廣播式自動相關(guān)監(jiān)視與二次雷達的數(shù)據(jù)融合及應(yīng)用

唐　勇，何東林，朱新平

(1.成都大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都　610106；2.中國民航局第二研究所 科研開發(fā)中心，四川 成都　610041；3.中國民用航空飛行學(xué)院 空中交通管理學(xué)院，四川 廣漢　618307)

0　引　言

目前，廣播式自動相關(guān)監(jiān)視(Automatic dependent surveillance-broadcast,ADS-B)因具有系統(tǒng)更新頻率高、地面站造價低以及安裝維護簡單等優(yōu)點，在民航飛機協(xié)同監(jiān)視方面越來越受到重視[1]，但因ADS-B為基于衛(wèi)星定位來實現(xiàn)飛機的監(jiān)視，其在信號穩(wěn)定性、完好性及可信性等方面仍有待進一步研究[2-5].同時，國內(nèi)目前大約有一半的民航客機未安裝ADS-B機載應(yīng)答設(shè)備，而無法實現(xiàn)對民航飛機的完全監(jiān)視.二次雷達(Secondary surveillance radar,SSR)作為一項成熟可靠的監(jiān)視技術(shù)，在空中交通管制(Air traffic controller,ATC)系統(tǒng)中得到了普遍使用，但SSR系統(tǒng)因數(shù)據(jù)更新頻率較低、監(jiān)視誤差較大，且造價高、安裝維護復(fù)雜等不足，同時SSR受雷達俯仰角影響而無法對機場場面飛機進行監(jiān)視[6-7].可以認為，在相當(dāng)長時間內(nèi)，ADS-B與SSR都將是民航飛機定位監(jiān)視的重要手段之一，二者需要互為補充.因此，ADS-B與SSR共同使用的最好方式是進行數(shù)據(jù)融合，這樣既能發(fā)揮ADS-B技術(shù)的優(yōu)點，又能保證SSR監(jiān)視的穩(wěn)定可靠.本研究分析了ADS-B與SSR各自的監(jiān)視特點，提出了一種ADS-B與SSR的數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)模型，探討了ADS-B與SSR的數(shù)據(jù)融合算法，并利用實測數(shù)據(jù)對系統(tǒng)進行了驗證.

1　ADS-B與SSR監(jiān)視特點

1.1　ADS-B監(jiān)視特點

ADS-B是一種集數(shù)據(jù)通信、衛(wèi)星導(dǎo)航和監(jiān)視于一體的新航行系統(tǒng)先進技術(shù)，它將由機載衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備實時獲取的飛機經(jīng)度、緯度、高度與速度等定位信息，以及姿態(tài)、航班號及地址碼等其他信息定時向空中和地面進行廣播發(fā)送，供其他飛機和地面上的用戶接收和顯示.通過空地、空空數(shù)據(jù)鏈通信，ADS-B不僅可以實現(xiàn)地面對飛機的監(jiān)視，還可實現(xiàn)飛機與飛機之間的互相監(jiān)視.隨著新航行技術(shù)的發(fā)展，ADS-B技術(shù)因為造價低、精度高而越來越受到重視，具有廣闊的應(yīng)用前景[8].

1.2　SSR監(jiān)視特點

SSR是目前普遍使用的空管監(jiān)視手段.一方面，它通過向飛機發(fā)出詢問信號，機載設(shè)備應(yīng)答詢問信息；另一方面，通過對飛機進行測距和測向，以及機載設(shè)備應(yīng)答的飛機二次代碼和飛行高度，兩者相互協(xié)作完成對空中目標(biāo)的定位.但SSR 系統(tǒng)具有很多局限性：通過無線電測距獲取的目標(biāo)方位精度有限；機械旋轉(zhuǎn)掃描方式限制了更新率的提高；無法獲得飛機的意圖、方向及速度等態(tài)勢數(shù)據(jù).同時，SSR因造價高、維護使用成本高，并且只能監(jiān)視空域目標(biāo)，無法對場面目標(biāo)進行監(jiān)視，難以滿足未來空中交通管理的發(fā)展需求[9].

1.3　ADS-B與SSR信息分類

ADS-B信息的種類主要分為3類：包含目標(biāo)四維位置和姿態(tài)信息的位置報告，包含目標(biāo)航行信息和飛機標(biāo)識信息的模式狀態(tài)報告，以及包含控制應(yīng)答和其他輔助信息的勤務(wù)報告.而SSR信息主要包括了目標(biāo)位置、二次雷達代碼、航跡質(zhì)量等格式化信息.兩類目標(biāo)信息之間的主要差異[10-13]如表1所示.

表1　ADS-B與SSR數(shù)據(jù)信息差異

2　ADS-B與SSR數(shù)據(jù)融合

2.1　數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)模型

ADS-B與SSR數(shù)據(jù)融合有多種模型.本研究針對實際應(yīng)用問題提出一種數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)模型如圖1所示.

圖1ADS-B與SSR數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)模型

本數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)對收到的報文進行類型判斷后分別送入ADS-B與SSR處理通道.ADS-B預(yù)處理主要完成報文格式檢查、解碼(通常采用Eurocontrol Asterix Cat021標(biāo)準格式)、野值剔除、WGS-84坐標(biāo)轉(zhuǎn)地心直角坐標(biāo)等工作；SSR預(yù)處理主要完成報文格式檢查、解碼(通常采用Eurocontrol Asterix Cat030標(biāo)準格式)、野值剔除、雷達極坐標(biāo)轉(zhuǎn)地心直角坐標(biāo)等工作.預(yù)相關(guān)模塊利用ADS-B報文中的地址碼和SSR報文中的二次代碼進行預(yù)相關(guān)處理，對已經(jīng)有融合航跡記錄的數(shù)據(jù)直接進行融合濾波處理，對未有融合航跡記錄的數(shù)據(jù)通過關(guān)聯(lián)模塊進行航跡關(guān)聯(lián).初始化模塊負責(zé)對未關(guān)聯(lián)上的數(shù)據(jù)生成新航跡.航跡管理負責(zé)記錄融合航跡，管理航跡生存時間，剔除和更新航跡，調(diào)用濾波器進行航跡濾波，產(chǎn)生融合結(jié)果輸出.編碼模塊負責(zé)把融合結(jié)果統(tǒng)一編碼后輸出到ATC系統(tǒng)顯示.濾波模塊采用卡爾曼濾波器完成融合估計.

在本模型中，ADS-B與SSR數(shù)據(jù)融合還需要解決下面幾個問題：

1)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換.ADS-B報文采用WGS-84坐標(biāo)系，而SSR采用極坐標(biāo)系.對此，可通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換把坐標(biāo)系統(tǒng)一為笛卡爾地心直角坐標(biāo)系.

2)時間對齊.由于ADS-B與SSR是2個系統(tǒng)，沒有統(tǒng)一的時間基準.因此，在數(shù)據(jù)融合前必須通過外推和插值等方法把2個系統(tǒng)的傳感器數(shù)據(jù)報告時間校正到同一時刻.

3)航跡關(guān)聯(lián).航跡關(guān)聯(lián)是為了把ADS-B與SSR對同一目標(biāo)的觀測航跡進行關(guān)聯(lián).在ADS-B數(shù)據(jù)中飛機被32 bit地址碼唯一標(biāo)識，而SSR則通過二次代碼標(biāo)識飛機.對于已形成融合航跡的飛機可以通過地址碼或二次代碼直接關(guān)聯(lián)，對于未形成融合航跡的飛機可以通過最近領(lǐng)域法、概率數(shù)據(jù)互聯(lián)等方法關(guān)聯(lián)得到融合航跡[14].

4)融合方式.融合方式分為集中式、分布式、混合式等，其中集中式融合算法有3種，即并行濾波、序貫濾波及數(shù)據(jù)壓縮濾波[15].

2.2　融合算法

由于ADS-B系統(tǒng)與SSR系統(tǒng)工作時在時間上的不同步，本數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)采用集中式序貫濾波融合算法，則不管是哪個系統(tǒng)觀測，按時間順序，先到的量測點先進行濾波，這樣就省去了時間同步處理，又增強了航跡的連續(xù)性.

目標(biāo)運動方程采用勻加速模型，采用笛卡爾直角坐標(biāo)系，則狀態(tài)方程為，

(1)

(2)

(3)

其中，狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣與過程噪聲矩陣分別為，

(4)

(5)

融合中心按照傳感器的序號1→N對融合中心目標(biāo)運動狀態(tài)估值進行序貫更新，傳感器1

(6)

(7)

(8)

則融合中心最終的狀態(tài)估計是，

(9)

(10)

3　系統(tǒng)數(shù)據(jù)測試

本數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)在實際數(shù)據(jù)測試中，通過民航二所在成都雙流國際機場及其周邊安裝的8套(見圖2，圓圈表示地面站位置，折線多邊形表示航空走廊)1090ES ADS-B接收機，對機場場面及周邊300 km空域進行全天候完整監(jiān)視.ADS-B監(jiān)視數(shù)據(jù)通過ADSL、3G、甚高頻等通信方式傳到處理中心.通過多個ADS-B地面站的多重覆蓋監(jiān)視，解決建筑、山脈等對飛機監(jiān)視可能造成的無線電遮擋等原因而出現(xiàn)的目標(biāo)丟失.同時，在雙流機場場面雷達站安裝一部雷神SSR.

本數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)ADS-B與SSR融合數(shù)據(jù)顯示效果如圖3所示.圖3中，只有數(shù)字的標(biāo)牌表示雷達數(shù)據(jù)，有航班號的表示ADS-B數(shù)據(jù)，標(biāo)牌尾帶“T”的表示ADS-B與SSR融合后的數(shù)據(jù).

圖2成都雙流機場及其周邊1090ES ADS-B地面站分布圖

圖3成都雙流機場ADS-B/SSR實測數(shù)據(jù)融合顯示效果

實際測試數(shù)據(jù)顯示，由于ADS-B刷新率和監(jiān)視精度都遠高于SSR，在飛行目標(biāo)同時被ADS-B與SSR監(jiān)視的情況下，融合輸出的精度和刷新率都和ADS-B接近.而當(dāng)目標(biāo)只被ADS-B或SSR其中一種傳感器監(jiān)視時，融合系統(tǒng)給出的是這種傳感器的濾波輸出.不管飛機機載設(shè)備情況如何(有或無SSR、ADS-B應(yīng)答機)，本數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)都能給出統(tǒng)一航跡.

4　結(jié)　論

本研究提出了一種采用集中式序貫濾波融合算法的ADS-B與SSR數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)，利用成都雙流國際機場及周邊安裝的8個1090ES ADS-B地面站和1部雷神SSR同時監(jiān)視數(shù)據(jù)，并進行了數(shù)據(jù)融合驗證.通過實測數(shù)據(jù)驗證，本數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)具備以下特點：不受ADS-B或SSR某類監(jiān)視數(shù)據(jù)缺失影響(不同機載設(shè)備)，都能給出統(tǒng)一航跡；提高了SSR監(jiān)視的精度和更新率；對SSR場面監(jiān)視盲區(qū)進行了補充覆蓋，實現(xiàn)了從航路到場面的完整及連續(xù)監(jiān)視；統(tǒng)一編碼輸出，兼容現(xiàn)有ATC顯示系統(tǒng)數(shù)據(jù)格式.