基于ADS-B 技術(shù)的地空導(dǎo)彈雷達(dá)校飛系統(tǒng)設(shè)計(jì)

擺衛(wèi)兵，劉 毅，李卓倫

（陸軍工程大學(xué) 軍械士官學(xué)校，湖北 武漢 430075）

0 引 言

地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)中的目標(biāo)搜索雷達(dá)和跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)的目標(biāo)探測精度是保證地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)射擊能否成功的重要因素。因此，在武器系統(tǒng)維修工作完成后，對雷達(dá)進(jìn)行校飛，確定雷達(dá)工作性能和精度是一項(xiàng)必不可少的重要工作。目前普遍采用的方法是使用空軍飛機(jī)進(jìn)行校驗(yàn)飛行[1]，這種方法成本高、協(xié)調(diào)難度大、實(shí)施困難。

ADS-B 系統(tǒng)是目前國際民航系統(tǒng)通用的一種空中交通管制系統(tǒng)，它是一種基于GPS 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)和地/空、空/空數(shù)據(jù)鏈通信的航空器運(yùn)行監(jiān)視新技術(shù)[2]。裝備了ADS-B 系統(tǒng)的民航飛機(jī)獲得機(jī)載GPS 的定位數(shù)據(jù)，然后將位置信息通過ADS-B 系統(tǒng)廣播出來。ADS-B系統(tǒng)定期向外傳輸飛機(jī)的狀態(tài)向量（水平和垂直位置、水平和垂直速度）和其他信息[3-4]。因此，接收民航飛機(jī)發(fā)送的ADS-B 廣播，將數(shù)據(jù)和地空導(dǎo)彈雷達(dá)對該目標(biāo)的探測數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，即可獲得和軍機(jī)校飛同等的效果。

1 總體方案

系統(tǒng)一方面接收民航飛機(jī)主動廣播發(fā)送的全球定位位置信息，并將其按照地空導(dǎo)彈雷達(dá)設(shè)備要求解算為距離、方位、高度、速度等信息；另一方面使用攝像頭同步捕獲記錄地空導(dǎo)彈雷達(dá)設(shè)備顯示的結(jié)果。最后將二者匯總比較，得出地空導(dǎo)彈雷達(dá)設(shè)備校驗(yàn)結(jié)果。系統(tǒng)工作流程圖如圖1 所示。

2 硬件方案

2.1 硬件總體方案

系統(tǒng)硬件由雷達(dá)界面捕獲攝像頭、加固筆記本、民航廣播接收模塊等部分組成。雷達(dá)界面捕獲攝像頭采用磁吸支撐桿固定在雷達(dá)屏幕前，自動捕獲雷達(dá)顯示界面，供用戶判讀目標(biāo)探測參數(shù)；加固筆記本是系統(tǒng)核心，運(yùn)行系統(tǒng)軟件；民航廣播接收模塊接收民航飛機(jī)ADS-B廣播。系統(tǒng)硬件組成圖如圖2 所示。

加固筆記本實(shí)物圖如圖3 所示。

2.2 民航廣播接收模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)ADS-B 標(biāo)準(zhǔn)，ADS-B 廣播的頻率為1 090 MHz。民航廣播接收模塊采用軟件無線電接收技術(shù)（SDR）。軟件無線電概念自1992 年MILTRE 公司首次明確提出以后，得到了快速的發(fā)展[5]。軟件無線電可以最小程度地結(jié)合通用硬件平臺，通過軟件編程而獲得多個(gè)頻段的通信能力。

根據(jù)軟件無線電的基本組成，模塊首先需要采用調(diào)諧器接收民航發(fā)送的ADS-B 信號，將接收到的射頻信號頻率轉(zhuǎn)換為某個(gè)固定的中頻；接著由解調(diào)器對中頻信號進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換、對信號進(jìn)行數(shù)字下變頻；然后由軟件對信號進(jìn)行解調(diào)、解碼等信號處理。模塊工作框圖如圖4所示。

調(diào)諧器采用Rafael Micro公司的R820T芯片。R820T是一款高性能低功耗高度集成的硅調(diào)諧器，集成了低噪聲放大器（LNA）、混頻器、分?jǐn)?shù)鎖相環(huán)、VGA 可變增益控制、電壓調(diào)節(jié)器和跟蹤濾波器[6]。R820T 工作頻率范圍為24～1 766 MHz，正好覆蓋ADS-B 所用的1 090 MHz。R820T 芯片的外部電路如圖5 所示。

解調(diào)器采用Realtek 公司的RTL2832U 芯片。RTL2832U 芯片是一個(gè)高性能支持USB 2.0 接口的DVBTCOFDM（編碼正交頻分復(fù)用）解調(diào)器[7]。RTL2832U 芯片可以實(shí)現(xiàn)A/D 轉(zhuǎn)換，對信號進(jìn)行數(shù)字下變頻為基帶正交IQ 信號。RTL2832U 芯片的外部電路如圖6 所示。

3 軟件方案

軟件是系統(tǒng)的核心，運(yùn)行在加固筆記本平臺，包括攝像頭控制、雷達(dá)數(shù)據(jù)判讀、數(shù)字無線電控制、ADS-B數(shù)據(jù)解算、目標(biāo)坐標(biāo)計(jì)算、數(shù)據(jù)庫存儲控制、Word 文檔輸出、Excel文檔輸出等模塊。系統(tǒng)軟件組成框圖如圖7所示。

攝像頭控制模塊對攝像頭硬件進(jìn)行控制，在接收到ADS-B 數(shù)據(jù)的時(shí)刻對雷達(dá)屏幕截屏。雷達(dá)數(shù)據(jù)判讀模塊提供界面讓用戶對各個(gè)時(shí)刻的雷達(dá)屏幕截屏進(jìn)行判讀，存儲雷達(dá)探測的目標(biāo)數(shù)據(jù)。數(shù)字無線電控制模塊對數(shù)字無線電接收模塊控制頻率和增益等參數(shù)，接收ADSB 數(shù)據(jù)。ADS-B 數(shù)據(jù)解算模塊根據(jù)ADS-B 協(xié)議對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，獲得目標(biāo)經(jīng)緯度、海拔等信息。目標(biāo)坐標(biāo)計(jì)算模塊根據(jù)目標(biāo)經(jīng)緯度、海拔等信息計(jì)算和雷達(dá)對應(yīng)的方位、速度、高度、仰角、距離等信息。數(shù)據(jù)庫存儲控制模塊采用SQL Server 數(shù)據(jù)庫對各種信息進(jìn)行管理。Word 文檔輸出模塊將用戶選擇的校飛航跡點(diǎn)結(jié)果數(shù)據(jù)按照固定的格式輸出成Word 文檔。Excel 文檔輸出模塊用戶選擇的校飛航跡點(diǎn)結(jié)果數(shù)據(jù)按照固定的格式輸出成Excel 文檔。軟件界面如圖8 所示。

4 目標(biāo)關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算

系統(tǒng)收到的ADS-B 廣播信息包含經(jīng)緯度坐標(biāo)，還需要進(jìn)行目標(biāo)參數(shù)計(jì)算。首先定義地球球心坐標(biāo)系：地球球心為原點(diǎn)O，赤道面上O指向0°經(jīng)度方向?yàn)閤軸正向，赤道面上O指向90°經(jīng)度方向?yàn)閥軸正向，垂直赤道面指向北極點(diǎn)為z軸正向。地球半徑R=6 371 004 m，π=3.141 592 6。地球球心坐標(biāo)系如圖9 所示。

那么空中一個(gè)點(diǎn)A的地球球心坐標(biāo)系坐標(biāo)（x，y，z）與經(jīng)緯度坐標(biāo)之間的關(guān)系如下：

式中：AL 是A點(diǎn)的海拔高度；LA 是A點(diǎn)的緯度；LO 是A點(diǎn)的經(jīng)度。

4.1 目標(biāo)徑向距離

設(shè)雷達(dá)所在的點(diǎn)為R點(diǎn)。根據(jù)三維坐標(biāo)距離公式，目標(biāo)A點(diǎn)相對于雷達(dá)的徑向距離可用式（2）求得：

4.2 目標(biāo)徑向速度

將上一時(shí)刻坐標(biāo)點(diǎn)位置定義為A點(diǎn)，本次坐標(biāo)定義為B點(diǎn)。

BA間直線距離為：

目標(biāo)相對雷達(dá)的徑向速度VRB用式（4）求得：

式中：SRB是雷達(dá)位置和B點(diǎn)的距離；SRA是雷達(dá)位置和A點(diǎn)的距離；TBA為BA兩點(diǎn)之間的時(shí)間差。

4.3 計(jì)算目標(biāo)方位角

目標(biāo)位置A點(diǎn)相對于雷達(dá)R點(diǎn)的方位角AAR按下面方法計(jì)算。

首先考慮特殊情況，結(jié)果為-1 表示無法計(jì)算。

情況1：A點(diǎn)經(jīng)度和R點(diǎn)經(jīng)度相同，即LOA=LOR或LOA-LOR=360°或LOA-LOR=-360°，則：

情 況2：LOA-LOR=180° 或LOA-LOR=-180°，則AAR=-1°。

情況3：兩個(gè)點(diǎn)分別在南北極點(diǎn)，即LAA-LAR=180°或LAA-LAR=-180°，則AAR=-1°。

不屬于特殊情況的，計(jì)算下面內(nèi)容。

A點(diǎn)和R點(diǎn)的球心夾角c：

由于sinc=，所以沒有根據(jù)象限修正的方位角為：

其中：

以R為中心，A相對R所在的象限來確定方位角修正方法。

A點(diǎn)相對R點(diǎn)的經(jīng)度差LOAR=LOA-LOR，緯度差LAAR=LAA-LAR。

如果：

-360°＜LOAR＜-180°且-180°＜LAAR＜0°，則為四象限；

-360°＜LOAR＜-180°且0°＜LAAR＜180°，則為一象限；

-180°＜LOAR＜0°且-180°＜LAAR＜0°，則為三象限；

-180°＜LOAR＜0°且0°＜LAAR＜180°，則為二象限；

0°＜LOAR＜180°且-180°＜LAAR＜0°，則為四象限；

0°＜LOAR＜180°且0°＜LAAR＜180°，則為一象限；

180°＜LOAR＜360°且-180°＜LAAR＜0°，則為三象限；

180°＜LOAR＜360°且0°＜LAAR＜180°，則為二象限。

然后：

4.4 相對雷達(dá)高度

飛機(jī)當(dāng)前位置B點(diǎn)相對雷達(dá)R點(diǎn)高度為B點(diǎn)海拔減去R點(diǎn)海拔。

4.5 相對雷達(dá)仰角

在不考慮地球弧度的情況下，飛機(jī)相對雷達(dá)的仰角β為：

5 誤差分析

系統(tǒng)將通過ADS-B 接收到的信息轉(zhuǎn)換成地空導(dǎo)彈雷達(dá)在坐標(biāo)系中的目標(biāo)參數(shù)，系統(tǒng)接收的單個(gè)民航飛機(jī)目標(biāo)一個(gè)時(shí)間段內(nèi)的參數(shù)和經(jīng)過軍用飛機(jī)校飛的某型號地空導(dǎo)彈雷達(dá)對同一目標(biāo)的測量結(jié)果對比顯示，二者之間的最大距離誤差沒有超過50 m。經(jīng)過誤差分析，誤差主要來源于雷達(dá)照射測量目標(biāo)的中心點(diǎn)位置和民航飛機(jī)安裝定位系統(tǒng)的位置之間存在的偏差和飛機(jī)定位誤差。民航飛機(jī)長度一般不超過80 m，GPS 定位系統(tǒng)最大定位誤差為20 m。因此，最大誤差值不超過100 m。這完全符合大部分地空導(dǎo)彈雷達(dá)的校飛要求。

6 結(jié) 論

本文采用數(shù)字無線電接收方式接收民航飛機(jī)發(fā)送的ADS-B 廣播，開發(fā)配套軟件，將數(shù)據(jù)和地空導(dǎo)彈雷達(dá)對該目標(biāo)的探測數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，從而實(shí)現(xiàn)地空導(dǎo)彈雷達(dá)校飛。從使用效果看，基于ADS-B 技術(shù)實(shí)現(xiàn)的地空導(dǎo)彈雷達(dá)校飛系統(tǒng)無需協(xié)調(diào)工作，可以隨時(shí)方便地開展校飛，校飛成本低。