利用ADS-B通信技術(shù)改進(jìn)雷達(dá)監(jiān)測(cè)精度的評(píng)估方法

摘要：該研究旨在評(píng)估自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視-廣播（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，ADS-B）系統(tǒng)通信技術(shù)對(duì)改進(jìn)雷達(dá)監(jiān)測(cè)精度的效果。文章通過(guò)對(duì)ADS-B和傳統(tǒng)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理與融合，顯著提升了飛行器的定位、航向、高度和速度監(jiān)控精度。數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，單一雷達(dá)系統(tǒng)的定位誤差較大，而ADS-B通信技術(shù)在精度和更新頻率上有顯著提升。該研究將兩者的數(shù)據(jù)源進(jìn)行融合后，定位誤差進(jìn)一步減少，平均降低至5 m，其他關(guān)鍵參數(shù)如高度、速度和航向的誤差也有顯著下降。該研究通過(guò)卡爾曼濾波等算法處理數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了高效的多源數(shù)據(jù)融合，提升了航空監(jiān)測(cè)的精度與可靠性，特別是在飛行器實(shí)時(shí)跟蹤中的應(yīng)用價(jià)值顯著。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視-廣播；雷達(dá)監(jiān)測(cè)；數(shù)據(jù)融合；卡爾曼濾波

中圖分類(lèi)號(hào)：TV351.3-39 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

在民航領(lǐng)域，導(dǎo)航技術(shù)的不斷發(fā)展對(duì)航空安全和效率的提升起著至關(guān)重要的作用。隨著航空運(yùn)輸需求的增加，傳統(tǒng)雷達(dá)技術(shù)在應(yīng)對(duì)飛行器密度和復(fù)雜空域管理方面逐漸暴露出一些局限性，特別是在復(fù)雜地形和高空飛行區(qū)域，傳統(tǒng)雷達(dá)的覆蓋范圍和精度無(wú)法滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的航空運(yùn)輸需求。為了解決這些問(wèn)題，自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視-廣播技術(shù)逐漸成為現(xiàn)代民航導(dǎo)航系統(tǒng)的核心組成部分。ADS-B 技術(shù)依托飛機(jī)上的發(fā)射設(shè)備，將飛行器的實(shí)時(shí)位置信息、速度、高度等關(guān)鍵數(shù)據(jù)通過(guò)廣播的方式發(fā)送給地面接收站，從而極大提高了導(dǎo)航監(jiān)測(cè)的精度和覆蓋范圍［1］。

系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。由圖1可以看出， ADS-B 數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)防火墻進(jìn)行安全傳輸，數(shù)據(jù)接入及預(yù)處理服務(wù)器接收并進(jìn)行基礎(chǔ)處理，確保數(shù)據(jù)的完整性和一致性。數(shù)據(jù)融合服務(wù)器將來(lái)自不同站點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，以增強(qiáng)監(jiān)測(cè)的整體效果。同時(shí)，質(zhì)量檢測(cè)服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)，確保數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性。在這個(gè)系統(tǒng)中，GPS授時(shí)設(shè)備用于對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間同步，確保各個(gè)組件的數(shù)據(jù)時(shí)間戳統(tǒng)一，為飛行器的實(shí)時(shí)監(jiān)控提供精確的時(shí)間參考。此外，ADS-B 站點(diǎn)監(jiān)控終端用于實(shí)時(shí)監(jiān)控各ADS-B站點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)，而航班運(yùn)行監(jiān)控終端則為航空管理人員提供飛行器實(shí)時(shí)運(yùn)行的狀態(tài)信息。所有數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)進(jìn)行高效地傳輸和共享確保系統(tǒng)各個(gè)部分之間的協(xié)調(diào)工作。這種基于ADS-B技術(shù)的民航導(dǎo)航系

統(tǒng)不僅提高了飛行器跟蹤的精度，還大大增強(qiáng)了飛行安全性，是現(xiàn)代航空管理不可或缺的一部分。

1 ADS-B數(shù)據(jù)雷達(dá)監(jiān)測(cè)精度方案

在現(xiàn)代民航導(dǎo)航中，ADS-B技術(shù)通過(guò)廣播飛機(jī)的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，如位置、速度、高度等，極大地提高了飛行器監(jiān)測(cè)的精度和覆蓋范圍。然而，要確保這些數(shù)據(jù)的精確性和可靠性，必須對(duì)ADS-B數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量監(jiān)控。圖2展示了一個(gè)完整的ADS-B數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)測(cè)方案，該方案包括數(shù)據(jù)的預(yù)處理、質(zhì)量監(jiān)控及狀態(tài)監(jiān)控等多個(gè)環(huán)節(jié)［2］。

ADS-B數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)接入模塊進(jìn)入系統(tǒng)，該模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的初步接收與處理。緊接著，通過(guò)循環(huán)冗余校驗(yàn)（Cyclic Redundancy Check， CRC），確保接收到的數(shù)據(jù)沒(méi)有在傳輸過(guò)程中出現(xiàn)誤碼。CRC校驗(yàn)通過(guò)生成多項(xiàng)式P（x）來(lái)校驗(yàn)數(shù)據(jù)D（x），判斷數(shù)據(jù)是否被正確接收。若D（x）modP（x）=0，則數(shù)據(jù)無(wú)誤，否則須重新接收［3］。

在通過(guò)CRC校驗(yàn)后，數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊，進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)整合和格式轉(zhuǎn)換。預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)入ADS-B數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測(cè)模塊進(jìn)行進(jìn)一步分析和檢測(cè)。此環(huán)節(jié)中，數(shù)據(jù)的完整性由數(shù)據(jù)備份項(xiàng)檢測(cè)進(jìn)行驗(yàn)證，確保數(shù)據(jù)具備適當(dāng)?shù)娜哂鄠浞荨Ｔ诖嘶A(chǔ)上，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)接口卡（Network Interface Card， NIC）異常檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)據(jù)鏈路的正常性，防止數(shù)據(jù)在傳輸鏈路中丟失或延遲。接著，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行航跡野值檢測(cè)，確保其航跡數(shù)據(jù)符合實(shí)際飛行邏輯，避免誤報(bào)或虛假信號(hào)。

數(shù)據(jù)通過(guò)基礎(chǔ)檢測(cè)后，會(huì)繼續(xù)接收數(shù)據(jù)通斷檢測(cè)和卡爾曼濾波處理。卡爾曼濾波器是一種常用的線性二次估計(jì)方法，它通過(guò)預(yù)測(cè)和更新飛行器的狀態(tài)，減少ADS-B數(shù)據(jù)中的噪聲。卡爾曼濾波公式如下：

異常站點(diǎn)檢測(cè)則用于監(jiān)測(cè)ADS-B站點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)，避免由于硬件故障或環(huán)境干擾引起數(shù)據(jù)異常。這些監(jiān)測(cè)信息會(huì)被傳送到ADS-B站點(diǎn)狀態(tài)監(jiān)控終端，通過(guò)異常數(shù)據(jù)查詢(xún)與瀏覽、異常站點(diǎn)管理等功能，航空管理人員可以實(shí)時(shí)掌握系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

系統(tǒng)中所有異常信息和警告數(shù)據(jù)最終會(huì)存儲(chǔ)在告警數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過(guò)數(shù)據(jù)管理單元進(jìn)行統(tǒng)一的日志管理與告警提示。

2 利用ADS-B通信技術(shù)改進(jìn)雷達(dá)監(jiān)測(cè)精度方案

在現(xiàn)代民航導(dǎo)航和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，ADS-B通信技術(shù)作為一種自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)，能夠大幅提升雷達(dá)監(jiān)測(cè)精度。本文利用ADS-B的高精度和高頻率更新數(shù)據(jù)，通過(guò)多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)對(duì)飛行器的定位精度、監(jiān)控范圍和數(shù)據(jù)可靠性。通過(guò)ADS-B雷達(dá)數(shù)據(jù)融合方案，雷達(dá)與ADS-B系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)被有效結(jié)合，形成一個(gè)更加完整和準(zhǔn)確的飛行器跟蹤系統(tǒng)。

ADS-B數(shù)據(jù)與雷達(dá)數(shù)據(jù)的融合在于充分利用兩者的優(yōu)勢(shì)。雷達(dá)數(shù)據(jù)的采集頻率較低，通常每隔幾秒獲取一次飛行器的位置信息，但其優(yōu)勢(shì)在于不依賴(lài)飛機(jī)上的設(shè)備。ADS-B則能夠以每秒多次的頻率廣播飛機(jī)位置、速度和高度等信息，精度高、延時(shí)低。通過(guò)融合這2種數(shù)據(jù)源，能夠獲得高精度、低延遲的數(shù)據(jù)，避免了單一數(shù)據(jù)源失效或出現(xiàn)誤差時(shí)系統(tǒng)不穩(wěn)定性現(xiàn)象。

在該融合方案中，數(shù)據(jù)融合的關(guān)鍵步驟是定位的協(xié)同計(jì)算。首先，ADS-B數(shù)據(jù)和雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)融合服務(wù)器，利用卡爾曼濾波器進(jìn)行多源信息的處理與估計(jì)。卡爾曼濾波是一種最優(yōu)估計(jì)算法，能夠在給定不確定性條件下，對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行精確預(yù)測(cè)與更新。卡爾曼濾波的狀態(tài)更新公式如下：

最后，數(shù)據(jù)融合方案還引入了數(shù)據(jù)冗余機(jī)制。如果某個(gè)ADS-B站點(diǎn)或雷達(dá)設(shè)備發(fā)生故障，系統(tǒng)可以利用其他可用數(shù)據(jù)源來(lái)彌補(bǔ)缺失數(shù)據(jù)，確保系統(tǒng)的可靠性。融合的結(jié)果通過(guò)狀態(tài)監(jiān)控模塊實(shí)時(shí)顯示，飛行管理人員可以通過(guò)監(jiān)控終端直觀了解飛行器的精確位置和狀態(tài)［6］。

3 ADS-B通信技術(shù)改進(jìn)雷達(dá)監(jiān)測(cè)精度評(píng)估數(shù)據(jù)分析

3.1 數(shù)據(jù)采集與來(lái)源

在進(jìn)行ADS-B通信技術(shù)改進(jìn)雷達(dá)監(jiān)測(cè)精度的評(píng)估時(shí)，數(shù)據(jù)采集至關(guān)重要。本次評(píng)估的主要數(shù)據(jù)來(lái)源包括如下。

（1）ADS-B數(shù)據(jù)：根據(jù)飛機(jī)的ADS-B發(fā)射設(shè)備采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，采集內(nèi)容包括飛機(jī)的經(jīng)緯度、飛行高度、速度和航向等。這些數(shù)據(jù)以5次/s的頻率更新，具有較高的時(shí)效性和精度。

（2）雷達(dá)數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)來(lái)自地面監(jiān)控雷達(dá)，提供飛行器的空間位置信息。雷達(dá)數(shù)據(jù)的采集頻率相對(duì)較低，通常每隔5 s采集一次。盡管精度不如ADS-B數(shù)據(jù)，但雷達(dá)數(shù)據(jù)在設(shè)備失效時(shí)提供了額外的冗余保障。

（3）地面站數(shù)據(jù)：地面站從分布在各地的接收設(shè)備中收集到ADS-B信號(hào)和雷達(dá)回波數(shù)據(jù)。這些地面站為數(shù)據(jù)提供了可靠的接收通道并確保了信息的廣泛覆蓋。

為了評(píng)估ADS-B改進(jìn)后的雷達(dá)監(jiān)測(cè)精度，本文采集了多個(gè)航班的飛行數(shù)據(jù)，重點(diǎn)對(duì)某幾個(gè)航路的飛行器位置進(jìn)行跟蹤。表1為示例性數(shù)據(jù)集的概覽。

3.2 數(shù)據(jù)融合與處理分析

在數(shù)據(jù)融合過(guò)程中，本文對(duì)不同來(lái)源的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，主要是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間同步和異常值過(guò)濾處理。由于ADS-B數(shù)據(jù)具有較高的采集頻率和精度，因此在融合計(jì)算時(shí)，主要以ADS-B數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將雷達(dá)數(shù)據(jù)作為輔助，特別是在ADS-B信號(hào)較弱或不可用時(shí)，雷達(dá)數(shù)據(jù)可作為冗余的備用信息［7］。

數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵步驟包括時(shí)間對(duì)齊與多源數(shù)據(jù)融合。通過(guò)對(duì)每個(gè)時(shí)間段內(nèi)的ADS-B與雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)平均融合，可以有效提升監(jiān)測(cè)精度。ADS-B數(shù)據(jù)的高精度使其在正常情況下占主導(dǎo)地位，而雷達(dá)數(shù)據(jù)則用于在信號(hào)丟失或異常時(shí)補(bǔ)充和修正飛行器位置。

在處理過(guò)程中，本文使用卡爾曼濾波算法來(lái)提高數(shù)據(jù)的精確度。該算法能夠在噪聲情況下，通過(guò)對(duì)不同時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，進(jìn)一步減少隨機(jī)誤差，確保定位和航跡的連續(xù)性。

本文還引入了時(shí)空一致性檢測(cè)算法，用于識(shí)別和糾正可能的沖突或數(shù)據(jù)不一致性。例如：當(dāng)某一時(shí)刻的雷達(dá)數(shù)據(jù)與ADS-B數(shù)據(jù)存在顯著偏差時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。本研究通過(guò)這種方式，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，避免由于單一數(shù)據(jù)源的故障或噪聲帶來(lái)監(jiān)測(cè)精度下降問(wèn)題。

3.3 評(píng)估結(jié)果與分析

通過(guò)對(duì)ADS-B與雷達(dá)數(shù)據(jù)融合后的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，可以明顯看出，ADS-B技術(shù)在改進(jìn)雷達(dá)監(jiān)測(cè)精度方面表現(xiàn)優(yōu)異。結(jié)合2種數(shù)據(jù)源的優(yōu)勢(shì)，本研究的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，ADS-B與雷達(dá)融合的系統(tǒng)大幅減少了誤差，提高了飛行器跟蹤的準(zhǔn)確性。

在進(jìn)行均方根誤差分析時(shí)，本文分別對(duì)單一雷達(dá)數(shù)據(jù)、單一ADS-B數(shù)據(jù)以及融合數(shù)據(jù)進(jìn)行了誤差對(duì)比。結(jié)果顯示，融合后的數(shù)據(jù)在定位、航向和高度上的誤差均顯著降低。不同方法下的定位精度評(píng)估結(jié)果如表2所示。

通過(guò)對(duì)比單一雷達(dá)監(jiān)測(cè)、單一ADS-B監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)融合后的誤差情況，可以明顯看出數(shù)據(jù)融合技術(shù)在提升監(jiān)測(cè)精度方面的顯著優(yōu)勢(shì)。從定位誤差來(lái)看，單一雷達(dá)的定位誤差為40 m，ADS-B系統(tǒng)的定位誤差顯著減少到10 m，而融合后的數(shù)據(jù)誤差進(jìn)一步降低至5 m。這說(shuō)明，ADS-B數(shù)據(jù)的高頻率更新和更高的精度顯著改善了飛行器的空間位置監(jiān)測(cè)，而融合兩者的數(shù)據(jù)源進(jìn)一步優(yōu)化了系統(tǒng)的表現(xiàn)。在高度誤差方面，單一雷達(dá)系統(tǒng)的誤差為100 m，而ADS-B系統(tǒng)將誤差降低至20 m，數(shù)據(jù)融合后高度誤差進(jìn)一步縮小到10 m，這對(duì)于飛行器的垂直控制與高度監(jiān)測(cè)尤為關(guān)鍵。ADS-B系統(tǒng)能夠提供更精確的高度信息，結(jié)合雷達(dá)數(shù)據(jù)的冗余，顯著提高了監(jiān)控精度。此外，速度和航向誤差也都表現(xiàn)出類(lèi)似的改善趨勢(shì)。單一雷達(dá)的速度誤差為5.0 m/s，而ADS-B將其降低到1.0 m/s，數(shù)據(jù)融合后進(jìn)一步減少至0.5 m/s。航向誤差從雷達(dá)的1.00°降低到ADS-B的0.10°，在融合后達(dá)到僅0.05°的誤差水平。這表明融合技術(shù)不僅提升了精度，還使系統(tǒng)更具魯棒性，適應(yīng)復(fù)雜的飛行環(huán)境。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究通過(guò)對(duì)ADS-B和雷達(dá)數(shù)據(jù)的采集、處理和融合，驗(yàn)證了ADS-B通信技術(shù)對(duì)雷達(dá)監(jiān)測(cè)精度的顯著提升作用。數(shù)據(jù)融合技術(shù)，特別是卡爾曼濾波等算法的應(yīng)用，能夠有效減少定位、速度、航向和高度監(jiān)控中的誤差，提升了系統(tǒng)的整體性能。這一技術(shù)為現(xiàn)代航空監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供了更高的可靠性和精度，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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（編輯 王永超編輯）

Evaluation method for improving radar monitoring accuracy using ADS-B communication technology

WANG "Rui

（Civil Aviation Flight University of China Mianyang Flight College， Mianyang 621000， China）

Abstract： "The aim of this study is to evaluate the effectiveness of Automatic Dependent Surveillance-Broadcast （ADS-B） communication technology in improving radar monitoring accuracy. This article significantly improves the accuracy of aircraft positioning， heading， altitude， and speed monitoring by collecting， processing， and fusing ADS-B and traditional radar data. The data analysis results show that the positioning error of a single radar system is relatively large， while a single ADS-B data has significant improvements in accuracy and update frequency. After combining the data sources of both， this study further reduces the positioning error to an average of 5 meters， and significantly reduces the errors in other key parameters such as altitude， speed， and heading. This study processes data using algorithms such as Kalman filtering， achieving efficient multi-source data fusion and improving the accuracy and reliability of aviation monitoring， especially in real-time tracking of aircraft， which has significant application value.

Key words： ADS-B; radar monitoring; data fusion; Kalman filtering