一種多傳感器異構(gòu)數(shù)據(jù)接引的實(shí)現(xiàn)方法

呂濤 李璐 周鑫

【摘要】? ? 多傳感器異構(gòu)數(shù)據(jù)接引系統(tǒng)接入終端區(qū)多監(jiān)視源數(shù)據(jù)，包括一次雷達(dá)、二次雷達(dá)、多點(diǎn)定位系統(tǒng)（MLAT）、廣播式自動相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)（ADS-B）、場面監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)等，通過對各種監(jiān)視源的異構(gòu)監(jiān)視信息進(jìn)行融合處理，保障終端區(qū)高密度航班安全飛行。本文介紹了一種多傳感器異構(gòu)數(shù)據(jù)接引的實(shí)現(xiàn)方法，通過對多源數(shù)據(jù)信號接口、數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)視與通道選擇和數(shù)據(jù)格式變換、坐標(biāo)變換等保護(hù)性預(yù)處理完成多傳感器異構(gòu)數(shù)據(jù)接引功能的實(shí)現(xiàn)。

【關(guān)鍵詞】? ? 多傳感器? ? 異構(gòu)數(shù)據(jù)? ? 數(shù)據(jù)接引系統(tǒng)

引言：

多傳感器異構(gòu)數(shù)據(jù)接引系統(tǒng)一般具備多個分系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接入，一般包括ADS-B地面站應(yīng)用系統(tǒng)、MLAT監(jiān)視系統(tǒng)、多源異構(gòu)多監(jiān)視傳感器數(shù)據(jù)接口、地圖服務(wù)器、綜合交通態(tài)勢融合、綜合交通態(tài)勢預(yù)測與沖突預(yù)警、監(jiān)視干擾檢測與定位處理、綜合交通態(tài)勢顯示、綜合交通態(tài)勢信息數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)綜合管理等。其基本組成如圖1所示。

在多傳感器異構(gòu)接引系統(tǒng)中，需要接引的各類數(shù)據(jù)源的輸入數(shù)據(jù)都需要進(jìn)行一系列的預(yù)處理，包括多源數(shù)據(jù)信號通信接口、數(shù)據(jù)有效性判斷模塊、數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)視與通道選擇、數(shù)據(jù)保護(hù)性預(yù)處理、數(shù)據(jù)歸一化格式轉(zhuǎn)換與輸入，無航跡相關(guān)的單點(diǎn)跡信息、完成點(diǎn)航相關(guān)的航跡數(shù)據(jù)、連續(xù)跟蹤的航跡和無點(diǎn)跡相關(guān)的航跡補(bǔ)充跟蹤、高度跟蹤等。同時，還要進(jìn)行面向多傳感器異構(gòu)數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)融合等處理，完成各傳感器數(shù)據(jù)的時空對準(zhǔn)和坐標(biāo)變換。

一、多源數(shù)據(jù)信號通信接口

多源數(shù)據(jù)信號通信接口主要完成各傳感器系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)的判斷和匹配，完成數(shù)據(jù)濾除、數(shù)據(jù)隔離、數(shù)據(jù)分類歸集和融合航跡數(shù)據(jù)輸出。通過本地?cái)?shù)據(jù)庫的參數(shù)配置完成數(shù)據(jù)歸一化格式轉(zhuǎn)換，其輸入源應(yīng)支持RS-232、RS-422及網(wǎng)絡(luò)等電氣接口。

信號接口處理單元實(shí)現(xiàn)對各數(shù)據(jù)源的不同通信通路的處理。數(shù)據(jù)信號的處理采用專有技術(shù)實(shí)現(xiàn)的智能多源數(shù)據(jù)處理組件，支持ADS-B地面接收機(jī)、多點(diǎn)定位系統(tǒng)、Thomson（Thales ATM）雷達(dá)、Raytheon雷達(dá)頭及綜合航跡，Telephonics綜合航跡，Alenia雷達(dá)、Toshiba雷達(dá)、Siemens雷達(dá)等多種一二次雷達(dá)的HDLC、TCP/IP通信規(guī)程，通信規(guī)程通過服務(wù)器參數(shù)配置。

多源數(shù)據(jù)信號通信接口的接口處理模塊應(yīng)為標(biāo)準(zhǔn)處理模塊，方便與其他子系統(tǒng)進(jìn)行連接通信。

二、數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)視與通道選擇

多傳感器異構(gòu)引接系統(tǒng)至少支持兩路獨(dú)立、冗余的信號輸入，物理接口包括光纖、網(wǎng)線、串口等多種不同傳輸介質(zhì)。系統(tǒng)的前端處理單元對多路數(shù)據(jù)信號進(jìn)行信號質(zhì)量評估、實(shí)時管控、通道的自適應(yīng)切換和通道的手動選擇。質(zhì)量評估系統(tǒng)根據(jù)各子系統(tǒng)上報(bào)的通道狀態(tài)和接引系統(tǒng)的質(zhì)量評估準(zhǔn)則完成質(zhì)量評估，對其上報(bào)的數(shù)據(jù)率進(jìn)行實(shí)施管控，根據(jù)通信協(xié)議中要求的數(shù)據(jù)格式及必備數(shù)據(jù)項(xiàng)進(jìn)行檢查和校驗(yàn)，同時根據(jù)評估結(jié)果進(jìn)行自適應(yīng)的通道切換。數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)視流程如圖2所示。

圖2? ? 數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)視流程

三、數(shù)據(jù)保護(hù)性預(yù)處理

3.1概述

對通過監(jiān)視通道選擇并已完成歸一化后格式轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)進(jìn)行更為精細(xì)的數(shù)據(jù)判斷，實(shí)施保護(hù)性過濾。保護(hù)性過濾的規(guī)則主要為的數(shù)據(jù)格式的判斷，包括數(shù)據(jù)包頭信息、數(shù)據(jù)包標(biāo)志和各數(shù)據(jù)項(xiàng)中的取值規(guī)則等，接口處理功能模塊需針對不同的信號源單獨(dú)設(shè)計(jì)。

3.2數(shù)據(jù)格式變換

數(shù)據(jù)格式變換單元應(yīng)支持當(dāng)前主流的數(shù)據(jù)格式，主要包括Thomson，Raytheon Toshiba，Alenia，WestingHouse，Telephonics，Siemens，NEC等雷達(dá)數(shù)據(jù)和民航推行的ASTERIX型數(shù)據(jù)格式等。

四、時-空對準(zhǔn)和坐標(biāo)變換

4.1時間軸對準(zhǔn)

4.1.1統(tǒng)一的時間戳印記

多傳感器異構(gòu)數(shù)據(jù)接引系統(tǒng)需要使用統(tǒng)一的時鐘完成時間配對和數(shù)據(jù)記錄和數(shù)據(jù)處理，使用系統(tǒng)GPS時鐘作為統(tǒng)一的時間戳印記（time stamp）。各數(shù)據(jù)源中增加了時間戳印記后，能夠方便地補(bǔ)償各數(shù)據(jù)源因不同的通信信道導(dǎo)致的時間隨機(jī)差和各個數(shù)據(jù)源之間的時間基準(zhǔn)差，其中時間隨機(jī)差變化較大且無特定規(guī)律，很難通過其他辦法進(jìn)行時間補(bǔ)償。需要注意的是，GPS的時間戳的統(tǒng)一，并不能有效減小前端傳感器帶來的處理延時，即從天線波束指向目標(biāo)時刻到數(shù)據(jù)錄取設(shè)備完成目標(biāo)探測凝聚并上報(bào)時刻的時間差延時。

4.1.2自動檢測時間差與時間差的補(bǔ)償

考慮到每一個傳感器在數(shù)據(jù)輸出時都會打上各個傳感器系統(tǒng)的時間印記，如果通信信道的延時不是恒定的且并不嚴(yán)重（如小于100毫秒），考慮使用一種不依賴時間戳印記的自動檢測時間差并完成時間差補(bǔ)償?shù)姆椒ā?/p>

對于空中的飛行目標(biāo)而言，在統(tǒng)一的空間坐標(biāo)系中，各個傳感器上報(bào)目標(biāo)時的時間戳僅僅因?yàn)楦鱾€傳感器間的時間差，會導(dǎo)致目標(biāo)在飛行軌跡上出現(xiàn)位置提前或延后的誤差，該誤差與飛行目標(biāo)的航向和航速有關(guān)，若多個傳感器間通過目標(biāo)探測時間的位置內(nèi)插、外推，并將之折合到同一時刻，根據(jù)其飛行姿態(tài)，完成時間差的自動檢測和補(bǔ)償。

各個傳感器件的時間差可以視為有固定時間差和隨機(jī)時間差組成。固定時間差的補(bǔ)償只需要通過一次性離線檢測或固定周期的離線檢測就能完成。而時差中的隨機(jī)部分則相當(dāng)于探測過程中出現(xiàn)的探測時間隨機(jī)誤差，該部分無法進(jìn)行有效的精確補(bǔ)償，只能由系統(tǒng)在數(shù)據(jù)處理過程中，完成隨機(jī)時間差的抑制。通過數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)融合過程進(jìn)行時間差抑制時，若該隨機(jī)時間差遠(yuǎn)小于傳感器系統(tǒng)的探測誤差，則該隨機(jī)時間差可以當(dāng)做正常處理誤差進(jìn)行處理;如小于100毫秒時，這可以使用該方法進(jìn)行補(bǔ)償。

4.1.3內(nèi)插與內(nèi)插誤差

當(dāng)各個傳感器均為獨(dú)立系統(tǒng)中并依據(jù)各自的系統(tǒng)時間完成目標(biāo)掃描，即異步掃描狀態(tài)時，需要進(jìn)行獨(dú)立處理。接引系統(tǒng)需要對每個傳感器上報(bào)的目標(biāo)航跡數(shù)據(jù)進(jìn)行飛行位置的內(nèi)插和外推，并將之折合到同一時鐘刻度和同一空間坐標(biāo)系后，方能進(jìn)行下一步的時空對準(zhǔn)處理。時間差自動檢測和補(bǔ)償就是為了解決各傳感器子系統(tǒng)的時間與接引系統(tǒng)的統(tǒng)一時間戳（即真實(shí)時間差）之間的時間誤差。經(jīng)過正北偏差角校正和坐標(biāo)匹配處理后，可以完成多個傳感器系統(tǒng)中上報(bào)同一目標(biāo)在固定時間維度固定位置坐標(biāo)系下的位置偏差修正，即正北偏差角校正和坐標(biāo)匹配的誤差修正。針對此時的誤差，需要進(jìn)行飛行目標(biāo)內(nèi)插、外推的誤差修正，使用其飛行姿態(tài)適配的內(nèi)插和外推算法進(jìn)行推算估計(jì)，再結(jié)合各個傳感器系統(tǒng)的正北分離偏差角和地球大地坐標(biāo)系的高斯投影等坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，有效計(jì)算出同一時間系、空間系下的飛行目標(biāo)位置信息。在時間軸對準(zhǔn)、時間差檢測與補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上，再通過適當(dāng)?shù)膬?nèi)插外推計(jì)算模型，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的“零延時”融合處理，多源數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)航跡刷新時刻顯示的目標(biāo)位置就是目標(biāo)當(dāng)前真實(shí)位置的最優(yōu)估計(jì)，而不是延時若干時間后的最優(yōu)估計(jì)。

4.2坐標(biāo)變換

4.2.1概述

在完成了時間軸對齊的時間差修正下，需要進(jìn)一步提高目標(biāo)的探測精度和各傳感器數(shù)據(jù)融合率，以滿足多傳感器接引系統(tǒng)中對坐標(biāo)變換的要求。

多傳感器接引系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理功能模塊中，各個傳感器的目標(biāo)信息應(yīng)當(dāng)處于同一個空間坐標(biāo)系下。因此需要將不同傳感器系統(tǒng)所處的地理位置信息進(jìn)行存儲，再結(jié)合其探測到的目標(biāo)位置信息，完成同一空間坐標(biāo)系的位置轉(zhuǎn)換。空間坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換帶來的計(jì)算誤差應(yīng)當(dāng)小于各個傳感器對于目標(biāo)的探測精度要求，否則將會造成目標(biāo)位置信息由于空間坐標(biāo)變換而導(dǎo)致探測精度下降的問題，該問題會導(dǎo)致目標(biāo)數(shù)據(jù)在處理過程存在無法進(jìn)行目標(biāo)相關(guān)、融合航跡精度小于單傳感器上報(bào)的航跡精度等的異常情況，從而大大降低的接引系統(tǒng)的性能。坐標(biāo)變換需要使用到地球橢球模型、地心大地坐標(biāo)系和高斯投影等數(shù)學(xué)模型，結(jié)合以歸化緯度（Conformal Latitude）為基礎(chǔ)的球面投影，最佳等效地球半徑等概念，并運(yùn)行這些概念完成轉(zhuǎn)換精度和算法復(fù)雜度均合理的坐標(biāo)變換數(shù)學(xué)模型和算法。

4.2.2點(diǎn)跡

在點(diǎn)跡數(shù)據(jù)中，目標(biāo)三維位置坐標(biāo)一般都以相對于傳感器天線的斜距、方位角、海拔高度三個傳感器原始探測參數(shù)的形式提供。點(diǎn)跡數(shù)據(jù)中的位置信息一般為目標(biāo)相對各傳感器系統(tǒng)的斜距、相對正北的角度、飛行的海拔高度三個信息。同時已知各傳感器的位置數(shù)據(jù)，包括經(jīng)度緯度和高度。根據(jù)各傳感器系統(tǒng)上報(bào)的目標(biāo)位置信息，結(jié)合傳感器系統(tǒng)所處的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，計(jì)算出目標(biāo)的經(jīng)度緯度和高度數(shù)據(jù)，即計(jì)算出目標(biāo)相對大地坐標(biāo)的位置信息，以此為所有目標(biāo)的統(tǒng)一空間坐標(biāo)系。需要進(jìn)行大地坐標(biāo)計(jì)算的的數(shù)學(xué)模型介紹如下：

1.以地心作為球心的正球模型計(jì)算公式;

2.因地球?yàn)闄E球形，與標(biāo)準(zhǔn)求模型存在一定的誤差，需要使用球模型下的地星坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式，在該公式中，等效地球半徑公式如下：

R=R.sqrt{[1-（2.ε2-ε4）.sin2φ0]/（1-ε2.sin2φ0）}

≈R.sqrt（1-ε2.sin2φ0）

R=6378.137km（地球赤道參考半徑）

ε=0.081819191（地球第一偏心率）

在上式中，φ0為各傳感器系統(tǒng)位置數(shù)據(jù)中的緯度。等效地球半徑由傳感器系統(tǒng)所在的緯度決定。

目標(biāo)由斜距方位角轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)的經(jīng)緯度如下：

（rh-β）→（λ-φ）：

cos（γ）=[（R+h）2+（R+C）2-rh2]/[2.（R+h）.（R+C）]

tan（λ-λ0 ）=sinβ/（ctgγ.cosφ0-cosβ.sinφ0）

tanφ=ctgβ.sin（λ-λ0 ）/cosφ0+tanφ0.cos（λ-λ0 ）

大地坐標(biāo)的經(jīng)緯度轉(zhuǎn)換到相對斜距、方位角：

（λ-φ）→（rh-β）：

cos（γ）=sinφ.sinφ0+cosφ.cosφ0.cos（λ-λ0 ）

tanβ=[cosφ.sin（λ-λ0 ）]/[sinφ.cosφ0-cosφ.sinφ0.cos（λ-λ0 ）]

rh2=（R+h）2+（R+C）2-2.（R+h）.（R+C）.cos（γ）

以上公式中，目標(biāo)高度、中心站點(diǎn)高度、中心站位置信息均為已知信息。方位角為相對正北的角度（即以Y軸為起點(diǎn)，順時針為正角度值，取值范圍為0°～360°）。

4.2.3航跡

在各傳感器已完成目標(biāo)跟蹤的航跡數(shù)據(jù)中，目標(biāo)的位置坐標(biāo)信息與點(diǎn)跡相同，均為相對于傳感器天線的斜距、方位角、海拔高度三個傳感器原始探測參數(shù)的形式。通過極坐標(biāo)與笛卡爾坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換可以獲取該目標(biāo)的X-Y坐標(biāo)信息。因航管雷達(dá)系統(tǒng)中常使用球面方位圓心距離進(jìn)行目標(biāo)投影顯示，需要將之轉(zhuǎn)換為相對地心的大地坐標(biāo)系，即經(jīng)度緯度和高度數(shù)據(jù)。利用目標(biāo)的投影X-Y坐標(biāo)、海拔高計(jì)算大地坐標(biāo)，所需數(shù)學(xué)模型如下：

1.以地心作為球心的正球模型計(jì)算公式;

2.作為橢球形的地球與正球型存在幾何形狀偏差引起的誤差，采用局部最佳的地球半徑說明如下：

X-Y坐標(biāo)信息到大地坐標(biāo)的經(jīng)緯度轉(zhuǎn)換如下：

（x-y）→（λ-φ）：

tan（λ-λ0 ）=4.（R+h）.x/{[4.（R+h）2-x2-y2].cosφ0-4.（R+h）.y.sinφ0}

tanφ=y.sin（λ-λ0 ）/（x.cosφ0）+tanφ0.cos（λ-λ0 ）

當(dāng)x=0時，

λ=λ0

sin（φ-φ0）=4.（R+h）.y/[4.（R+h）2+y2]

大地坐標(biāo)的經(jīng)緯度到X-Y坐標(biāo)信息轉(zhuǎn)換如下：

（λ-φ）→（x-y）：

x=2.（R+h）.cosφ.sin（λ-λ0 ）/[1+sinφ.sinφ0+cosφ.cosφ0.cos（λ-λ0 ）]

y=2.（R+h）.[sinφ.cosφ0-cosφ.sinφ0.cos（λ-λ0 ）]/[1+sinφ.sinφ0+cosφ.cosφ0.cos（λ-λ0 ）]

為了方便于進(jìn)行正北校正，也可以將上述 （x-y）→（λ-φ）換改造成（r-β）→（λ-φ）變換，因?yàn)檎逼钚Ｕ褪欠轿唤铅碌钠钚Ｕ?，這里，r=x2+y2為目標(biāo)在顯示平面內(nèi)對坐標(biāo)原點(diǎn)的平面距離。因此，雖然正北校正非常重要，但是從數(shù)學(xué)觀點(diǎn)看，它僅僅是坐標(biāo)變換的一個組成部分。斜距、方位角到經(jīng)度、緯度的變換（rh-β）→（λ-φ）已包含方位角β，可直接實(shí)現(xiàn)正北校正。

五、結(jié)束語

本文給出了一種多傳感器異構(gòu)數(shù)據(jù)接引的實(shí)現(xiàn)方法，描述了可適配的多源數(shù)據(jù)信號通信接口，數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)視和通道選擇，數(shù)據(jù)保護(hù)性預(yù)處理和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和時-空對準(zhǔn)處理。多傳感器異構(gòu)數(shù)據(jù)接引系統(tǒng)為終端區(qū)綜合監(jiān)視體制提供較為全面的飛行器信息，解決繁忙終端區(qū)監(jiān)視手段單一、匱乏等問題，是空中交通管制系統(tǒng)中重要的組成。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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