基于ADS_B的警戒搜索雷達空情過濾方法

周 游 任 倫 李 碩

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

警戒搜索雷達由于其全天候，探測距離遠，搜索范圍大的特性，經(jīng)常被用作戰(zhàn)前預(yù)警雷達，以盡早發(fā)現(xiàn)威脅目標(biāo)[1]。然而根據(jù) 2016 年中國民航的機場起降架次的統(tǒng)計信息，我國境內(nèi)民用航空(頒證)機場共有218個(不含香港、澳門和臺灣地區(qū))，全年起降架次達到9238291架次，其中，北京首都機場排名第一，全年起降606081架次，日均起降1660.5架次[2]，這勢必會導(dǎo)致在國內(nèi)很多陣地的某個時間段雷達能夠檢測到很多民航，影響操作手對可疑目標(biāo)的判斷。因此無論是雷達研制單位還是軍方及其他使用單位都迫切需要一種能夠濾除民航的顯示方式。

考慮到有些雷達在研制過程中并沒有配備訊問機，本文介紹的過濾方法需要輔助配備ADS_B地面接收設(shè)備，基于ADS_B接收到的民航位置信息，通過時空對準(zhǔn)，將雷達檢測到的民航目標(biāo)從PPI中濾除掉，能夠很好地滿足需求。

1 系統(tǒng)概述

廣播式自動相關(guān)監(jiān)視(ADS_B)的全稱是“Automatic Dependent Surveillance-Broadcast”，它通過數(shù)據(jù)鏈以廣播形式向外發(fā)送自身的狀態(tài)信息，包括飛機的標(biāo)識、呼號、經(jīng)緯度、高度、速度等信息，這些信息可由同樣加裝ADS_B的地面接收站接收并顯示[3-5]。

本系統(tǒng)處理流程如圖1所示，ADS_B地面接收站將收到的民航信息通過網(wǎng)絡(luò)，采用TCP的方式發(fā)送給雷達終端；同時雷達信號處理機將檢測到的點跡目標(biāo)信息傳遞給數(shù)據(jù)處理機，數(shù)據(jù)處理機經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、點跡凝聚、雜波剔除、航跡相關(guān)、航跡外推、航跡管理等步驟將最終形成的航跡信息傳遞給雷達終端。雷達終端在收到兩路數(shù)據(jù)后，先后經(jīng)過時間對準(zhǔn)、空間對準(zhǔn)、門限判斷后，由雷達操作手將確定為民航的雷達航跡從PPI顯示中剔除，以下對主要步驟詳細介紹。

圖1 系統(tǒng)處理流程圖

2 處理流程

本系統(tǒng)中，兩路數(shù)據(jù)相互獨立，雷達和ADS_B沒有統(tǒng)一的時間基準(zhǔn)，最終檢測到的目標(biāo)位置信息也都是在各自坐標(biāo)系中，為了能夠?qū)陕窋?shù)據(jù)進行比對就必須轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的時空坐標(biāo)系中。

2.1 時間對準(zhǔn)

ADS_B地面接收站收到的數(shù)據(jù)中已經(jīng)包括了GPS時間戳，而雷達以本地時間作為基準(zhǔn)，因此存在基本上固定的時間差異，為消除該差異，系統(tǒng)在啟動的時候終端給信號處理機發(fā)送“GPS時間校準(zhǔn)指令”，信號處理機根據(jù)該指令，為每個檢測到的目標(biāo)點跡打上GPS時標(biāo)，數(shù)據(jù)處理機在最終輸出目標(biāo)航跡的時候同樣增加GPS時間信息。另外，雷達每圈掃描時間為10s，而ADS_B的數(shù)據(jù)更新率為1s，因此，在同一時間段內(nèi)，終端接收到ADS_B的數(shù)據(jù)量是雷達的10倍?？紤]到雷達有較大的測量誤差，包括運動模型誤差，濾波速度誤差，位置測量誤差，時間對準(zhǔn)誤差等，為了分析對比，以雷達數(shù)據(jù)為時間基準(zhǔn)，對ADS_B數(shù)據(jù)進行插值。假設(shè)目標(biāo)做勻速直線運動，速度為v，ADS_B在t1時刻收到的目標(biāo)距離為R(t1)，在下一時刻t2收到的目標(biāo)距離為R(t2)，在t1和t2之間的ti時刻，收到雷達數(shù)據(jù)，那么ADS_B在ti時刻的目標(biāo)距離推算值為：

R(ti)=R(t1)+v×(ti-t1)

(1)

至此，兩路數(shù)據(jù)在時間上已經(jīng)對準(zhǔn)。

2.2 空間對準(zhǔn)

本系統(tǒng)中ADS_B收到的數(shù)據(jù)為經(jīng)度、緯度、海拔高；雷達收到的數(shù)據(jù)為目標(biāo)相對雷達的距離、方位、俯仰值。為方便用戶觀察，將ADS_B的數(shù)據(jù)采用如下方式轉(zhuǎn)換到本地坐標(biāo)系下：

1)由目標(biāo)點的位置，計算出目標(biāo)在地心坐標(biāo)系下的坐標(biāo)(x1,y1,z1)

(2)

其中，φ是緯度，J是經(jīng)度，H是高度，N為橢球的卯西圈曲率半徑。

(3)

其中a為地球長半徑，a=6378137m；e為橢球的第一偏心率，e2=0.00669437999013。

2)由雷達站點的經(jīng)緯高，同樣計算出雷達在地心坐標(biāo)系下的坐標(biāo)(x0,y0,z0)。

3)計算目標(biāo)相對雷達站的坐標(biāo)：

(4)

4)根據(jù)(xE,yE,zE)，計算出目標(biāo)所在位置的距離、方位、俯仰值：

(5)

Azi=tan-1(yE/xE)

(6)

Ele=sin-1(zE/R)

(7)

至此，ADS_B的數(shù)據(jù)和雷達數(shù)據(jù)都轉(zhuǎn)換到同一坐標(biāo)系下，可以進行比較。

2.3 門限判斷

目前，常見的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)方法有最鄰近法、最大似然法、最優(yōu)差別法和統(tǒng)計關(guān)聯(lián)法。其中最鄰近法主要適用于空域中存在單目標(biāo)或者目標(biāo)數(shù)較少的情況，或者說適用于稀疏目標(biāo)環(huán)境下的關(guān)聯(lián)[6]。該系統(tǒng)為對空警戒雷達，目標(biāo)相對稀少，故可以采取該方法。

最鄰近法是提出最早也是最簡單的關(guān)聯(lián)算法，它是在1971年由Singer等人提出來的。它把落在關(guān)聯(lián)門之內(nèi)并且與被跟蹤目標(biāo)的預(yù)測位置“最鄰近”的點作為關(guān)聯(lián)點[6]。如圖2所示，檢測點1與航跡i的預(yù)測點較為鄰近，因此該航跡需要與檢測點1進行關(guān)聯(lián)。

圖2 最鄰近法示意圖

考慮到雷達探測精度、系統(tǒng)誤差、以及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換帶來的誤差等因素，以及寧可不過濾也不能誤過濾的原則，本系統(tǒng)中選取距離波門為2.5km，根據(jù)距離、方位、俯仰值，采用如下公式[7]分別計算出雷達和ADS_B目標(biāo)的x，y，z坐標(biāo)，三維距離相差2.5km內(nèi)認(rèn)為是同一目標(biāo)，可以過濾。

(8)

(9)

[(xads-xr)2+(yads-yr)2+(zads-zr)2]<6.25

(10)

3 實測數(shù)據(jù)分析

根據(jù)以上處理流程，實測數(shù)據(jù)如圖3所示，可以看到航跡數(shù)為68，頁面較為凌亂。

圖3 原始航跡圖

疊加ADS_B的數(shù)據(jù)之后，如圖4所示，可以看出，很多本地航跡與民航重合，例如T66對應(yīng)民航CQH8847。其他可能是飛機沒有裝備ADS_B發(fā)射機，也可能是戰(zhàn)斗機或者其他因素導(dǎo)致。

圖4 雷達航跡疊加ADS_B航跡圖

空情過濾后，如圖5所示。

圖5 航跡過濾后圖

從圖5可以看出，仍然有部分民航?jīng)]有被濾除，這主要是距離波門設(shè)置較小導(dǎo)致的，不過總的航跡數(shù)減少了70%左右，整個頁面清爽了很多，方便雷達操作手觀察可疑目標(biāo)。

4 結(jié)束語

隨著ADS_B設(shè)備大規(guī)模的應(yīng)用，ADS_B信息

與其他信息源融合使用不可避免，本文提出的空情過濾方法以ADS_B數(shù)據(jù)為真值，在雷達終端對檢測到的航跡進行分析對比，最后通過實測對比，驗證了可行性，并且由于成本較低，滿足市場需求。該方法的局限性在于只能濾除安裝了ADS_B發(fā)射機的民航，對于沒有安裝的需要進一步研究。

參考文獻:

[1] 趙峰.搜索警戒雷達對抗技術(shù)研究與實現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)，2016.

[2] 中國民用航空局. 2016年民航機場生產(chǎn)統(tǒng)計公報[EB/OL].http://www.caac.gov.cn.

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