基于ADS-B技術(shù)的雷達(dá)精度評估方法與應(yīng)用

葛 勇，趙起超，方詩麟

（上海機(jī)電工程研究所，上海 201109）

0 引 言

廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，ADS-B）即航空器自動廣播，是由飛機(jī)或飛行器攜帶的機(jī)載導(dǎo)航設(shè)備和GNSSS定位系統(tǒng)生成的精確定位信息，并進(jìn)行廣播，地面接收系統(tǒng)可以接收此廣播信息，對飛機(jī)或飛行器進(jìn)行監(jiān)視[1]。目前，世界各地都在積極推進(jìn)ADS-B系統(tǒng)建設(shè)，歐美等國許多飛機(jī)已經(jīng)安裝該套系統(tǒng)，中國的C919已經(jīng)確定安裝該套系統(tǒng)。

傳統(tǒng)的雷達(dá)測量精度檢驗方法是雷達(dá)系統(tǒng)在規(guī)定的場地展開布陣，目標(biāo)飛機(jī)攜帶高精度位置采集設(shè)備按照試驗方案規(guī)定的航路進(jìn)行飛行，雷達(dá)對目標(biāo)進(jìn)行跟蹤獲得目標(biāo)實時的位置數(shù)據(jù)（距離、角度等），將獲得的數(shù)據(jù)與高精度位置采集設(shè)備獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，經(jīng)過一定算法處理，計算出雷達(dá)精度誤差。

本文采用一種新的方法對雷達(dá)測量精度進(jìn)行評估，主要是利用ADS-B技術(shù)獲取民航飛機(jī)的實時位置信息，與雷達(dá)對同一民航目標(biāo)探測的位置信息進(jìn)行對比，得出雷達(dá)測量精度的誤差值。該誤差值可以用于指導(dǎo)雷達(dá)設(shè)計師對雷達(dá)性能進(jìn)行評估和改進(jìn)設(shè)計。

1 ADS-B技術(shù)

ADS-B技術(shù)是基于全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的航空器（如飛機(jī)）的運行監(jiān)視技術(shù)。利用該技術(shù)，地面系統(tǒng)能夠獲取飛機(jī)的精確導(dǎo)航信息，特別是飛機(jī)當(dāng)前的位置信息。地面系統(tǒng)利用該位置信息，配以實時的絕對時間，就可以形成飛機(jī)的運動軌跡，同時也可以利用該位置數(shù)據(jù)進(jìn)行精度對比分析。ADS-B定位信息使用GPS的WGS-84坐標(biāo)系，其定位精度達(dá)到10 m量級[2]。圖1為ADS-B系統(tǒng)框圖。

由圖1可知，機(jī)載導(dǎo)航設(shè)備每隔1 s廣播一次ADS-B信號，它是由112個信息脈沖構(gòu)成的S模式ADS-B長應(yīng)答信號，內(nèi)容包括經(jīng)度、緯度、方位及速度等信息。地面接收系統(tǒng)接收到信息后進(jìn)行解碼，即可得到每一秒時間的飛機(jī)位置及其他信息。

圖1 ADS-B系統(tǒng)框圖

2 雷達(dá)測量原理

雷達(dá)是一種電磁波檢測系統(tǒng)，一般至少由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)及天線組成。發(fā)射機(jī)負(fù)責(zé)發(fā)射電磁信號至空間，接收機(jī)負(fù)責(zé)接收被反射的電磁信號。利用電磁波的發(fā)射和反射對物體進(jìn)行檢查和定位。雷達(dá)將電磁能量發(fā)射至空間，并以光速傳播，如果目標(biāo)位于波束內(nèi)，則目標(biāo)將反射一部分電磁波。返回到雷達(dá)的電磁波被雷達(dá)收集，不僅可以表明目標(biāo)的存在，而且通過比較發(fā)射信號和反射信號能得出目標(biāo)位置、特性及其他信息。

3 雷達(dá)精度評估方法

圖2為雷達(dá)精度評估系統(tǒng)工作原理示意圖。

評估系統(tǒng)利用接收機(jī)接收某一民航廣播的ADS-B信號。由于雷達(dá)測定目標(biāo)的坐標(biāo)常采用極坐標(biāo)系統(tǒng)，即雷達(dá)到目標(biāo)的直線距離R、目標(biāo)斜距在水平面上的投影與某一起始方位（一般正北方向）的夾角A及目標(biāo)斜距與其在水平面上的投影的夾角E，因此提取的ADS-B數(shù)據(jù)需經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為R、A、E數(shù)據(jù)格式，作為“真值”發(fā)送給評估系統(tǒng)終端計算機(jī)。

同時，雷達(dá)裝備搜索空中同一民航目標(biāo)，獲得目標(biāo)的位置數(shù)據(jù)，將絕對時間、距離R、方位A和仰角E作為“測量值”發(fā)送給評估系統(tǒng)地面加固計算機(jī)。

圖2 雷達(dá)精度評估示意圖

在評估系統(tǒng)地面加固計算機(jī)上，按如下步驟得出不同距離段中雷達(dá)測量目標(biāo)的精度誤差結(jié)果。

（1）真值數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。將真值數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至測量雷達(dá)的坐標(biāo)系中。

（2）數(shù)據(jù)剔野。按任務(wù)書提出的均值E和均方差δ，以E±3δ為置信區(qū)間，將超出區(qū)間的數(shù)據(jù)剔除。

（3）求一次差。對被檢數(shù)據(jù)及其處理的基準(zhǔn)值進(jìn)行時差修正，然后求一次差：其中，為第k次進(jìn)入第j距離段第i點被檢值；為 對應(yīng)的基準(zhǔn)值。（4）求誤差。某次進(jìn)入第j距離段系統(tǒng)誤差及起伏誤差分別為：

其中，N為第k次進(jìn)入第j距離段點數(shù)。

4 評估應(yīng)用

圖3為雷達(dá)精度評估系統(tǒng)組成。

圖3 雷達(dá)精度評估系統(tǒng)組成

由圖3可知，雷達(dá)精度評估系統(tǒng)主要由ADS-B地面接收解碼主機(jī)和評估軟件組成。目標(biāo)為民航飛機(jī)，或攜帶ADS-B模式信息發(fā)射設(shè)備的無人機(jī)和軍機(jī)。圖4為ADS-B地面接收解碼主機(jī)組成。

由圖4可知，ADS-B地面接收解碼主機(jī)主要由地面加固計算機(jī)、高精度定位設(shè)備（定位天線和定位模塊）、ADS-B接收解析模塊（接收天線、接收前端和信號采集）及數(shù)據(jù)處理模塊等組成，主要為設(shè)備提供精確的位置信息、地面接收信息及解碼ADS-B信息。

評估軟件運行在地面加固計算機(jī)中，是航跡顯示、精度處理及結(jié)果評定的軟件，評估軟件的處理流程如圖5所示。

圖4 ADS-B地面接收解碼主機(jī)組成

圖5 評估軟件的處理流程

結(jié)合某雷達(dá)開展檢飛試驗的工作，在地勢開闊處將精度評估系統(tǒng)展開并連接至雷達(dá)系統(tǒng)，雷達(dá)跟蹤空中某一民航目標(biāo)，地面設(shè)備也接收該民航目標(biāo)的ADS-B信號，將獲取的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至以雷達(dá)為坐標(biāo)原點的數(shù)據(jù)后，利用軟件進(jìn)行處理，得到精度誤差結(jié)果。該精度結(jié)果與按傳統(tǒng)方法進(jìn)行檢飛的精度結(jié)果基本一致。

將ADS-B信號的數(shù)據(jù)與雷達(dá)跟蹤目標(biāo)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，兩者數(shù)據(jù)趨勢基本一致，數(shù)據(jù)同一性較好。

5 結(jié) 論

本文利用民航飛機(jī)的ADS-B信息獲取飛機(jī)的實時位置信息，與雷達(dá)測量同一飛機(jī)的位置數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，得出雷達(dá)系統(tǒng)的精度誤差。該精度可以評估雷達(dá)對目標(biāo)的測量精度。