一種基于ADS-B的雷達(dá)性能測(cè)試方法

楊蓓蓓，張洪川(.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，合肥30088; .揚(yáng)州藍(lán)劍電子系統(tǒng)工程有限公司，江蘇揚(yáng)州5000)

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一種基于ADS-B的雷達(dá)性能測(cè)試方法

楊蓓蓓1，張洪川2
(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，合肥230088; 2.揚(yáng)州藍(lán)劍電子系統(tǒng)工程有限公司，江蘇揚(yáng)州225000)

摘要:介紹了廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視(ADS-B)技術(shù)的基本原理和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法，并提出了基于ADS-B數(shù)據(jù)測(cè)量雷達(dá)精度的方法。文中通過(guò)某雷達(dá)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該方法的可行性。試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可以滿足雷達(dá)精度測(cè)試的需要，操作簡(jiǎn)單，易于評(píng)估。

關(guān)鍵詞:廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視技術(shù);雷達(dá)精度;空間曲線比對(duì)

0　引言

目前，常用的雷達(dá)性能測(cè)試方法是利用軍用飛機(jī)作為合作目標(biāo)，在軍用飛機(jī)上加裝GPS模塊用來(lái)記錄飛行的航跡，將記錄的數(shù)據(jù)作為評(píng)估的真值［1］。但是，這種方法因?yàn)楸φ{(diào)動(dòng)和空中管制的限制，耗費(fèi)大、周期長(zhǎng)，實(shí)施難度較大，會(huì)影響試驗(yàn)的進(jìn)度。由于雷達(dá)裝備的研制、維修與保障任務(wù)日益加重，無(wú)論是雷達(dá)研制單位、雷達(dá)修理廠家，甚至是軍方使用單位，都迫切需要一種耗費(fèi)小、周期短的手段來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)［2］性能指標(biāo)的測(cè)試。

本文介紹的基于廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視(ADS-B)技術(shù)［3-4］的雷達(dá)性能測(cè)試系統(tǒng)，不論從測(cè)試的精度、操作的難易和實(shí)施的成本，都能夠很好地滿足雷達(dá)對(duì)空探測(cè)性能測(cè)試的需求。作為一種全新的技術(shù)手段，基于ADS-B的雷達(dá)性能測(cè)試系統(tǒng)在雷達(dá)性能測(cè)試中有著重要的價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。

1　ADS-B基本原理

廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視(ADS-B)技術(shù)是一種對(duì)支持未來(lái)空中交通管理事業(yè)發(fā)展非常有利的監(jiān)視技術(shù)。它是國(guó)際新航行系統(tǒng)近20年來(lái)不斷發(fā)展的通信、導(dǎo)航、監(jiān)視技術(shù)的綜合運(yùn)用。它集成了機(jī)載導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)出精準(zhǔn)的航行數(shù)據(jù)(包括身份編碼、三維位置、速度矢量、飛行意圖等)，利用地空數(shù)據(jù)鏈通信方式，實(shí)時(shí)地、自發(fā)地、間歇性(每秒一次)地對(duì)外廣播。在地面，用數(shù)據(jù)鏈接收機(jī)(而不是二次雷達(dá))就可以捕捉監(jiān)視目標(biāo);在空中，相鄰運(yùn)行的飛機(jī)通過(guò)相互偵聽他方廣播(而不是相互探測(cè)和問(wèn)訊)就能感知空中交通境況，判斷和避免沖突。

ADS-B技術(shù)的原理如圖1所示。

圖1　ADS-B原理圖

ADS-B數(shù)據(jù)通過(guò)GNSS(全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，包括美國(guó)的GPS、俄羅斯的GLONASS、中國(guó)的Compass以及歐盟的Galileo系統(tǒng))定位系統(tǒng)，獲取自身的位置信息，并實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)下傳給地面接收設(shè)備及空域中臨近的其他民航飛機(jī)。由于其提供的是GNSS導(dǎo)航定位信息，且其他參數(shù)也由精密航空電子設(shè)備獲得，故其下傳數(shù)據(jù)具備高精度的特性。

以GPS定位系統(tǒng)為例，它所提供的民用定位精度單機(jī)定位精度可以達(dá)到10 m，如果采用載波相位差分法定位，定位精度可以達(dá)到3～5 m。ADS-B信息以廣播方式傳遞，意味著地面ADS-B接收設(shè)備的簡(jiǎn)單化，無(wú)需地面接收設(shè)備向目標(biāo)飛機(jī)發(fā)射詢問(wèn)信號(hào)，因而ADS-B數(shù)據(jù)接收極為簡(jiǎn)便。

2　雷達(dá)性能測(cè)試方法

2.1系統(tǒng)組成

雷達(dá)性能測(cè)試系統(tǒng)主要由硬件單元和軟件顯示控制單元組成。硬件單元包含ADS-B雙通道數(shù)據(jù)采集單板、多通道數(shù)據(jù)融合器、微波前端接收組件、高增益板狀天線和雷達(dá)上報(bào)數(shù)據(jù)線等。軟件顯示控制單元包含民航目標(biāo)與GPS數(shù)據(jù)初始化模塊、民航目標(biāo)顯示和監(jiān)控模塊、民航目標(biāo)數(shù)據(jù)記錄重演模塊、雷達(dá)測(cè)試目標(biāo)數(shù)據(jù)饋入模塊和民航目標(biāo)與雷達(dá)數(shù)據(jù)比對(duì)模塊等。系統(tǒng)包含多路ADS-B接收通道和一路冗余通道，保證了對(duì)ADS-B信號(hào)的高質(zhì)量接收，同時(shí)利用高精度GPS對(duì)接收的ADS-B報(bào)文標(biāo)記精準(zhǔn)的接收時(shí)間戳信息。由于各型雷達(dá)系統(tǒng)的接口多樣，標(biāo)校系統(tǒng)通過(guò)串口或以太網(wǎng)的方式將雷達(dá)的數(shù)據(jù)接入到測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)。

雷達(dá)性能測(cè)試系統(tǒng)以民航目標(biāo)為真值，通過(guò)實(shí)時(shí)接收民航飛機(jī)ADS-B系統(tǒng)播報(bào)的經(jīng)緯度、速度、高度、機(jī)型等信息，運(yùn)用動(dòng)態(tài)時(shí)空誤差估計(jì)、航跡實(shí)時(shí)外推等新技術(shù)，與雷達(dá)記錄的目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)比對(duì)，給出距離、方位以及仰角系統(tǒng)誤差的數(shù)據(jù)曲線，完成對(duì)雷達(dá)動(dòng)態(tài)性能的測(cè)試、分析、評(píng)估與優(yōu)化。

雷達(dá)性能測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)架如圖2所示。

圖2　雷達(dá)性能測(cè)試系統(tǒng)組成

2.2數(shù)據(jù)格式

雷達(dá)性能測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)格式如以下10項(xiàng):

(1)BatchNo:目標(biāo)批號(hào);

(2)Time:時(shí)戳，單位: ms;

(3)Range:距離，單位: m;

(4)Azimuth:方位，單位:°，以正北為0°，順時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?

(5)Elevation:俯仰，單位:°;

(6)Lon:經(jīng)度，單位:°;

(7)Lat:緯度，單位:°;

(8)Altitude:高度(單位: m);

(9)Speed:速度大小，單位: m/s;

(10)SpeedDir:速度方向，單位:°，以正北為0°，順時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?/p>

記錄的航跡信息數(shù)據(jù)報(bào)文包含位置報(bào)文、速度報(bào)文、識(shí)別報(bào)文、地面報(bào)文、中心點(diǎn)位置改變報(bào)文和外部數(shù)據(jù)報(bào)文。

2.3坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

在對(duì)ADS-B接收機(jī)接收數(shù)據(jù)的處理中，GPS坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換至關(guān)重要，其轉(zhuǎn)換的精度直接關(guān)系到雷達(dá)測(cè)試精度的效果。由于民航飛機(jī)下傳的位置數(shù)據(jù)是經(jīng)度、緯度和高度信息，而雷達(dá)獲得數(shù)據(jù)是以雷達(dá)坐標(biāo)系為基準(zhǔn)的斜距、方位和俯仰，因此需要將民航飛機(jī)數(shù)據(jù)與雷達(dá)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到同一個(gè)坐標(biāo)系下才能作數(shù)據(jù)比對(duì)分析。為了提高坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的精度，首先由參心大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為參心空間直角坐標(biāo)系，其次是由空間直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為適用于雷達(dá)的雷達(dá)坐標(biāo)系。

(1)由參心大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為參心空間直角坐標(biāo)系，即其中，N為橢球面的曲率半徑，H為大地高度，B為大地緯度，L為大地經(jīng)度，e為橢球的第一偏心率。

(2)由空間直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為雷達(dá)坐標(biāo)系，其轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖3所示。

圖3　坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系

雷達(dá)坐標(biāo)是指斜距、方位和俯仰，分別用γ、φ、θ表示。轉(zhuǎn)換公式如下:

如果得到的方位結(jié)果小于零，需要加上360°進(jìn)行修正。

2.4分析比對(duì)算法

一般來(lái)說(shuō)，雷達(dá)檢飛試驗(yàn)中，對(duì)給定高度、速度的航次進(jìn)行測(cè)量，記錄下測(cè)量值后，與真值數(shù)據(jù)(民航ADS-B數(shù)據(jù))進(jìn)行比較分析?？臻g曲線比對(duì)算法首先把真值數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到雷達(dá)的測(cè)量坐標(biāo)系，然后對(duì)真值數(shù)據(jù)進(jìn)行插值(線性插值、三次樣條插值)，以曲線擬合度為基準(zhǔn)把兩組數(shù)據(jù)對(duì)齊，然后踢野(剔除異常值)求出兩組數(shù)據(jù)的一次差和標(biāo)準(zhǔn)差，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行踢野(大于3倍標(biāo)準(zhǔn)差)，直至沒(méi)有野值出現(xiàn)，最后求得該組數(shù)據(jù)的一次差和標(biāo)準(zhǔn)差，得到總誤差。

由于真值數(shù)據(jù)和雷達(dá)的數(shù)據(jù)率不統(tǒng)一，所以需要對(duì)真值數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，以求達(dá)到更好的匹配效果。插值算法有多種，比如線性插值方法和三次樣條插值方法。線性插值的好處在于民航目標(biāo)大多處于平穩(wěn)飛行狀態(tài)，極少出現(xiàn)急轉(zhuǎn)、急停的狀態(tài)，所以可以將民航目標(biāo)當(dāng)作是在作直線飛行，插值點(diǎn)比較靠近真值點(diǎn)，其缺點(diǎn)在于飛機(jī)轉(zhuǎn)彎時(shí)效果略顯不好。三次樣條插值的好處在于能夠在一定程度上處理民航目標(biāo)轉(zhuǎn)彎的情況。然而，當(dāng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)跳點(diǎn)時(shí)插值會(huì)出現(xiàn)相當(dāng)大的誤差。在此選用的是線性插值方法。

根據(jù)雷達(dá)數(shù)據(jù)坐標(biāo)點(diǎn)和插值后的真值數(shù)據(jù)坐標(biāo)點(diǎn)，求出與雷達(dá)坐標(biāo)點(diǎn)最近的真值數(shù)據(jù)坐標(biāo)點(diǎn)，則該坐標(biāo)點(diǎn)即為與雷達(dá)數(shù)據(jù)坐標(biāo)點(diǎn)的匹配點(diǎn)。超過(guò)系統(tǒng)支持的最大查找距離還沒(méi)有匹配的點(diǎn)，則表示該點(diǎn)沒(méi)有匹配點(diǎn)，為野值，將直接刪除該點(diǎn)，也就是一次踢野。

一次差公式為

其中，x1(n)為搜索雷達(dá)樣本數(shù)據(jù)，x2(n)為跟蹤雷達(dá)樣本數(shù)據(jù)。

標(biāo)準(zhǔn)差公式為對(duì)大于3倍標(biāo)準(zhǔn)差的數(shù)據(jù)進(jìn)行以下處理:

對(duì)于樣本x2(n)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如果x2(n)≤3 s則認(rèn)為該點(diǎn)的數(shù)據(jù)有效，否則刪除該雷達(dá)數(shù)據(jù)點(diǎn)。當(dāng)沒(méi)有數(shù)據(jù)點(diǎn)被刪除時(shí)，則認(rèn)為已經(jīng)完美匹配，此時(shí)計(jì)算得到的一次差和均方根誤差即為雷達(dá)數(shù)據(jù)和真值比對(duì)的結(jié)果。

按時(shí)間比對(duì)與按空間比對(duì)相同，不同的地方在于查找匹配點(diǎn)和插值都是按時(shí)間進(jìn)行的，算法要求時(shí)間精準(zhǔn)。當(dāng)雷達(dá)數(shù)據(jù)包含準(zhǔn)確的時(shí)間戳信息時(shí)，利用時(shí)間比對(duì)算法優(yōu)于空間曲線比對(duì)算法。

3　實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

雷達(dá)在試驗(yàn)前完成了各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)試和標(biāo)定。測(cè)試系統(tǒng)安裝在雷達(dá)附近，一般選擇平臺(tái)較高、位置較開闊的地方。測(cè)試系統(tǒng)包括接收機(jī)、天線、GPS等。為了保證接收數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和正確性，系統(tǒng)通過(guò)光纖鏈路將數(shù)據(jù)傳送至處理終端進(jìn)行分析。測(cè)試系統(tǒng)工作頻率1090 MHz，中心點(diǎn)位置的經(jīng)緯度信息和雷達(dá)中心點(diǎn)保持一致。

測(cè)試系統(tǒng)工作時(shí)，操作界面會(huì)顯示接收到的民航數(shù)據(jù)報(bào)文，目標(biāo)飛機(jī)用方形圖標(biāo)進(jìn)行標(biāo)識(shí);將雷達(dá)數(shù)據(jù)饋入測(cè)試系統(tǒng)后，雷達(dá)航跡數(shù)據(jù)也將在操作界面顯示，目標(biāo)飛機(jī)用飛機(jī)圖標(biāo)進(jìn)行標(biāo)識(shí)。圖4為某批目標(biāo)飛機(jī)的ADS-B數(shù)據(jù)和雷達(dá)航跡數(shù)據(jù)。

圖4　軟件航跡顯示界面

通過(guò)選擇合適的ADS-B目標(biāo)，運(yùn)用測(cè)試系統(tǒng)的比對(duì)分析功能，就可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)飛機(jī)的ADS-B數(shù)據(jù)與雷達(dá)數(shù)據(jù)的自動(dòng)關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)與雷達(dá)數(shù)據(jù)的比對(duì)。數(shù)據(jù)選擇時(shí)必須保證ADS-B數(shù)據(jù)包含全部的雷達(dá)數(shù)據(jù)，否則將導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理結(jié)果不準(zhǔn)確。圖5和圖6分別為某批目標(biāo)飛機(jī)的距離差和方位差。

通過(guò)計(jì)算得到:距離誤差39.0279 m，方位誤差0.09256°。其中，參與比對(duì)算法運(yùn)算的真值數(shù)據(jù)318點(diǎn)，雷達(dá)數(shù)據(jù)78點(diǎn)。通過(guò)對(duì)多批目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析，驗(yàn)證了測(cè)試系統(tǒng)的可行性和正確性。

圖5　航跡比對(duì)距離差

圖6　航跡比對(duì)方位差

4　結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)雷達(dá)性能測(cè)試的弊端，本文提出的基于ADS-B的測(cè)試方法易于掌握和實(shí)施。通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地跟蹤空中的目標(biāo)飛機(jī)，可以將其接收的數(shù)據(jù)作為計(jì)算雷達(dá)精度的真值數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn):

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A radar performance test method based on ADS-B

YANG Bei-bei，ZHANG Hong-chuan
(1.No.38 Research Institute of CETC，Hefei 230088; 2.Yangzhou Blue Sword Electronic System Engineering Corporation，Yangzhou 225000，China)

Abstract:The basic principle and coordinate transformation of the Automatic Dependent Surveillance-Broadcast(ADS-B)are introduced，and a radar precision measurement method is proposed based on the ADS-B.The feasibility of the method is verified through practical radar data tested.The test results show that this method satisfies the requirements of radar precision test and can be easily operated and evaluated.

Key words:ADS-B; radar precision; spatial curve comparison

作者簡(jiǎn)介:楊蓓蓓(1982-)，女，工程師，碩士，研究方向:雷達(dá)總體技術(shù);張洪川(1992-)，男，研究方向:電子信息技術(shù)。

收稿日期:2015-01-12;修回日期:2015-03-25

文章編號(hào):1009-0401(2015)02－0012－03

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

中圖分類號(hào):TN953+.5