基于ADS-B的目標指示雷達模擬訓練系統(tǒng)關鍵技術?

（陸軍炮兵防空兵學院 合肥 230031）

1 引言

作為防空作戰(zhàn)的主要雷達，目標指示雷達已大量編配部隊，在實裝訓練中常以民航飛機作為目標進行探測。為避免雷達頻繁開機，基于軟件仿真的目標指示雷達模擬訓練系統(tǒng)應運而生。然而，采用軟件仿真得到的探測目標數(shù)據特性與空中目標的真實特性仍有差距。為此，本文提出了利用ADS-B（Automatic Dependent Surveillance-Broad?cast，廣播式自動相關監(jiān)視）信息作為數(shù)據源，引入真實的飛行目標數(shù)據給雷達模擬訓練系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)的模擬逼真度。

2 ADS-B基本原理

ADS-B是一種基于衛(wèi)星定位信息的用于航空器和地面、航空器和航空器之間以數(shù)據鏈的形式完成空-地、空-空監(jiān)視的技術［1～2］，其系統(tǒng)原理如圖1所示。

民航飛機通過全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（Global Navi?gation Satellite System，GNSS）自主定位，然后向其它裝備有ADS-B的飛機和地面站用戶進行數(shù)據鏈廣播，以幫助飛機維持適當?shù)陌踩g隔，最終實現(xiàn)所謂的“自由飛行”。

ADS-B 原理的核心是自動、相關和廣播［3～4］。自動是指ADS-B數(shù)據的獲取和信息的發(fā)送不需要機組操作干預；相關是指ADS-B的位置、高度、速度、航向等監(jiān)視信息來自于機載等設備；廣播代表ADS-B設備發(fā)送信息是全向廣播方式，所有裝備ADS-B設備的用戶都可以接收和處理這些數(shù)據。

圖1 ADS-B系統(tǒng)原理

3 基于ADS-B的目標指示雷達模擬訓練系統(tǒng)的功能組成

ADS-B的主要信息包括飛機的位置信息（經緯度、高度和時間）、識別信息和類別信息以及航向、空速、風速、風向和飛機外界溫度等附加信息。這些信息可通過相應的航空電子設備得到，具有很高的精度和可靠性。本文利用ADS-B信息生成雷達模擬訓練系統(tǒng)的探測目標數(shù)據，以供雷達操作手訓練。

基于ADS-B的目標指示雷達模擬訓練系統(tǒng)主要分為ADS-B接收系統(tǒng)和目標指示雷達模擬訓練系統(tǒng)兩部分，如圖2所示。

ADS-B接收系統(tǒng)包括天線、接收模塊、框架檢測模塊、應答解碼模塊等。目標指示雷達模擬訓練系統(tǒng)由1臺便攜式加固高分辨雷達模擬終端和目標指示雷達模擬訓練軟件組成。其中，軟件包括導演控制軟件、終端模擬軟件和目標模擬軟件。

4 基于ADS-B的目標指示雷達模擬訓練系統(tǒng)的關鍵技術

4.1 ADS-B信息處理技術

ADS-B接收設備所采用的數(shù)據接收格式是S模式二次監(jiān)視雷達技術的擴展，其總報文分為報頭和數(shù)據報文兩部分。ADS-B接收設備要準確獲取飛機的相關信息，就必須首先找到報頭，才能正確解碼信息，這是信息處理的核心。其次，由于實際運用中并非所有報文都可用，其中一些因受到噪聲或其他相關因素的干擾，會產生錯誤或者不完整的信息，這就意味著必須對大量數(shù)據進行過濾［5～7］。

圖2 基于ADS-B的目標指示雷達模擬訓練系統(tǒng)組成

其主要數(shù)據處理步驟如下：

1）每11個字節(jié)編為一組，按字節(jié)讀取數(shù)據，并進行數(shù)據校驗；

2）根據各個數(shù)據所表示的含義及其換算規(guī)則的差異，將每組數(shù)據變換成易于理解的數(shù)據并進行解析，具體示例如表1所示。

表1 ADS-B數(shù)據報文

4.2 ADS-B數(shù)據融合技術

ADS-B數(shù)據格式包括經度、緯度和高度，而雷達數(shù)據格式則為斜距、方位角、高度或者是對應于雷達中心點的坐標和高度，因此需要將ADS-B的大地坐標系轉化成極坐標系［8～10］，使 ADS-B信息中的目標位置和雷達模擬訓練系統(tǒng)測量的目標位置相匹配，才能完成數(shù)據融合以確保訓練效果。具體的坐標變換包括以下3個步驟：

1）大地坐標系變換成大地直角坐標系

已知空間某點的經度L、緯度B和高度H，對于空間中的同一點P（L，B，H），將其分別投影到直角坐標系XYZ中，如圖3所示。

得到其直角坐標和大地坐標之間的轉換關系為

式中：O'P為曲率半徑；扁率為α=（a-b）/a；a，b分別為地球的長、短軸半徑。

圖3 大地坐標系與直角坐標系

2）大地直角坐標系變換成地面直角坐標系

設雷達系統(tǒng)測的數(shù)據在地心直角坐標系中的位置為(x0,y0,z0)，則大地直角坐標系坐標轉換到地面直角坐標系坐標(xr,yr,zr)為

3）地面直角坐標系變換成地面極坐標系

設地面極坐標為(γ,θ,η)，則由地面直角坐標系坐標(xr,yr,zr)得到

4.3 ADS-B數(shù)據精度分析

數(shù)據精度往往是以雷達記錄的絕對時間作為基準進行分析的。ADS-B數(shù)據鏈在發(fā)送位置信息時，實時時間信息也包含在其中。因此，ADS-B地面接收系統(tǒng)中的時間是接收到數(shù)據并解算后的時間，而不是民航飛行的實時時間。為了推導出飛機的實時飛行時間，可以通過統(tǒng)計多條航路數(shù)據得出飛行拐點，以此為基準點對航跡進行比對校準，進而得到目標近似真實的距離、方位和仰角精度［11～12］。相對軍用飛機作為合作目標檢飛只能獲取一條目標航跡數(shù)據的方法，利用ADS-B信息可以獲得多個目標的航跡數(shù)據，從而有效地提高了目標指示雷達模擬訓練的效果。

5 系統(tǒng)應用

根據上述設計思路，研制了基于ADS-B的目標指示雷達模擬訓練系統(tǒng)，其實物如圖4所示。

啟動電源后，操作人員即可進入模擬訓練軟件系統(tǒng)，點擊界面上的按鈕進入相應的功能模塊。在進行日常訓練時可進行場景設置、模擬訓練控制、開機控制、錄取終端等多種操作。設置好相關場景參數(shù)后，雷達模擬軟件中的典型場景如圖5所示，其中的目標航跡包括ADS-B的實時空情數(shù)據和軟件仿真數(shù)據，雷達操作人員可根據場景進行訓練，并得到系統(tǒng)的評估反饋。

圖4 模擬訓練系統(tǒng)硬件實物圖

圖5 目標指示雷達模擬訓練軟件主界面

同時，被動接收的ADS-B空情信息還可上報給指揮自動化系統(tǒng)，解決目標指示雷達頻繁開機影響雷達壽命且易暴露電磁參數(shù)，而雷達不開機又無法貫通整個信息鏈路的難題。

表2 兩種雷達模擬訓練系統(tǒng)的對比

與普通的目標指示雷達模擬訓練系統(tǒng)相比，基于ADS-B的目標指示雷達模擬訓練系統(tǒng)具有如下特點，具體如表2所示。

6 結語

本文介紹了基于ADS-B的目標指示雷達模擬訓練系統(tǒng)的關鍵技術，包括ADS-B的信息處理技術、數(shù)據融合技術，并進行了數(shù)據精度分析。經應用驗證，該系統(tǒng)具備ADS-B航跡顯示、雷達操作、電磁環(huán)境設置、空情傳遞等多種功能，且系統(tǒng)利用空中民航目標數(shù)據的豐富性、可靠性和實時性為目標指示雷達的訓練提供了保障，大大簡化了訓練保障的復雜度，具有極強的推廣前景。