ADS-B系統在城市防空雷達標校中的應用

董榮果，李 翔，趙憲濤

(中國船舶重工集團公司第723研究所，揚州 225001)

?

ADS-B系統在城市防空雷達標校中的應用

董榮果，李 翔，趙憲濤

(中國船舶重工集團公司第723研究所，揚州 225001)

城市防空雷達的標校工作很大程度上受到城市環境的限制，如塔標尋找、信標機架設及無人機飛行等等。分析得出基于ADS-B系統的標校可以避免這些條件的限制，且用試驗證明了此標校方法的可行性。

城市防空雷達；標校；ADS-B；對比分析

0 引 言

城市防空雷達在第一時間準確地定位空中目標位置，是城市防空系統運作的第1步。也就是說，防空雷達是城市防空系統的“眼睛”，那么提高“眼睛”指示目標的準確度尤為重要。標校是雷達提高目標指示準確度重要的一步。

常規兩坐標雷達的標校主要是距離和方位上的，目前標校方法有靜態和動態2種。

靜態標校是基于固定塔標(無源標校)或信標機(有源標校)的一種標校方式。在城市環境中，尋找合適的塔標或架設信標機的地點，通過差分全球定位系統(GPS)來計算相對于雷達的距離、方位值，然后對比雷達探測出的目標距離、方位值，計算出誤差值并修正[1]。

動態標校則是基于無人機飛行數據的一種標校方式。通過差分GPS實時記錄無人機飛行過程中的GPS數據，并換算為相對于雷達的距離、方位值，同時實時記錄雷達對該無人機探測出的距離、方位值，2組數據擬合出曲線，分析出誤差值并修正。

1 ADS-B系統及其標校應用方法

1.1 ADS-B系統簡介

ADS-B是廣播式自動相關監視技術的簡稱，是飛機與飛機、飛機與指揮塔實現雙向溝通的重要渠道。其工作原理如圖1所示。

圖1 ADS-B系統工作原理

ADS-B信息包含飛機標識、飛機種類、飛機四維(高度、經度、緯度、時間)信息以及其他一些附加信息[2]。ADS-B信息獲取的渠道有全球衛星導航系統(GNSS)、慣性導航系統(INS)、慣性參考系統(IRS)、其他機載傳感器[3]。多通道的數據來源，使得ADS-B系統信息準確度高，實時性好。ADS-B系統最大廣播距離可達400 km，而且城市中配備ADS-B系統的民航飛機較多，相對于無人機而言，民航飛機飛行高度較高，雷達反射面積大，易于發現。種種條件都為利用ADS-B系統對城市防空雷達進行標校提供了可能。

1.2 ADS-B系統用于城市防空雷達標校

首先要架設一臺ADS-B信息接收器，在雷達附近空曠處接收來自民航飛機ADS-B信息，利用民航飛機ADS-B系統廣播出的飛機GPS、高度信息以及雷達自身的GPS、高度信息，計算出飛機相對于雷達的距離和方位信息(真實值)，與雷達探測出的該飛機距離、方位信息(測量值)進行比較，分析出誤差值并修正。原理圖如圖2所示。

圖2 ADS-B系統用于雷達標校原理圖

在目標選取、數據利用、標校精度等幾個方面對比分析4種方法在城市防空雷達標校中的應用，標校方法對比結果如表1所示。

表1 標校方法對比

對比發現，基于ADS-B系統的標校方法和靜態有源標校方法比較適合城市防空雷達的標校工作；但是，靜態有源標校中，信標機架設需要合適的位置及定點人員的遠程配合，需要的人力物力較多，同時，信標機花費上較ADS-B系統稍高。由此可以看出，基于ADS-B系統的標校在城市防空雷達的標校中占有一定的優勢，在標校后的驗證工作中也較為簡單易行。

1.3 基于ADS-B系統標校方法的數據處理

在此標校方法的數據處理方面，主要有兩大步驟：

(1) 將民航飛機GPS值換算為相對于雷達的距離、方位值，作為真實值；

(2) 對比雷達探測出的該飛機距離、方位值，即測試值，分析誤差并修正。

假設地球是半徑為r的球體，任意一物體地理位置表示為(L，B，H)，其中L為經度，B為緯度，H為海拔高度。則飛機位置信息可表示為(LF，BF，HF)，雷達天線中心位置信息為(LR，BR，HR)。那么，以雷達為中心的空間直角坐標系中，飛機坐標位置可表示為：

(1)

由此計算出，飛機相對于雷達的距離為：

(2)

飛機相對于雷達的方位為：

(3)

根據上述公式，計算出飛機相對于雷達的距離、方位信息作為真實值[4]。由于ADS-B系統更新飛機數據的時間和雷達探測到飛機時的時間不一致，因此，在對比真實值和測試值時，需要利用同一時間源(例如格林威治時間)作為參考，分別繪制出真實值和測試值的“時間-距離”曲線和“時間-方位”曲線，在同一參考坐標下進行對比，從而得出誤差值并加以修正。標校的結果也可以錄取其他飛機航次進行驗證。

1.4 ADS-B系統用于城市防空雷達標校精度分析

在雷達標校工作中，一般要求真實數據精度高于待標校雷達定位精度的3倍以上。城市防空雷達作為警戒雷達，其定位精度要求不會太高，距離精度要求在50 m左右，方位精度要求在0.5°左右。在標校過程中，差分GPS數據精度很高，距離上能精確到毫米級，方位精度也很高；ADS-B系統內經緯度誤差約為0.000 1°，由此計算出來的距離誤差小于10 m，方位誤差小于0.05°，精度遠遠高于城市防空雷達定位精度。由此可以看出，ADS-B系統用于城市防空雷達的標校，其精度肯定能滿足要求。

2 標校結果分析

在我國東北部某市進行了基于ADS-B系統對城市防空雷達的標校，現以錄取的自東北方向進入、切向飛向西南方的一航班部分數據為例，對比真實值和測試值。

由圖3可以看出，根據ADS-B數據計算出來的飛機距離、方位(真實值)曲線與雷達探測出飛機距離、方位(測試值)曲線有較好的擬合度，對于城市防空雷達的標校有很好的利用價值。

圖3 真實值與測試值曲線對比

3 結束語

本文對比分析了多種雷達標校方法，指出了基于ADS-B系統的標校在城市防空雷達標校中的優勢。雖然ADS-B系統的數據量較大，挑選合適數據并計算會延長一定的標校時間;但是相較于靜態標校，此標校方法在不需要多處架設標校系統的情況下，能完成多距離、多方位的同步標校,相較于動態標校，則能節省較多的人力、物力。利用ADS-B系統對城市防空雷達進行標校具有很高的推廣價值。

[1] 朱起悅.應用差分GPS技術進行雷達標校[J].電訊技術，2006(1)：108-110.

[2] 張天平.ADS-B技術及其在空管中的發展與應用[J].電子產品世界，2009(6)：34-37.

[3] 苑文亮.基于ADS-B數據的雷達標校新方法[J].艦船電子工程，2010(3)：147-150.

[4] 朱華統.GPS坐標系統的變換[M].武漢:武漢測繪出版社，1994.

Application of ADS-B System to The Calibration of Air-defense Radar for City

DONG Rong-guo,LI Xiang,ZHAO Xian-tao

(The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

The calibration of air-defense radar for city is limited by city environment in great degree,such as tower marker search,beacon setting and unmanned aerial vehicle (UAV) flight etc..This paper educes that the calibration based on ADS-B system can avoid those limitations through the analysis,and proves the feasibility of this calibration method through the experiment.

air-defense radar for city;calibration;ADS-B;comparison analysis

2016-07-13

TN957.51

A

CN32-1413(2016)05-0050-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.05.012