ADS—B與空管監(jiān)視雷達(dá)數(shù)據(jù)的融合處理研究

嚴(yán)景謙

摘 要： 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，民航運(yùn)輸?shù)膲毫σ苍谌找嬖鲩L(zhǎng)，與此同時(shí)，社會(huì)對(duì)航空事業(yè)發(fā)展的關(guān)注度也在隨之提升。因此，加快構(gòu)建全新的飛機(jī)航行系統(tǒng)，通過ADS-B與空管監(jiān)視雷達(dá)數(shù)據(jù)融合技術(shù)的應(yīng)用，提高民航飛行軌跡的觀測(cè)精度，促進(jìn)民航飛行安全穩(wěn)定性的提升，就成為了值得研究的課題。本文主要從ADS-B與空管監(jiān)視雷達(dá)的涵義入手，對(duì)ADS-B與空管監(jiān)視雷達(dá)數(shù)據(jù)的融合處理進(jìn)行了分析和研究，旨在為ADS-B與空管監(jiān)視雷達(dá)數(shù)據(jù)的有效融合提供參考。

關(guān)鍵詞： 監(jiān)視技術(shù)；空管；數(shù)據(jù)；融合

前言

隨著我國(guó)航空事業(yè)的快速發(fā)展，空中航班的交通流量也隨之增長(zhǎng)，這就給空中交通管制帶來了全新的壓力與挑戰(zhàn)。新時(shí)期背景下，為了確保航班的交通安全，有效提升飛機(jī)的航行效率，就必須對(duì)空管系統(tǒng)加以升級(jí)和優(yōu)化。目前，我國(guó)空中管制多依靠甚高頻通信與雷達(dá)監(jiān)視，然而此模式存有明顯局限性，而ADS-B能夠?qū)走_(dá)覆蓋問題加以有效解決，因此，ADS-B信號(hào)與空管監(jiān)視雷達(dá)信號(hào)的融合處理就成為了本文所要研究的內(nèi)容。

1 ADS-B與空管監(jiān)視雷達(dá)概述

1.1 ADS-B概述

ADS-B是自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視與廣播式的英文縮寫，從字面含義來理解，自動(dòng)指的是該設(shè)備無需人工操作；相關(guān)指的是信號(hào)數(shù)據(jù)信息內(nèi)容全部源自機(jī)載設(shè)備；監(jiān)視指的是設(shè)備主要用于對(duì)目標(biāo)具體位置進(jìn)行確認(rèn)；廣播指的是數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞讲⒎轻槍?duì)特定的用戶，而是對(duì)具有相關(guān)裝備的用戶進(jìn)廣播通知。

1.2 ADS-B與空管監(jiān)視雷達(dá)概述

數(shù)據(jù)融合指的是通過數(shù)據(jù)的綜合處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)體評(píng)估的目的。當(dāng)前，我國(guó)的空中管制多采用雷達(dá)進(jìn)行目標(biāo)監(jiān)視，然而雷達(dá)存在覆蓋面積有限的明顯缺陷。而通過采用ADS-B技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)飛機(jī)空地與空空的全面監(jiān)測(cè)，同時(shí)采取全向廣播的方式，對(duì)機(jī)載設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控信息的自動(dòng)發(fā)送與接收，其中，監(jiān)控信息的內(nèi)容包括了飛機(jī)飛行的經(jīng)緯度、速度、高度、方向、識(shí)別信息等內(nèi)容。因此，在航空系統(tǒng)中應(yīng)用ADS-B技術(shù)能夠?yàn)轱w機(jī)航行提供可靠的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，同時(shí)快速進(jìn)行地形、天氣等與飛行相關(guān)的關(guān)鍵性信息和內(nèi)容的傳送，以此提高飛機(jī)飛行的安全性。此外，該項(xiàng)技術(shù)的投入成本較低，通常只占雷達(dá)系統(tǒng)資金投入的1/10，且具備無盲區(qū)、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)。因此，ADS-B在我國(guó)航空事業(yè)發(fā)展方面具有廣泛的應(yīng)用前景。

2 ADS-B與空管監(jiān)視雷達(dá)數(shù)據(jù)的融合處理

當(dāng)前，ADS-B和空管監(jiān)視雷達(dá)數(shù)據(jù)融合通常采用兩種方式，一是優(yōu)選法，即在管制終端僅顯示ADS-B航跡或是雷達(dá)航跡，而非采取不同符號(hào)對(duì)ADS-B和雷達(dá)航跡予以區(qū)分，此類方法操作簡(jiǎn)單，較為容易實(shí)現(xiàn)，它可對(duì)雷達(dá)覆蓋區(qū)域進(jìn)行雷達(dá)航跡的顯示，對(duì)雷達(dá)未覆蓋區(qū)域進(jìn)行ADS-B航跡的相關(guān)顯示。然而，它具有明顯缺陷，即無法對(duì)ADS-B和雷達(dá)所覆蓋區(qū)域進(jìn)行航跡的及時(shí)告警，同時(shí)，由于ADS-B與雷達(dá)在進(jìn)行目標(biāo)相關(guān)位置計(jì)算時(shí)所采用的算法差異，致使目標(biāo)跨越兩者交疊覆蓋區(qū)時(shí)常會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重跳點(diǎn)狀況等。第二種方法則為融合法，采用此法可對(duì)優(yōu)選法所存在的漏洞進(jìn)行有效彌補(bǔ)。

2.1 構(gòu)建數(shù)據(jù)融合模型

通常來講，數(shù)據(jù)融合的功能主要包括了信息校準(zhǔn)、識(shí)別、相關(guān)與估計(jì)等內(nèi)容，其中，校準(zhǔn)與相關(guān)主要是為接下來的目標(biāo)識(shí)別與估計(jì)進(jìn)行準(zhǔn)備作業(yè)，而實(shí)際的融合正是在識(shí)別與估計(jì)當(dāng)中進(jìn)行的，圖1為ADS-B與多雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合的構(gòu)建模型，通過ADS-B和雷達(dá)數(shù)據(jù)信息的有效融合，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)同一區(qū)域不同目標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2.2數(shù)據(jù)的融合方式

通常來講，數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)可分為分布式、集中式與混合式。其中，分布式作為一種能夠有效避免信息數(shù)據(jù)出現(xiàn)損失的融合方式，在現(xiàn)有的空管監(jiān)視系統(tǒng)當(dāng)中得到了應(yīng)用與推廣。

在分布式結(jié)構(gòu)的融合系統(tǒng)中，首先會(huì)形成各個(gè)目標(biāo)本身的本地航跡，然后將相關(guān)處理信息及結(jié)果傳遞至融合中心處，再在融合中心處加以融合，從而生成更加精準(zhǔn)的系統(tǒng)航跡。

在ADS-B和多雷達(dá)的數(shù)據(jù)處理過程中，首先，需要將各雷達(dá)的輸入數(shù)據(jù)與ADS-B數(shù)據(jù)加以校驗(yàn)；其次，對(duì)其中所包含的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，以此形成完整的航跡數(shù)據(jù)，并給出相關(guān)目標(biāo)的狀態(tài)估計(jì)；然后，將相關(guān)數(shù)據(jù)信息傳送至多雷達(dá)的融合系統(tǒng)當(dāng)中去，使雷達(dá)與ADS-B產(chǎn)生的本地航跡在進(jìn)行坐標(biāo)變換及時(shí)空校準(zhǔn)后，再進(jìn)行與系統(tǒng)航跡的關(guān)聯(lián)及融合；最后，實(shí)現(xiàn)ADS-B和空管監(jiān)視雷達(dá)相關(guān)數(shù)據(jù)信息的高效融合。

（1）前端雷達(dá)的數(shù)據(jù)處理

由于傳送至航管中心的ADS-B和各雷達(dá)數(shù)據(jù)格式各有差異，且考慮到傳輸過程中的不確定性，極易出現(xiàn)數(shù)據(jù)信息錯(cuò)誤的狀況發(fā)生，因此，需要對(duì)數(shù)據(jù)的格式進(jìn)行分析，同時(shí)，還需依照預(yù)先設(shè)定的規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)數(shù)據(jù)加以校驗(yàn)，并將其中明顯出現(xiàn)錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)剔除，最后，才能對(duì)數(shù)據(jù)加以集中處理。

（2）單雷達(dá)與ADS-B的數(shù)據(jù)處理

首先，需進(jìn)行ADS-B與各雷達(dá)數(shù)據(jù)的格式識(shí)別，在確認(rèn)無誤后，再依照各自的數(shù)據(jù)格式，對(duì)所接收到的數(shù)據(jù)加以分析和解釋，同時(shí)，將數(shù)據(jù)內(nèi)容轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)內(nèi)部所設(shè)置的統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式，再采取經(jīng)緯度坐標(biāo)系對(duì)數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行坐標(biāo)的同步轉(zhuǎn)換，以便后續(xù)處理。

（3）多雷達(dá)與ADS-B的融合處理

由于各臺(tái)雷達(dá)均將各自所在的地理位置當(dāng)作參照對(duì)象，進(jìn)行實(shí)際目標(biāo)運(yùn)動(dòng)路徑的具體探測(cè)，這就導(dǎo)致數(shù)據(jù)信息缺乏在時(shí)間、空間、參照對(duì)象及坐標(biāo)系等方面內(nèi)容的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。因此，在單雷達(dá)和ADS-B將航跡傳送至后端展開多雷達(dá)數(shù)據(jù)的相關(guān)處理作業(yè)之前。必須對(duì)時(shí)間軸進(jìn)行校準(zhǔn)，對(duì)正北方向加以校正，同時(shí)對(duì)坐標(biāo)變換進(jìn)行系統(tǒng)性的統(tǒng)一處理，在以上預(yù)處理工作完成以后，方可進(jìn)行自動(dòng)化系統(tǒng)中時(shí)空參考坐標(biāo)的統(tǒng)一化處理，以此降低數(shù)據(jù)融合過程中所產(chǎn)生的誤差。

在對(duì)單雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，使相關(guān)數(shù)據(jù)信息格式統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)格式，經(jīng)過上述操作，使系統(tǒng)接收到的雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)均為統(tǒng)一格式，然后再采取分布式傳感器進(jìn)行融合系統(tǒng)的功能模型構(gòu)建，同時(shí)，還需以各個(gè)單雷達(dá)所探測(cè)的航跡跟蹤為基礎(chǔ)，對(duì)源自不同雷達(dá)的不同航跡是否表示同一目標(biāo)加以判斷，并依據(jù)下列條件對(duì)不同站點(diǎn)發(fā)送的目標(biāo)信息進(jìn)行合并處理：①速度相關(guān)；②位置相關(guān)；③高度相關(guān)；④24bit的地址碼及二次代碼相關(guān)。

由于系統(tǒng)于同一時(shí)間會(huì)對(duì)雷達(dá)與ADS-B所發(fā)送的兩種數(shù)據(jù)信息進(jìn)行判斷，以此為空管中心提供誤差較小的系統(tǒng)航跡，從而確保航跡準(zhǔn)確度。在這一過程中，主要通過多路傳感器的數(shù)據(jù)融合模塊（MST），并采取動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行經(jīng)度檢測(cè)的方式，對(duì)ADS-B及雷達(dá)數(shù)據(jù)信息加以平衡，同時(shí)，對(duì)一個(gè)目標(biāo)相關(guān)聯(lián)的多個(gè)數(shù)據(jù)采用加權(quán)法進(jìn)行計(jì)算，若某傳感器質(zhì)量出現(xiàn)下降，則系統(tǒng)MST會(huì)自動(dòng)將其權(quán)重予以降低，必要時(shí)，甚至?xí)耆釛墶?/p>

系統(tǒng)航跡一經(jīng)產(chǎn)生，系統(tǒng)MST就會(huì)將該航跡同飛機(jī)現(xiàn)有飛行計(jì)劃加以關(guān)聯(lián)，若航跡內(nèi)容中含有二次代碼，則此關(guān)聯(lián)需建立在二次代碼與飛行計(jì)劃基礎(chǔ)之上，此時(shí)，航跡標(biāo)牌則會(huì)顯示與飛行計(jì)劃相關(guān)聯(lián)的具體航班號(hào)。

若系統(tǒng)航跡僅包括含有ADS-B數(shù)據(jù)信息的相關(guān)報(bào)告，則建立在飛行計(jì)劃與二次代碼相關(guān)的準(zhǔn)則無法適用于此情況，此時(shí)，系統(tǒng)會(huì)依據(jù)飛行計(jì)劃中相應(yīng)的飛機(jī)注冊(cè)號(hào)及航空公司來對(duì)24bit地址碼進(jìn)行確認(rèn)，在確認(rèn)以后，系統(tǒng)MST會(huì)將二次代碼予以24bit地址碼的替換操作，之后再與飛行計(jì)劃加以相應(yīng)關(guān)聯(lián)。

分布式系統(tǒng)能夠有效壓縮數(shù)據(jù)信息數(shù)量，從而降低傳感器與數(shù)據(jù)融合中心處二者間的信息通訊負(fù)荷，同時(shí)，中心處理器也能夠?qū)ο嚓P(guān)航跡數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以此降低融合中心的負(fù)擔(dān)，提高數(shù)據(jù)處理效率。

3 總結(jié)

綜上所述，通過對(duì)ADS-B技術(shù)的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)與傳統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)的協(xié)同作業(yè)，以此提升空管中心對(duì)飛行目標(biāo)的監(jiān)控效率。本文主要對(duì)ADS-B與空管監(jiān)視雷達(dá)數(shù)據(jù)的融合處理方法進(jìn)行了分析和研究，從而確保飛機(jī)的安全穩(wěn)定飛行?！?/p>

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