息，并进行冲突判断和解调。下面分别给出报文的冲突判断过程和正确接收过程，流程如下图7图8。

3.4 参数统计

仿真输出需要统计到达卫星节点总的报文数、冲突的报文数和正确接收的报文数，分别用于计算报文冲突概率、报文正确接收概率;另外还要统计不同飞机发送且被卫星正确接收的位置报文到达时刻，用于计算95%位置报文更新间隔。下面给出系统参数的计算方法，如表1所示：

4 仿真结果

4.1 仿真参数

4.2 仿真结果

为了分析星基ADS-B接收机的监视容量，首先给出報文冲突概率和报文正确接收概率，然后再根据统计的位置报文更新间隔中给出95%位置报文更新间隔，最后给出监视容量。为验证仿真结果的正确性，下面给出理论参考公式[8]，如表3所示：

图9显示给出了位置报文更新时间间隔的直方图，其中（a）是飞机数量为2500，空天链路误码率为0.001的位置报文更新时间间隔频率直方图;（b）是飞机数量为2500，空天链路误码率为0.001的位置报文更新时间间隔频率累计直方图。从统计结果可以看出，95%的位置报文更新间隔在20.0s之内，与理论结果19.99s相一致，从而验证了95%位置报文更新间隔仿真的正确性。

图10显示给出了星基ADS-B接收机95%位置报文更新间隔与飞机数量的关系曲线，其中，横坐标代表飞机数量，纵坐标代表95%位置报文更新间隔。从图中可知：1）仿真结果与理论一致;2）误码率对95%位置报文更新间隔的影响较大，链路误码率为10-3时，4000架飞机的95%位置报文更新间隔为60s，而当链路误码率恶化至10-2时，4000架飞机的95%位置报文更新间隔提高到180s;3）飞机数量对95%位置报文更新间隔影响较大，随着飞机数量的增加，95%位置报文更新间隔增大，例如链路误码率为10-3时，飞机数量为1500时，95%位置报文更新间隔为10s;当飞机增加到3500时，95%位置报文更新间隔显著提高到40s。

图11显示给出了星基ADS-B接收机监视容量与要求的位置报文更新间隔的关系曲线，其中，横坐标代表位置报文更新间隔，纵坐标代表星基ADS-B接收机监视容量。由图中可知：1）仿真结果与理论一致;2）误码率对监视容量的影响较大，当要求的位置报文更新间隔为12s时，误码率为10-2时的监视容量仅为500架，误码率下降到10-4时的监视容量则提高到2000架;3）监视容量与位置报文更新间隔近似呈现线性关系，要求的位置报文更新间隔每减小1s，监视容量减少101.5架。

5 结论

为了仿真验证星基ADS-B系统的监视性能，文章基于SNS软件对星基ADS-B系统及其卫星节点、飞机节点进行了仿真建模，以网络仿真的方式对星基ADS-B系统的监视性能进行了仿真验证。仿真结果与理论值保持一致，验证了仿真建模的正确性。

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[8] 劉海涛，王松林，秦定本，等. 星基ADS-B接收机监视容量分析[J]. 航空学报， 2017， 39（5）.

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