一維相控陣二次航管設備標校新方法

中國西南電子技術研究所 王 誼

1.引言

二次航管設備是車載警戒系統中重要的設備，其錄取的飛機方位、距離、高度和呼號，與一次雷達的航跡數據匹配，可以形成完整的空域態勢，可以讓管制員精確掌握飛機的水平和垂直距離，準確的調配飛機飛行時間間隔。車載警戒系統在交付用戶前，要對警戒探測系統的所有雷達的零位一致性進行標校和驗證，以消除或減少系統誤差。然而，至今車載雷達的標校工作還是比較困難的工作，在靜態標校中，傳統做法是利用標校塔進行標校。受到天氣條件以及標校塔少，特別是二次航管設備標校時，在標校塔上安裝二次航管應答機比較困難，標校距離較短，以及多徑影響等的限制。

針對現有車載雷達標校方法中存在的上述諸多不便和缺點，基于民航飛機絕大部分都已經安裝了ADS－B設備，本文提出并設計實現了一種基于ADS-B定位數據的雷達標校和檢驗新方法。通過數據分析處理，得到二次航管設備方位和距離數據與ADS-B的數據的偏差，通過設定應答信號延時實現可變距離標校；設定零位偏差，實現與其他警戒探測系統的零位一致性。此方法可以實現全方位角度的標校，能夠有效地滿足車載警戒系統標校需求，特別適合相控陣雷達的標校。

2.原理

2.1 定義

廣播式自動相關監視系統ADS-B（Automatic Dependent SurveillanceBroadcast）是一種基于全球衛星定位系統和利用地空、空空數據鏈通信完成信息傳遞和交通監視的空管監視新技術，即航空器通過廣播模式數據鏈，自動發送由機載導航設備和定位系統生成的數據包，包括航空器識別、位置（高度、經度、緯度）、速度及意向信息等。地面和其他航空器可以接收此數據包，并用于各種用途。但目前ADS-B在雷達標校中的應用還是很少，本文利用在車上安裝高精度差分GPS同步獲得本地雷達的定位數據和利用ADS-B接收設備獲取目標飛機的定位數據，解算目標真值，與二次航管設備采集的航跡數據按時間和空間位置進行匹配和插值，從而到達標校和檢驗的目的。

2.2 標校原理

基于ADS-B數據的雷達標校方法實質是一種GPS標校方法，但是又具有其自身的特點，最突出之處是一般的GPS數據標校方法基于標校塔的限制，只能在幾個固定的位置進行標校，通過ADS-B數據，可以進行全方位，全距離段，即全空域的標校，可以最大限度的修正系統誤差，特別適合相控陣雷達的標校。

如圖1所示為標校基本流程圖。通過本地ADS-B接收機接收多個空中民航飛機的飛行航跡，與SSR航跡進行關聯處理，得到相匹配的航跡。用匹配后的目標飛機的ADS－B定位數據和本地高精度GPS定位數據，解算出目標飛機相對本地二次航管設備的極坐標，作為二次航管設備探測目標飛機的真值。對二次航管設備錄取的目標航跡和GPS目標航跡進行時空匹配和插值。最后用二次航管設備航跡數據和匹配真值數據計算系統誤差和標準偏差。將多個民航飛機獲得的系統誤差進行融合，求取一個最優的雷達誤差進行校準。

3.標校系統設計

3.1 系統組成

基于ADS-B的車載雷達標校系統包括車載二次航管設備、ADS-B接收機、高精度GPS接收機和PC機等組成。系統組成如圖2所示。

3.2 標校數據采集

標校數據的采集包括本地GPS定位數據，目標飛機GPS定位數據和雷達目標探測航跡數據三方面：

1）本地GPS數據：通過車上自帶高精度GPS設備接收定位數據，關鍵在于設定數據采集率。為方便后續與ADS-B數據進行時空對準，應盡量設定高于ADS-B數據采集率，本次測試中選用的是北京金萊威公司代理的DL-V3接收機（如圖3），單點定位精度1.5米，數據率為50Hz，遠高于ADS-B數據率。

2）目標飛機GPS數據：由ADS-B接收附近空域的各型飛機發送的飛機定位信息。觀察顯示屏上的飛機分布，比較標校范圍內目標的距離和數據發送率，選擇一個合適的目標飛機進行跟蹤讀取數據。ADS-B的數據發送率一般不穩定，發送率通常與目標飛機的航行狀態有關。

3）雷達數據采集：將二次航管設為自動扇掃工作方式，并由記錄儀自動錄取目標航跡數據。由于二次航管設備只能錄取飛機的3/A代碼、高度和位置信息，ADS-B錄取的是飛機的ID號，所以不能在雷達顯示器上直接與ADS-B錄取的空中目標相對應。由于要保證民航飛機飛行安全，在同一高度和距離上只能允許有一架民航飛機，根據這一原則，要先根據ADS-B提供的目標飛機參數，即飛行路線，高度和距離，尋找同一時間，在相同高度和距離上的二次雷達穩定跟蹤的飛機。錄取的飛機的3/A代碼，記錄下飛機的ID號，錄取航跡數據，事后再作關聯。

表1 ADS-B目標位置精度代碼表

圖1 標校流程圖

圖2 標校系統組成框圖

圖3 DL-V3接收機

圖4 4545航跡圖

圖5 方位一次差

圖6

圖7

4）利用儀器（如全站儀）測定相控陣天線中心相對GPS天線中心的位置關系，二者的位置在裝備車上必須固定，通過計算可以得到天線中心位置的實時GPS位置信息。

5）GPS時間同步：標校系統的各組成部分之間要保持嚴格的時間同步。時間同步的精度直接影響標校的誤差校正的準確度和最終的標校結果。要使最終的標校結果優于8m，各接收系統和雷達的時間同步精度應優于10ms。本系統采用GPS作為時間同步基準實現各設備之間的時間同步。DL－V3設備時間精度20ns，完全達到了標校系統的要求。二次航管設備通過實時接收高精度GPS設備的時間信息和秒信號，進行時間校準，時間精度可以達到10ms。

6)航向修正：慣導采用合眾思壯公司生產的AT4+IMU姿態測量系統，導航精度0.008。。完全滿足標校系統的要求。

3.3 數據分析與處理

2011年4月，在外場試驗中，裝備車處于駐車狀態，對二次航管設備進行了標校。

1）二次航管設備錄取民航飛機，3/A代碼4545，ADSB地址碼7800B9，如圖4所示。

計算航跡數據與ADS－B數據的一次差如圖4所示。

二次航管的航跡數據與ADS－B的數據相關，按照標準時間，計算兩種數據的一次差，如圖5所示。

把所有的一次差進行平均，計算出方位和距離的系統誤差，在二次航管設備里把系統誤差修正后，再繼續進行雷達標校和檢驗。

2）民航飛機的3/A代碼727，ADSB地址碼343387。

3）民航飛機，3A代碼1525，ADSB地址碼，如圖6所示。

4）民航飛機3/A代碼1525，ADSB地址碼780693如圖7所示。

統計了4個架次的民航數據，在70Km-300Km的范圍內，方位精度滿足指標要求，在小于70Km的范圍內，指標有些超差。分析其原因如下：

ADS-B的定位精度差。ADS-B數據精度的精度代碼為6～8，根據協議（見表1），精度為1111.2米～185.2米，按照最高的精度185.2米計算，在距離100Km位置，誤差為0.11度，在距離70Km，ADS-B的位置誤差=(185.2+15)/70*1000=0.168度；在40Km的位置，誤差可達0.2939度。在距離小于70Km的距離段內，ADS-B的精度誤差較大，在計算精度時引入很大的誤差，無法準確的定量計算方位精度。目標位置精度代碼如表1所示。

4.結束語

機械掃描天線的雷達標校，利用傳統的雷達標校塔標校即可獲的很高精度的標校值。相掃天線在各個方位的波束寬度各不相同，測量誤差隨著掃描角度的增大而增大，利用標校塔標校存在局限型，充分利用二次雷達和ADS－B的數據特性，采用此方法標校，大大減少了對試驗條件的要求。標校結果表明，此方法可以滿足二次航管的標校要求，可以大大降低試驗成本。

[1]張尉,徐炎祥.二次雷達原理[M].北京:國防工業出版社,2009.

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