基于ADS-B的實(shí)時(shí)航跡精度評(píng)估模塊設(shè)計(jì)

邢建芳　周慧德

【摘 要】面向?qū)涨閳?bào)雷達(dá)可在日常工作狀態(tài)中掌握和評(píng)估自身探測(cè)性能的需求，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種實(shí)時(shí)航跡精度評(píng)估算法。以民航目標(biāo)的ADS-B數(shù)據(jù)為參考基準(zhǔn)，將雷達(dá)測(cè)量航跡與其進(jìn)行時(shí)空對(duì)準(zhǔn)，實(shí)時(shí)計(jì)算對(duì)目標(biāo)航跡的測(cè)量精度，同時(shí)對(duì)結(jié)果進(jìn)行可視化輸出。經(jīng)裝備實(shí)際驗(yàn)證，該模塊具有全天候、高可靠性的特點(diǎn)，可連續(xù)更新系統(tǒng)的探測(cè)精度，為雷達(dá)標(biāo)校提供參考依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】對(duì)空情報(bào)雷達(dá);ADS-B;航跡精度評(píng)估;雷達(dá)標(biāo)校;可視化

中圖分類號(hào)： TN957.52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）17-0005-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.17.002

Design of ADS-B Based Real-time Accuracy Evaluation Modular of Track Measurement

XING Jian-fang ZHOU Hui-de

（No. 38 Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation， Hefei Anhui 230088， China）

【Abstract】In daily work conditions， air surveillance radar often needs to assess its detection performance. According to this requirement， a real time track accuracy assessment and visual analysis module is designed and implemented. The algorithm module uses ADS-B data as datum reference， after space-time alignment with the track detected by radar， the measuring accuracy can be calculated in real time， and finally analysis results are provided. The actual operation shows that this module has the characteristics of all-weather and high reliability; it can update the track accuracy continuously and provide reference for radar calibration.

【Key words】Air surveillance radar; ADS-B; Track accuracy assessment; Radar calibration; Visualization

0 引言

ADS-B（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視） 作為一種交通監(jiān)視和信息傳遞的技術(shù)手段，航空器通過(guò)特定數(shù)據(jù)鏈周期性自動(dòng)廣播由機(jī)載星基導(dǎo)航和定位系統(tǒng)生成的自身精確定位信息，地面系統(tǒng)通過(guò)接收和處理ADS-B信息，可實(shí)時(shí)監(jiān)視目標(biāo)位置和其他信息，起到類似雷達(dá)的作用。與傳統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)相比，ADS-B在實(shí)時(shí)性、監(jiān)視精度和投資費(fèi)用等方面更占優(yōu)勢(shì)[1-2]。在雷達(dá)研制和檢飛試驗(yàn)階段，合作軍機(jī)利用加裝的定位模塊來(lái)采集記錄飛行航跡，事后與雷達(dá)測(cè)量航跡進(jìn)行對(duì)比分析，以此來(lái)對(duì)雷達(dá)探測(cè)性能進(jìn)行檢驗(yàn)和誤差標(biāo)校。這種方法需要協(xié)調(diào)較多資源，同時(shí)費(fèi)用高、周期長(zhǎng)，在雷達(dá)日常工作和訓(xùn)練過(guò)程中，一般并不具備這樣的條件。

鑒于ADS-B的精確性和易獲取性，若借助民航飛機(jī)的ADS-B信息進(jìn)行航跡測(cè)量精度評(píng)估和系統(tǒng)標(biāo)校，將大大簡(jiǎn)化試驗(yàn)的方法和流程。文獻(xiàn)[3-6]研究了基于ADS-B的雷達(dá)性能測(cè)試和誤差校準(zhǔn)方法;文獻(xiàn)[7]提出了基于ADS-B信息和測(cè)量航跡進(jìn)行離線空間曲線誤差比對(duì)算法;文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)了一種基于ADS-B的雷達(dá)數(shù)據(jù)采集評(píng)估系統(tǒng)。本文設(shè)計(jì)了一種實(shí)時(shí)的雷達(dá)航跡測(cè)量精度評(píng)估方法并應(yīng)用于工程實(shí)踐：以高精度ADS-B報(bào)告的空中位置信息為真值，基于高效的航跡數(shù)據(jù)管理方法，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)和連續(xù)的航跡方位和距離精度計(jì)算評(píng)估，并對(duì)結(jié)果曲線進(jìn)行可視化輸出，滿足了常規(guī)條件下在線監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)航跡測(cè)量精度的需求，為雷達(dá)系統(tǒng)誤差校正提供參考依據(jù)。

1 總體框架設(shè)計(jì)

航跡精度評(píng)估是雷達(dá)終端情報(bào)分析軟件的一個(gè)重要功能模塊，其原理框圖如圖1所示。ADS-B信號(hào)接收處理和雷達(dá)航跡數(shù)據(jù)處理分別作為獨(dú)立的軟件配置項(xiàng)，為航跡精度評(píng)估提供數(shù)據(jù)源;它們駐留在不同的計(jì)算機(jī)上，與情報(bào)分析軟件三者之間均通過(guò)高速局域網(wǎng)通信。ADS-B信號(hào)接收處理軟件接收并解析S模式DF字段值為17的ADS-B信號(hào)獲得飛機(jī)的空中位置和ICAO地址碼等信息，按協(xié)議封裝后分別發(fā)送給航跡數(shù)據(jù)處理和航跡精度評(píng)估。航跡處理軟件除了將雷達(dá)信號(hào)前端送來(lái)的點(diǎn)跡數(shù)據(jù)形成目標(biāo)航跡并分配批號(hào)外，還通過(guò)航跡關(guān)聯(lián)跟蹤門將測(cè)量航跡與ADS-B數(shù)據(jù)形成的航跡進(jìn)行一次匹配關(guān)聯(lián)。如果關(guān)聯(lián)成功，則將飛機(jī)ICAO地址碼填寫(xiě)到航跡數(shù)據(jù)報(bào)文中發(fā)送給精度評(píng)估模塊。后續(xù)在目標(biāo)可被探測(cè)到的威力范圍內(nèi)，評(píng)估模塊可根據(jù)關(guān)聯(lián)的ADS-B信息連續(xù)對(duì)被評(píng)估目標(biāo)航跡的方位和距離進(jìn)行實(shí)時(shí)的精度計(jì)算和統(tǒng)計(jì)。

精度評(píng)估模塊基于面向?qū)ο蠓椒ㄔO(shè)計(jì)，并采用跨平臺(tái)的C++開(kāi)發(fā)庫(kù)Qt實(shí)現(xiàn)。下文將詳細(xì)介紹航跡數(shù)據(jù)管理設(shè)計(jì)和航跡精度計(jì)算過(guò)程。

2 航跡數(shù)據(jù)管理

2.1 航跡數(shù)據(jù)模型

航跡數(shù)據(jù)模型類TrackModel用于維護(hù)某種類型的所有航跡數(shù)據(jù)。在TrackModel類中由一個(gè)QMap類型的容器tracks來(lái)保存航跡數(shù)據(jù)，聲明tracks的代碼如下：

QMaptracks;

在tracks中以航跡標(biāo)識(shí)和航跡數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) TRACK_DATA形成鍵-值關(guān)聯(lián)。航跡標(biāo)識(shí)是區(qū)分和管理不同航跡的唯一依據(jù)，其中雷達(dá)測(cè)量航跡以批號(hào)為標(biāo)識(shí)，由ADS-B報(bào)告形成的航跡以飛機(jī)ICAO地址碼為標(biāo)識(shí)。利用航跡標(biāo)識(shí)可對(duì)TrackModel進(jìn)行指定航跡數(shù)據(jù)的訪問(wèn)、更新及移除等操作。

TRACK_DATA是為保存單條獨(dú)立的航跡數(shù)據(jù)而設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)。其元素主要包括：航跡標(biāo)識(shí)、航跡更新時(shí)間、航跡點(diǎn)的隊(duì)列和航跡屬性表等。其中航跡點(diǎn)隊(duì)列的定義為QVectortrackPlots，按時(shí)間先后將每個(gè)點(diǎn)的信息保存到一個(gè)向量中。PLOT_DATA結(jié)構(gòu)用于描述特定航跡上單個(gè)點(diǎn)的信息，元素包括更新時(shí)間，目標(biāo)位置信息以及該點(diǎn)的屬性。

2.2 數(shù)據(jù)管理類

數(shù)據(jù)管理類DataManage主要用于航跡數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、更新和訪問(wèn)。為了保證數(shù)據(jù)的唯一性和確定性，DataManage采用單例模式設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

DataManage類按航跡類型或來(lái)源來(lái)組織管理航跡數(shù)據(jù)，具體實(shí)現(xiàn)時(shí)采用容器變量trackModels來(lái)存儲(chǔ)航跡數(shù)據(jù)。聲明trackModels的代碼為：

QMap>trackModels;

trackModels的鍵為航跡類型“Radar”和“ADS-B”，對(duì)應(yīng)的值分別為雷達(dá)測(cè)量航跡和ADS-B航跡，航跡數(shù)據(jù)模型的類型為TrackModel。DataManage類對(duì)外提供航跡數(shù)據(jù)模型的訪問(wèn)接口，聲明為：

TrackModel*getTrackModel（QString type）;

以航跡類型調(diào)用該函數(shù)即可獲得相應(yīng)的航跡數(shù)據(jù)模型。綜上所述，與航跡數(shù)據(jù)管理相關(guān)的類結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.3 數(shù)據(jù)接收與更新

系統(tǒng)工作時(shí)，航跡處理和ADS-B信號(hào)接收處理軟件各自以網(wǎng)絡(luò)報(bào)文形式發(fā)送目標(biāo)的最新位置，航跡精度評(píng)估模塊接收并按協(xié)議格式解析兩種位置信息。航跡數(shù)據(jù)接收與更新的簡(jiǎn)要流程如下：

（1）首先解析航跡報(bào)文并獲取航跡標(biāo)識(shí)trackId。

（2）定義一個(gè)PLOT_DATA結(jié)構(gòu)的變量trkPlot保存解析出的最新航跡點(diǎn)的更新時(shí)間、位置坐標(biāo)以及屬性等信息。對(duì)于雷達(dá)測(cè)量航跡，檢查是否有關(guān)聯(lián)的ADS-B航跡，如果有則在屬性映射表插入航跡關(guān)聯(lián)屬性，值為對(duì)應(yīng)的ICAO地址碼。

（3）以航跡類型為參數(shù)調(diào)用DataManage的getTrackModel方法獲得對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)模型，將trkPlot加入到標(biāo)識(shí)為trackId的航跡的點(diǎn)跡隊(duì)列中。如果本次傳入的是該航跡的首點(diǎn)，需要首先在tracks中初始化該航跡。

為了實(shí)現(xiàn)與評(píng)估計(jì)算模塊的通信，利用Qt的信號(hào)和槽機(jī)制，TrackModel對(duì)象在完成更新后會(huì)發(fā)射一個(gè)信號(hào)，將被更新航跡的標(biāo)識(shí)trackId發(fā)送出去。

3 航跡精度計(jì)算

3.1 時(shí)空對(duì)齊與數(shù)據(jù)插值

精度計(jì)算在時(shí)間序列上對(duì)航跡位置進(jìn)行比對(duì)。對(duì)于待評(píng)估航跡的一個(gè)點(diǎn)，需要找到與其在時(shí)間上對(duì)齊的ADS-B點(diǎn)作為參考。

實(shí)際中雷達(dá)和ADS-B的數(shù)據(jù)率并不一致，并且航跡報(bào)文和ADS-B報(bào)文中的時(shí)間戳不同步，所以需要通過(guò)插值獲得對(duì)應(yīng)的ADS-B數(shù)據(jù)點(diǎn)。民航飛機(jī)大多數(shù)時(shí)間處于平穩(wěn)飛行狀態(tài)而較少出現(xiàn)機(jī)動(dòng)動(dòng)作，可認(rèn)為是作勻速直線飛行，因此可選用線性插值。對(duì)于飛機(jī)轉(zhuǎn)彎的情況，考慮到ADS-B的數(shù)據(jù)率高出雷達(dá)很多，并且插值時(shí)僅作內(nèi)插，采用線性插值也是可接受的。

ADS-B數(shù)據(jù)報(bào)文中提供的空中位置是WGS-84的大地坐標(biāo)，在插值計(jì)算時(shí)需要將其變換到ECEF（地心地固）坐標(biāo)系。設(shè)目標(biāo)的經(jīng)、緯、高度分別為L(zhǎng)、B、H，其中L、B的單位為弧度，H的單位為米;目標(biāo)的ECEF坐標(biāo)x、y、z可由式（1）求取。

x=（N+H）·cosB·cosLy=（N+H）·cosB·sinLz=[N·（1-e2）+H]·sinB（1）

式（1）中，N為橢球面卯酉圈的曲率半徑，N=α/■;e為橢球的第一偏心率，e=■/a;a為橢球體長(zhǎng)半軸，值為6378137米;b為橢球體短半軸，值為6356752.3142米。

在ECEF坐標(biāo)系中，設(shè)勻速運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)在t1的坐標(biāo)向量為X1，t3時(shí)刻的坐標(biāo)向量X3，t3>t1，Δ則在位于t1與t3之間的時(shí)刻t2的坐標(biāo)向量X2可由線性插值獲得：

X2=X1+（t2-t1）·（X3-X1）/（t3-t1）（2）

3.2 實(shí)時(shí)精度計(jì)算

為了能夠自動(dòng)感知待分析航跡數(shù)據(jù)的更新，在評(píng)估計(jì)算模塊中注冊(cè)與TrackModel對(duì)象數(shù)據(jù)更新信號(hào)的關(guān)聯(lián)。每當(dāng)待評(píng)估航跡有位置更新時(shí)，即在相應(yīng)的槽函數(shù)中執(zhí)行一次精度計(jì)算，進(jìn)而在時(shí)間序列上形成連續(xù)的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果。航跡精度實(shí)時(shí)評(píng)估計(jì)算的流程簡(jiǎn)要描述如下：

（1）接收雷達(dá)航跡更新信號(hào)，若為待評(píng)估航跡的更新，則根據(jù)其批號(hào)在數(shù)據(jù)管理實(shí)例中查找對(duì)應(yīng)的航跡數(shù)據(jù);如果航跡屬性表中包含ADS-B的關(guān)聯(lián)，則根據(jù)屬性值即ICAO地址碼查找對(duì)應(yīng)的ADS-B航跡數(shù)據(jù)。

（2）取待評(píng)估航跡的最新位置信息，若其時(shí)間戳在相關(guān)聯(lián)ADS-B航跡的時(shí)間區(qū)間內(nèi)，繼續(xù)計(jì)算與每個(gè)ADS-B點(diǎn)的時(shí)間間隔Δt，通過(guò)檢測(cè)Δt的正負(fù)跳變獲得與該點(diǎn)時(shí)間最鄰近的前后兩個(gè)ADS-B報(bào)告點(diǎn)。

（3）按式（1）將ADS-B位置變換到ECEF坐標(biāo)系并按式（2）插值得出與最新航跡點(diǎn)時(shí)間同步的ADS-B點(diǎn)。

（4）將插值得到的ADS-B點(diǎn)變換到雷達(dá)站心極坐標(biāo)系，對(duì)待評(píng)估航跡點(diǎn)的方位和距離進(jìn)行精度統(tǒng)計(jì)計(jì)算。

（5）以本次被評(píng)估航跡點(diǎn)的時(shí)間和精度結(jié)果構(gòu)建一個(gè)QPoint類型的點(diǎn)對(duì)象，然后保存到評(píng)估結(jié)果隊(duì)列中，便于后續(xù)的可視化輸出。

在ADS-B航跡上查找插值端點(diǎn)時(shí)并不需要完整需遍歷ADS-B點(diǎn)的整個(gè)隊(duì)列。對(duì)于第一個(gè)被評(píng)估的航跡點(diǎn)，對(duì)ADS-B航跡的訪問(wèn)從其隊(duì)尾開(kāi)始可更快找到插值點(diǎn)位置。記錄本次插值點(diǎn)前端最鄰近時(shí)刻的ADS-B點(diǎn)索引i，對(duì)于后續(xù)更新的航跡點(diǎn)，則可以從i開(kāi)始向后查找其對(duì)應(yīng)的插值端點(diǎn)，完成后更新i的值，如此循環(huán)。

因?yàn)檩敵鼋Y(jié)果是方位和距離精度統(tǒng)計(jì)參數(shù)，所以對(duì)插值得出的ADS-B目標(biāo)點(diǎn)，需要將其變換到以雷達(dá)站址為中心的球面坐標(biāo)系。設(shè)站心的ECEF坐標(biāo)為（xr，yr，zr），目標(biāo)的ECEF坐標(biāo)為（x，y，z），則在站心處對(duì)目標(biāo)的觀測(cè)向量可表示為：

最后，對(duì)在時(shí)間軸上累積到一定數(shù)目的航跡點(diǎn)，分別計(jì)算方位和斜距的平均絕對(duì)誤差和均方根誤差，以實(shí)現(xiàn)對(duì)航跡測(cè)量精度的統(tǒng)計(jì)評(píng)估。限于篇幅，對(duì)計(jì)算過(guò)程不做贅述。

3.3 計(jì)算結(jié)果可視化

為更直觀和友好輸出航跡精度評(píng)估結(jié)果，設(shè)計(jì)了支持人機(jī)交互的可視化圖形界面，效果如圖3所示。

界面底部為航跡參數(shù)表格，每一行容納并實(shí)時(shí)刷新一條航跡信息，按列分別顯示航跡批號(hào)、當(dāng)前位置、關(guān)聯(lián)的ICAO地址碼及其他各種屬性。表格支持交互操作，鼠標(biāo)雙擊某一行，即可將相應(yīng)航跡的批號(hào)傳遞到計(jì)算模塊，隨即啟動(dòng)對(duì)該航跡的評(píng)估。計(jì)算過(guò)程中的相關(guān)信息會(huì)在界面頂部顯示輸出。主顯示區(qū)域?yàn)榫冉y(tǒng)計(jì)計(jì)算的曲線輸出窗口，坐標(biāo)橫軸均為時(shí)間，縱軸為方位或距離的精度指標(biāo)計(jì)算結(jié)果。時(shí)間軸的坐標(biāo)區(qū)間是動(dòng)態(tài)更新的，覆蓋被評(píng)估航跡上最新n個(gè)位置點(diǎn)的時(shí)刻，最右端的時(shí)刻與航跡最新點(diǎn)的時(shí)刻保持同步。在計(jì)算和輸出過(guò)程中，精度曲線在時(shí)間軸上形成不斷向前的動(dòng)態(tài)推進(jìn)效果。

4 應(yīng)用驗(yàn)證

ADS-B信號(hào)接收處理模塊安裝在雷達(dá)天線載車平臺(tái)上，作為雷達(dá)整機(jī)系統(tǒng)的一部分采用統(tǒng)一的時(shí)統(tǒng)設(shè)備。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，通過(guò)對(duì)時(shí)操作保證各相關(guān)軟硬件的時(shí)間同步。實(shí)驗(yàn)以西北某地區(qū)航線上的民航飛機(jī)為目標(biāo)對(duì)某雷達(dá)系統(tǒng)的測(cè)量精度進(jìn)行評(píng)估。

在雷達(dá)終端操作軟件啟動(dòng)航跡精度評(píng)估模塊，選取含有ADS-B關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的某目標(biāo)航跡，對(duì)其跟蹤測(cè)量的方位和距離精度進(jìn)行持續(xù)統(tǒng)計(jì)評(píng)估，結(jié)果輸出如圖4所示。其中，左側(cè)曲線分為目標(biāo)方位在一定時(shí)段內(nèi)的平均絕對(duì)誤差和均方根誤差，右側(cè)分別為探測(cè)斜距的平均絕對(duì)誤差和均方根誤差。

雷達(dá)探測(cè)利用機(jī)體對(duì)無(wú)線電波的反射進(jìn)行定位， 這與ADS-B采用的GPS定位方式是有區(qū)別的，因此將產(chǎn)生確定的系統(tǒng)誤差。當(dāng)目標(biāo)為體積較大的民航飛機(jī)時(shí)，分析精度時(shí)需要考慮到這種系統(tǒng)誤差的影響。另外目標(biāo)飛行方向也會(huì)對(duì)精度產(chǎn)生一定影響，一般徑向飛行時(shí)，方位精度輸出較為穩(wěn)定;切向飛行時(shí)，距離精度的輸出較為穩(wěn)定。

5 結(jié)束語(yǔ)

民航ADS-B廣播信號(hào)具有多目標(biāo)、高精度和易獲取等諸多優(yōu)點(diǎn)，非常適合作為雷達(dá)探測(cè)性能評(píng)估的數(shù)據(jù)源。面向低成本和易實(shí)施的航跡精度評(píng)估和系統(tǒng)誤差修正的需求，本文介紹了以ADS-B的空中位置信息為參考對(duì)雷達(dá)進(jìn)行航跡精度評(píng)估的技術(shù)途徑，并實(shí)現(xiàn)了一種支持人機(jī)交互的可視化實(shí)時(shí)評(píng)估軟件模塊?；趯ｉT設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)管理組件，模塊可自動(dòng)感知航跡和ADS-B數(shù)據(jù)的更新?tīng)顟B(tài)，通過(guò)時(shí)空對(duì)準(zhǔn)，在對(duì)目標(biāo)進(jìn)行穩(wěn)定跟蹤的時(shí)間區(qū)域內(nèi)，對(duì)雷達(dá)測(cè)量航跡進(jìn)行連續(xù)和在線精度計(jì)算和統(tǒng)計(jì)。

經(jīng)工程實(shí)踐驗(yàn)證，該軟件模塊的穩(wěn)定性和可靠性均滿足使用需求，可全天候工作，人機(jī)界面友好、信息輸出直觀，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

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