一維相控陣二次航管設(shè)備標(biāo)校新方法

中國西南電子技術(shù)研究所 王 誼

1.引言

二次航管設(shè)備是車載警戒系統(tǒng)中重要的設(shè)備，其錄取的飛機(jī)方位、距離、高度和呼號，與一次雷達(dá)的航跡數(shù)據(jù)匹配，可以形成完整的空域態(tài)勢，可以讓管制員精確掌握飛機(jī)的水平和垂直距離，準(zhǔn)確的調(diào)配飛機(jī)飛行時(shí)間間隔。車載警戒系統(tǒng)在交付用戶前，要對警戒探測系統(tǒng)的所有雷達(dá)的零位一致性進(jìn)行標(biāo)校和驗(yàn)證，以消除或減少系統(tǒng)誤差。然而，至今車載雷達(dá)的標(biāo)校工作還是比較困難的工作，在靜態(tài)標(biāo)校中，傳統(tǒng)做法是利用標(biāo)校塔進(jìn)行標(biāo)校。受到天氣條件以及標(biāo)校塔少，特別是二次航管設(shè)備標(biāo)校時(shí)，在標(biāo)校塔上安裝二次航管應(yīng)答機(jī)比較困難，標(biāo)校距離較短，以及多徑影響等的限制。

針對現(xiàn)有車載雷達(dá)標(biāo)校方法中存在的上述諸多不便和缺點(diǎn)，基于民航飛機(jī)絕大部分都已經(jīng)安裝了ADS－B設(shè)備，本文提出并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于ADS-B定位數(shù)據(jù)的雷達(dá)標(biāo)校和檢驗(yàn)新方法。通過數(shù)據(jù)分析處理，得到二次航管設(shè)備方位和距離數(shù)據(jù)與ADS-B的數(shù)據(jù)的偏差，通過設(shè)定應(yīng)答信號延時(shí)實(shí)現(xiàn)可變距離標(biāo)校；設(shè)定零位偏差，實(shí)現(xiàn)與其他警戒探測系統(tǒng)的零位一致性。此方法可以實(shí)現(xiàn)全方位角度的標(biāo)校，能夠有效地滿足車載警戒系統(tǒng)標(biāo)校需求，特別適合相控陣?yán)走_(dá)的標(biāo)校。

2.原理

2.1 定義

廣播式自動相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)ADS-B（Automatic Dependent SurveillanceBroadcast）是一種基于全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)和利用地空、空空數(shù)據(jù)鏈通信完成信息傳遞和交通監(jiān)視的空管監(jiān)視新技術(shù)，即航空器通過廣播模式數(shù)據(jù)鏈，自動發(fā)送由機(jī)載導(dǎo)航設(shè)備和定位系統(tǒng)生成的數(shù)據(jù)包，包括航空器識別、位置（高度、經(jīng)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(shù)據(jù)包，并用于各種用途。但目前ADS-B在雷達(dá)標(biāo)校中的應(yīng)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(dá)的定位數(shù)據(jù)和利用ADS-B接收設(shè)備獲取目標(biāo)飛機(jī)的定位數(shù)據(jù)，解算目標(biāo)真值，與二次航管設(shè)備采集的航跡數(shù)據(jù)按時(shí)間和空間位置進(jìn)行匹配和插值，從而到達(dá)標(biāo)校和檢驗(yàn)的目的。

2.2 標(biāo)校原理

基于ADS-B數(shù)據(jù)的雷達(dá)標(biāo)校方法實(shí)質(zhì)是一種GPS標(biāo)校方法，但是又具有其自身的特點(diǎn)，最突出之處是一般的GPS數(shù)據(jù)標(biāo)校方法基于標(biāo)校塔的限制，只能在幾個(gè)固定的位置進(jìn)行標(biāo)校，通過ADS-B數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行全方位，全距離段，即全空域的標(biāo)校，可以最大限度的修正系統(tǒng)誤差，特別適合相控陣?yán)走_(dá)的標(biāo)校。

如圖1所示為標(biāo)?；玖鞒虉D。通過本地ADS-B接收機(jī)接收多個(gè)空中民航飛機(jī)的飛行航跡，與SSR航跡進(jìn)行關(guān)聯(lián)處理，得到相匹配的航跡。用匹配后的目標(biāo)飛機(jī)的ADS－B定位數(shù)據(jù)和本地高精度GPS定位數(shù)據(jù)，解算出目標(biāo)飛機(jī)相對本地二次航管設(shè)備的極坐標(biāo)，作為二次航管設(shè)備探測目標(biāo)飛機(jī)的真值。對二次航管設(shè)備錄取的目標(biāo)航跡和GPS目標(biāo)航跡進(jìn)行時(shí)空匹配和插值。最后用二次航管設(shè)備航跡數(shù)據(jù)和匹配真值數(shù)據(jù)計(jì)算系統(tǒng)誤差和標(biāo)準(zhǔn)偏差。將多個(gè)民航飛機(jī)獲得的系統(tǒng)誤差進(jìn)行融合，求取一個(gè)最優(yōu)的雷達(dá)誤差進(jìn)行校準(zhǔn)。

3.標(biāo)校系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)組成

基于ADS-B的車載雷達(dá)標(biāo)校系統(tǒng)包括車載二次航管設(shè)備、ADS-B接收機(jī)、高精度GPS接收機(jī)和PC機(jī)等組成。系統(tǒng)組成如圖2所示。

3.2 標(biāo)校數(shù)據(jù)采集

標(biāo)校數(shù)據(jù)的采集包括本地GPS定位數(shù)據(jù)，目標(biāo)飛機(jī)GPS定位數(shù)據(jù)和雷達(dá)目標(biāo)探測航跡數(shù)據(jù)三方面：

1）本地GPS數(shù)據(jù)：通過車上自帶高精度GPS設(shè)備接收定位數(shù)據(jù)，關(guān)鍵在于設(shè)定數(shù)據(jù)采集率。為方便后續(xù)與ADS-B數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)空對準(zhǔn)，應(yīng)盡量設(shè)定高于ADS-B數(shù)據(jù)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(jī)（如圖3），單點(diǎn)定位精度1.5米，數(shù)據(jù)率為50Hz，遠(yuǎn)高于ADS-B數(shù)據(jù)率。

2）目標(biāo)飛機(jī)GPS數(shù)據(jù)：由ADS-B接收附近空域的各型飛機(jī)發(fā)送的飛機(jī)定位信息。觀察顯示屏上的飛機(jī)分布，比較標(biāo)校范圍內(nèi)目標(biāo)的距離和數(shù)據(jù)發(fā)送率，選擇一個(gè)合適的目標(biāo)飛機(jī)進(jìn)行跟蹤讀取數(shù)據(jù)。ADS-B的數(shù)據(jù)發(fā)送率一般不穩(wěn)定，發(fā)送率通常與目標(biāo)飛機(jī)的航行狀態(tài)有關(guān)。

3）雷達(dá)數(shù)據(jù)采集：將二次航管設(shè)為自動扇掃工作方式，并由記錄儀自動錄取目標(biāo)航跡數(shù)據(jù)。由于二次航管設(shè)備只能錄取飛機(jī)的3/A代碼、高度和位置信息，ADS-B錄取的是飛機(jī)的ID號，所以不能在雷達(dá)顯示器上直接與ADS-B錄取的空中目標(biāo)相對應(yīng)。由于要保證民航飛機(jī)飛行安全，在同一高度和距離上只能允許有一架民航飛機(jī)，根據(jù)這一原則，要先根據(jù)ADS-B提供的目標(biāo)飛機(jī)參數(shù)，即飛行路線，高度和距離，尋找同一時(shí)間，在相同高度和距離上的二次雷達(dá)穩(wěn)定跟蹤的飛機(jī)。錄取的飛機(jī)的3/A代碼，記錄下飛機(jī)的ID號，錄取航跡數(shù)據(jù)，事后再作關(guān)聯(lián)。

表1 ADS-B目標(biāo)位置精度代碼表

圖1 標(biāo)校流程圖

圖2 標(biāo)校系統(tǒng)組成框圖

圖3 DL-V3接收機(jī)

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(guān)系，二者的位置在裝備車上必須固定，通過計(jì)算可以得到天線中心位置的實(shí)時(shí)GPS位置信息。

5）GPS時(shí)間同步：標(biāo)校系統(tǒng)的各組成部分之間要保持嚴(yán)格的時(shí)間同步。時(shí)間同步的精度直接影響標(biāo)校的誤差校正的準(zhǔn)確度和最終的標(biāo)校結(jié)果。要使最終的標(biāo)校結(jié)果優(yōu)于8m，各接收系統(tǒng)和雷達(dá)的時(shí)間同步精度應(yīng)優(yōu)于10ms。本系統(tǒng)采用GPS作為時(shí)間同步基準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)各設(shè)備之間的時(shí)間同步。DL－V3設(shè)備時(shí)間精度20ns，完全達(dá)到了標(biāo)校系統(tǒng)的要求。二次航管設(shè)備通過實(shí)時(shí)接收高精度GPS設(shè)備的時(shí)間信息和秒信號，進(jìn)行時(shí)間校準(zhǔn)，時(shí)間精度可以達(dá)到10ms。

6)航向修正：慣導(dǎo)采用合眾思壯公司生產(chǎn)的AT4+IMU姿態(tài)測量系統(tǒng)，導(dǎo)航精度0.008。。完全滿足標(biāo)校系統(tǒng)的要求。

3.3 數(shù)據(jù)分析與處理

2011年4月，在外場試驗(yàn)中，裝備車處于駐車狀態(tài)，對二次航管設(shè)備進(jìn)行了標(biāo)校。

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

計(jì)算航跡數(shù)據(jù)與ADS－B數(shù)據(jù)的一次差如圖4所示。

二次航管的航跡數(shù)據(jù)與ADS－B的數(shù)據(jù)相關(guān)，按照標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，計(jì)算兩種數(shù)據(jù)的一次差，如圖5所示。

把所有的一次差進(jìn)行平均，計(jì)算出方位和距離的系統(tǒng)誤差，在二次航管設(shè)備里把系統(tǒng)誤差修正后，再繼續(xù)進(jìn)行雷達(dá)標(biāo)校和檢驗(yàn)。

2）民航飛機(jī)的3/A代碼727，ADSB地址碼343387。

3）民航飛機(jī)，3A代碼1525，ADSB地址碼，如圖6所示。

4）民航飛機(jī)3/A代碼1525，ADSB地址碼780693如圖7所示。

統(tǒng)計(jì)了4個(gè)架次的民航數(shù)據(jù)，在70Km-300Km的范圍內(nèi)，方位精度滿足指標(biāo)要求，在小于70Km的范圍內(nèi)，指標(biāo)有些超差。分析其原因如下：

ADS-B的定位精度差。ADS-B數(shù)據(jù)精度的精度代碼為6～8，根據(jù)協(xié)議（見表1），精度為1111.2米～185.2米，按照最高的精度185.2米計(jì)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(dá)0.2939度。在距離小于70Km的距離段內(nèi)，ADS-B的精度誤差較大，在計(jì)算精度時(shí)引入很大的誤差，無法準(zhǔn)確的定量計(jì)算方位精度。目標(biāo)位置精度代碼如表1所示。

4.結(jié)束語

機(jī)械掃描天線的雷達(dá)標(biāo)校，利用傳統(tǒng)的雷達(dá)標(biāo)校塔標(biāo)校即可獲的很高精度的標(biāo)校值。相掃天線在各個(gè)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(biāo)校塔標(biāo)校存在局限型，充分利用二次雷達(dá)和ADS－B的數(shù)據(jù)特性，采用此方法標(biāo)校，大大減少了對試驗(yàn)條件的要求。標(biāo)校結(jié)果表明，此方法可以滿足二次航管的標(biāo)校要求，可以大大降低試驗(yàn)成本。

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