ADS-B與雷達數據的融合應用

摘要本文介紹了ADS-B的概念，對比了ADS-B與常規雷達的主要區別，分析了在空管自動化系統中ADS-B與雷達數據的融合處理過程，最后探討了其技術優勢和應用前景。

關鍵詞ADS-B 雷達數據 傳感器 航跡

中圖分類號:TN95文獻標識碼:A

1 ADS-B概述

ADS-B，即廣播式自動相關監視，是一種利用空地、空空數據通信完成交通監視和信息傳遞的航行新技術，國際民航組織(ICAO)將其確定為未來監視技術發展的主要方向，并正積極推進該項技術的應用。

作為應用在空中交通服務中的監視技術，ADS-B主要實施空對空監視，裝備了ADS-B機載設備的飛機通過數字式數據鏈，不停地廣播其精確的4維位置信息(經度、緯度、高度和時間)和其它可能附加信息(沖突告警信息，飛行員輸入信息，航跡角，航線拐點等信息)以及飛機的識別信息和類別信息。ADS-B接收機與空中交通管理系統、其它飛機的機載ADS-B結合起來，在空地都能提供精確、實時的沖突信息。

ADS-B技術是新航行系統中非常重要的監視技術，與常規雷達相比，ADS-B能夠提供更加實時和準確的航空器位置等監視信息，但對其建設投資只有前者的十分之一左右，并且維護費用低，使用壽命長。使用ADS-B可以增加無雷達區域的空域容量，減少有雷達區域對雷達多重覆蓋的需求，大大降低空中交通管理的費用。

但由于在技術體制、規劃性、兼容性等個方面問題，單一依靠雷達系統或ADS-B實施空中交通監視，都會存在影響空中交通服務的有效性和可靠性的問題。如何將ADS-B信息與雷達數據融合應用，成為一個有益的課題。

2 ADS-B與常規雷達的比較

在工作原理和數據來源方面，常規的民用航管二次雷達，使用A/C詢問模式工作，雷達向飛機詢問，飛機的應答機向地面雷達發送氣壓高度和二次編碼，地面雷達通過計算得出飛機的相對距離和方位。而ADS-B無需應答，是飛機依靠星基GPS來確定精確位置，由機載設備將GPS定位系統的數據通過數據鏈，在飛機之間或與地面站互相不停廣播各自的數據信息。位置、高度、速度、航向、識別號等均由飛機本身提供。

在監視精度方面，常規雷達在規定范圍內工作效果良好，但會受特殊的地理條件、障礙物等限制;而ADS-B有效的位置數據與雷達相比更為精確，并且可通過位置導航精度(NACp)等標準來衡量，在精度不滿足精度質量因數(HFOM)或導航不確定度(NUC)時，能夠主動告知。

在監視完整性方面，常規雷達會受到反射物、目標的分析計算等直接因素的影響，并與雷達頭的技術維護程度有一定間接關系;ADS-B的完整性通常更為敏感，取決于GPS衛星和每個獨立的機載航行系統以及機載設備的安裝等情況。

在報告識別方面，常規雷達會產生大量的“偽”ID識別碼，二次應答碼由4位數組成，共4096個。由于二次雷達動態分配ID，有可能會發生重碼，而一次雷達則沒有ID。ADS-B使用S 模式的24比特ID，數量上遠多于二次雷達的 3/A模式ID，故此每架飛機都是唯一的，并且提供目標識別(通常是發送航班號和飛機尾號)。

在下行傳輸數據方面，常規雷達接收的下傳數據非常原始。3/A和 C模式都是由飛機下行傳下來的，容易出現錯誤，無法做適當的錯誤檢查。S模式解決了大多數的這些缺點。而從飛機傳下的ADS-B數據包括航路信息、航行參數以及相關導航參數等，有較好的錯誤檢測能力，是一個完整的數據鏈通信系統。

在參考坐標系方面，雷達觀測點跡使用與正北相關的斜距和角度，是空間直角坐標系。ADS-B位置測量是基于WGS-84世界大地坐標系，使用/極坐標，只會有非常個別的錯誤，/與基于3D的測量相比，更為精準。

在地面設備方面，雷達站的投入成本大，維護復雜，且選址受地形等因素的限制。而為滿足航行監視的ADS-B地面基站，可以只安裝接收機，只接收GPS信號和飛機下行廣播，技術簡單，成本較小。

在機載設備配備方面，常規雷達只需飛機配備二次應答機，現所有的民航飛機均配備。對于一些沒有二次應答機的航空器，一次雷達也可探測到。而ADS-B需要每架飛機安裝GPS接收機、數據鏈收發機及其天線、駕駛艙沖突信息顯示器等相應的機載設備。

3 ADS-B與雷達信號在空管自動化系統中的融合應用

隨著我國航空公司機隊規模擴大和機型的更新，近年來許多航空器都選裝了適合新航行系統的機載電子設備，具備了地空雙向數據通信能力。同時有越來越多的空管自動化系統都具備了ADS航跡處理能力，標志著中國航空的主要空管設施已經具備了ADS監視能力。

如何將ADS-B信號與常規雷達信號融合呢?下面就以三亞管制區使用的美國Telephonics公司的Aerotrac自動化系統為例進行分析說明。

3.1 數據解碼

ADS-B數據使用的Asterix Cat 021格式與常規雷達相比更為復雜， ADS-B數據通過地空數據鏈接入系統后，數據被高分辨率規范化的四字節計數器解碼為標準格式數據。

3.2 完整性檢查

可靠性和完整性的檢測，是為了保障ADS-B數據的完好性。除了機載設備做基于 Cat021 UAP1.x DO-260A規范的自動完整性檢查之外，系統還利用雷達黑白名單，允許用戶管理他們自己的完整清單的黑白名單方案。白名單定義為不超過NUC門限值的航空器列表，黑名單則為超過NUC門限值的航空器列表。裝有ADS-B機載設備的每架航空器都有其唯一的ICAO S 24位ID碼，在白名單列表內的航空器發送的ADS-B數據可用，而黑名單內的則不可用。

同時系統允許多雷達處理維護人員針對特定的航空器建立其獨立的靜態權重，并允許提供信息到現有的相關雷達跟蹤，以增加額外的信息(但不被允許去干預位置)，來完善黑白名單判別機制。故此，對不同機載設備的航空器，系統能夠分別進行完整性檢測。

3.3 航跡數據關聯

在一個混合傳感器架構的自動化系統中，提供以下幾種系統航跡:單純的雷達傳感器(來自于一個或多個雷達站)、單純的ADS-B傳感器(來自于一個或ADS-B地面基站)、混合航跡(ADS-B與雷達)以及其它(如飛行計劃航跡)。

航跡數據關聯是指在多個傳感器數據源同時存在時，針對同一目標的跟蹤數據值之間進行關聯確認，形成對應關系。合并來自不同站點的位置報告的條件:首先在位置上需要接近同一架飛機，并且具有相同的、唯一的二次代碼(由飛機發出，應該是相同的，可以允許由于飛行員改變或雷達故障而短暫的不同)，或是具有相同的、唯一的24比特ID。包含更多的關鍵因素(如應答機的內部硬件編碼，相對來說不會由傳輸過程中的處理而產生錯誤)。

雷達與ADS-B使用基本相同的合并原則，主要區別是ADS-B的24比特ID具有更強的相關性。

3.4 多傳感器航跡融合

系統在同一時間使用雷達和ADS-B兩種信息(而不是指定優先一方或另一方)，提供最小位置誤差的系統航跡。系統的多傳感器數據融合模塊(MST - Multi Sensor Tracker)使用動態數據精度監測以平衡ADS-B和雷達數據，對一個目標的多個關聯數據進行相對權重的加權計算，當某一路傳感器質量下降時，系統MST將自動降低其權重，甚至必要時完全舍棄該報告。系統的MST在傳感器之間促進的數據融合基于它們的相對精度，當ADS-B的數據完好性以及更新頻率均滿足系統門限時，視為權重最高的類雷達數據進行加權融合，從而輸出高于常規雷達精度的系統融合航跡。

可靠的相關和精度信息可由傳感器內部計算(常規的雷達傳感器及模式S)或由來源提供(ADS-B)。為了提高精度和完整性，系統兩種方案都使用，并且充分保留了雷達在/極坐標上的方向和探測，故此可以更好地融合ADS-B信號。

3.5 系統航跡與飛行計劃相關聯

系統航跡一旦產生，MST將會把系統航跡與現有的飛行計劃相關聯。當航跡包含二次代碼時，這種關聯基于二次代碼和飛行計劃，航跡標牌將顯示來自飛行計劃的航班號。當飛行計劃和來自ADS-B的下行航空器數據不一致時，航跡標牌將顯示告警。另一方面，當系統航跡僅由ADS-B產生，并且不能成功地與飛行計劃相關時，航跡標牌也會有告警，提示飛行員沒有將正確的飛行計劃輸入ADS-B應答機。

當一個系統航跡僅由ADS-B報告產生，基于二次代碼和飛行計劃的關聯準則不再適用。在這種情況下，系統從飛行計劃中的航空公司和飛機注冊號來確定相應的ICAO 24比特ID。一旦確認24比特ID，MST將用24比特ID代替二次代碼與飛行計劃進行關聯。

4 總結

ADS-B作為一項關鍵技術出現，用于空中交通管制，可以在無法部署航管雷達的大陸地區和廣闊的洋區為航空器提供優于雷達間隔標準的虛擬雷達管制服務;在雷達覆蓋地區，即使不增加雷達設備也能以較低代價增強雷達系統監視能力，提高航路乃至終端區的飛行容量;單一ADS-B接收地面站組網，可作為雷達監視網的旁路系統，并可提供不低于雷達間隔標準的空管服務;利用ADS-B技術還在較大的區域內實現飛行動態監視，以改進飛行流量管理。

ADS-B與雷達傳感器一起使用，可以實現在有雷達覆蓋和無雷達覆蓋的管制區，無縫集成，提供給管制員統一的、完整協調的空域和飛行數據畫面。ADS-B技術在空管上的應用，預示著傳統的空中交通監視技術即將發生重大變革。

參考文獻

[1]何友.雷達數據處理及應用[M].北京:電子工業出版社，2009.

[2]RTCA DO-260A. Minimum operational performance standards for 1090 MHz automatic dependent surveillance-broadcast (ADS-B). Washington D. C.: RTCA Inc.， 2003.

[3]White Paper for Sensor Data Processing (SDP) System， AeroTrac? ADS-B Implementation Approach， Telephonics.