廣播式自動相關監視與二次雷達的數據融合及應用

唐　勇，何東林，朱新平

(1.成都大學 信息科學與工程學院，四川 成都　610106；2.中國民航局第二研究所 科研開發中心，四川 成都　610041；3.中國民用航空飛行學院 空中交通管理學院，四川 廣漢　618307)

0　引　言

目前，廣播式自動相關監視(Automatic dependent surveillance-broadcast,ADS-B)因具有系統更新頻率高、地面站造價低以及安裝維護簡單等優點，在民航飛機協同監視方面越來越受到重視[1]，但因ADS-B為基于衛星定位來實現飛機的監視，其在信號穩定性、完好性及可信性等方面仍有待進一步研究[2-5].同時，國內目前大約有一半的民航客機未安裝ADS-B機載應答設備，而無法實現對民航飛機的完全監視.二次雷達(Secondary surveillance radar,SSR)作為一項成熟可靠的監視技術，在空中交通管制(Air traffic controller,ATC)系統中得到了普遍使用，但SSR系統因數據更新頻率較低、監視誤差較大，且造價高、安裝維護復雜等不足，同時SSR受雷達俯仰角影響而無法對機場場面飛機進行監視[6-7].可以認為，在相當長時間內，ADS-B與SSR都將是民航飛機定位監視的重要手段之一，二者需要互為補充.因此，ADS-B與SSR共同使用的最好方式是進行數據融合，這樣既能發揮ADS-B技術的優點，又能保證SSR監視的穩定可靠.本研究分析了ADS-B與SSR各自的監視特點，提出了一種ADS-B與SSR的數據融合系統模型，探討了ADS-B與SSR的數據融合算法，并利用實測數據對系統進行了驗證.

1　ADS-B與SSR監視特點

1.1　ADS-B監視特點

ADS-B是一種集數據通信、衛星導航和監視于一體的新航行系統先進技術，它將由機載衛星導航設備實時獲取的飛機經度、緯度、高度與速度等定位信息，以及姿態、航班號及地址碼等其他信息定時向空中和地面進行廣播發送，供其他飛機和地面上的用戶接收和顯示.通過空地、空空數據鏈通信，ADS-B不僅可以實現地面對飛機的監視，還可實現飛機與飛機之間的互相監視.隨著新航行技術的發展，ADS-B技術因為造價低、精度高而越來越受到重視，具有廣闊的應用前景[8].

1.2　SSR監視特點

SSR是目前普遍使用的空管監視手段.一方面，它通過向飛機發出詢問信號，機載設備應答詢問信息；另一方面，通過對飛機進行測距和測向，以及機載設備應答的飛機二次代碼和飛行高度，兩者相互協作完成對空中目標的定位.但SSR 系統具有很多局限性：通過無線電測距獲取的目標方位精度有限；機械旋轉掃描方式限制了更新率的提高；無法獲得飛機的意圖、方向及速度等態勢數據.同時，SSR因造價高、維護使用成本高，并且只能監視空域目標，無法對場面目標進行監視，難以滿足未來空中交通管理的發展需求[9].

1.3　ADS-B與SSR信息分類

ADS-B信息的種類主要分為3類：包含目標四維位置和姿態信息的位置報告，包含目標航行信息和飛機標識信息的模式狀態報告，以及包含控制應答和其他輔助信息的勤務報告.而SSR信息主要包括了目標位置、二次雷達代碼、航跡質量等格式化信息.兩類目標信息之間的主要差異[10-13]如表1所示.

表1　ADS-B與SSR數據信息差異

2　ADS-B與SSR數據融合

2.1　數據融合系統模型

ADS-B與SSR數據融合有多種模型.本研究針對實際應用問題提出一種數據融合系統模型如圖1所示.

圖1ADS-B與SSR數據融合系統模型

本數據融合系統對收到的報文進行類型判斷后分別送入ADS-B與SSR處理通道.ADS-B預處理主要完成報文格式檢查、解碼(通常采用Eurocontrol Asterix Cat021標準格式)、野值剔除、WGS-84坐標轉地心直角坐標等工作；SSR預處理主要完成報文格式檢查、解碼(通常采用Eurocontrol Asterix Cat030標準格式)、野值剔除、雷達極坐標轉地心直角坐標等工作.預相關模塊利用ADS-B報文中的地址碼和SSR報文中的二次代碼進行預相關處理，對已經有融合航跡記錄的數據直接進行融合濾波處理，對未有融合航跡記錄的數據通過關聯模塊進行航跡關聯.初始化模塊負責對未關聯上的數據生成新航跡.航跡管理負責記錄融合航跡，管理航跡生存時間，剔除和更新航跡，調用濾波器進行航跡濾波，產生融合結果輸出.編碼模塊負責把融合結果統一編碼后輸出到ATC系統顯示.濾波模塊采用卡爾曼濾波器完成融合估計.

在本模型中，ADS-B與SSR數據融合還需要解決下面幾個問題：

1)坐標轉換.ADS-B報文采用WGS-84坐標系，而SSR采用極坐標系.對此，可通過坐標轉換把坐標系統一為笛卡爾地心直角坐標系.

2)時間對齊.由于ADS-B與SSR是2個系統，沒有統一的時間基準.因此，在數據融合前必須通過外推和插值等方法把2個系統的傳感器數據報告時間校正到同一時刻.

3)航跡關聯.航跡關聯是為了把ADS-B與SSR對同一目標的觀測航跡進行關聯.在ADS-B數據中飛機被32 bit地址碼唯一標識，而SSR則通過二次代碼標識飛機.對于已形成融合航跡的飛機可以通過地址碼或二次代碼直接關聯，對于未形成融合航跡的飛機可以通過最近領域法、概率數據互聯等方法關聯得到融合航跡[14].

4)融合方式.融合方式分為集中式、分布式、混合式等，其中集中式融合算法有3種，即并行濾波、序貫濾波及數據壓縮濾波[15].

2.2　融合算法

由于ADS-B系統與SSR系統工作時在時間上的不同步，本數據融合系統采用集中式序貫濾波融合算法，則不管是哪個系統觀測，按時間順序，先到的量測點先進行濾波，這樣就省去了時間同步處理，又增強了航跡的連續性.

目標運動方程采用勻加速模型，采用笛卡爾直角坐標系，則狀態方程為，

(1)

(2)

(3)

其中，狀態轉移矩陣與過程噪聲矩陣分別為，

(4)

(5)

融合中心按照傳感器的序號1→N對融合中心目標運動狀態估值進行序貫更新，傳感器1

(6)

(7)

(8)

則融合中心最終的狀態估計是，

(9)

(10)

3　系統數據測試

本數據融合系統在實際數據測試中，通過民航二所在成都雙流國際機場及其周邊安裝的8套(見圖2，圓圈表示地面站位置，折線多邊形表示航空走廊)1090ES ADS-B接收機，對機場場面及周邊300 km空域進行全天候完整監視.ADS-B監視數據通過ADSL、3G、甚高頻等通信方式傳到處理中心.通過多個ADS-B地面站的多重覆蓋監視，解決建筑、山脈等對飛機監視可能造成的無線電遮擋等原因而出現的目標丟失.同時，在雙流機場場面雷達站安裝一部雷神SSR.

本數據融合系統ADS-B與SSR融合數據顯示效果如圖3所示.圖3中，只有數字的標牌表示雷達數據，有航班號的表示ADS-B數據，標牌尾帶“T”的表示ADS-B與SSR融合后的數據.

圖2成都雙流機場及其周邊1090ES ADS-B地面站分布圖

圖3成都雙流機場ADS-B/SSR實測數據融合顯示效果

實際測試數據顯示，由于ADS-B刷新率和監視精度都遠高于SSR，在飛行目標同時被ADS-B與SSR監視的情況下，融合輸出的精度和刷新率都和ADS-B接近.而當目標只被ADS-B或SSR其中一種傳感器監視時，融合系統給出的是這種傳感器的濾波輸出.不管飛機機載設備情況如何(有或無SSR、ADS-B應答機)，本數據融合系統都能給出統一航跡.

4　結　論

本研究提出了一種采用集中式序貫濾波融合算法的ADS-B與SSR數據融合系統，利用成都雙流國際機場及周邊安裝的8個1090ES ADS-B地面站和1部雷神SSR同時監視數據，并進行了數據融合驗證.通過實測數據驗證，本數據融合系統具備以下特點：不受ADS-B或SSR某類監視數據缺失影響(不同機載設備)，都能給出統一航跡；提高了SSR監視的精度和更新率；對SSR場面監視盲區進行了補充覆蓋，實現了從航路到場面的完整及連續監視；統一編碼輸出，兼容現有ATC顯示系統數據格式.