ADS-B技術在雷達系統(tǒng)誤差校正中的應用研究

魯軍

【摘 ?要】ADS-B（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，廣播式自動相關監(jiān)視）技術是一種空中交通監(jiān)視技術，利用衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)，向其他安裝ADS-B系統(tǒng)的飛機和地面站自動廣播自身的速度和位置等狀態(tài)信息。通過ADS-B技術，可以依據(jù)雷達探測的飛機坐標數(shù)據(jù)和ADS-B獲取的飛機位置信息，進行雷達誤差分析和系統(tǒng)誤差校正。

【關鍵詞】ADS-B技術;雷達;系統(tǒng)誤差

引言

雷達測量目標的測量數(shù)據(jù)中包括兩種測量誤差：一種是隨機誤差，可以通過濾波方法消除;另一種是隨機誤差，在相對較長的時間里可以看做是一個相對固定的值。為了提升雷達的探測精度，降低多雷達空情信息融合時系統(tǒng)誤差帶來的影響，需要及時地對雷達系統(tǒng)誤差進行檢查與校正。ADS-B技術具有數(shù)據(jù)精度高、使用成本低、監(jiān)視能力強等特點。利用ADS-B數(shù)據(jù)自動廣播的特性，可以獲取雷達周邊所有安裝ADS-B系統(tǒng)的飛機實時位置信息，并用于雷達系統(tǒng)誤差的標定。相對于雷達檢飛標定的方法，該方法具有快速、簡單和低成本等優(yōu)勢。

1.ADS-B技術概述

ADS-B技術是一種基于衛(wèi)星定位信息和空-空、地-空數(shù)據(jù)鏈通信的航空器監(jiān)視技術[1-3]。民航飛機通過GNSS（全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)）系統(tǒng)自主獲取高精度的定位信息，并向其它安裝有ADS-B的地面站用戶和飛機自動廣播其位置、速度等信息。ADS-B技術原理主要是自動、廣播、相關與監(jiān)視。其中，自動是指安裝有ADS-B系統(tǒng)的飛機會自動向外發(fā)送數(shù)據(jù)而不需要地面詢問和人工操作;廣播是指ADS-B系統(tǒng)向發(fā)送信采取廣播方式，附近列裝有ADS-B設備的飛機和地面站用戶都能接收和處理這些數(shù)據(jù)。相關是指ADS-B系統(tǒng)獲取的飛機位置、速度、高度等信息來自于安裝有ADS-B系統(tǒng)的飛機;監(jiān)視是指利用獲取的位置、速度等信息能夠對飛機進行監(jiān)視。由于ADS-B使用GNSS（全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)）進行定位，對比雷達測量目標的坐標精度，GNSS對目標的定位精度很高。通過ADS-B技術能夠獲取民航飛機的真實飛行數(shù)據(jù)，因此，可以利用ADS-B接收機獲取到的ADS-B數(shù)據(jù)對雷達系統(tǒng)誤差進行校正，將能很好地提升雷達探測能力。

2.雷達系統(tǒng)誤差分析

系統(tǒng)誤差是按一定的規(guī)律變化，或者是在多次重復測量中保持不變的誤差。雷達系統(tǒng)誤差是一個相對固定的值，其中包括斜距、方位和俯仰等系統(tǒng)誤差，對于同一部雷達而言，產生系統(tǒng)誤差的原因也多種多樣，性質也不同。其中，主要原因包括以下三個方面：

（1）雷達設備誤差

由于沒有按規(guī)定要求操作雷達或者雷達自身設計的缺陷以及多次使用后造成雷達元器件老化而造成的。雷達方位系統(tǒng)誤差的主要影響因素有：經緯儀尋北精度誤差、天線的轉臺不完全水平引起的誤差、機械軸與電軸的不完全平行引起的誤差;影響距離系統(tǒng)誤差的主要因素有：雷達定位誤差、接收機內回波延遲誤差、大氣折射引起的誤差;仰角系統(tǒng)誤差的主要影響因素有天線平臺水平誤差和天線波束指向誤差。

（2）理論計算誤差

由于雷達測量目標所依據(jù)的理論公式是理想條件下的，而雷達實際使用環(huán)境不能達到理論公式所規(guī)定的要求所引起的誤差。方位和仰角系統(tǒng)誤差的主要影響因素有：信號處理方法引起的誤差、測量量化引起的誤差。距離系統(tǒng)誤差的主要影響因素有：用光速代替空氣中電磁波傳播速度、測量量化引起的誤差、信號處理方法引起的誤差。

（3）個人操作誤差

由于操作者在使用雷達時，因其個人的精神狀態(tài)和運動器官的反應以及習慣性動作，導致在測量目標時而產生的誤差。

3.ADS-B技術在航管雷達系統(tǒng)誤差校正中的應用

雷達探測空中目標得到的測量數(shù)據(jù)中主要存在兩種類型的測量誤差：隨機誤差與測量誤差。其中，隨機誤差，是由雷達探測系統(tǒng)中的各類內部噪聲引起的，每次探測目標的數(shù)據(jù)中隨機誤差都是不同的，但可以利用濾波的信號數(shù)據(jù)處理方法進行克服和消除[4-5]。而系統(tǒng)誤差是由外部環(huán)境、雷達本身和操作手個人習慣等引起的，是非隨機的、復雜的、慢變的;在相當長的時間里可以視為“恒定值”，是一種確定性的誤差，難以通過濾波的方法消除，而需要事先對雷達的目標測量數(shù)據(jù)進行分析、估計，進而對各自的目標航跡進行誤差補償。如果存在系統(tǒng)誤差，不同的雷達測量同一個目標就會產生不同的偏差，給雷達網系統(tǒng)量測數(shù)據(jù)關聯(lián)和融合帶來困難，導致雷達組網探測系統(tǒng)的性能下降。因此，通過系統(tǒng)誤差校正，能夠最大限度降低系統(tǒng)誤差對雷達獲取空情質量的影響。圖中（a）所示為某型雷達系統(tǒng)誤差校正前跟蹤航跡與ADS-B航跡的航跡對比圖，圖中紅色“-.-”線為雷達跟蹤航跡，藍色“-”線為ADS-B航跡，從圖中對比可以看出，由于雷達系統(tǒng)誤差的存在導致兩條航跡存在較大偏差。針對航跡偏差問題，本文利用迭代最近點（ICP）算法[6]對該型雷達系統(tǒng)誤差進行了校正，其方法主要分為以下幾個步驟：一是將雷達測量數(shù)據(jù)與ADS-B數(shù)據(jù)進行坐標轉換，確保兩組數(shù)據(jù)處于同一坐標系;二是以ADS-B數(shù)據(jù)作為參考點集，以雷達測量數(shù)據(jù)作為目標點集;三是利用ICP算法求解雷達系統(tǒng)誤差。校正結果如圖中（b）所示，從圖中航跡對比可以看出，經過系統(tǒng)誤差校正，ADS-B航跡與該型雷達的跟蹤航跡實現(xiàn)較好的吻合，表明利用ADS-B技術進行雷達系統(tǒng)誤差校正方法可行。經過系統(tǒng)誤差修正，該型雷達的測量精度有了較大的提升，探測、跟蹤目標能力進一步增強。

4.結束語

借助ADS-B技術能夠掌握空中民航飛機的準確飛行參數(shù)，可用以消除雷達系統(tǒng)誤差，提升雷達測量精度。與雷達檢飛相比，依托ADS-B系統(tǒng)開展雷達系統(tǒng)誤差校正具有成本低、周期短、易操作的獨特優(yōu)勢。深化對ADS-B技術的研究與運用，能夠進一步提高雷達發(fā)現(xiàn)、跟蹤目標能力。

參考文獻：

[1]王銳，謝愷.基于ADS-B的目標指示雷達模擬訓練系統(tǒng)關鍵技術[J].艦船電子工程.2020（5）：77-79+107.

[2]唐鵬.基于ADS-B數(shù)據(jù)監(jiān)視性能評估技術研究[D].天津：中國民航大學，2015.

[3]邵帥.ADS-B航跡處理及顯示技術研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程學，2013.

[4]王忠強.基于ADS-B的雷達系統(tǒng)誤差校準算法研究[J].系統(tǒng)仿真技術.2016（1）：30-34+45.

[5]張鐳.多雷達數(shù)據(jù)融合的誤差校正[J].四川兵工學報.2010（2）：38-39.

[6]Pengfei Li，En Fan，Changhong Yuan. A Specific Iterative Closest Point Algorithm for Estimating Radar System Errors [J]. IEEE Access，2020（8）：6417-6428.

（作者單位：陸軍炮兵防空兵學院鄭州校區(qū)）