適用于ATC系統(tǒng)的ADS—B數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)雷達(dá)數(shù)據(jù)方案研究

唐偉盛+陳強(qiáng)超+張瑞文

摘要：新疆荒漠高山眾多，導(dǎo)致雷達(dá)建設(shè)困難，現(xiàn)有的雷達(dá)信號(hào)不足以覆蓋新疆空域，大部分空域仍為程序管制。為加強(qiáng)空域覆蓋能力，新疆已建有15個(gè)ADS-B基站，未來(lái)計(jì)劃新增30個(gè)ADS-B基站。但其現(xiàn)有的主用Indra自動(dòng)化系統(tǒng)不支持接入ADS-B數(shù)據(jù)。該文提出一種方案，把多路ADS-B信號(hào)轉(zhuǎn)換為通用雷達(dá)信號(hào)，接入Indra自動(dòng)化系統(tǒng)，提高該系統(tǒng)的覆蓋能力，加強(qiáng)空管保障能力。

關(guān)鍵詞；Indra自動(dòng)化系統(tǒng)；ADS-B、雷達(dá)；Asterix

1轉(zhuǎn)換方案需解決的問(wèn)題

現(xiàn)有ADS-B數(shù)據(jù)均采用網(wǎng)絡(luò)傳送到自動(dòng)化系統(tǒng)，使用UDP協(xié)議傳輸。ADS-B數(shù)據(jù)的格式為Eurocontrol制定的As-terix CAT021格式。ADS-B數(shù)據(jù)中目標(biāo)的更新周期約為0.4～0.6秒。航空器不同的信息通過(guò)不同的消息廣播，而且更新間隔不一致，因此可能出現(xiàn)部分?jǐn)?shù)據(jù)更新的情況。

雷達(dá)站輸出的雷達(dá)數(shù)據(jù)采用RS232同步串口，使用HDLC協(xié)議傳輸。雷達(dá)分為AC模式雷達(dá)及S模式雷達(dá)，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包括目標(biāo)數(shù)據(jù)和雷達(dá)服務(wù)數(shù)據(jù)。AC模式雷達(dá)的目標(biāo)數(shù)據(jù)為AsterixCAT001，雷達(dá)服務(wù)數(shù)據(jù)為CAT002格式。S模式雷達(dá)的目標(biāo)數(shù)據(jù)格式為Asterix CAT048，雷達(dá)服務(wù)數(shù)據(jù)為CAT034格式。雷達(dá)數(shù)據(jù)中目標(biāo)的更新周期和雷達(dá)天線旋轉(zhuǎn)周期一致，通常為4到8秒。

因此轉(zhuǎn)換方案應(yīng)包括以下幾個(gè)方面問(wèn)題：

·傳輸接口及協(xié)議需要從網(wǎng)絡(luò)接口的UDP協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RS232串口HDLC協(xié)議數(shù)據(jù)；

·數(shù)據(jù)格式需要從Asterix CAT021格式轉(zhuǎn)換為AsterixCAT001/CAT002或者Asterix CAT034/CAT048；

·ADS-B目標(biāo)更新頻率高于雷達(dá)目標(biāo)，要對(duì)目標(biāo)態(tài)勢(shì)進(jìn)行跟蹤，使用最新的信息輸出雷達(dá)數(shù)據(jù)；

·雷達(dá)數(shù)據(jù)的雷達(dá)服務(wù)信息需要自行構(gòu)造；

·ADS-B數(shù)據(jù)項(xiàng)更新周期不一致，需要對(duì)各個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)的有效期單獨(dú)跟蹤處理，再?zèng)Q定雷達(dá)數(shù)據(jù)中對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)項(xiàng)。

2 ADS-B，雷達(dá)信號(hào)轉(zhuǎn)換方案

為解決前面描述的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了ADS-B/雷達(dá)信號(hào)轉(zhuǎn)換方案，具體實(shí)施方案如下。

2.1硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)包括一個(gè)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)、兩個(gè)ADS-B轉(zhuǎn)雷達(dá)處理機(jī)、一個(gè)錄制監(jiān)控服務(wù)器以及一個(gè)同步通信設(shè)備，同步通信設(shè)備把網(wǎng)絡(luò)信號(hào)轉(zhuǎn)換為同步串口。

2.2ADS-B轉(zhuǎn)雷達(dá)處理機(jī)軟件模塊及處理流程

ADS-B信號(hào)轉(zhuǎn)換為雷達(dá)信號(hào)的工作有ADS-B轉(zhuǎn)雷達(dá)處理機(jī)完成。該服務(wù)器上的軟件模塊及處理流程如下：

2.3雷達(dá)服務(wù)信息生成

雷達(dá)服務(wù)信息包括正北信息包與扇區(qū)信息包，根據(jù)AsterixCAT002及Asterix034的定義，每個(gè)雷達(dá)周期輸出1個(gè)正北扇區(qū)包，天線掃過(guò)正北方向時(shí)輸出正北包；輸出32個(gè)扇區(qū)包，天線掃過(guò)扇區(qū)邊界時(shí)輸出下一個(gè)扇區(qū)的扇區(qū)包。

2.4航跡關(guān)鍵數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

ADS-B數(shù)據(jù)格式為CAT021，可以轉(zhuǎn)換為AC模式雷達(dá)或者s模式雷達(dá)的數(shù)據(jù)。如果轉(zhuǎn)換為AC模式雷達(dá)則需轉(zhuǎn)換為CAT001數(shù)據(jù)，并生成CAT002數(shù)據(jù)；如果轉(zhuǎn)換為s模式雷達(dá)則需轉(zhuǎn)換為CAT048數(shù)據(jù)，并生成CAT034數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程中重點(diǎn)關(guān)注航跡標(biāo)識(shí)、位置、高度等信息。關(guān)鍵數(shù)據(jù)在三種數(shù)據(jù)格式里面對(duì)應(yīng)的信息項(xiàng)對(duì)應(yīng)如下：

1）數(shù)據(jù)源標(biāo)識(shí)

數(shù)據(jù)源標(biāo)識(shí)里面使用SAC/SIC碼來(lái)標(biāo)識(shí)不同的數(shù)據(jù)源。為區(qū)分ADS-B信號(hào)源及轉(zhuǎn)換生成的雷達(dá)數(shù)據(jù)源，給轉(zhuǎn)換生成的雷達(dá)信號(hào)分配唯一的SAC/SIC碼。

2）航跡標(biāo)識(shí)與SPI

航班標(biāo)識(shí)用于識(shí)別目標(biāo)數(shù)據(jù)屬于航空器。ADS-B數(shù)據(jù)和AC模式雷達(dá)數(shù)據(jù)、S模式雷達(dá)數(shù)據(jù)使用了不同的航班標(biāo)識(shí)。

ADS-B數(shù)據(jù)是否包含二次代碼信息是不確定的。在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，如果ADS-B數(shù)據(jù)包含有效二次代碼，可以直接在雷達(dá)數(shù)據(jù)中使用。

ADS-B數(shù)據(jù)及S模式雷達(dá)數(shù)據(jù)中定義航班呼號(hào)及ICAO24bit地址碼，而AC模式雷達(dá)數(shù)據(jù)中缺少這兩個(gè)項(xiàng)目。在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，如果ADS-B數(shù)據(jù)包含這兩項(xiàng)，可以直接在S模式雷達(dá)數(shù)據(jù)中使用。

航跡編號(hào)為CAT001航跡及CAT048的必須項(xiàng)。然而，ADS-B數(shù)據(jù)中是不存在該數(shù)據(jù)項(xiàng)的，因此在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中，要生成該數(shù)據(jù)項(xiàng)。

在ADS-B數(shù)據(jù)中SPI信息保存于102I/040。在AC模式雷達(dá)數(shù)據(jù)中為100I/010，S模式雷達(dá)數(shù)據(jù)中為1048/010。當(dāng)ADS-B數(shù)據(jù)中包含可用SPI信息，需要在雷達(dá)數(shù)據(jù)中設(shè)置SPI信息可用。

綜上所述，ADS-B數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為S模式雷達(dá)數(shù)據(jù)比轉(zhuǎn)換為AC模式數(shù)據(jù)，可以保留更多地航跡標(biāo)識(shí)信息。

3）位置

ADS-B數(shù)據(jù)使用的是WGS-84經(jīng)緯度坐標(biāo)表示位置。而雷達(dá)數(shù)據(jù)中使用極坐標(biāo)或者笛卡爾坐標(biāo)。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計(jì)算方法如圖3。

假設(shè)0為地球質(zhì)心，N為真北，A為雷達(dá)站，B為目標(biāo)航跡，則B相對(duì)A的極坐標(biāo)為（p，0），其中p為測(cè)量距離，等于線段AB的長(zhǎng)度，0為測(cè)量角度，等于平面OAB與平面OAN的二面角。計(jì)算過(guò)程如下：

·使用WGS-84坐標(biāo)系，把N、A、B的坐標(biāo)從經(jīng)緯度和高度轉(zhuǎn)換為以地心直角坐標(biāo)系坐標(biāo)。

4）高度

ADS-B數(shù)據(jù)包含氣壓高度和飛行高度，飛行高度的編碼精度為25英尺。高度有效范圍為1500英尺到150000英尺。AC模式雷達(dá)和S模式雷達(dá)數(shù)據(jù)中使用Mode C高度。Mode C高度的數(shù)據(jù)可以來(lái)源于AC模式詢(xún)問(wèn)或者S模式詢(xún)問(wèn)。AC模式詢(xún)問(wèn)的高度精度為100英尺，S模式詢(xún)問(wèn)的高度精度為25英尺。1001/090、1048/090的編碼精度為25英尺。高度有效范圍為一1500英尺到126750英尺。

由于ADS-B數(shù)據(jù)中高度的有效范圍與雷達(dá)數(shù)據(jù)不一致，因此在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中需檢測(cè)高度是否有效。當(dāng)轉(zhuǎn)換為AC雷達(dá)數(shù)據(jù)是，要考慮精度問(wèn)題，選擇是否把高度轉(zhuǎn)換為100英尺精度。

5）二次代碼7500、7600、7700情況

7500、7600、7700為3個(gè)緊急情況代碼，需要特殊處理。ADS-B數(shù)據(jù)中標(biāo)識(shí)三種緊急情況的位置有2個(gè)，一個(gè)是1021/200中的標(biāo)志位，一個(gè)為1021/070的二次代碼。其中任意一個(gè)位置標(biāo)識(shí)了緊急情況，就要在轉(zhuǎn)換的雷達(dá)數(shù)據(jù)中標(biāo)記緊急代碼情況。具體處理如下：ADS-B數(shù)據(jù)在1021/200中的標(biāo)志位有效或者1021/070中二次代碼為緊急代碼時(shí)，需要在雷達(dá)數(shù)據(jù)的1001/020中設(shè)置同樣的標(biāo)志位，同時(shí)要設(shè)置二次代碼字段1001/070或1048/070為相應(yīng)的緊急二次代碼。

3結(jié)束語(yǔ)

本文提出ADS-B數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為通用雷達(dá)數(shù)據(jù)接人自動(dòng)化系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換方案。該方案可以將多路ADS-B信號(hào)轉(zhuǎn)換為AC模式雷達(dá)或者S模式雷達(dá)信號(hào)，目前已經(jīng)部署在新疆Indra系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。由于ADS-B、AC模式雷達(dá)以及S模式雷達(dá)三者的數(shù)據(jù)定義的不一致，在轉(zhuǎn)換過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一些限制情況，例如轉(zhuǎn)換為AC模式數(shù)據(jù)，高度精度可能降低，出現(xiàn)缺失二次代碼情況；轉(zhuǎn)換為S模式數(shù)據(jù)，覆蓋范圍較小等。這些問(wèn)題處理方法是否合理還要在未來(lái)的實(shí)際運(yùn)行中做進(jìn)一步的研究和檢驗(yàn)。